并联机床专题讲座并联1

并联机床专题讲座
清华大学 精仪系制造所 王立平
2019年11月19日
并联机床（PMT, Parallel Machine Tool ）又称并联运动 学机器（PKMs, Parallel Kinematics Machine）或虚（拟） 轴机床(Virtual Axis Machine Tool) ，是并联机器人技术和现 代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人 的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床（可以完成机 床的切削任务），又可以看作是机床化的机器人（可以完 成许多精密的机器人作业）。它能够提供机器人的灵活与 柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的 新型机电设备。
1. 并联机床运动学
(1) 基于空间模型理论的并联机构设
计方法及新机构的创新研究
研究方向： Stewart平台等6自由度并 联机构——转向少自由度和串并混联 的机构。
研究少自由度机构尺寸和性能之间的 关系，进一步研究机器人的性能随尺 寸变化的一般规律，从而达到依据性 能图谱进行机构设计的目的，为机构 尺寸设计这一难题提供了一条有效途 径。
l1=l2=1150 l1=l2=1200 l1=l2=1250
XNZ2019 作业空间的边界
两支链距离 d/(m)
0.3
两支链距离d/(m)
0.3
0.1
0.1
-180
-120
-60
0
60
(a) ? ≤ 35 o
120
180
刀具转角 Θ / (o)
两支链距离d/(m)
0.3
-180
-120
-60
0
(2) 非线性方程组解集边界求解算法
并联机构的结构特点决定其 输入和输出运动之间具有复杂的 非线性关系，因此在机构的运动 学、动力学、作业空间、误差分 析及运动控制中均涉及大量的非 线性方程组求解。
基于流形理论和数值连续算法 , 研究和开发了一种含参数的非线 性方程组的解集边界求解算法， 可以直接搜索出一个非线性系统 的解集边界，计算速度快、效率 高。已经针对作业空间和机床运 动精度建立了数学模型。
提出了多种有重要应用的并 联机构，这些并联机构可广泛地应用 在工业机器人、微动机器人、少自由 度飞行模拟器和并联机床等领域，已 经申请多项发明专利，为开发具有中 国知识产权的相关产品提供保证。
一种空间三自由度并联机器人机构
两维移动两维转动四轴并联机床结构
两维移动一维转动三轴并联机床结构 一种四自由度并联结构
二、并联机构的应用
随着并联机构技术应用的深入，并联类构型已不仅仅局限于并 联机床等加工类设备，而被广泛的应用于人们生产和生活的各个方 面，如航空航海领域、加工制造、装配领域、轻工业领域和医疗器 械领域、特种加工、微动机构、测量作业、焊接、铆接、土方挖掘、 煤矿开采、娱乐设施、天文望远镜、机器人手臂和灵巧眼等很多方 面。
60
(b) ? ≤ 36 o
120
180
刀具转角 Θ / (o)
两支链距离 d/(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ) 0.3
0.1
0.1
进入八十年代以后，随着工业机器人应用的发展，机器人 的研究逐渐成为热点，工业机器人结构向着多样化的方向发展 。人们开始认识到并联机构运动结构的重要性。在随后的十多 年间， Hunt、Fichter、Gosselin等对并联机器人和并联机构的理 论进行了广泛深入的研究，取得了不少研究成果。如由 Clavel在 1986年提出的 DELTA机构、由 Pierrot在1991年提出的 Hexa机构 、由Herve在1992年提出的 Star机构、由Tsai在2019年提出的 Tsai 机构和由Hebsacker在2019年提出的Hexi-glide机构等等
图1.1 Giddings& Lewis 公司的 VARIAX
图1.2 Ingersoll 公司的 Haxapod
国内从2019年由清华大学和天津大学共同开始研究并联机床，并于2019年研制 成功了VAMT1Y型桁架式六轴并联机床原型样机。东北大学、哈尔滨工业大学、天 津大学等在其后分别推出了结构各异的并联机床。
目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，九十年代中期， 美国、英国、德国、俄罗斯、瑞士、瑞典、日本等国家的有关研究机构和机床厂 家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床。 1994年，美国芝加哥国际 机床博览会上，美国 Giddings& Lewis 公司和Ingersoll公司展出了 最早的两台 并联机床，如图所示。
⑷ 功能性强：并联机床的主轴平台可以具有3-6个自由度，能 灵活地实现空间姿态，提供较强的加工、装配、测量等能力；
⑸ 结构灵活、成本低 ：并联机床构型多样、结构简单、部件 少、重组性强，便于模块化设计。具有“硬件”简单，“软件 ”复杂的特点，因此制造成本较低。
一、 并联机构的发展
并联机构的构想可以追溯到 1895 年，但直到 1948年才由 Gough真正将并联机构运用于实践，设计出一种 轮胎操作机 。 1965年，Stewart首次提出一种 6条腿连接静平台和动平台的 6自 由度并联机构，作为 飞行模拟器 ，该并联机构被称之为平台。 并在1978年，由 Hunt提出可以应用 Stewart平台作为 机器人机构 。
与传统机床相比，并联机床具有如下优点：
⑴ 刚度重量比大 ：传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆 ，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力；
⑵ 精度高：并联机床刀具的运动由各独立支链的进给驱动共 同提供，不存在串联的误差积累，理论上比串联机床容易达到 较高的精度；
⑶ 响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效的改善了 伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加 速度，因而特别适用于各种高速数控作业；
图2.1 并联机构用于医疗器械
图2.2 飞行模拟器
图2.3 Delta 并联机器人用于食 品包装机
图2.4 24个自由度的机器人手臂
图2.5 并联机构应用于电子行业
图2.6 游戏动感椅
三、并联机床研究进展
1. 并联机床运动学 2. 并联机床精度与标定 3. 并联机床动力学 4. 并联机床切削性能与工艺 5. 并联机床数字化快速开发平台 6. 并联机床产业化进程