并联机床专题讲座并联1
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
并联机床专题讲座PPT课件
(d) ≤ 38 o
Stewart平台控制轴最短距离与刀具自转角的关系
120 180 刀具转角 Θ / (o)
.
14
2 并联机构精度和标定技术的研究
对XNZ2010进行标定试验
一种用于空
开发了适用于工业现场环境的并联机 间全位置和
构预标定算法；利用单自由度的相对 位置信息的测量，实现了基础平台铰 链点位置矢量的标定。研究了基于少
compensated
0.03
0.02
0.01
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
i
erra(mm) erra(mm)
如果不考虑铰链安装误差，补偿率 r = 85.8 % 如果考虑铰链安装误差的扰动，补偿率r = 36.5%
.
16
3. 并联机床动力学
(1) 并联机床刚度分析
• 利用解析法和有限元法，研究了并联机床的 刚度特性及其分布规律，两种结果的误差小 于15％，证实了刚度模型的可靠性和准确 性，为基于刚度的并联机床设计提供了理论 依据。
.
12
(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
姿态的测量 方法及其装 置
自由度测量信息的标定技术。
.
15
铰链间隙的误差补偿算法
0.4
0.35
uncompensate
基于并联技术的民用大飞机数字化装配机床
２ ’’ｃ １ｔ Ｌ术 核 心 模 块 １ ｉｅ）Ｓ Ｊ ｒ
５ 自动 换 刀及 更换 螺 栓 夹 持 盘 装 置 ： ）
１ ．并联机构仅 有 ６个关 节，１ 自由度． Ｏ个 ．故其 刚性、动态性能及高速 性能大幅提高 ： ２ ．动 态 刚性 一致 性好 ： 并联 机床 下 平 台主轴 该 无论 处于加 工范围的任何 位置，其 动态特性 都保 持高
度 一 致 ， 为最 佳 切 削 参 数 的 选 择 提 供 了保 证 ， 用 于 飞 机 大 型 铝 合 壁 板 的 加 工 ， 性 能优 于 传 统 的 龙 门铣 床 ：
６ 多规格螺栓 自动 上料装置 ： ） ７ ）十字激光及 红外线无线侧头测量装置 ：
３ ．该机 床加 工范 围 大， 突破 了传 统并 联机 构工 作空 间小 的局限性 ： 且在工 作区域 内可 实现 ５到 ６面 及全 部复合角度的位置加 工 ： ４ 该机床 可实现高速加工 。 ． 由于运动部 分质量轻， 故很 容易实现 高速度及 高加速度运 动，可 以实现高速
用高锁螺栓 或铆钉将其连 成一个 整体 ，故需要大量 的 制孑 工作， 目前在我 国， 这项工作基 本上还是靠 人工 Ｌ 完成，工 作效 率低、 劳动 强度大，质 量难 以保证 。若 采 用五轴联动数控机床 ＮＴ ， Ｌ 将提高工作效率数十 倍，
加工质量稳定。
应 用机床来实现 自动 制孔， 机床需实现 以下几点 ：
３ 新 ・ 并联 机 床 核 心 模 块 代
哈量集 团与哈尔滨 工业大学联合研发了 Ｓｅ ａｔ ｔ ｒ平 ｗ
江
（ ）实现按区域分段建立工 件坐标 系 ： １ 采用机床 自动ＮＴ ，首 先要做 的是 建立工件坐标 Ｌ 系，壁板装在 型架 之后 ，通过检测， 得到机床 、型 架 及壁板 之间的相对位置 关系，由于机床 Ｕ轴工作行
并联机床的运动控制系统设计与实现
并联机床的运动控制系统设计与实现随着工业技术的不断发展，机床的控制系统也在不断地更新换代。
而并联机床是近年来推广较为广泛的一种机床类型，它与传统机床相比具有更加灵活、高效等优点。
本文将重点探讨并联机床的运动控制系统设计与实现，让我们一起来了解一下。
一、并联机床的概述首先，我们需要了解并联机床的基本概念和组成结构。
并联机床即指由多个运动副组成的机床，其中每个运动副都相互独立，但又能够通过同步器实现同步运动。
它的关键组成部分包括传动机构、力传递机构、同步控制机构以及运动控制系统等。
与传统的串联机床相比，由于每个运动副都相对独立，因此并联机床更加灵活，能够同时完成多项生产任务，提高生产效率。
同时，它的运动轨迹设计非常灵活，可以根据不同的工件需求进行自由调整。
二、运动控制系统设计运动控制系统是并联机床非常重要的组成部分，它的功能是控制机床的各个运动副的运动状态，使得整个机床能够按照预定的轨迹完成所需的加工任务。
下面，我们将对运动控制系统的设计进行详细介绍。
1、控制算法的选择在设计运动控制系统时，需要确定采用何种控制算法来进行控制。
目前常见的并联机床控制算法有PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。
不同算法有各自的优劣势，因此需要根据实际需求进行选择。
2、动力学建模在进行控制算法设计前，需要先对并联机床进行动力学建模，建立运动副之间的运动关系，并推导出各运动副的动力学方程。
这样才能够针对不同的加工任务进行控制算法的设计。
3、控制系统硬件设计并联机床的运动控制系统硬件设计包括电机和伺服控制器的选型、功率放大器的设计、传感器的选用等。
需要根据机床的使用需求和性能要求进行选择。
4、控制系统软件设计控制系统软件设计包括编程语言的选择、控制算法的软件实现、程序调试等。
要确保软件的可靠性和稳定性，程序错误及时排除，保证机床正常运行。
特别是控制算法的软件实现，需要保证其对不同加工任务的适应性和实时性。
三、运动控制系统实现在完成运动控制系统设计后，需要进行实现。
科技成果——并联机床关键技术
科技成果——并联机床关键技术成果简介为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业正在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在结构技术上的突破性进展当属九十年代问世的并联机床（Parallel Machine Tool），又称虚（拟）轴机床（Virtual Axis Machine Tool）或并联运动学机器（Parallel Kinematics Machine）。
并联机床是以并联机构作为进给传动机构的数控机床。
这种新型制造装备在构思上体现了现代系统集成的思想，在功能上是加工、测量、装配与物料搬运等多种工艺过程的集成，在性能上是高刚度、高精度、高速度、高柔性、轻重量、低成本的集成，是知识经济初见端倪的高科技数控加工装备。
于1998年10月得到天津市科委“95”重点科技攻关项目资助，开展了可实现三平动自由度并联机床的设计理论、关键技术和样机建造工作，旨在国内率先开发出一台具有国际领先水平的，可完成自由曲面加工的三轴联动并联机床产品化样机。
该项目于1999年2月被列入“211”工程跨世纪标志性成果管理项目，同时得到天津第一机床总厂的参与和支持。
技术原理所研制的三平动自由度并联机床采用3-HSS并联机构作为传动进给机构（在此，H—螺旋副，S—球面副），由底座、动平台和三对立柱——滑鞍——支链组成。
每条支链中含三根平行定长杆件，各杆件一端与滑鞍，另端与动平台用球铰连接。
滑鞍由伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动，沿安装在立柱上的滚动导轨作上下移动。
该机床主要用于三坐标高速铣、镗加工。
关键技术（1）柔性并联机床总体结构概念设计和虚拟样机设计；（2）主模块工作空间与灵活度分析，以及结构参数尺度综合技术；（3）主模块单元控制和在线精度补偿技术，以及静、动刚度预估与评价技术；（4）多主模块协同控制核心算法，以及硬件匹配和编程技术。
技术水平天津质量监督局第12站对样机的检测结果表明，各项性能指标已经达到天津市科委立项合同中的各项指标。
并联机器人-课件PPTb第1章 并联机器人概述
1.1.5 并联机器人的特点
6）完全对称的并联机构具有较好的各向同性， 也使完全对称的并联机器人具有较好的各向同性。
7）并联机构的各运动支链的结构相同时，有 利于并联机器人的制造。
8）在位置求解上，并联机器人的运动反解容 易，运动正解困难，这有利于并联机器人的控制。
9）并联机构的使用寿命长。
1.2 并联机器人的分类
构件是机械系统中能够进行独立运动的单元体。 在并联机构中，刚性构件主要是连杆，弹性或柔性 构件主要是柔索。
运动副是指两构件既保持接触又有相对运动的 活动联接。在并联机构中，运动副有转动副、移动 副、螺旋副、圆柱副、虎克铰和球面副等，多为面 和面接触的低副。在机械工程中，通常又称这些运 动副为关节或者铰链。
(3) 并联机构的类型
图1-3 2-PRR的2自由度并联机构 图1-4 3-RPS的3自由度并联机构
(3) 并联机构的类型
图1-5 4-UPU的4自由度并联机构
图1-6 3-5R的5自由度并联机构
(3) 并联机构的类型
图1-7 6-UPU的6自由度并联机构 图1-8 4-SPS/S的3自由度冗余驱动并联机构
混联机器人
五自由度混联机器人
混联机器人
五自由度混联机器人
1.2.4 按并联机器人的连杆的刚度分类
按并联机器人的连杆的刚度，并联机器人可以 分为刚性和柔性并联机器人。
刚性连杆的并联机器人为刚性并联机器人。刚 性并联机器人的连杆由刚性的杆件组成，刚性的杆 件能受拉力和压力，变形量小，可使并联机器人有 高的精度。刚性并联机器人的运动支链主要是液压 缸、直线电机、滚珠丝杠和普通刚性杆，支撑或拉 动平台。
例：三D打印并联机器人
汽车纵横双向驻车坡度角检测并联机器人
《并联机床》PPT课件
绪
论
并联机构〔parallel mechanism〕是一组由两个或 两个以上的分支机构并联而成的。所有分支机构可同时 承受驱动器输入，而最终共同给出输出。并联机构在机 构学上是多路闭环机构。动平台输出输入
并联机构及其拓扑机构
《数 控 原理》
静平台
绪
论
并联机床的主轴(动平台)与机座(静平台)之 间采用并联构造。它没有滑台，没有导轨，而 只用几根可自由伸缩的驱动杆带动主轴箱、带 着刀具〔或工件〕在空间运动，由计算机通过 复杂的数学运算完成加工任务。并联机床具有 承载能力强、响应速度快、精度高、机械构造 简单、适应性好等优点，是一种“硬件〞 简单、 “软件〞复杂、技术附加值高的产品。
《数 控 原理》
绪
论
并联机构的特点
• 载荷/质量比大 • 响应速度快 • 便于模块化设计 • 布局形式灵活多样 • 控制复杂 • 工作空间相对较小 • 灵活度差 • 与串联构造互为补充〔对偶关系〕
《数 控 原理》
绪
论
传统机床与并联机床的综合性能比较
《数 控 原理》
绪
论
VARIAX 型加工中心
IMTS’ 94 美 国 Giddin gs&Le wis公 司首次 展出 Variax 型并联 运动学
《数 控 原理》
• 欧洲第一 台商品化 的并联机 床。由欧 共体 Esprit高 科技研究 方案资助， 有4家德 国的单位 参加。
《数 控 原理》
绪Linapod立式论 加工中 心
• 德国 斯图 加特 大学 机床 控制 研究 所 ISW
《数 控 原理》
绪
论
SKM400型卧式加工中心
• 德国 Heck ert公 司
并联机床的基本原理
并联机床的基本原理
并联机床是一种多轴联动的机床系统，它由多个独立运动的机床组成，并通过控制系统实现协同工作。
其基本原理包括以下几点：
1. 独立运动：并联机床中的每个单独的机床可以独立运动，并根据加工任务的不同进行相应的动作。
2. 协同工作：通过控制系统对各个机床进行协同控制，使其在同一时刻进行协同动作，完成复杂的加工任务。
3. 分工协作：并联机床中的每个机床可以承担不同的加工任务，通过合理的分工协作，提高加工效率。
4. 并联机构：并联机床中的每个机床通过并联机构与其他机床连接，实现相对的运动关系。
常见的并联机构有平行机构、串联机构等。
5. 控制系统：通过控制系统对各个机床的运动进行协调和控制，实现多轴联动，保证加工精度和工件质量。
总的来说，通过独立运动、协同工作和分工协作，利用并联机构和控制系统的协同控制，实现多个机床的协同加工，提高加工效率和精度。
并联机构、并联运动机床
3.2并联机床的特点
3.4 国内并联机床研究
燕山大学黄真教授VAMT1Y
3.4 国内并联机床研究
哈尔滨工业大学加工汽轮机叶片并联机床
数控镗铣虚拟轴机床
3.4 国内并联机床研究
V100型并联车削中心
3.4 国内并联机床研究
哈量LINKS-EXE700并联机床
四、并联机构的其他应用
飞行模拟器
四、并联机构的其他应用
传统机床与并联机床的综合性能比较
3.3 实用阶段的并联机床
6X Hexa 立式加工中心
3.3 实用阶段的并联机床
КИМ-750型测量机 美国Hexel公司的P2000型5轴加工铣床
3.3 实用阶段的并联机床
德国Herkert机床公司SKM400型卧式加工中心
3.3 实用阶段的并联机床
德国DS-Technologie公司Sprint Z3型动力头
3D打印机
天文望远镜
四、并联机构的其他应用
医疗手术
在2O世纪9O年代中期问世的并联机床，正是为 解决传统机床存在的问题而进行的一种新的尝试。
3.1早期的并联运动机床
Variax 型加工中心
3.1早期的并联运动机床
美国 Ingersoll公司 VOH 600
3.1早期的并联运动机床
美国 Ingersoll公司 HOH 1000
3.2并联机床的特点
并联机床(共10张PPT)
六杆并联机床
介绍一种结构新颖、高速加工用的并联运动机床。 它采用5杆并联机构和5环驱动的主轴部件，在并联运动 机构理论上有所突破，从而实现主轴部件的偏转角大于 90º，能够真正实现5轴联动、5面加工。
创新在于：首次采用5杆并联机构和5环驱动的主 轴部件，在并于90º，能够真正进行5面加工。
伺服电动机 万向铰链
环形铰链
主轴部件
滚珠丝杠
崭新的5杆配置使机床具有以下特点：
介绍一种结构1新)颖机、高床速加运工用动的并部联件运动的机床质。 量很小，采用功率小的驱动装置就可以达到很 高的加速度，所产生的惯性反作用力也非常小。 一次装夹，完成5面、5轴联动加工曲面的例子（汽车模型外形）如图所示。
2) 采用封闭框架结构和对称配置，使机床工作时产生的力 。
传统数控机床是按笛卡尔坐标将沿3个坐标轴线的移动 X、Y、Z 和绕3个坐标轴线转动 A、B、C的控制依次串联叠加，形成所需的刀具运动轨迹
尽可能相互抵消，从而保证机床的高动态性能。 。
1) 机床运动部件的质量很小，采用功率小的驱动装置就可以达到很高的加速度，所产生的惯性反作用力也非常小。 按笛卡尔坐标控制沿3个轴线的移动和绕2个轴线的转动 六轴联动的并联机床有六个自由度，可用于加工具有负杂曲面的零件。 并联机床（虚拟轴机床）：有六根驱动杆并行连接在固定平台和活动平台之间，每根杆的两端均采用球面支撑，刀具装在活动平台上。
新型五自由度并联机床机构学分析与控制系统开发
3、执行系统设计与调试：执行系统是控制系统的核心，需要根据控制系统 的指令实现对机床各轴的精确控制。执行系统的设计需要考虑执行器的选型、驱 动电路的设计等因素。在执行系统的调试过程中，需要通过对系统的性能进行测 试和优化，确保执行系统能够准确无误地完成控制任务。
参考内容
引言
并联机构是一种具有多个自由度的机器人机构，其运动学和动力学特性相较 于串联机构具有更高的复杂性和挑战性。三自由度并联机构作为并联机器人的一 种重要类型，具有广泛的应用领域，如制造业、医疗行业和航空航天等。然而， 其分析与控制策略的研究仍具有一定的难度和挑战性。本次演示将围绕三自由度 并联机构的运动学、动力学和控制策略等方面进行分析和研究。
三自由度并联机构的控制策略研究是实现其精确控制的关键。常用的控制策 略包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。这些控制策略的应用有助于实现 对三自由度并联机构的精确控制，提高其运动性能和稳定性。例如，PID控制可 以通过对误差信号的实时处理，实现对机构运动的精确调节。模糊控制可以通过 对不确定信息的处理，提高机构的鲁棒性和适应性。神经网络控制可以通过对历 史数据的学习和优化，实现对机构运动的智能控制。
机构学分析
新型五自由度并联机床机构主要由直线运动系统和并联机构组成。直线运动 系统实现沿X、Y、Z轴的移动，而并联机构则实现绕X、Y、Z轴的旋转。这种机构 的设计原则在于通过多轴联动，实现对加工对象的复杂形状和结构的准确控制。
新型五自由度并联机床机构的应用优势主要包括以下几点：首先，该机构具 有高刚性和高精度，能够确保加工过程的稳定性和准确性。其次，该机构采用并 联结构设计，具有自适应能力强、避障能力强等特点，可有效降低机床自身的误 差。最后，该机构具有广泛的应用领域，适用于航空、汽车、船舶等众多行业的 零部件加工。