并联运动机床 三杆并联运动机床
并联运动机床概述
并联运动机床概述并联运动机床是指多个工作台或刀架可以同时进行运动的一种机床。
它通过使用多个独立的工作台或刀架，使得机床在同一台机床上可以同时进行多个加工操作。
这种机床一般由主轴、驱动装置、工作台和控制系统组成。
并联运动机床在工业生产中具有广泛的应用，可以提高工作效率，节约生产成本，对于批量生产和多种类型产品的加工都具有较大的优势。
首先，从加工效率上来看，由于并联运动机床可以同时进行多个工艺操作，可以大大缩短加工时间。
例如，在铣床和镗床的组合机床中，通过同时进行铣削和镗削操作，可以使得零件的加工时间减少一半以上。
这对于生产效率提高有着明显的作用。
其次，从生产成本上来看，由于并联运动机床可以在同一台机床上完成多个工艺操作，减少了物料的输送和处理环节，降低了生产线的长度和设备数量，节约了生产空间。
同时，只需要一个操作工人，减少人工成本。
另外，并联运动机床的能耗也较低，不仅节能环保，还能降低生产成本。
此外，并联运动机床还有以下几个优点：一是具有高精度和高稳定性，可以保证产品的质量和稳定性。
二是具有较强的适应性，可以根据不同的加工要求进行调整和改装。
三是具有较好的安全性，由于多个工作台或刀架可以同时进行运动，避免了工件的迎剪和碰撞现象，减少了事故的发生。
不过，并联运动机床也存在一些不足之处。
首先，由于机床结构复杂，维护和保养难度较大。
其次，并联运动机床的控制系统需要进行复杂的编程和调试，需要专业的技术人员进行操作和维护。
另外，并联运动机床的投资成本较高，对于一些小企业来说可能承担不起。
综上所述，并联运动机床具有较高的加工效率和生产效果，对于提高企业的生产能力和竞争力有着积极的作用。
随着制造业的发展，越来越多的企业开始采用并联运动机床。
未来，随着科技的不断进步和机床制造技术的提高，相信并联运动机床会在产业生产中发挥越来越重要的作用。
常见机构
为了解决传统数控加工缺点，德国DS-Technologie公司（www.ds-technologie.de）按照飞机结构件加工工艺的特点，独创性地推出采用并联运动机构的Sprint Z3型主轴头，其内部构造如图4所示。
从图4可见，3个伺服电动机通过滚珠丝杠驱动3个按120°分布的滑板各自沿其线性导轨移动，然后滑板带动摆动杆，通过万向铰链驱动运动平台，构成三杆并联运动机构，使安装在运动平台上的电主轴可向任何方向作45° 偏转。
偏转定位速度达80°/s，加速度685°/s2。
主轴在Z轴方向的最大行程可达670mm。
应该指出的是，Sprint Z3型主轴头的所有零部件，包括伺服电动机、电主轴、线性导轨、轴承和万向铰链都是经过实际考验的标准化零部件，由专业厂家生产，在各种数控机床中已经获得广泛的应用，机构的可靠性能够获得充分保证。
主轴头中尽管有3个伺服电动机和1个电主轴，但它们相互之间是独立的，各自的电缆和管道没有任何联系，这就省去了复杂的连接和密封结构，大大简化了主轴头的维护工作。
电主轴是套装式的，可以安装不同规格型号的电主轴：例如，80kW、 3 0 0 0 0 r /m i n、4 6N²m，或7 5 kW、 24 000r/min、72 N²m，以及不同的刀柄接口：HSK-A63或HSK-A63/80。
更换电主轴也非常方便，可在2h以内完成。
Sprint Z3型主轴头的外观如图5所示。
7-6 Ecospeed型5坐标卧式加工中心图7-7 Sprint Z3从图中可见，在主轴部件套筒的内壁上有按照120°分布的轴向导轨，伺服电动机驱动导轨上的滑板前后移动。
滑板通过板状连杆和万向铰链与主轴部件的壳体相连。
如果3块滑板同步运动，则主轴部件作Z方向的前后移动。
如果某一个伺服电动机单独驱动滚珠丝杆，可以通过万向铰链使主轴部件沿A或B坐标在±40°范围内摆动。
新型三自由度并联机床概念设计与运动分析
１ 上虎 克铰 （ 动 平 台相 连 接 ） 两 个 转 轴 轴 ） 与 的 线 与下 虎克 铰 （ 静 平 台连 接 ） 两 个 转 轴 轴 线 相 与 的
互 平行 ；
与 两平 台 联 接 ， 间 有 一 平 动 机 构 使 平 台保 持 平 中 动 。通 过 三根 杆 的伸 缩 使 活 动 平 台带 动 磨 头 在 空
国 内有 许 多科 研 院 所 对 少 自由度 并 联 机 床 进
平台和三个长度相 等的定长杆 组成 ， 固定平 台、 运 动平 台和定长杆件通过 虎克铰相连 。该机构有 以
下 特点 ：
行了研究 ， 如东北大学研制的 ３ＰＴ型并联机床 ， 一１ ｒ Ｊ
应 用 于钢 铁 企 业 中 的钢 锭 修 磨 。其 固 定 平 台与 活
ｇ
∑ 一 ６ Ａｌ （一 ）
（） ４
￥４ １ ０ ０ ０ Ｌ ｏＯ 一ＬｉＯｉ￣） ＝（ ， ， ； ，ｃｓ ， ｓ ｓ ｎ ｎ
运动链 。分析时， 可将具有两个 自由度 的虎克铰用 两个转动副来等值代替。这样 ， 相当于有 ４个运动
１ ４期
王 海东 ， ： 型三 自由度 并联机床概念设计与运动分析 等 新
副 。这 ４个运 动 副均 以线矢 表示 ， 应用 螺旋 理论 ， 该
支链 的运 动 螺旋 可表示 为
￥１ １０ ０； ， ， ） ＝（ ， ， Ｏ ０ ０
１ 新 型三 自由度并联机床 的结构设计
由于 并联 机床 的设 计 是 以并 联机 构 为基 础 的 ， 而并 联机 构 的运 动关 节 中通 常 包 含 有 一 些 复 合 运 动副 ， 如球 副 、 克 铰 、 行 四杆 机构 等 。为 了构 造 虎 平 三 自由度 新 型 并 联 机 床 ， 首先 分 析 定 义 为 运动 副 的运动 特点 。
三支脚并联运动机床的特点及典型应用
（ ）一 次性 装 夹 完 成 多面 加 工 ２
机 床 的 灵 活性 很 强 ，其主 轴 矢 量 方 向可 以 覆盖 空 间
关节的 回转运动均采用轴承 ，没有球铰链 ，故关节
点结构简单 ， 制 造 容 易 ， 精 度保持性好 ， 维 修 方 便 。 图２ 所 示 为 关 节 点 结构示意 图， 回 转 座 ２ 过 通
轴 承 １ ６ 水 、 绕 平 轴 旋 转 ， 电 动 机 座 ４通 过 轴 承 ３、 ５ 竖 绕
（ ）应用 灵活 ４
三支脚并联机床既 可设计成
常规加工中心 ，又可安装于龙门架上 ，或装置于行 走轨道上 ，以小加 工大 ，加工精度均 由并联结构 自
身 保 证 ，即 根 据 用 户的 需 要 设 计不 同 的结 构 形 式 满
足 用 户加 工 需要 。
示 为 支 脚进 给 传 动示 意 图 。三 支脚 并 联机 床 的 所 有
难于 制 造 ，使其 成 为 所有 并 联 机 床 的突 出问题 ，三 支脚 并 联 机床 成 功 解 决 了这 一 技 术难 题 ，其 关节 点
的任意方向，这种独特 的性能使得并联机床从理论
上 能 够 在 一次 装 夹 便 可加 工工 件 的所 有 面 ，能够 在
一
次装夹内便可完成５ （ 面 甚至６ 面）的加工 ，轻松
一
触 。 ④为 保证 支 撑 工作 时 的稳 定 ，我们 设 计 了 定位 伸 缩杆 。伸缩 杆 可 随 着工 件 的调 节 上 下移 动 ，避 免 了工件 的 左右 摇摆 。
基于PMAC的三自由度并联机床数控系统硬件开发
硬件控制 系统 。测试结 果表明 ，系统设 计合理 ，能准确 的控制并联机床 的动作 。
关 键词 ：三 自由度 ；Ｐ Ｃ ＭＡ ；数控系统
中图分 类号 ：Ｔ ６ Ｈ１４ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１７ —７ ３ （０ ８０ —０ １ —０ ６３ ９８２０）３ ０６ ３
０ 前
言
床的 ｘ向、 向和 ｚ向的运动。当三个螺旋副作为 Ｙ 机床的三个驱动 副时 ， 通过伺 服电机驱动三个 螺旋 副运 动 ， 而实现 刀 具 的位 置 参 数 改 变 。本 文 所 开 从 发设计的三 自由度 串并联机床的滚珠丝杠采用了水
滑鞍 和动平 台相 连 ； 鞍 由伺 服 电机 和 滚 珠 丝 杠 螺 滑 母 副驱动 ； 根滚 珠丝 杠水 平安 装 于静平 台上 ， 过 三 通 联轴 器与 伺服 电机 相连 。各 支链 中的两 等长杆 件 在
结构上保持平行 ， 形成平行 四边形结构 ， 限制动平台
绕坐 标轴 的转动 ， 构成 三 自由度 三平 动结 构 ， 实现 机
安装 Ｐ ＷＩ Ｅ Ｎ软件 是 使 用 Ｐ ＭＡＣ的基本 要 求 ， 在使 用 Ｐ ＷＩ Ｅ Ｎ之前 必须 进行 通 讯设 置 。所 用 的设 置 是用 过操 作系 统 的控制 面板 上 的“ 电机 控 制 ” 完 来 成 的 。在此 之前 要关 闭所 有 的 Ｐｏ ｃｍｍ３ ２的应用 ， 包
作者简介 ： 董
旭 （９ １ ， ， １ ８ 一）男 助理实验师 ， 河北 保定人 ， 主要
从事机械制造及其 自动化技术的研究 。
维普资讯
第 ３期
董
旭等 ： 于 Ｐ 基 ＭＡＣ的三 自由度并联 机床 数控系统硬件开发
２ ０ 年 ６月 ０８
并联运动机床1
同时，加工时主轴上刀具所受的切削力反力， 也依次传递给立柱、滑座，最终传递给床身，也 即末端所受的力按顺序依次串联地传至最前端。 此外，这些作用力一般不通过构件重心，必 然会产生弯矩和扭矩。 因此，前端构件不但要额外负担后端构件的 重力(重量)，而且还要考虑承受切削力。这样一 来，为了达到机床高刚度的要求，每部分结构件 需具有相应的体积和材料。
（3）并联机床的研究方向
• • • • • 并联机床组成原理的研究； 并联机床结构设计的研究； 并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究； 并联机床模块设计与创建； 并联机床控制系统的研究。
三、 并联机床的特点
1. 结构简单、价格低 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅 减少，主要由滚珠丝杠、铰链、伺服电机等通 用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产， 因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传 统机床低得多，容易组装和搬运。
2.传统机床的串联机构
虚轴机床与传统机床相比有许多优异的性 能。一般传统机床可看作是一个空间串联机构， 如图2所示，它的横梁、立柱等部件往往承受 弯曲载荷，而弯曲载荷—般要比拉压载荷造成 更大的应力和变形，所以为了提高机床刚性， 必须采用大截面的构件。 另外，当机床运动自由度增多时。需增加 相应的串联运动链，机床的机械结构变得十分 复杂。
由于该机床机构简单，控制方便，较容易 根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也 可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗 削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具 把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将 会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用 方面都有着十分广阔的应用前景。
6. 使用寿命长
由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有 导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其 划伤、磨损或锈蚀现象。 Stewart平台适合于模块化生产。 对于不同的 机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维 护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新 的机构参数输入。
并联机床运动学自标定方法研究
并联机床运动学自标定方法研究机床运动学自标定方法是现代制造技术中重要的研究领域之一、并联机床作为一种特殊的机床结构，其运动学参数标定更加复杂。
本文将对并联机床运动学自标定方法进行研究，并进行详细介绍。
首先，我们需要了解并联机床的基本结构和运动学模型。
并联机床由多个平行连杆组成，每个连杆由旋转副连接，形成一个闭链运动系统。
在运动学模型中，需要确定每个连杆的长度和连接角度，以及工作台的位置和姿态。
这些参数决定了机床的运动学特性。
然而，并联机床的运动学参数往往无法直接测量，因此需要通过自标定方法来求解。
自标定方法的核心思想是通过机床的运动状态和姿态数据，在已知的参考点或者已知位置的情况下，通过数学模型和优化算法，反推机床自身的运动学参数。
目前，关于并联机床运动学自标定方法的研究有很多，下面将介绍几种常见的方法。
第一种方法是基于传感器数据的自标定方法。
该方法通过传感器测量机床的运动状态和姿态数据，如位置、速度、加速度等，然后将这些数据作为参数输入到数学模型中，通过优化算法求解机床的运动学参数。
该方法的优点是适用范围广，可以用于各种类型的并联机床。
缺点是需要准确的传感器测量数据，对传感器的要求较高。
第二种方法是基于机器视觉的自标定方法。
该方法利用摄像头或其他视觉传感器获取机床的运动状态和姿态数据，然后通过图像处理和计算机视觉算法，提取特征点或轮廓线，进而求解机床的运动学参数。
该方法的优点是非接触性，适用于各种环境和工况下的机床标定。
缺点是对图像处理和计算机视觉算法的要求较高。
第三种方法是基于强化学习的自标定方法。
该方法利用强化学习算法，在已知的参考点或已知位置下，通过多次尝试和优化，不断调整机床的参数，使得机床的运动状态和姿态数据与真实值尽可能接近。
该方法的优点是自动化程度高，对机床本身的要求较低。
缺点是求解时间较长，需要大量的试验数据。
总结来说，并联机床运动学自标定方法是一项复杂且具有挑战性的任务。
研究人员可以根据具体情况和需求选择合适的自标定方法，同时结合机床的特点和性能进行优化和改进。
哈量新一代并联机床LINKS_EXE700
２００４年，Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床发明创始人纽曼先生组建了Ｅｘｅｃｈｏｎ公司，发明了新一代Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床技术。
新一代并联机床技术突破了阻碍并联机床发展与广泛应用的诸多瓶颈和障碍，性能指标与易用性均大幅优于Ｔｒｉｃｅｐｔ技术。
该项技术通过了ＰＣＴ（国际专利合作协议组织）的审定，并在所有ＰＣＴ协议参与国家和地区（包括中国）申请并获得了发明专利。
哈量ＬＩＮＫＳ－ＥＸＥ７１００是在结合哈量原有并联机床经验积累，加上引进使用Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床最新专利技术的基础上设计制造的新一代并联机床，在机床动态性能、刚性、精度以及用户编程操作简易性方面都达到了很高水平。
１ＬＩＮＫＳ－ＥＸＥ７００并联机床特点１．１运动关节及机构自由度数量对机床性能的影响并联运动结构从外观来看，像是很多“手臂”一端彼此相连，另一端与基座相连。
这种设计要求各关节是多自由度的。
并联运动机床（ＰＫＭ）手臂的数目取决于动平台运动轴的设计数量，但是不论哪种设计，遵循的目标都应将灵活性与刚性结合在一起。
因关节点结构复杂，既要刚性好、无间隙，又要成本低，是设计并联机床的突出问题。
这个技术问题限制了市场上的并联机床数量，这也是为什么关节点少、自由度少的并联机床成为目前最成功的并联机床的原因。
Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床使用了相对少的关节和自由度数，正是Ｔｒｉｃｅｐ当年在世界并联机床市场能占７０％份额的原因。
１．２Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床的缺陷Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床的每一个关节点都有一个以上的自由度，像一个万向铰链。
各伸缩杆只承担轴向载荷，故必需设置中心管来实现约束更多的自由度。
中心管承受的荷载对中心管造成的挠曲和扭转，会严重影响机床的整体刚性。
为解决这一问题，在设计上应使挠曲和扭转对中心管精度和动态性能的影响降低到最小。
这种优化设计是把中心管的直径加粗，管壁减薄，可是这样一来机床的工作范围大大地缩小了。
唯一的解决办法是找出钢管壁厚与直径之间的均衡点。
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位置测量反馈系统
转角测量 位置输入 位移测量
误差补偿 位置测量 Tricept 机器人 位置比较
Prof. Shu Zhang Institute 转角测量 on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的结构特点
机床采用3自由度的 Tricept 805型并联机器人和可绕 2 个轴线回转的主轴部件，现实主轴的 5个坐标运动 为了装卸工件方便，机器人安装在机床立柱的45°倾 斜面上 机床采用3个位置测量反馈系统，提高了加工精度
输送管道和零件的取放
主轴夹盘 零件
输送管道
刀具 刀夹
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
待加工零件的输送控制
进入管道
待加工零件
传送数量 控制
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
Tricept 805枪钻长
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
加工波音飞机结构零件
Tricept机器人
高速铣头
移动工作台 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的结构配置
电滚珠丝杆 工件
主轴部件 万向铰链
被动连杆机构
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的结构特点
机床采用3杆并联机构和数控回转工作台，可现 实4坐标联动，属于串联、并联混合机构 在主轴部件的下方，有被动连杆机构，用于保证 主轴处于水平位置，并承受切削力和惯性力，以 提高机床的刚度 滚珠丝杆杆由中空的伺服电动机转子直接驱动 机床可以配置不同的刀库或托板交换装置
采用激光测定杆件位置、高速照相机控制工件 尺寸，工件高精度温度测量，然后加以补偿 由于 V100 型机床在 X、Y、Z 坐标的定位精度 很高，加工精度可以达到微米级
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Urane SX 型 卧式加工中心
（法国 Renault－Automation 公司）
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机床的外观
直线电动机
机床主轴
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DMT 100型 5坐标数控铣床
（德国 Deckel Maho 公司）
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的外观
Tricept 机器人
工件
高速铣头
Deckel Prof. Shu Zhang Maho Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
借助Tricept 机器人与模块化支承部件可以组合不同的
制造系统
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机床配置的不同组合
机器人垂直配置
机器人45°倾斜配置
带托板交换
Prof. Shu Zhang 带圆工作台 带移动工作台 通过式配置 Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
万向铰链和杆件的连接 直线电动机滑板
杆件 万向铰链
直线电动机
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Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
X
回转工作台
被动连杆机构
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电滚珠丝杆的结构
电动机转子
滚珠丝杆
滚珠螺母
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
V100型机床组成的生产线
2000年，Index 公司向 Wicon AG 公司提供两 条用于加工传感器壳体的生产线，每条生产线 由 3 台 V100 型并联运动机床组成，加工节拍 为18s
加工气缸体的自动线
装料工位
Tricept 605钻孔 Tricept 805 端面 铣削和钻削 Tricept 805铣曲 轴孔侧面和钻孔
Prof. Shu Zhang 度为95mm的深孔 Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 卸料工位
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
Hale Waihona Puke 机床的工作原理Tricept 805 机器人及 主轴部件 中心管
Tricept 805机器人 机构简图
固定平台 （框架）
万向铰
电动机
框架 伸缩杆
三杆并联运动机床
全国优秀科技工作者、上海市科技功臣
香港蒋氏科技成就奖获得者 中国机械工程学会常务理事 同济大学 教授 张 曙
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
V100 型 立式车削中心
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
（德国 Index 公司）
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的外观
机床主体
装卸工位
待加工零件
传送带
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机床的工作原理
Tricept 1005 机器人及 主轴部件
伺服 电动机
TMC 845 型 5坐标数控铣床
（瑞典SMT Tricept 公司）
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的外观
Tricept 机器人
工件
高速铣头 Neos Robotics
杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆驱动， 沿立柱导轨上下移动 主轴部件可以实现 3 个坐标的运动，除完成车削加工 工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕的零件
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的后视
直线电动机
平衡系统
主轴部件 固定杆长 的杆件 万向铰链
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
从机床内部看机构运动
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
SKM 400 型 卧式加工中心
(德国 Heckert 公司)
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University