并联机床的特性与应用
并联机床的研究现状和发展前景
并联机床的研究现状和发展前景姓名：闫培如班级：机械1301班学号：S2*******二零一四年五月二十八并联机床的研究现状和发展前景并联机床，又称为虚拟轴机床或并联运动学机器，是并联机器人技术和现代数控技术相结合的产物。
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，是集多种功能与一体的新型机电设备。
从传动链角度来说，并联机床与传动串联机床的区别在于：串联机床一般是由底座、立柱、主轴箱和工作台等构件构成的“C”型结构，负载力全面地由一级传动构件传向下一级，每个传动链的构件都要固定机床的全部自由度，都要承受工作负载的全部力流，包括力和力矩，这样，为了满足机床的刚度和强度要求，构件的质量不可避免的增大，不但增加了材料和能源的消耗，而且制约了进给速度和加速度的提高。
而并联机床的工作台是由多个传动链联合控制自由度，一方面通过避免横向力矩作用，另一方面，将工作负载均衡的分担到了六个伸缩杆上，极大的减轻的伸缩杆的工作负载，伸缩杆只需很小的尺寸便可满足刚度和强度要求。
不但减轻了机床整体的质量，使得大幅度提高机床的进给速度和加速度成为可能，而且提高了机床刚度，对提高加工精度起到有利的一面。
并联机床特性分析1 并联机床优点：因为结构等原因，与实现同等功能的传统机床相比，并联机床具有如下优点：(1) 刚度重量比大，因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，由于伸缩杆与动平台和静平台之间使用万向联轴节（或球铰）相连，不存在横向力矩的作用，因此，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。
(2) 响应速度快，运动部件惯性的大幅度降低有效地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。
(3) 精度高，并联机床由并联机构组成，各杆的杆长都单独对主轴的位置和姿态起作用，因而它不存在传统机床中串联机构的误差累积问题，从而其加工精度较高。
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。
《并联运动机床》PPT课件 (2)
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3.加工速度高、惯性低
如果结构所承受的力会改变方向，(介于 张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料 的结构，它的移动件重量减至最低，因此机床 很容易高速化，且拥有低的惯性。
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4. 加工精度高
由于采用多轴并联机构组成，六个可伸缩杆 杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而 不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积 和放大的现象，甚至还有均化效果(averaging effect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变 形较小；故它具有高精度的优点因：
（1）虚轴机床是用复杂的数学运算和相对简单的 机械结构来实现复杂型面的加工，降低了结构制 造成本；
（2）虚轴机床具有轴对称的基本结构，其对称部 件易于实现模块化设计和批量生产；
（3）决定虚轴机床精度的关键部件是机床的六根 杆及其两端铰链，易于采用滚珠丝杠、关节轴承 等通用件、标准件；
万向铰链
固定杆长 的杆件
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主轴 万向铰链
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电滚珠丝杆
电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集 成，具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优 点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的 结构。
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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
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2. 六杆 Stewart 平台的演化
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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。
并联运动机床与传统机床的比较
并联运动机床与传统机床的比较并联运动机床与传统机床的构造见下列图所示。
并联运动机床与传统机床的比较并联运动机床是以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在一起。
改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀具相对于被加工零件的运动轨迹。
并联运动机床与传统机床相比，具有以下优异的性能：运动精度高。
可实现高速加工。
机床刚性好。
构造简单。
由于并联运动机床具有上述显著优点，目前已成为高速高效高柔性加工设备的一个新的发展方向，但是它也存在一些缺点，如控制计算极其复杂，杆件的热变形对机床的加工精度影响比较严重，机床加工的有效空间相对于机床本身体积所占比例较小。
并联运动机床的主要部件相对于传统机床，并联运动机床机械构造简单，模块化程度高，并且具有可重构性。
并联运动机床主要由主轴、杆件及其驱动等机电—体化功能部件及固定平台、动平台、框架等组成。
（1）主轴部件并联运动机床的主轴大多数采用电主轴，其电动机的转子和主轴是一体的，无需任何机械连接。
主轴转速的调节采用变频调速，改变电动机的供电频率，即可实现主轴转速的调节。
下列图为IBAG公司生产的主轴系统。
主轴系统主要包括电主轴及安装调整板、可编程控制器和主轴驱动、主轴冷却系统和润滑系统、刀具夹紧液压系统等组成。
主轴系统（2）杆件杆件是并联机构的运动输入构件。
杆件的物理构造包括机械构件、电气器件、液压部件以及它们的组合，可分为固定杆长和可变杆长两大类。
可变杆长的并联机构，杆件的基点固定，杆件的工作长度可变；固定杆长的并联机构，杆件的长度固定不变，杆件的基点位置可以变化。
从运动学的角度来看，杆件是具有一定刚度的刚体，杆件长度的变化或杆件基点的移动决定了动平台(主轴部件)的运动速度、加速度、位置和姿态。
下列图是固定杆长杆件。
杆件的两端安装有万向铰链，分别用于连接直线电动机滑板和主轴部件动平台。
杆件由管材制成，通过螺纹与万向铰连接。
并联机床
原理》 《数 控 原理》
绪
论
并联机构的特点
载荷/ 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 与串联结构互为补充(对偶关系)
原理》 《数 控 原理》
绪
论
传统机床与并联机床的综合性能比较
原理》 《数 控 原理》
绪
论
VARIAX 型加工中心
绪
论
自动化饼干包装(瑞士Demaurex) 自动化饼干包装(瑞士Demaurex)
原理》 《数 控 原理》
绪
论
机器人化机床
Reconfigurable manufacturing system using tricept robots
原理》 《数 控 原理》
绪
论
物流和装配系统
原理》 《数 控 原理》
IMTS'94 美国 Gidding s&Lewi s公司首 次展出 Variax 型并联 运动学 机床
原理》 《数 控 原理》
绪
论
嗣后,美国 Ingersoll推出 Ingersoll推出 了VOH1000 (立式)和 HOH600(卧 HOH600(卧 式)型加工中 心,它们在结 构上得到了较 大的改进,从 "内铣"改为 内铣" "外铣".右 外铣" 图为VOH 图为VOH 1000.
德国 斯图 加特 大学 机床 控制 研究 所 ISW
原理》 《数 控 原理》
绪
论
SKM400型卧式加工中心 SKM400型卧式加工中心
德国 Heck ert公 ert公 司
原理》 《数 控 原理》
绪
论
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。
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 。
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并联机床的特性与应用
摘要：并联机床是机床技术与机器人结合的一项新产物，在技术的革新下，并
联机床类型愈加多样，在工程界与学术界有着良好的发展前景。
关于并联机床，
国内外也投入了大量的人力、物力、财力来研究，取得了良好的成效。
本文主要
针对并联机床的类别、特征与应用进行分析。
关键词：并联机床；特性；应用
并联机床是并联机器人机构和机床结合并建立在空间机构学、机械制造、数
控技术和计算机的软硬件技术以及CAD和CAM等技术上的一种高科技产品，可
以实现加工工件的多坐标的联动数控加工、装配和测量以及对各种复杂的特种零
件的加工工作。
在设计上无导轨，克服了传统的数控机床刀具只能沿着固定导轨
行进而造成的刀具作业自由度偏低、灵活性差和机动性不够的缺陷，被广泛应用
于航天航空、船舶、国防和大型模具等大型复杂零件或特种零件的加工制造。
相较于传统的串联机床来说，并联机床具有以下特性：
一、简单的结构形式
和传统的串联结构的机床相比，并联机床的机床机械零部件数目大幅减少，
其组成部件主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰以及伺服电机等组成。
其通用组件多
可以由专门厂家进行生产制造，因而并联机床在制造和库存成本上都大幅降低，
并且容易进行部件的组装和搬运。
二、良好的结构刚性
封闭性结构的采用使得并联机床具有相对较高的刚性。
由于并联机床的结构
负荷流线短，并且其负荷分解的拉力和压力是有六只连杆同时承受的，在外力一
定的情况下，从材料力学的角度来看，在应力和变形方面，悬臂量的应力和变形
最大，两端插入次之，随后依次是两端简支撑和受力的二力结构，最后是受张力
的二力结构。
因而，并联机床拥有高刚性的特点，优于传统的串联机床。
三、加工速度高而且惯性低
在设计上，并联机床的结构所承受的力能发生方向的改变，两力构件因此成
为最能节省材料的结构，并且并联机床的移动件的组成数目减少且受六个致动器
的同时驱动，机器运转达到高速化很容易，并且惯性相对较低。
四、良好的加工精度
并联机床的组成是多轴并联机构，其六个可伸缩杠杆长都可以单独作用于刀
具的位置和姿态，不会造成传统串联机床出现的几何误差积累和放大的问题，甚
至还可以产生平均化效果，具有结构设计的热对称性，热变形相对较小，所以会
产生工件加工的高精度。
五、功能多样，灵活性强
并联机床结构简单且控制操作方便，人们在进行铣削、镗削、磨削等工件加
工时，可以根据加工对象把它开发成专用机床，也可以设计成通用机床，非常灵活。
一旦给并联机床配备必要的测量工具，并联机床就可以被组装成测量机床，
具备了机床的多功能化的特性。
并联机床的这种多功能性和较强的灵活性在国防、民用方面均有十分广阔的市场应用前景。
六、实现了stewart平台操作，变换坐标系方便
Stewart 平台结合了数控技术、计算机软硬技术和CAD\CAM技术，具有硬件
简单，软件复杂的特点。
没有实体坐标系的设置，工件坐标系与并联机床的坐标
系的转换完全由软件来完成，转换起来非常方便。
并且只要符合机床加工的范围，
在进行不同器件的加工时，只需要对连杠长度和接点位置进行改变，输入新的机
构参数就可以完成，省去了机件的再制造和调整环节，也便于进行对并联机床自
身的机体维护。
总之，并联机床具有以上特性，并且由于合理的受力结构，使得并联机床的
运动部件磨损小，而且由于没有导轨，避免了传统串联机床的机械性操作，灵活
简便，也不会产生铁屑或冷却液进入导轨内部而产生的导轨被划伤、磨损以及铁
锈的锈蚀等问题，使用寿命相对较长。
并联机床具有工件加工的高刚性、高速度、高精度和高灵活性，同时还具有
大推力、重量轻、组装简单、多功能以及造价低廉等优点，其应用前景非常广阔，适用于航空航天、船舶、汽车等制造领域，既可以完成对叶轮、海艇螺旋桨、发
动机箱体等复杂的自由曲面的加工，也可以完成对一般工件的铣削、磨削和镗削
等工作，在工业用和民用方面都有很大的应用市场且前景十分广阔。
并联机床是新一代机床的代表，是一种知识密集型的高科技产物，是现代机
器人技术和现代数控机床技术结合的高科技产品，代表着机床制造业的发展趋势
和方向。
它所具备的体系刚度重量比大、技术附加值含量高等优点使得高精密仪
器领域内重要部件的加工对并联机床的需求增大，是国家技术力量的重要指标之一。
我国的并联机床的研究与开发已经起步并取得了一定的成果，但和国外相比
还存在一定的差距，亟待更大的发展。
参考文献：
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