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典型的并联运动机床
发表时间:2005-2-25 e-works特聘专家 张曙    来源:e-works
关键字:机床 并联 
本文简单概述了早期并联运动机床与传统机床的优点,详细介绍了几种典型的并联运动机床特点。

    早期的并联运动机床
   
    1994年,在美国芝加哥国际机床展览会上,美国Giddings & Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床,引起轰动。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心,标志着机床设计开始采用并联机构,是机床结构重大改革的里程碑,其内部结构如图1所示。

    从图中可见,6根由伺服电动机驱动的伸缩杆,借助万向铰固定在下平台上,这种结构也被称为“6条腿 (Hexapod)”,丝杆的螺母通过万向铰支承着上平台。杆件长度的伸缩使带有主轴部件的上平台完成加工零件所需的运动。
   
    Variax型加工中心是一种“内铣型”结构,机床占地面积为7800mm′8180mm,而工作空间仅有700mm′700mm′750mm,安装工件也不太方便,因此没有这生产中获得应用。后来该机床提供给英国诺廷汉大学工学院作为进行“航空工业敏捷制造”项目研究的设备。
   
    嗣后,美国Ingersoll公司推出采用并联机构的VOH 1000型立式加工中心和HOH 600型卧式加工中心,在结构上作了最大改进,从“内铣型”改为“外铣型”,明显缩小动平台的体积,减轻了运动部件的重量,安装工件也较为方便,对并联运动机床的发展曾经产生很大的影响。
   
    但是由于种种原因,Ingersoll机床也没有投入生产实际应用。两台VOH 1000型立式加工中心分别交付给美国国家标准和技术研究所和美国国家宇航局进行研究。HOH 600型加工中心提供给德国阿亨工业大学的机床实验室进行研究。它们的研究结果对并联运动机床的发展起到很大的促进作用。
   
    Ingersoll公司HOH 600型的外观如2所示。

    通过早期并联运动机床的试验研究表明,并联运动机床与传统机床比较,具有一下优点:
    1) 运动部件质量小,运动惯性小;
    2) 高运动速度和高加速度,适合高速加工;
    3) 主要部件具有重复性,通用程度高;
    4) 容易通过预加载荷,提高机床部件的刚度;
    5) 通过控制系统可以实现运动精度的补偿。
   
    但是,早期并联运动机床由于种种原因,没有在生产中获得应用。近年来,在运动学原理、机床设计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和工业应用方面都先后取得重大的突破。世界著名的机床公司都相继推出新产品,发展了许多经过改进的变型结构,使并联运动机床开始进入了实用阶段。
   
    6X Hexa 立式加工中心
   
    德国Mikromat公司(www.mikromat.net)的6X Hexa立式加工中心的研制由欧共体Esprit高科技研究计划资助,有4个单位参加:
    1) Mikromat机床公司,负责机床的设计和制造,同时也作为机床的最终用户。
    2) 富兰霍夫机床及锻压技术研究所,作为企业的技术顾问,提出机床总体设计方案。
    3) Andron公司,提供Andronic 400数控系统的软、硬件,以及数控系统的优化。
    4) GMD-First公司,高性能计算机和网络专家,负责并联运动控制策略和高速数据传送。
   
    该机床的外观如图3所示。

    从图中可见,工作台在机床的底座上可前后移动,以便于装卸工件。底座上有3根按照120°分布的立柱,用于支承并联机构。
   
    该并联机构的特点是采用变型Stewart平台,分别将上下平台都分为两层,两层上平台固定在3根立柱的侧面,两层下平台共同支持主轴部件。采用伺服电动机驱动滚珠丝杆实现6根杆的同时或单独伸缩,以控制主轴部件完成6个自由度的空间运动。这种变型结构改善了工作空间与机床所占体积之比,使主轴姿态变化时受力更加均匀。
   
    该机床主要用于模具加工,可以实现5坐标高速铣削,加工精度可达0.01~0.02mm,明显提高加工效率、改善表面质量,延长刀具寿命。
   
    КИМ-750型测量机
   
    俄罗斯Lapic公司将Stewart平台并联机构用于TM-1000型精密加工中心和КИМ-750型3坐标测量机,КИМ-750型测量机的外观如图4所示。

    从图中可见,上平台就是测量机的框架,6根伸缩杆是由伺服电动机驱动的滚珠丝杆,它们共同与装有测量头的下平台连接。在固定的上平台和运动的下平台之间安装有6根激光干涉测量尺,对伸缩杆的位移进行测量,并实时反馈,工作精度可达±0.001~0.002mm。工作空间为750mm×550mm×450mm。采用并联机构的测量机的特点是可以很方便地将测量头偏转一个角度,测量斜孔的直径。
   
    P2000 型 5坐标铣床
   
    美国Hexel公司(www.hexal.comwww.prsco.com)致力于并联运动机床和并联机构应用的普及化,推出低价位的Tornado型5坐标加工中心和P 2000铣床工作台,以及6自由度的定位平台和微型机器人等一系列产品。
   
    P2000 铣床工作台是一个采用并联机构的6自由度动平台,它可以作为单独部件提供给用户,也可以配置成为完整的5坐标立式铣床。
   
    将P2000铣床工作台与旧的普通立式铣床相配合,将主轴部件转180°,就能够很快构成一台全新的5坐标数控立式铣床,适用于加工小型模具或样件制造。数控系统软件由该公司自行开发,硬件采用Window操作系统的微机和Delta-Tau公司的控制卡。机床外观如图5所示。

本文系e-works专稿,未经授权严禁转载。
 
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责任编辑:林卿