详解并联机床的设计理论与关键技术.doc

详解并联机床的设计理论与关键技术摘要：概述提高生产环境适应性满足快速多变市场需求近年来全球机床制造业积极探索研制新型功能制造装备系统机床结构技术上突破性进展90年中期问世并联机床。 ParallelMachineTool机床VirtualAxisMachineTool并联运动学机器ParallelKinematicsMachine并联机床实质上机器人技术机床2002:机床,入世是挑战更是机遇专家指出要加大我国数控机床研发力度加快普及型数控机床的发展漫话中国机床制造业的服务竞争中国铣床和加工中心市场的现状和展望国内外车床的技术水平和发展方向世界加工中心的生产、需求和发展动向国内外机床发展趋势世界数控系统发展趋势切削加工技术和数控机床的发展。 1概述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都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(ParallelMachineTool)，又称虚(拟)轴机床(VirtualAxisMachineTool)或并联运动学机器(ParallelKinematicsMachine)。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点：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，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。 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，因而特别适于各种高速数控作业。环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。 技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。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，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Ingersoll铣床公司、Giddings%26Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。与之相呼应，由美国Sandia国家实验室和国家标准局倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第4749届CIRP年会、19981999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。19941999年期间，在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将并联机床的研发纳入教育部211工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。并联机床设计理论与关键技术。2.概念设计概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。 按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成36个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机滚珠丝杠螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此，在制定总体布局方案时，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。 通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。3.运动学设计并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。为了适合多坐标数控作业的需要，通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床，动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的，即随着姿态的增加，工作空间逐渐缩小。因此，为了实现动平台实现位姿能力的可视化，往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。工作空间分析与综合是并联机床运动学设计的核心内容。广义地，工作空间分析涉及在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下，评价动平台实现位姿的能力；尺度综合则是以在编程空间内实现预先给定的位姿能力并使得操作性能最优为目标，确定主动关节变量的变化范围和尺度参数。工作空间分析可借助数值法或解析法。前者的核心算法为，根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质，利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思路是，将并联机构拆解成若干单开链，利用曲面包络论求解各单开链子空间边界，再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。尺度综合是实现并联机床运动学设计的最终目标，原则上需要兼顾动平台实现位姿的能力、运动灵活度、支链干涉等多种因素。针对6自由度并联机床，目前可以利用的尺度综合方法可以分为：基于各向同性条件的尺度综合，兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合，以及基于总体灵活度指标的加权综合3种方法。第1种方法因仅依赖满足各向同性条件时的尺度参数关系，故存在无穷多组解答。第2种方法针对动平台在给定工作空间中实现预定姿态能力的需要，通过施加适当约束，可有效地解决多解问题。第3种方法较为通用，通常以雅可比矩阵条件数关于工作空间的一次矩最小为目标，将尺度综合问题归结为一类泛函极值问题。值得指出，第2种方法仅适用某些并联机构(如Stewart平台)；而第3种方法除计算效率低外，还不能兼顾动平台实现姿态的能力。因此，针对不同类型的并联机床，研究兼顾多种性能指标的高效尺度综合方法将是一项极有意义的工作。4.动力学问题刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数整定的理论基础。这类问题可归结为已知动平台的运动规律，求解铰内力和驱动力。相应的建模方法可采用几乎所有可以利用的力学原理，如牛顿尤拉法、拉格朗日方程、虚功原理、凯恩方程等。由于极易由雅可比和海赛矩阵建立操作空间与关节空间速度和加速度的映射关系，并据此构造各运动构件的广义速度和广义惯性力，因此有理由认为，虚功(率)原理是首选的建模方法。动态性能是影响并联机床加工效率和加工精度的重要指标。并联机器人的动力性能评价完全可以沿用串联机器人的相应成果，即可用动态条件数、动态最小奇异值和动态可操作性椭球半轴长几何均值作为指标。与机器人不同，金属切削机床动态特性的优劣主要是基于对结构抗振性和切削稳定性的考虑。动态设计目标一般可归结为，提高整机单位重量的静刚度；通过质量和刚度合理匹配使得低阶主导模态的振动能量均衡；以及有效地降低刀具与工件间相对动柔度的最大负实部，以期改善抵抗切削颤振的能力。由此可见，机器人与机床二者间动态性能评价指标是存在一定差异的。事实上，前者没有计及对结构支撑子系统动态特性的影响，以及对工作性能的特殊要求；而后者未考虑运动部件惯性及刚度随位形变化的时变性和非线性。因此，深入探讨并联机床这类机构与结构耦合的、具有非定长和非线性特征的复杂机械系统动力学建模和整机动态设计方法，将是一项极富挑战性的工作。这项工作对于指导控制器参数整定，改善系统的动态品质也是极为重要的。5.精度设计与运动学标定精度问题是并联机床能否投入工业运行的关键。并联机床的自身误差可分为准静态误差和动态误差。前者主要包括由零部件制造与装配、铰链间隙、伺服控制、稳态切削载荷、热变形等引起的误差；后者主要表现为结构与系统的动特性与切削过程耦合所引起的振动产生的误差。机械误差是并联机床准静态误差的主要来源，包括零部件的制造与装配误差。目前，由于尚无有效的手段检测动平台位姿信息，因而无法实现全闭环控制条件下，通过精度设计与运动学标定改善机床的精度就显得格外重要。精度设计是机床误差避免技术的重要内容，可概括为精度预估与精度综合两类互逆问题。精度预估的主要任务是，按照某一精度等级设定零部件的制造公差，根据闭链约束建立误差模型，并在统计意义下预估刀具在整个工作空间的位姿方差，最后通过灵敏度分析修改相关工艺参数，直至达到预期的精度指标。工程设计中，更具意义的工作是精度综合，即精度设计的逆问题。精度综合是指预先给定刀具在工作空间中的最大位姿允差(或体积误差)，反求应分配给零部件的制造公差，并使它们达到某种意义下的均衡。精度综合一般可归结为一类以零部件的制造公差为设计变量，以其关于误差灵敏度矩阵的加权欧氏范数最大为目标，以及以公差在同一精度等级下达到均衡为约束的有约束二次线性规划问题。运动学标定，又称为精度补偿或基于信息的精度创成，是提高并联机床精度的重要手段。运动学标定的基本原理是，利用闭链约束和误差可观性，构造实测信息与模型输出间的误差泛函，并用非线性最小二乘技术识别模型参数，再用识别结果修正控制器中的逆解模型参数，进而达到精度补偿的目的。高效准确的测量方法是实现运动学标定的首要前提。根据测量输出不同，通常可采用2类运动学标定方法：利用内部观测器所获信息的自标定方法，其一般需要在从动铰上安装传感器(如在虎克铰上安装编码器)；检测刀具位姿信息的外部标定方法，其原则上需要高精度检具和昂贵的五坐标检测装置。6.数控系统从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射(又称虚实映射)。因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。由于构型和尺度参数不同，导致不同并联机床虚实映射的结构和参数不尽相同，因此采用开放式体系结构建造数控系统是提高系统适用性的理想途径。 为了实现对刀具的高速高精度轨迹控制，并联机床数控系统需要高性能的控制硬件和软件。系统软件通常包括用户界面、数据预处理、插补计算、虚实变换、PLC控制、安全保障等模块，并需要简单、可靠、可作底层访问，且可完成多任务实时调度的操作系统。 友好的用户界面是实现并联机床工业运行不可忽视的重要因素。由于操作者已习惯传统数控机床操作面板及有关术语和指令系统，故基于方便终端用户使用的考虑，在开发并联机床数控系统用户界面时，必须将其在传动原理方面的特点隐藏在系统内部，而使提供给用户或需要用户处理的信息尽可能与传统机床一致。这些信息通常包括操作面板的显示，数控程序代码和坐标定义等。实时插补计算是实现刀具高速、高精度轨迹控制的关键技术。在以工业PC和开放式多轴运控板为核心搭建的并联机床数控系统中，常用且易行的插补算法是，根据精度要求在操作空间中离散刀具轨迹，并根据硬件所提供的插补采样频率，按时间轴对离散点作粗插补，然后通过虚实变换将数据转化到关节空间，再送入控制器进行精插补。注意到在操作空间中两离散点间即便是简单的直线匀速运动，也将被转化为关节空间中各轴相应两离散点间的变速运动，因此若仍使关节空间中各轴两离散点间作匀速运动，则将在操作空间中合成复杂的曲线轨迹。为此，必须对离散点密化以创成高速、高精度的刀具轨迹。这不仅需要大幅度提高控制器的插补速率，而且需要有效地处理速度过渡问题。7.关键基础件关键基础件的专业化和系列化配套是建造高速高精度并联机床，实现产品的可重组和模块化设计，以及大幅度降低制造成本的物质保证。这项工作也是将并联机床推向市场的重要环节。并联机床所需的关键基础件包括功率体积比大的高速电主轴单元、高速高性能直线电机、精密丝杠导轨副、结构紧凑且可调隙的精密滚动球轴承和卡当铰，以及高精度光栅和激光测量定位系统等。目前，国外已有专业生产厂(如德国INA轴承公司)开发出不同系列的产品。然而，这些产品在我国还多属空白，或与国际先进水平存在较大差距。并联机床是机床家族中的一个新成员，目前还处于“襁褓“之中，尚有许多理论与技术问题有待攻克。并联机床是否具有生命力的关键在于能否回答潜在用户“有何理由能说服我购买并联机床而不是传统机床”这一问题。因此，紧紧把握新一代制造设备变革的契机，大力加强对并联机床的理论研究与工程实践，对促进这种新型数控装备早日产品化和产业化，尽快将高新技术转化为生产力具有重要的意义。这一工作将有赖于政府主管部门、机床生产企业和潜在用户的远见卓识，以及机床设计工作者与机器人机构学工作者的通力合作和不懈努力。并联机床数字化快速开发平台研究的意义1 引言并联机床(Parallel Machine Tool，简称PMT)，也被称为虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematic Machine)，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。国际学术界和工程界非常重视对并联机床的研究与开发，20世纪90年代中期，美国、英国、德国、俄罗斯、瑞典、瑞士、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。并联机床已成为机床行业发展过程中不可忽视的一个亮点。 并联机床从问世以来经过了几年的发展，经历了一个由快速发展到稳步研究的发展过程，随着人们对并联机床的认识越来越深入，并联机床相关技术的研究和开发工作的步伐正逐渐趋于平稳。研究人员认识到并联机床与传统机床相比所表现出的鲜明的特有优势，这鼓舞着国内外众多研究机构和机床厂商坚持不懈地积极从事并联机床技术的研究和开发工作；另一方面，经过几年的研究，研究人员也发现并联机床存在一些缺陷，同时并联机床在较多方面的理论研究和应用技术研究尚不够成熟，还有很多难题要突破。世界各国的研究机构和机床厂商在这一问题上基本达成了共识，认为并联机床这种新型的加工装备与传统机床相比，在一些方面具有独特优势，然而在现阶段，并联机床尚不能实现大规模生产和市场化，并联机床技术也有待进一步发展完善。 2 发展特点及存在问题1.并联机床的发展特点 目前，并联机床的发展趋势呈现如下两个特点： 并联机床构型的多样性 构型的多样性是并联机床的显著特点之一，每一种构型都有其自身的优缺点，都有其各自适合的应用领域。关于并联机构构型的研究一直是人们关注的热点，设计开发出多种适用于不同应用条件的并联机构也一直是机构学家们研究的一个重要内容。近几年，众多学者提出了多种新机构构型，并对机构的类型和构建方法进行了系统的讨论。目前，基于串并混联、内外副混合驱动或纯并联的少自由度机构的并联机床正逐渐受到人们的青睐，最有代表性的基于少自由度并联机构的并联机床是瑞典Neos Robotics公司开发研制的Tricept系列，其他典型的有意大利Comau公司的HPI型四杆三自由度机床、德国斯图加特大学机床与制造设备控制技术研究所的LINAPOD三杆机床、德国汉诺威大学生产工程和机床研究所研制出用于钢板激光加工的三杆机床、美国Sheldon/Van Someron公司的Triax三杆机床、清华大学与江东机床厂联合开发的三自由度混联机床等。然而，由于并联机床出现不久，并没有专用的设计开发环境，目前开发一种新型并联机床的设计周期仍很长，因此迫切需要一个快速的设计开发平台以满足结构日趋多样的新型并联机床的设计开发需求。并联机床设计理论和应用技术研究不断深入 虽然已开发出一些并联机床商业化样机，且有产品投入实际应用，但由于设计理论和工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能力、作业性能等方面表现差强人意，与传统数控机床相比存在一定差距。有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建模与分析、精度保证、控制技术等关键技术的研究一直在不断深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平台运动学正解结论，Innocenti 和Cheok等人提出的运动学数值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空间几何解析法，黄田和汪劲松等人提出的工作空间边界的变心球面族包络面求交法；基于各向同性条件(局部灵活度)、动平台姿态能力、总体灵活度指标的多种尺度综合方法；Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模及动态性能指标的构造的理论结果，以及熊有伦提出的动力学优化设计策略；用不同方法建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。总之，并联机床的各项关键技术国内外都取得了很多有价值的理论成果，在应用技术方面也取得很大进展。 有关并联机床设计和应用的理论成果和应用技术虽然很多，然而这些理论成果和技术覆盖了并联机床设计开发的多个环节，相对独立分散，很难有机地融合在一起，不能系统有效地应用到并联机床的设计开发中。此外，由于并联机床结构的特点，其运动学设计、动力学优化、精度保证等设计环节均涉及非常复杂的非线性问题，很多设计环节间存在模型演化困难、数据难以集成等技术障碍。因此，迫切需要一个集成化一体化的并联机床设计开发环境，以解决上述问题。 通过对当前并联机床的发展现状和趋势的分析，可以看出，集成化、一体化、数字化的并联机床快速开发平台能够大大缩短并联机床的设计开发周期、实现最新设计理论和应用技术的集成和应用、保证设计过程的一体化，从而推动并联机床在理论方面的研究进展和在实际应用方面走向产业化的进程。 但是迄今为止，国内外与此相关的研究很少，涉及到并联机床的集成化设计方法、虚拟原型设计环境、虚拟设计、运动学仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果： 1997年，L Molinari Tosatti等提出了并联机床的集成化设计方法，提出了并联机床设计环境中的主要组成部分，并以Stewart平台为例进行了Stewart平台的拓扑特性分析、作业空间评估、误差分析、刚度分析、机构的敏感性分析以及机床动力学建模等。 2001年，Marco Leonesio等提出了并联机床的虚拟原型环境，该虚拟原型环境是在商业软件Adams的基础上开发的，以一个三自由度并联机构为例，简单分析了机构原型的运动特性和力特性。 1999年，黄福林等根据实体几何造型的思想建立了Stewart平台机构的实体模型，并采用画家算法，针对Stewart平台机构的结构特点，提出了适于该机构的消隐算法，同时对Stewart平台机构在运动过程中的干涉现象进行了讨论。最终开发出用于Stewart平台机构的运动学仿真软件。 2000年，韩海生等以3-HSS并联机床为对象，在虚拟环境下进行了样机实体建模和运动学仿真。 1998年，刘旭东利用C+语言开发了主要针对Stewart并联机床的运动学设计与性能分析软件。 还有其他一些研究人员针对一些以特定机构为基础的并联机床进行了运动学分析和仿真。2并联机床发展中存在的问题 总体上讲，目前并联机床的研究存在如下问题： 国外关于集成设计方法的研究主要提出并联机床设计中需要的组成部分，如各种商业软件或者自行开发的软件等，并没有深入探讨各设计环节间的集成，更没有提出一个集成的一体化的设计环境； 国内外进行的研究都仅针对特定的设计环节进行仿真或分析，不能支持并联机床设计的各个环节(例如Leonesio的虚拟原型环境仅支持机构原型的仿真与设计)； 国内进行的研究都是针对具体机构，进行机构的仿真与分析，因此所开发的软件缺乏通用性。综上所述，国外已开始关注支持并联机床设计的通用环境，并取得了一定的研究成果(如并联机床虚拟原型环境等)，而国内尚停留在针对具体机构的具体设计环节进行仿真与分析的阶段。本文提出的并联机床数字化快速开发平台能够解决国内外并联机床现有研究中存在的问题，为并联机床的设计提供高效高质量的开发环境，并且在该领域达到国际先进水平。3 国内现有的技术基础国内在并联机床的设计技术方面目前基本与国外同步，清华大学、天津大学等高等院校取得了一些具有世界先进水平的设计理论和技术成果，并成功设计了多台不同构型的并联机床产品样机。2001年，在北京第七届中国国际机床展览会上展出了清华大学与企业单位联合设计的三台并联机床，在国内外产生一定影响。2002年，清华大学与齐齐哈尔第二机床厂合作，成功开发了新型大型龙门式五轴混联机床，目前即将投入应用，这表明并联机床的研究开发向产业化迈出了一大步。从1999年开始，清华大学在国内开始进行并联机床数字化设计平台和虚拟产品设计环境的研究，在系统体系结构、并联构型设计、尺度综合模型、动力学建模、有限元分析、数字化仿真等方面取得了初步的研究成果，为关键技术的进一步研究和设计平台的开发奠定了很好的基础。 4 国内外专利情况国内外文献和专利查新结果表明，目前有关并联机床的国内外研究主要集中在新构型设计、作业空间分析、动力学建模与分析、精度保证等关键技术方面，国外已有学者开始研究并联机床的集成化设计方法和虚拟原型设计环境等相关技术，但目前尚未出现支持并联机床设计的集成化、一体化、数字化并联机床快速开发环境，国内外都没有相关的专利。因此，进行并联机床快速开发环境的研究具有创新性和先进性。 5 主要研究内容并联机床数字化快速开发平台的主要目的是实现并联机床的快速设计和开发，是一个为研究者提供并联机床设计方法研究、工作性能分析等研究的平台，也是为用户提供并联机床的作业效果、作业过程演示的平台。其研究内容主要包括以下几个部分： 1.并联机床数字化快速开发平台的关键技术研究：开发并联机床数字化快速开发平台关键在于技术研究包括平台总体框架设计、并联机床虚拟概念设计、并联机构设计自动化、整机智能化组合设计、数字化样机仿真等。通过这些关键技术的研究，能够在平台中实现并联机床概念设计、构型设计、整机设计、作业过程仿真等关键设计过程，为并联机床提供一个快速的集成的数字化设计开发环境。研究中将主要以六自由度并联机构和串并混联少自由度机构为实例，在平台中实现几类典型机构的数字化设计过程。 分析并联机床的设计过程，结合虚拟产品设计思想，确定系统的目标和规模，并将系统逻辑结构分为三个基础平台： 1.机构概念设计与运动学设计平台：该平台提供并联机构概念设计和机构运动学分析与设计的功能。 2.整机组合设计与动力学设计平台：该平台提供并联机床整机辅助组合设计、动力学分析与设计及精度综合功能。 3.作业过程仿真与作业性能分析平台：该平台支持并联机床数字化样机的作业仿真和性能分析。2.并联机床设计关键技术的实用化和集成化研究：并联机床设计关键技术包括机床结构形式的概念设计、运动学规划、动力学特性分析、精度保证、作业过程仿真与性能分析等多方面研究内容，目前已经取得了许多有价值的研究成果，但这些研究成果的实用化程度并不高，而且上述各项关键技术所对应的设计环节往往相互独立、分散，不能有机地融合，有必要在已有研究成果的基础上，继续深入地对各项关键技术进行研究，并将其有机地融合于所开发的数字化快速开发平台中，实现并联机床功能设计的集成化、高速化和实用化，这一关键技术的解决将会大大缩短并联机床的设计周期、快速应用最新的并联机床设计理论。6 主要技术难点在目前的研究现状下研究开发并联机床数字化快速开发平台，需要解决以下关键技术问题： 1.以并联机构型谱库为核心的并联机床虚拟概念设计技术 由于并联机床概念设计中构型综合的复杂性，完全从头进行构型综合的概念设计方式可能导致普通设计者难以完成设计任务。设想用专门软件进行辅助型数综合或由机构学家独立研究得出实用构型，按并联构型族类存入并联机构型谱库并不断积累。设计者在进行概念设计时只需直接从型谱库中选取满足机床运动性能要求的并联构型，大大简化了概念设计。此外，系统可提供并联机构常见组件库，采用组件组合设计提高构型综合和建模效率。2.以并联机构组件库为基础的并联构型组合式设计及智能设计技术 由于并联机构的构型多样，为快速建立新并联构型，建立并联机构组件库，该组件库以零件库为基础，实现并联构型的快速、自动组合并且实现并联机构的智能设计是本研究需要解决的问题之一。3.以并联机构运动学尺度综合知识集为基础的并联机构尺度综合专家系统技术 由于并联机构构型种类繁多，不同机构有不同的运动学方程和尺度综合目标函数，采用各自独有算法进行尺度综合将会导致系统过分庞大。在机构型谱库中的并联机构运动学尺度综合集提供各种机构的运动学方程和尺度综合目标函数及其它有关信息，由具有一定通用性的核心算法针对具体构型完成尺度综合，将使系统更加简洁且易于实现。4.以并联机床常用零件库和子装配体库为基础的整机设计专家系统技术 并联机床整机设计采取计算机辅助组合设计方式。建立并不断扩充并联机床详细设计所需的子装配体模型库，系统提供辅助组合设计环境，根据机构设计平台提供的并联机构模型，以设计人员的整机结构构思为指导，以动力学分析结果为依据，并行化分布式完成各机床结构件和辅助件的选择和组合，形成可制造的机床整机数字化模型。5.数字化产品样机模型演化技术及作业运动仿真技术 使用虚拟现实技术仿真数字化样机作业过程，进行作业性能分析，向用户展现虚拟产品全面具体的作业特性。切削类机床的作业仿真包括机床作业过程仿真和工件切削成型仿真，性能分析包括运动误差预估、切削颤振效应分析、热态效应分析、切削效果分析等。6.并联机床动力学优化、精度综合等关键技术的实用化集成化研究 根据不同构型进行并联机床的动力学建模与分析，寻求最佳的动力学设计与控制参数；按照不同精度设计指标，确定结构工艺参数，保证设计精度；同时，研究动力学优化与精度综合在系统中的集成问题。7 结论与展望并联机床数字化快速开发平台的研究，有助于： 1.快速建成并联机床数字化快速开发平台的框架体系； 2.实现并联机床概念设计、构型综合、整机装配、作业过程仿真等关键技术过程； 3.实现运动学规划、动力学特性分析、精度保证、作业过程仿真与性能分析的多功能的集成。并联机床：实质运作 多家竞争9月，威海华东数控股份有限公司（以下简称“华东数控”） 与瑞典艾克斯康公司（EXECHON）（以下简称“艾克斯康”）签订EIM - 01 的制造许可协议。华东数控通过制造许可方式引进艾克斯康公司的成套系列并联运动机床技术，由公司生产制造、销售系列并联运动五轴联动数控机床。艾克斯康公司保证用其技术生产的机床产品在用户的工厂验收合格。并联机床，这种业界看好的未来机型，现在已经开始进入实质运作阶段，并呈现多家竞争格局。艾克斯康并联运动机床，是由瑞典艾克斯康公司发明的，拥有PCT（国际专利合作协议组织）全球A 级技术发明专利，属于新一代并联运动机床。自1980 年代中期首项并联运动机床专利出现以来, 瑞典、 美国、德国等国家的几十家企业与机构相继进行了大量研发, 其中以瑞典NeoRobotics 公司（卡尔-埃里克纽曼先生创办）的Tricept 型并联运动机床最有代表性。 1985 年, 第一个由瑞典卡尔-埃里克纽曼（Karl-Erik Neumann）先生开发的结构为一个稳心柱四围安装上3 个制动器的并联运动机床（PKM）专利问世。 1999 年, 国际金机器人奖（Golden Robotics Award），作为工业领域最有威信奖项之一，颁给了Tricept并联运动机床的发明人卡尔-埃里克纽曼先生。艾克斯康（EXECHON）并联运动机床技术是在Tricept 技术基础上, 由以原Tricept技术发明人为主组成的团队研发的。这种机床在性能与数控系统易用性等方面均有决定性突破，打破了阻碍并联机床发展与应用的诸多瓶颈与障碍, 使得并联运动机床第一次真正具有在制造业全面广泛应用的前景。中国机床工具工业协会名誉理事长梁训 ，也是这次项目引进的主要引荐人，对艾克斯康（EXECHON）并联运动机床给予了很高的评价。首先，它可以“巧干代替大干”。由于这种机床的高度灵活性，可以对重大型的工件进行拟人化的加工，在功能上相当于上千万元一台的龙门铣床；其次，它的应用范围潜力较大。虽然目前这种机床在航空航天领域应用范围较广，但在重工行业仍然有较大的拓展空间。梁训 名誉理事长还告诉记者，曾有一位重型机械制造企业的管理者对他表示，挖掘机、铲土机的制造以前一直使用龙门铣床，如果并联机床能够应用的话，将对会给制造环节带来很大的便利。其实，哈尔滨量具刃具集团（以下简称“哈量”）于2006年首次对艾克斯康（EXECHON）并联运动机床的引进，也是梁训 名誉理事长一手运作的。作为中国机床工具行业的权威人士和老专家，他不止在一种场合进行过并联机床的推广，其原因即是他对这种技术的未来把握和对这种机型的看好。多家使用据了解，2005-2008 年，艾克斯康公司已与世界上十多家机床行业生产制造厂家达成专利技术生产与开发许可协议，在世界范围推广艾克斯康并联运动机床技术与应用。名誉理事长梁训 也表示，艾克斯康现在基本不生产这种并联机床，而是以全球范围内的技术转让为主。据他所知，艾克斯康已经与日本、韩国、中国台湾的几家企业签订了技术转让合同。而在中国大陆，也有3家与艾克斯康签订了技术转让合同，分别是哈尔滨量具刃具集团、华东数控和四川自贡长征机床。对于华东数控最新与艾克斯康的合作，梁训 给予了肯定。作为技术转让方，艾克斯康继承了原Tricept技术的精华，并不断将其改进和提升，使其结构越来越简单，而造价越来越低廉。而受让方只要支付一定的技术转让费，并给予转让方销售提成，就可以得到此项技术。同时，就制造环节而言，其工序并不是很复杂，只要能够达到用户的要求即可。实际上，好几家得到该项技术的企业，已经有成品出来。德国的2008汉诺威工业博览会上，台湾的友佳与韩国的货苍就已经展出了样机。今年4月的中国国际机床展（CIMT2009）上，作为国内最早的技术引进者，哈量也展出了并联机床的样机。而华东数控和自贡长征，据悉准备在明年4月的中国数控机床展（CCMT2010）上展出首台套产品。梁训 介绍说，国内引进艾克斯康并联机床的3家企业在产品规格上有所差异。哈量主要做700mm规格的（这一规格同时也转让给了韩国的企业）；华东数控主要做900mm、1000mm，1100mm、1300mm规格的并联机床；长征自贡主要做300mm、500mm的。推广应用的前景并联机床属于新结构机床，其主要特征在于机床中采用了不同于传统机床的并联机构。它的出现，曾被誉为“机床结构的重大革命”、“21世纪的数控加工装备”。一方面并联机床被业界称之为未来的机型，另一方面也正是由于它的有待普及，也使它的推广和使用面临一定的难度。据了解，Tricept并联运动机床数年间生产300 余台, 占有70%以上相关市场，在以波音、通用汽车为代表的航空和汽车工业已有较广泛应用，但其普及性以及销售总量并不高。作为中国方面的首家引进企业，哈量仍然处于样机实验阶段，首台套产品至今没有销售出去。另一家技术引进的台湾企业友佳，也只是展出了样机。台湾友佳行销课课长王玉彬在接受记者采访时表示，他们是2年前开始接触并联机床相关事宜的，并认定并联机床是将来机床发展的一个趋势。友佳并联机床的样机则在半年前出台。对于艾克斯康向多家企业转让并联机床的技术，他们表示，并不害怕其他同行也做并联机床。即使是同一种机型，制作也分高下，只有那些本着用户的立场去做的企业，产品才有竞争力。王课长对友佳的竞争优势充满信心。他介绍说，友佳在中国扎根10年，吸引了大量老客户，服务响应的速度快、销售的后期沟通好、营销网络广布。同时，今年友佳在中国境内的业绩可嘉：营销任务完成较好，杭州工厂的生产任务饱满，新近推出的10款新机型都已实现零的突破，这也说明国内机床市场容量很大。当时在制定并联机床销售策略时也是将国内市场作为重点，并有一定的时间表。但去年下半年以来全球爆发的金融危机，使友佳的全球和产品战略有所调整。尽管如此，他们还是准备近期在并联机床的推广上有所动作，10月底预计参加航空航天行业的一个活动，重点推介并联机床。换一个角度来说，如果几家同行都在做并联机床，谁率先卖出了首台套，对于其他生产厂家来说也是件好事，因为客户的购买和使用会有示范效应。王课长对友佳的并联机床产品也很有信心。他介绍说，并联机床的关键技术主要是5轴头，制造环节并不是很难。虽然外购一些部件，如数控系统采用西门子840D这样能够控制五轴以上的较高的系统，丝杠由日本生产，但主轴却由自己生产，这也会在一定程度上使产品更具有竞争力。鉴于此，王课长看好并联机床的前景。他表示，并联机床的用途很广，虽然现在主要的应用客户为航空航天制造企业，但它的应用并不局限于此，机床行业、重工行业等都有开拓空间。并联机床机床行业面临的机遇与挑战1 概述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都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(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)。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点： 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，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。 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，因而特别适于各种高速数控作业。 环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。 技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。 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，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Ingersoll铣床公司、Giddings & Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司, 瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典Neos Robotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。与之相呼应，由美国Sandia国家实验室和国家标准局倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第4749届CIRP年会、19981999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。19941999年期间，在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。 我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将并联机床的研发纳入教育部211工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。2 并联机床设计理论与关键技术2.1 概念设计 概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。 按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成36个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机滚珠丝杠螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此，在制定总体布局方案时，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。 通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。 2.2 运动学设计 并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。为了适合多坐标数控作业的需要，通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床，动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的，即随着姿态的增加，工作空间逐渐缩小。因此，为了实现动平台实现位姿能力的可视化，往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。 工作空间分析与综合是并联机床运动学设计的核心内容。广义地，工作空间分析涉及在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下，评价动平台实现位姿的能力；尺度综合则是以在编程空间内实现预先给定的位姿能力并使得操作性能最优为目标，确定主动关节变量的变化范围和尺度参数。 工作空间分析可借助数值法或解析法。前者的核心算法为，根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质，利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思路是，将并联机构拆解成若干单开链，利用曲面包络论求解各单开链子空间边界，再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。 尺度综合是实现并联机床运动学设计的最终目标，原则上需要兼顾动平台实现位姿的能力、运动灵活度、支链干涉等多种因素。针对6自由度并联机床，目前可以利用的尺度综合方法可以分为：基于各向同性条件的尺度综合，兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合，以及基于总体灵活度指标的加权综合3种方法。第1种方法因仅依赖满足各向同性条件时的尺度参数关系，故存在无穷多组解答。第2种方法针对动平台在给定工作空间中实现预定姿态能力的需要，通过施加适当约束，可有效地解决多解问题。第3种方法较为通用，通常以雅可比矩阵条件数关于工作空间的一次矩最小为目标，将尺度综合问题归结为一类泛函极值问题。值得指出，第2种方法仅适用某些并联机构(如Stewart平台)；而第3种方法除计算效率低外，还不能兼顾动平台实现姿态的能力。因此，针对不同类型的并联机床，研究兼顾多种性能指标的高效尺度综合方法将是一项极有意义的工作。2.3 动力学问题 刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数整