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本文簡(jiǎn)單概述了早期并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)介紹了幾種典型的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床特點(diǎn)。

早期的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

1994年，在美國芝加哥機(jī)床展覽會(huì)上，美國Giddings & Lewis公司展出了Variax型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床，引起轟動(dòng)。它是一臺(tái)以Stewart平臺(tái)為基礎(chǔ)的5坐標(biāo)立式加工中心，標(biāo)志著機(jī)床設(shè)計(jì)開始采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是機(jī)床結(jié)構(gòu)重大改革的里程碑，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖中可見，6根由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的伸縮桿，借助萬向鉸固定在下平臺(tái)上，這種結(jié)構(gòu)也被稱為“6條腿 （Hexapod）”，絲桿的螺母通過萬向鉸支承著上平臺(tái)。桿件長(zhǎng)度的伸縮使帶有主軸部件的上平臺(tái)完成加工零件所需的運(yùn)動(dòng)。

Variax型加工中心是一種“內(nèi)銑型”結(jié)構(gòu)，機(jī)床占地面積為7800mm′8180mm，而工作空間僅有700mm′700mm′750mm，安裝工件也不太方便，因此沒有在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。后來該機(jī)床提供給英國諾廷漢大學(xué)工學(xué)院作為進(jìn)行“航空工業(yè)敏捷制造”項(xiàng)目研究的設(shè)備。

嗣后，美國Ingersoll公司推出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的VOH 1000型立式加工中心和HOH 600型臥式加工中心，在結(jié)構(gòu)上作了zui大改進(jìn)，從“內(nèi)銑型”改為“外銑型”，明顯縮小動(dòng)平臺(tái)的體積，減輕了運(yùn)動(dòng)部件的重量，安裝工件也較為方便，對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展曾經(jīng)產(chǎn)生很大的影響。

但是由于種種原因，Ingersoll機(jī)床也沒有投入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。兩臺(tái)VOH 1000型立式加工中心分別交付給美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所和美國國家宇航局進(jìn)行研究。HOH 600型加工中心提供給德國阿亨工業(yè)大學(xué)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。它們的研究結(jié)果對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展起到很大的促進(jìn)作用。

Ingersoll公司HOH 600型的外觀如2所示。

通過早期并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的試驗(yàn)研究表明，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床比較，具有一下優(yōu)點(diǎn)：

1） 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)慣性?。?
2） 高運(yùn)動(dòng)速度和高加速度，適合高速加工；
3） 主要部件具有重復(fù)性，通用程度高；
4） 容易通過預(yù)加載荷，提高機(jī)床部件的剛度；
5） 通過控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度的補(bǔ)償。

但是，早期并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床由于種種原因，沒有在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。近年來，在運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、機(jī)床設(shè)計(jì)方法、制造工藝、控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)性能研究和工業(yè)應(yīng)用方面都先后取得重大的突破。世界的機(jī)床公司都相繼推出新產(chǎn)品，發(fā)展了許多經(jīng)過改進(jìn)的變型結(jié)構(gòu)，使并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床開始進(jìn)入了實(shí)用階段。

6X Hexa 立式加工中心

德國Mikromat公司（）的6X Hexa立式加工中心的研制由歐共體Esprit高科技研究計(jì)劃資助，有4個(gè)單位參加：

1） Mikromat機(jī)床公司，負(fù)責(zé)機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)也作為機(jī)床的zui終用戶。
2） 富蘭霍夫機(jī)床及鍛壓技術(shù)研究所，作為企業(yè)的技術(shù)顧問，提出機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案。
3） Andron公司，提供Andronic 400數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件，以及數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)化。
4） GMD-First公司，高性能計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)專家，負(fù)責(zé)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)控制策略和高速數(shù)據(jù)傳送。

該機(jī)床的外觀如圖3所示。

從圖中可見，工作臺(tái)在機(jī)床的底座上可前后移動(dòng)，以便于裝卸工件。底座上有3根按照120°分布的立柱，用于支承并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是采用變型Stewart平臺(tái)，分別將上下平臺(tái)都分為兩層，兩層上平臺(tái)固定在3根立柱的側(cè)面，兩層下平臺(tái)共同支持主軸部件。采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)6根桿的同時(shí)或單獨(dú)伸縮，以控制主軸部件完成6個(gè)自由度的空間運(yùn)動(dòng)。這種變型結(jié)構(gòu)改善了工作空間與機(jī)床所占體積之比，使主軸姿態(tài)變化時(shí)受力更加均勻。

該機(jī)床主要用于模具加工，可以實(shí)現(xiàn)5坐標(biāo)高速銑削，加工精度可達(dá)0.01～0.02mm，明顯提高加工效率、改善表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。

КИМ-750型測(cè)量機(jī)

俄羅斯Lapic公司將Stewart平臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于TM-1000型精密加工中心和КИМ-750型3坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，КИМ-750型測(cè)量機(jī)的外觀如圖4所示。

從圖中可見，上平臺(tái)就是測(cè)量機(jī)的框架，6根伸縮桿是由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲桿，它們共同與裝有測(cè)量頭的下平臺(tái)連接。在固定的上平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)的下平臺(tái)之間安裝有6根激光干涉測(cè)量尺，對(duì)伸縮桿的位移進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)時(shí)反饋，工作精度可達(dá)±0.001~0.002mm。工作空間為750mm×550mm×450mm。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)是可以很方便地將測(cè)量頭偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，測(cè)量斜孔的直徑。

P2000 型 5坐標(biāo)銑床

美國Hexel公司（）致力于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床和并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的普及化，推出低價(jià)位的Tornado型5坐標(biāo)加工中心和P 2000銑床工作臺(tái)，以及6自由度的定位平臺(tái)和微型機(jī)器人等一系列產(chǎn)品。

P2000 銑床工作臺(tái)是一個(gè)采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的6自由度動(dòng)平臺(tái)，它可以作為單獨(dú)部件提供給用戶，也可以配置成為完整的5坐標(biāo)立式銑床。

將P2000銑床工作臺(tái)與舊的普通立式銑床相配合，將主軸部件轉(zhuǎn)180°，就能夠很快構(gòu)成一臺(tái)全新的5坐標(biāo)數(shù)控立式銑床，適用于加工小型模具或樣件制造。數(shù)控系統(tǒng)軟件由該公司自行開發(fā)，硬件采用Window操作系統(tǒng)的微機(jī)和Delta-Tau公司的控制卡。機(jī)床外觀如圖5所示。

V100立式車削中心

德國Index機(jī)床公司（index-werke.de）2000年推出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的車削中心，2002年又將其聯(lián)成加工回轉(zhuǎn)體零件的流水線，在生產(chǎn)中應(yīng)用效果良好。機(jī)床的外觀如圖6所示。

該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是3根立柱固定在機(jī)床底座上，頂端由多邊形框架連接。每根立柱上有導(dǎo)軌，滑板在滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)下沿導(dǎo)軌移動(dòng)，通過6根固定桿長(zhǎng)的桿件將主軸部件吊住，使主軸實(shí)現(xiàn)3個(gè)直角坐標(biāo)的移動(dòng)。從并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析的角度看，這種配置屬于3桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Tripod）。

在機(jī)床前方的垂直臺(tái)面上，可以安裝8~12把固定刀具或旋轉(zhuǎn)刀具，除完成車削加工外，還可以進(jìn)行銑削、激光硬化、激光焊接、磨削等工序。機(jī)床設(shè)計(jì)的巧妙之處還在于：主軸除完成加工任務(wù)外，還同時(shí)承擔(dān)工件的裝卸，如圖7所示。

從圖6和圖7中可見，機(jī)床的周圍有一個(gè)環(huán)形的輸送帶，它將待加工工件依次輸送到機(jī)床后方的管道中。當(dāng)工件加工完畢時(shí)，處于工作空間的管道防護(hù)罩打開，主軸將加工好的工件放到輸送帶的夾具上，并將下一個(gè)待加工的工件自動(dòng)裝卡在主軸卡盤上，主軸起到裝卸機(jī)械手的作用。當(dāng)主軸移至加工工位時(shí)，防護(hù)罩自動(dòng)關(guān)閉，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，開始進(jìn)行下一個(gè)工件的加工。

機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)采用西門子公司的Simumerik 840D。

Urane SX型臥式加工中心

法國Renault Automation 公司（）推出Urane SX臥式加工中心，其外觀如圖8所示。該機(jī)床采用一系列新技術(shù)，如直線電動(dòng)機(jī)、電主軸、高速鏜銑削和油霧干切削等。該機(jī)床用于加工Ranault汽車齒輪變速箱體的平面和孔，采用高速切削，效率很高。

機(jī)床的并聯(lián)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是采用3桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有很高的動(dòng)態(tài)特性，快速移動(dòng)可達(dá)100m/min，zui大加速度甚至可以達(dá)到5g。

在機(jī)床的床身上分布有3根水平導(dǎo)軌，直線電動(dòng)機(jī)的滑板沿導(dǎo)軌移動(dòng)。3塊滑板通過3組平行桿機(jī)構(gòu)以及萬向鉸和球鉸支承動(dòng)平臺(tái)和主軸部件，使主軸實(shí)現(xiàn)3個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)。

SKM 400型臥式加工中心

德國Herkert機(jī)床公司（）推出結(jié)構(gòu)*的SKM 400型臥式加工中心，它是一臺(tái)三桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床，其外觀如圖9所示。

從圖中可見，機(jī)床的左前方配置有數(shù)控系統(tǒng)和容量為16把刀具的盤狀刀庫，3根伸縮桿分布在機(jī)床的頂部橫樑和左右兩側(cè)傾斜立柱上，由中空轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)。3根伸縮桿的末端共同支承主軸部件，實(shí)現(xiàn)Ｘ、Ｙ、Ｚ坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是在主軸部件的下方，配置有曲柄機(jī)構(gòu)。這是一個(gè)被動(dòng)機(jī)構(gòu)，它有2個(gè)自由度，使主軸部件繞固定在機(jī)床底座上軸線偏轉(zhuǎn)和前后傾斜，從而擴(kuò)大了工作空間，如圖10所示。該機(jī)床還配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，主要用于加工箱體類零件，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制采用Siemens 840D型數(shù)控系統(tǒng)。

Ecospeed型臥式加工中心

德國DS Technologie機(jī)床公司（www.ds-technologie.de）推出Ecospeed型大型5坐標(biāo)臥式加工中心，用于加工飛機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)件，其外觀如圖11所示。

該機(jī)床的主要特點(diǎn)在于Z3型主軸部件部件的設(shè)計(jì)，它采用3桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其工作原理如圖12所示。

從圖中可見，在主軸部件套筒的內(nèi)壁上有按照120°分布的軸向?qū)к?，伺服電?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌上的滑板前后移動(dòng)?；逋ㄟ^板狀連桿和萬向鉸鏈與主軸部件的殼體相連。如果3塊滑板同步運(yùn)動(dòng)，則主軸部件作Z方向的前后移動(dòng)。如果某一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，可以通過萬向鉸鏈?zhǔn)怪鬏S部件沿A或B坐標(biāo)在±40°范圍內(nèi)擺動(dòng)。由于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件多是厚度不大（不超過300mm）的薄壁零件，機(jī)床主軸Z坐標(biāo)的移動(dòng)量控制在670mm以內(nèi)，以提高主軸部件的動(dòng)、靜態(tài)剛度。此外，客戶可以根據(jù)需要選用低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩的主軸部件。

Pegasus型木材加工中心

德國Reichenbacher公司（www.reicherbacher. de）是一家生產(chǎn)木材加工數(shù)控銑床為主的小公司。zui近推出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的Pegasus型木材加工中心，其外觀如圖13所示。

該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，采用3組固定桿長(zhǎng)的、兩端有萬向鉸鏈的桿系，借助鉸鏈將桿系分別與3塊移動(dòng)滑板和動(dòng)平臺(tái)連接。3塊滑板皆有各自的直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)繞組，但它們共用一個(gè)固定在機(jī)床橫梁上的次級(jí)。改變3個(gè)移動(dòng)滑板相對(duì)主軸刀頭點(diǎn)垂直截面（ZY坐標(biāo)平面）的距離，就可以實(shí)現(xiàn)刀頭點(diǎn)在X、Y、Z坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)。

主軸部件固定在動(dòng)平臺(tái)上，它由電主軸和附加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，以現(xiàn)實(shí)4～5坐標(biāo)加工。機(jī)床結(jié)構(gòu)配置簡(jiǎn)潔，工作區(qū)域開闊，工件裝卸方便。它的主要支承零部件都由鋼板焊接而成，可以根據(jù)需要配置成為雙面工作臺(tái)的加工中心或流水生產(chǎn)線。Pegasus木材加工中心采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)