（机械设计及理论专业论文）并联机床开放式数控系统开发的运动学基础研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 并联机床开放式数控系统开发的运动学基础研究 摘要 并联运动机床p k m ( p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et 0 0 1 ) 是9 0 年代中期问 世的新型制造设备。它是机构学理论、机器人技术和数控技术结合的产物。可 实现多坐标联动数控加工、装配和测量等功能，更能满足复杂特种零件的加工。 由于其具有刚度质量比大、移动速度快、易于实现模块化设计、制造成本低等 优势，已经成为新一代机床发展的重要方向，在工业领域具有广阔的应用前景。 世界上许多国家的科研机构和机床公司都投入了大量的人力物力进行并联机床 的研制工作，并相继推出了几十种形式各异的机床样机。尽管国外在并联机床 的产业化方面已经取得了突破性进展，但国内的研究还很落后。鉴于这种情况， 东北大学先进制造与自动化技术研究所先后成功研制了三杆三自由度并联机床 试验样机、三杆五自由度并联机床和3 p t t 钢坯修磨并联机床，为我国并联机 床的发展做出了杰出的贡献。本文对一种新型三杆五自由度立卧转换式混联机 床进行了基础性的研究，并为并联机床的开放式数控系统开发和五坐标加工提 供了一些理论依据。 本文对东北大学所研制的3 - t p s ( r r r ) 型混联机床的运动学问题做了详细 地分析。描述了该机床的基本结构；阐述了机床坐标系的建立以及如何实现不 同坐标系之间的互相转换；建立从工件坐标系到机床坐标系坐标转换的数学模 型，推导了五坐标加工刀具的数学模型，这些都是以后的开放式数控系统开发 的基础。为了反映平行约束机构的作用，本文还推导了平行机构的运动反解方 程，即转角0 1 、文、幺的计算公式。其中包括机床的位置逆解分析，平行机构 的位置逆解分析，并联机床的位置正解计算。 工作空间的描述是并联运动机床设计的重要环节，它使设计者了解所期望 的加工范围能否实现以及优化工作空间的办法。本文对该机床的工作空间做了 详细的分析。根据相应机床参数搜索实际的工作空间，得到的工作空间连续无 空洞。从对机构在工作空间内的奇异性和灵巧性进行分析可知工作空间内无奇 异形位和不定形位，县有良好的可操作往和灵巧性。 本文对该机床数控加工刀具补偿进行了初步的研究，由于c n c 系统通过 i i 东北大学硕士学位论文摘要 控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上切削时使用刀尖或刀刃边缘完成， 这样就需要在刀架参考点与刀具切削点之间进行位置偏置。本文根据机床五坐 标加工的数学模型建立了刀具长度补偿和刀具半径补偿数学模型。 关键词并联运动机床开放式数控系统坐标转换工作空间 刀具偿补 1 l i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t - - _ _ _ _ _ _ 。- - 。_ _ _ 。_ 。_ - ，。_ 。_ _ _ 。- _ _ _ - - 。_ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ - _ 。_ _ _ _ 。一 b a s i cr e s e a r c ho nk i n e m a t i c so ft h eo p e n i n gs t y l en cs y s t e m f o rt h ep a r a l l e lm a c h i n et o o l ab s t r a c t p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et o o l ( p k m ) i san e wk i n do fm a n u f a c t u r e e q u i p m e n tc a l t l ef o n hi nt h em i d d l eo f9 0 s i tc o m b i n e sm e c h a n i c s 也e o r y ，r o b o t t e c h n i q u ea n dn u m e r i c a lt e c h n i q u e i tc a l l a c h i e v em u l t ia x i sl i n k a g en u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n i n g ，a s s e m b l i n ga n dm e a s u r i n g ，a n ds oo n i tc a nf u l f i l lm a c h i n i n g t h ec o m p l e xs p e c i a lt y p ep a r t sa sw e l l b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e s ，s u c ha si t sh i g h r a t i oo fs t i f f n e s st o m a s s ，h i g hs p e e d ，g o o dp a r t s m o d u l a r i z i n g a n dl o w m a n u f a c t u r i n gc o s t ，i th a sb e e na l li m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no fn e wg e n e r a t i o n m a c h i n et o o l ：a n dt h e yh a v eav e r yv a s ta p p l i c a t i o nv i s t ai ni n d u s t r y m a n yr e s e a r c h i n s t i t u t i o n sa n dm a c h i n ec o r p o r a t i o n sw o r l d w i d eh a dd o n em u c hr e s e a r c ho n p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n ea n dt e n so fd i f f e r e n tp r o t o t y p em a c h i n e sh a dd e s i g n e d t h e r eh a sb r e a k t h r o u g hi np a r a l l e lm a c h i n e si n d u s t r i a l i z a t i o no v e r s e a , b u to u r n a t i o n sr e s e a r c hi ss t i l l v e r yl a g g a r d s e e i n gt h a t t h i sc o n d i t i o n ，a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o ni n s t i t u t en o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y ，p r e s i d e do v e rt h e d e s i g no ft h e3 - d o f3 - l e gp m t 5 - d o f3 - l e gp m ta n dt h ei n p a r a l l e l b i l l e t t r i - g l i d e a l lt h e s ew o r kc o n t r i b u t e st ot h ed e v e l o p m e n to fp a r a l l e lm a c h i n et o o l si n c h i n ag r e a t l y i nt h i st h e s i sf u n d a m e n t a ls t u d yo nan o v e l5 - d o f3 - l e gp m tw h i c h c a nt r a n s f o r mf r o mv e r t i c a lm a c h i n i n gt oh o r i z o n t a lm a c h i n i n gh a sb e e nm a d e i t p r o v i d e sf u n d a m e n t a lt h e o r yf o rd e v e l o p m e n to ft h eo p e n i n gs t y l en cs y s t e ma n d f i v ec o o r d i n a t em a c h i n i n g i nt h i st h e s i s ，t h ek i n e m a t i c sp r o b l e m so ft h e3 - t p s ( r r r ) p a r a l l e l - s e r i e s m a c h i n et o o lw e r ea n a l y z e di nd e t a i l d e s c r i b e db a s i cs t r n c t u r eo f t h i sm a c h i n et o o l ； e l a b o r a t e ds e t t i n g - u po fm a c h i n et o o lc o o r d i n a t es y s t e m sa n dh o wt oa c h i e v e m u t u a l l yc o n v e r s i o no fd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m s s e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o o r d i n a t ec o n v e r s i o nf r o mw o r kp i e c ec o o r d i n a t es y s t e mt om a c h i n et o l l c o o r d i n a t es y s t e m d e r i v e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i v ec o o r d i n a t em a c h i n i n g t h e s ea r et h eb a s ef o rt h el a t e rd e v e l o p m e n to ft h eo p e n i n gs t y l en cs y s t e m i n - i v 查些查兰堡主主堡笙查垒坠! 竺! _ o r d e rt or e f l e c tt h ef u n c t i o no fp a r a l l e lm e c h a n i s m ，d e r i v e dk i n e m a t i c sa n t i s o l u t i o n o fd a r a l l e lm e c h a n i s m i ti st h ef o r m u l ao fc o r n e rb ，以，岛t h i si n c l u d e d p o s i t i o n a la n t i s o l u t i o na n a l y s i so fm a c h i n et o o l ，p o s i t i o n a la n t i s o l u t i o na n a l y s i so f p a r a l l e lm e c h a n i s m ，p o s i t i o n a ln o r m a l s o l u t i o nc a l c u l a t i o no fp k m i ti si m p o r t a n tf o rd e s i g no fp k mt od e s c r i b ew o r k s p a c e i tm a k e sd e s i g n e r k n o ww h e t h e rt oa c h i e v et h er a n g eo fm a c h i n i n go rn o ta n dm e t h o dt oo p t i m i z e w o r k s p a c e i nt h i st h e s i s ，t h ew o r k s p a c eo fm a c h i n et o o lw a sa n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt o t h ep a r a m e t e ro fm a c h i n et o o l ，s e a r c h e df o ra c t u a l w o r k s p a c e w o r k s p a c eo ft h i sm a c h i n ei sc o n t i n u o u sw i t h o u ti n a n i t i o n w i t h o u ts i n g u l a r i t ya n d u n c e r t a i n t yc o n f i g u r a t i o ni nt h ew o r k s p a c eh a sb e e nc o n c l u d e dt h r o u g ha n a l y z i n g t h ed e x t e r i t yo ft h em a c h i n et o o l i nt h ew o r k s p a c e e f f e c t i v e n e s sa n dd e x t e r i t yo f t h em a c h i n ei sv e r yg o o d i tm a d ep r e l i m i n a r ys e a r c ho nt h en cm a c h i n i n gc u r e rc o m p e n s a t i o no ft h e m a c h i n e b e c a u s em a c h i n i n gt r a c ei sc o n t r o l l e db yr e f e r e n c ep o i n to fc u t t e rs a d d l e f o rc n c s y s t e m ，a n di nf a c ti ts h a p e db yt o o lt i pa n d b r i n ko fk n i f ee d g ed u r i n gt h e c u r i n g ，s oi tn e e d e do f f s e tb e t w e e nr e f e r e n c ep o i n to fc u r e ra n dt o o lc u r i n gt i p 、 t h et h e s i ss e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u r e rl e n g t hc o m p e n s a t i o na n dc u r e r r a d i u sc o m p e n s a t i o na c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i v ec o o r d i n a t e m a c h i n i n g k e y w o r d s p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et o o l ，t h eo p e n i n gs t y l en cs y s t e m ， c o o r d i n a t ec o n v e r s i o n ， w o r k s p a c e ， c u r e rc o m p e n s a t i o n v - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：咎未0 主 日 期： 泓i 巧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 机床发展的历史 金属切削机床( m a c h i n et o o l 以下简称机床) 是完成特定金属加工过程( 切 削、激光加工等) 的机器，也称为工作母机或工具机。机床工业是机器制造业 的重要部门，担负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任 务，在整个国民经济中占有重要的地位。机床工业是保证国家经济健康发展的 基础工业，所以机床工业发展水平的高低是一个国家工业化水平高低的重要标 志之一。【1 】 自1 8 世纪英国工业革命以来，机床历经了四个重要的发展阶段。 第一阶段的特点是天轴集中的传动。即用机械动力代替人力，促使车削、 铣削、磨削、齿轮加工等不同工艺方法相继出现，一真延续到2 0 世纪2 0 年代， 才形成了近代制造工业。 第二个阶段的特点是采用交流电动机驱动和齿轮变速。它导致机床机械化 和自动化的迅速发展，出现了以汽车工业为代表的大批量生产的自动化生产线， 在2 0 世纪6 0 年代达到了顶峰。 第三个阶段是机床的数字控制。从1 9 5 4 年美国麻省理工学院研制成功第一 台数控机床以来，经过近半个世纪的发展，数控机床已经在工业生产中获得了 广泛应用，并成为当前机床工业的主流产品。 第四个阶段是并联运动机床。并联运动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。1 9 9 4 年在芝加哥国际机床博 览会上( i m t s 9 4 ) ，美国g i d d i n g s & l e w i s 公司历时六年推出了第一台并联运 动机床一v a r i a x 加工中心。这标志着薪一代机床并联运动机床的诞生。被 业界誉为“机床结构的重大革命”。 提高产品质量、降低成本和缩短产品开发周期，是企业取得市场竞争优势 的基础。这就要求不断提高加工过程的精度、速度和柔性；积极探索和研制新 型的制造设备与系统。面对这种激烈竞争的挑战和压力，世界各地的机床研究 机构和某些具有创新思想的机床公司都在探索新一代的机床。其中在结构技术 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 上的突破性进展当属2 0 世纪9 0 年代闯世的并联运动机床( 有时称为6 腿机床、 虚拟轴机床等) 。并联运动机床具有刚度高、动态性能好以及结构简单等一系列 优点。彻底改变了1 0 0 多年来机床的结构配置和运动学原理，并将成为2 1 世纪 新一代机床的范例。 新一代机床的发展趋势是进一步满足超精密、超高速、激光和细微加工等 新工艺提出的高性能和高集成度的要求。并联运动机床是以空间并联机构为基 础充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电 子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础 的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联运动机床与传统机床的比较如 图1 1 所示。 传统机床 图1 i 并联运动机床与传统机床的比较 f i g 1 1c o m p a r i s o no f p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et o o a n dt r a d i t i o n a lm a c h i n et o o l 从图中可见，并联运动机床与传统机床的区别主要表现在： 传统机床布局的特点是以床身、立柱、横梁作为支承部件，主轴部件和工 作台的滑板沿支承部件上的直线导轨移动，按照x 、y 、z 坐标运动叠加的串联 运动学原理，形成刀头点的加工衷面轨迹。 并联运动机床布局的特点是，以机床框架为固定平台的若干杆件组成窑间 并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，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头点的加工表面轨迹。 由于并联运动机床结构以桁架杆系取代传统机床结构的悬臂梁和两支点梁 来承载切削力和部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主辙、 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 滚珠丝杆、直线电动机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态性能好、 机床的模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点。 与传统串联机床相比并联运动机床具有如下优点【2 刊： ( 1 ) 并联机构的执行构件的误差不再是简单的线性累加，工作头更容易 获得高的精度； ( 2 ) 并联机构的执行机构运动灵活，很容易实现多自由度联动，从而更 易于实现空间曲面的加工； ( 3 ) 并联机床反解容易，轨迹规划简单，易于控制： ( 4 ) 并联运动机床结构简单，零件总数较少，成本容易控制； ( 5 ) 并联运动机床中的主要变形构件以承受拉压力为主，而且由于闭环 力流封闭，使机床具有较高的刚度重量比； ( 6 ) 并联运动机床移动部件质量小，响应速度快，动态性能好，更适于 高速加工； ( 7 ) 并联运动机床的模块化程度高，易于重构； ( 8 ) 并联运动机床硬件简单，软件复杂，具有更高的技术附加值。因此， 并联机床是新一代机床结构的重要发展方向。 但并联机床与传统机床相比较也有一些自身的缺点： ( 1 ) t 作空间小，工作台面积与机床占地面积比1 ：5 0 1 0 0 ； ( 2 ) 工件装卸不方便机床构件之间容易发生干涉。 1 2 并联机构应用及并联运动机床研究现状 1 2 1 并联机构及其应用 ( 1 ) s t e w a r t 平台 在1 9 6 5 年，s t e w a r t 5 1 提出一种新型6 自由度的空间并联机构，它由上下两 个平台和6 个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成，每个伸缩杆和上下平台之 间通过两个球铰链a 、b 、c 、d 、d 、f 和a 、b 、c 、d 、e 、f 连接，称为s t e w a r t 平台。如图1 2 所示。 - 3 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 2s t e w a r t 平台机构 f i g 1 2 s t e w a r tp l a t f o r mm e c h a n i s m 从图中可见，如果将下平台作为固定平台，以伸缩杆的位移作为输入变量， 则可以控制上平台( 动平台) 的空间位移和姿态。 ( 2 ) 并联机构 s t e w a r t 平台6 自由度的空间并联机构引起众多研究者的兴趣，经过3 0 多 年的不断改进和发展，s t e w a r t 平台演变出不同运动学原理和结构的空间并联机 构，并在许多科学研究和工业领域获得了广泛应用。其主要的应用领域有：运 动模拟器、工业机器人、医用机器人、微定位机器人、天文望远镜、绳索机器 人、并联运动机床等f 6 】。主要应用如下各图所示： 图1 3 应用s t e w a r t 平台机构的飞行模拟嚣图1 4 瑞典a b b 公司的d e l t a 并联机器人 f i g 1 3f i g h ts i m u l a t o r , a na p p l i c a t i o no f s t e w a r tp l a t f o r mf i g 14 d e l t a r o b o to f a b bc o r p o r a f t o n 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 圈1 5 使用d e l t a 并联机器人包装巧克力 f i g 1 5t h ea p p l i c a t i o no fd e l t ar o b o tt oc h o c o l a t e p a c k i n g ( a ) t r 一6 0 0 s 型( b ) t m 一6 0 5 型 图1 6t r i c e p t 并联机器人 f i g i 6t r i c e p tp a r a l l e lr o b o t 图1 7 医用并联机器人图1 8 洪堡大学手术机罂人 图1 9 绳索机器人吊车的试验装置 及模拟手术台实验室的现场实况 f i g 1 9 t e s t e ro f c o r dr o b o tc r a n e f i g 1 7h o s p i t a lp a r a l l e l f i g 1 8 t h es c e n eo f o p e r a t i n g r o b o t s t i m u l a n tr o b o tl a bi nu n i v e r s i t y 1 2 2 并联运动机床研究现状 并联运动机床( p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n e ) 是采用具有两个和两个以上运 动链的并联机构，以实现工具或工件所需运动的机床。过去的几年中，曾经使 用过许多不规范的术语，如6 条腿机床、虚拟轴机床、并联机床等。目前，并 联运动机床一词已经得到国际学术界的一致认同。并联运动机床的发展阶段可 划分为三个阶段： 第一阶段是理论提出、研究的阶段( 1 9 7 8 - - 1 9 9 3 年) 。1 9 7 8 年h u n t 7 】提出 s t e w a r t 平台机构，1 9 9 4 年在美国芝加哥i m t s 国际展览会上，美国g i d d i n g & l e w i s 公司展示了第一台v a r i a x 并联运动机床。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第二阶段是原型机开发研制的阶段( 1 9 9 4 1 9 9 9 年) 。由于并联运动机床 受到工作空间、工作精度、性能价格比等原因的限制，在该阶段生产研制出的 并联机床很少在实际生产中得到应用，而且大多数型号已经不再继续生产。 第三阶段是实用阶段( 2 0 0 0 年) 。2 0 0 0 年前后，并联运动机床在运动学 原理、机床设计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究、工业应用等方面 都取得了重大突破，推出了一批新产品，发展了许多经过改进的机构原理和结 构。 1 2 2 1 国外发展现状 国外对并联运动机床的研究是从2 0 世纪8 0 年代开始的，并于9 0 年代相继 推出了形式各异的产品化样机。 1 9 9 4 年在芝加哥国际机床博览会上( i m t s 9 4 ) ，美国g i d d i n g s & l e w i s 公司历时六年推出了第一台并联运动机床一v 撕a 】c f8 】加工中心如图1 1 0 所示， 在机床行业引起了很大轰动 9 1 1 】。机床的六根驱动杆两根一组交叉成“x ”型， 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。该机床 占地面积为7 9 0 0 m m 8 1 8 0 m m ，而工作空间只有7 0 0 m m 7 0 0 m m x 7 5 0 m m ， 工作台面积6 3 0 r a m ( 6 3 0 m m ，从空间利用的角度看，其结构不尽合理。加以由 于主轴部件配置为内铣型，安装工件也不太方便，因此没有在生产中获得应用。 后来该机床提供给英国诺丁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。 1 9 9 6 年，美国i n g e r s o l l 公司也推出v o h l 0 0 0 型立式加工中心如图1 1 1 所 示和h o h 6 0 0 型卧式加工中心如图1 1 2 所示。这两台机床在结构上都作了较大 改进，从内铣型改为外铣型，并明显缩小了主轴部件的体积，减轻了运动部件 的质量，安装工件也比较方便，对并联机床的发展产生很大影响。h o h 6 0 0 型 机床的底座采用基本构件组成的八面体绗架结构，据称这种结构刚性很好，力 流封闭，机床安装时不用打基础。该机床连杆的最大进给速度为3 0 m m i n ，加 速度为o 5 9 ，主轴转速为0 2 0 0 0 0 # m i n ，最大功率为3 7 5 k w ，最大扭矩为 4 9 1 n m ，自带刀库，能自动换刀。 在当时，这些被称为“机床行业革命”并联运动机床的出现，的确给不景 气的机床行业注入了新鲜的活力，但是由于各方面条件的限制，大多数机床只 能加工腊模等质地柔软的材料i 12 1 。到了1 9 9 7 年的汉诺威国际机床展( e m o ，9 7 ) - 6 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 i t 3 ，并联运动机床样机展出量达到了1 0 多台，2 0 0 1 年汉诺威国际机床展 ( e m o ，2 0 0 1 ) ，则达到了3 0 多台，并联运动机床的发展方向也越来越多元化， 不仅包括加工机( m i l l i n gm a c h i n e ) ，还出现了加工中心( m a c h i n i n gc e n t e r ) 、 三坐标测量机( 3 - d o fm e a s u r i n gm a c h i n e ) 、装配机床( a s s e m b l i n gd e v i c e ) 、定 位和定向机械( d e v i c ef o rp o s i t i o na n do r i e n t a t i o n ) 等，由于并联运动机床对传 统机械行业的影响越来越大，在美国科学家基金会提议下，已经召开了三次国 际并联运动学及其研讨会，分别是在意大利米兰( 第一届，1 9 9 8 年) 、美国密 执安( 第二届，2 0 0 2 年) 和德国开姆尼斯( 第三届，2 0 0 2 年4 月底) 。目前并 联运动机床研究的大型实验室有9 1 个，其中有美国( 1 9 1 、加拿大( 8 ) 、瑞士 ( 5 ) 、意大利( 7 ) 、法国( 7 ) 、南韩( 8 ) 、日本( 1 1 ) ，其它国家( 1 7 ) ；主要 研究公司有1 8 个，分别是美国的h e x e l 、i n g e r s o l l 公司，俄罗斯的l a p i k 公司， 挪威的m u l t i e r a f t 公司，日本的o k u m a 公司、t o y o d am a c h i n et o o l s 公司，德国 的d s t e c h n o l o g i c 公司、汉诺威大学、m i c r o m a t 公司、m e t r o m 公司、h e c k e r t 公 司，瑞典t r i c e p t 公司，以及加拿大、意大利、西班牙、荷兰、澳大利亚、南韩 等国家的一些大型公司【h 】。 圈1 1 0v 8 r i a x 型并联机床 f i g 1 1 0v a r i a xp k m 圈1 1 1v o h 1 0 0 0 型机床图i 1 2h o h - 6 0 0 型卧式加工中心 f i g 1 i lv o h - 1 0 0 0p k mf i g 1 ，1 2h o h - 6 0 0 h o r i z o n t a lm c 由于g i d d i n g s l e w i s 和g e o d e t i c s 这两家公司的创新探索，对促进各国大 学和研究机构开展并联运动机床研究起到了积极地推动作用。各有关单位纷纷 研制各种并联机构的原型样机，召开并联运动机床的国际研讨会，开设专门的 信息交流网站( w w w p a r a l l e m i c o r g ) 。 2 0 0 0 年前后，并联运动机床在运动学原理、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机构原理和结构，并使并联运 动机床进入了实用阶段。据可查资料得知，国外新型并联机床的进给速度一般 在0 5 1 6 m s 之间，最高加速度可达4 5 2 0 m s 2 之间( 一些试验机可达到3 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 5 9 ) ，定位精度l o g m 左右，有些甚至可达到4 p m ：重复精度5 p m 左右，甚至可 达到1 咖。 国外公司、研究研所开发的主要并联运动机床产品有【l5 】：德国斯图加特大 学l i n a p o d 立式加工中心( 图i 1 3 ) 、天文望远镜( 图1 1 4 ) 、v a r i a x 型加工 中心( 图1 1 5 ) 、德国m e t r o m 公司五杆并联运动机床( 图1 1 6 ) 、瑞典t r i c e p t 公司高速铣床( 图1 1 7 ) 、德国汉诺威大学模具维修机床( 图1 1 8 ) 、瑞士苏伊 士高等工业学院一e t h z 立式五坐标高速铣床( 图1 1 9 ) 【1 6 】、德国m i c r o m a t 公司立式五坐标高速铣床( 图1 2 0 ) 、德国d s t e c h n o l o g i c 公司加工中心( 图 1 2 1 ) 、r e i c h e n b a c h e r 公司木材加工机床( 图1 2 2 ) 、d e c k e lm a h o 公司5 坐标 铣床( 图1 2 3 ) 、v o h l 0 0 0 型加工中心( 图1 2 4 ) 【1 7 】。 圈1 1 3 德嗣斯圈加特大学l i n a p o d 立式加工中心 f i g 1 1 3l i n a p o d 删c a lm a c h i n i n gc e n t e ro f g e r m a n yi f w 图1 1 5v a r i a x 型加工中心 f i g 1 1 5 v a r i a xm a c h i n i n gc e n t e r 圈1 1 4 天文望远镜 f i g 1 1 4a s t l o n o m i c a lt e l e s c o p e 图1 1 6 德圈m e t r o m 公司五杆并联运动机床 f i g 1 1 65 - l e g g e dp a r a l l e lm a c h i n i n gt o o lo f g e r m a n y m e u o mc o - 8 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 7 瑞典t r i e e p t 公司高速铣床 f i g 1 1 7h i g hs p e e dm i l l i n gm a c h i n eo f s w e d e nt r i c e p tc o 圈1 1 9 瑞士苏伊士高等工业学院- - e t h z 立式五坐标高速铣床 f i g 1 1 9 v e r t i c a l5 - d o fh i g h - s p e e dm i l l i n g m a c h i n eo fs w i t z e r l a n ds u e ze t h z 图1 2 i德国d s t e c h n o l o g i c 公司加工中心 f i g 1 21 m a c h i n i n gc e n t e ro f g e r m a n y d s - t e c h n o l o g i cc o 图1 2 3 d e e k e lm a h o 数控铣床局部放大图 f i g 1 ，2 3 p a r t i a lz o o mi no f s - d o fn cm i l l i n g m a c h i n eo f d e c k e im a h oc o 图1 1 8 德国汉诺威大学模具维惨机床 f i g 1 1 8m o u l ds e r v i c i n g m a r c h i n go f g e r m a n y h a n o v e r i a nu n i v e r s i t y 图1 2 0 德国m i c r o m a t 公司立式五坐标 高速铣床 f i g i 2 0 v e r t i c a l5 - d o fh i g h s p e e dm i l l i n gm a c h i n e o fg e r m a n ym i c r o m a tg o 9 图i 2 2r e i c h a n b a c h e r 公司术材加工机床 f i g 1 2 2w o o dm a c h i n i n gt o o lo f r e i c h e n b a c h e rc o 图i 2 4v o h l 0 0 0 型加工中心 f i g t 2 4v o h l 0 0 0m a c h i n i n gc e n t e r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 2 国内发展现状 基于并联运动机床发展的潜力，我国对此也比较重视，在国家“八六三” 高技术发展计划、国家九五计划、国家自然科学基金等基金项目的资助下，我 国并联运动机床的发展得到了很快的发展。目前，国内研发的并联运动机床除 了有三杆和六杆结构系列外，还有由此衍生出来的五杆结构等。三杆结构主要 代表是东北大学，其余的多为六杆结构。六杆结构并联运动机床由于研究的比 较早，理论研究较多，因此大多数开发商多从事六杆结构并联运动机床的研究 开发。但是由于六杆结构建模困难，存在运动耦合、对元件及控制精度要求较 高，而且一般零件的加工，并不需要六个自由度，因此少自由度并联运动机床 的研究得到了人们的很大关注。 国内对于并联运动机床的研究是从9 0 年代中期开始的，主要研究单位有燕 山大学【1 8 】、东北大学【1 9 。2 们、清华大学、天津大学、中科院沈阳自动化研究所、 哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、华中理工大学和浙江大 学等。1 9 9 8 年，清华大学在第五届中国国际机床展览会上展出了名为v a m y l y 的并联运动机床( 图1 2 5 ) ，该机由清华大学和天津大学联合开发，是我国展 出的第一台并联运动机床样机【2 ”。2 0 0 1 年，清华大学与昆明机床股份有限公司 合作研制开发了x n z 6 3 数控镗铣类并联机床，与江东机床有限公司合作研制 开发了x n z 2 0 1 0 数控龙门式并联机床，后来，清华大学【2 8 】又先后和大连机床 厂、江东机床厂合作开发了多台并联运动机床。 北京航空航天大学 2 9 , 3 0 1 从1 9 9 6 年在国家自然科学基金的支持下开始从事 并联运动机床的研究，于1 9 9 9 年开发出一台虚轴刀具磨床实验样机。 1 9 9 9 年天津大学在第六届中国国际机床展览会上展出了名为l i n a p o d 的3 自由度并联机床，见图1 2 6 。该机床是由天津大学开发，天津第一机床厂制造 的。该机床的定位精度不大于2 0 微米。 沈阳自动化所1 3 1 , 3 2 1 在国家8 6 3 项目基金资助下。于1 9 9 5 年底研制出一台6 杆并联机器人机床样机，后来他们又开发出一台龙门式4 杆5 轴并联机床。 哈尔滨工业大学于1 9 9 8 年研制出6 坐标b j 系列并联机床( 图1 2 7 ) ，并 在9 9 年的机床展览会上展出。2 0 0 1 年在北京举行的国际机床展览会 ( c i m t 2 0 0 1 ) 上，哈工大又与哈尔滨量具刃具厂合作推出了一台商品化的并联 机床( 图1 2 8 3 。该机床可以对水轮机叶片等复杂曲面进行加工，加工精度可 达0 0 2 m m 。 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 圈1 2 5 清华大学的虚轴机床 f i g 1 2 5 v i r t u a la x i s m a c h i n eo f t s i n 曲u a u n i v e r s i t y 圈1 2 7 哈工太的b i - 1 并联机床 f i g 1 2 7b j - ! p k m o f h a r b i ni n s t i a l t c o f t e c l m o l o g y 躅1 2 9 东北大学研制的兰杆三自由度 并联机床试验样机 f i g1 2 9t h ep r o t o t y p e3 - d o ft r i p o dd w e l o p e d b yn o r t h c a s t c r au n i v e r s 畸 图【，2 6 天津大学的并联机床 f i g 1 2 6 p k i v io f t i a u j i nu n i v e r s i t y 圈l ，2 8 哈工大的b j - 2 并联机床 f i 晷1 2 8 b j - 2 p k m o f h a r b i n i n s t i t ：i l t e o f t e c l m o l o g y 图1 3 0 东北大学三杆五自由度并联机床 f i g i 3 0t h e 5 - d o f t r i p o d d e v e l o p e db y n o r t h c a s t c r au n i v e r s i t y 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 东北大学先进制造与自动化技术研究所