新型串并联结构数控机床

高天雷

(中国通用技术(集团)哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

制造业是一个国家和地区经济发展的重要支柱，机床是对制造业起决定作用的制造装备和核心设备，其发展水平标志着该国家或地区的科技水平、生活水准和国防实力。这就对机床设计及制造技术提出了更高的要求和新的挑战［1］。上世纪90年代随着计算机技术的高速发展，并联机床也随之发展起来，并联机床作为新一代数控机床，一直受到学术界的广泛关注。并联机床的出现扩大了机床在制造业的应用范围，提高了机床在制造业中的技术水平，为新型机床设计提供了理论依据。但是，并联机床也存在着许多不足，如:并联机床的驱动杆多，互相牵制，导致工作空间小;每个驱动支路的关节较多，影响了整体刚度;驱动杆的反馈困难，运动精度难以保证。而串联机床虽然也有一些固有的缺点，但其控制简单、运动空间大和运动灵活性好。因此为了充分利用并联机床和串联机床的优点，克服两者的不足之处，研究人员将并联机构和串联机构进行合理的结合，形成了新型的串并联机床。

哈尔滨量具刃具集团有限责任公司应用瑞典艾克斯康(Exechon)公司最新技术(并联机构Tripod)推出了一种全新结构的加工中心——LINKS－EXE700，如图1所示。该机床是一种典型的串并联结构机床，因没有实体坐标轴，故又称虚拟轴机床。

这种机床是将并联机构和串联机构进行合理的结合而成，是近年来世界上逐渐兴起的一种新型结构机床。它综合了串联机床和并联机床的优点，克服了两者的不足，具有动态性能好、模块化程度高、机构灵活度高、响应速度快、工作空间范围大、刚度高、承载能力强、重量轻、技术附加值高和结构简单等突出的特点［2－4］。尤其在复杂曲面的加工中具有很好的应用前景。LINKS－EXE700是一款立足于中国制造，运用国际先进技术资源，面向全球市场的最新一代串并联机床，也是近年来我国在国际机床领域的一项重大突破。

1 串并联数控机床LINKS－EXE700机械结构

LINKS－EXE700型串并联数控机床包括并联部分和串联部分，并联部分由定平台和动平台以及3个分支组成，其中有两个分支的一端与定平台用两自由度虎克铰连接，另一个分支的一端与定平台用三自由度虎克铰连接，3个分支的另一端分别与动平台用转动副连接，虎克铰与转动副之间是移动副;串联部分由两个轴线互相垂直的转动副组成。因此，整个并联部分和串联部分构成一个具有5个自由度的串并联机构，如图2所示。

2 LINKS－EXE700串并联数控机床数控系

统LINKS－EXE700型串并联数控机床采用了西门子SINUMERIK 840D数控系统。SINUMERIK 840D中配置了SIMODRIVE 611D数控及数字驱动单元，数控单元为NCU 573.5，数字驱动单元是新一代数字控制总线驱动的交流驱动(双轴模块)。交流伺服电动机采用1FT7和1FK7系列，全闭环控制。人机交换界面负责LINKS－EXE700型串并联数控机床数据的输入和显示，由PCU50及MCP483和OP015A组成。可编程控制器PLC采用西门子SIMATIC S7－300的软件及模块。手持单元为西门子SINUMERIK HT8，它具有操作面板以及机床控制面板的功能，通过示教和编程，能够进行全面的机床操作、监控和生成用户程序。

电主轴采用西门子 WEISS电主轴，功率32.5 kW;额定转速11 100 r/min;扭矩28 N·m;冷却方式为水冷。主轴刀柄接口形式为Capto－C6或HSK。

3 虚实轴转换

LINKS－EXE700型串并联数控机床属于虚拟轴机床，与传统机床不同。传统机床的加工轨迹等控制概念都是建立在笛卡尔坐标系，驱动轴在空间中的位置也与笛卡尔坐标系相吻合。但是LINKS－EXE700型串并联数控机床的轨迹控制是由3根杆件空间运动耦合而成，它在操作空间用来描述运动平台位姿的X、Y、Z、A、B、C并不真实存在(虚轴)，不能对其进行直接控制，而可以直接控制的是各伸缩杆的长度(实轴)。所以LINKS－EXE700型串并联数控机床运动控制最关键的问题是通过对实轴的控制来实现对虚轴的联动控制。通常“虚轴”用于机床坐标系及工件坐标系的建立，并产生刀具加工运动轨迹等。机床的调整和校准是在“实轴”状态下进行的。“实轴”(杆件)需要按照Tripod机构运动学解算规律进行运动，从而获得所需要的“虚轴”运动轨迹。“实轴”与“虚轴”坐标变换软件是由西门子公司为瑞典艾克斯康公司的Tripod机构专门开发设计的系统软件，并应用于西门子SINUMERIK 840D数控系统中。在数控系统的操作和加工编程上与传统数控机床完全相同，通用性强，操作方便，这也是LINKS－EXE700型串并联数控机床与并联机床相比所具有的一个优势。它可以方便地实现空间复杂轨迹的运动，具有很高的应用价值。

4 虚拟样机在线仿真数控加工软件ILP

近年来，计算机技术的广泛应用提供了新的数控加工仿真技术，那就是虚拟样机在线仿真数控加工技术。为了保证LINKS－EXE700型串并联数控机床在数控加工过程中的可靠性和准确性，LINKS－EXE700型串并联数控机床应用了现代最新的虚拟样机在线仿真数控加工软件ILP，利用LINKS－EXE700型串并联加工中心数控系统的操作指令可以在人机交换界面(OP015A显示屏)上仿真LINKS－EXE700型串并联数控机床整个执行机构及刀具和工装实时加工状况，进行仿真分析，解决了模拟运动可视化的问题。通过ILP软件可直接观察了解LINKS－EXE700型串并联数控机床的工作过程，直观地观察到LINKS－EXE700型串并联数控机床的工作过程是否发生干涉现象。而不需要进行繁琐的分析。如有干涉，ILP软件可自动提示干涉区域及加工程序段。图3所示为虚拟样机在线仿真数控加工软件ILP界面。

5 LINKS－EXE700型串并联数控机床工作空间

工作空间是指机床正常工作时，末端执行器在空间活动的最大范围。工作空间是从几何方面描述机床的工作能力，对末端执行器的可达运动范围作出客观评价，是并联机床性能的重要指标和进行机构设计、运动规划的重要依据。LINKS－EXE700型串并联数控机床相对传统的并联机床具有更大的工作空间，如图4所示。理论计算表明，该型串并联数控机床的工作空间可达1.431×109mm3。

6 串并联数控机床优点

(1)具有较高的刚度和加工精度，更大的工作空间，动态性能好，技术附加值高。

(2)定位方便，由于没有实体坐标系，机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成，建立工件坐标系方便、快捷，变换坐标系方便。

(3)在一次装夹中可实现五坐标轴联动进行高速、敏捷、复合角度的5到6面体的加工，实现加工功能复合化，并可自动换刀。

(4)采用具有高度开放性结构的通用数控系统SINUMERIK 840D，并与西门子公司合作，利用西门子独特的内部坐标变换功能，实现了常规五坐标编程与实时在线仿真，使得用户的操作与编程更为简便。

(5)除切削加工外，匹配不同功能部件及装置，可实现多功能加工。

(6)机床结构简单，集成化、模块化程度高。可制成独立装备或集成于大型系统生产线中或多台联合完成加工、装配和测量等工作，形成并联机床生产线。

(7)由于没有传统机床导轨，避免了导轨磨损、锈蚀、划伤等现象，使用寿命长。

从以上的分析可以看出，该机床具有许多传统机床无法替代的优点，弥补了串联机床、并联机床的不足。串并联机床作为新一代数控机床，它兼顾了并联机构技术、串联机构技术和现代数控机床技术于一体，提高了机床在制造业中的技术水平。在一次装夹中可完成从毛坯至成品的多道加工工序，实现加工的复合化。特别适用于航空、航天、汽车、工程机械以及复杂自由曲面等的加工，可实现高速铆接、焊接和装配等。

7 展望

串并联数控机床作为一种新型的加工设备，在实际加工过成中具有较强的加工能力，同时也加深了人们对串并联数控机床的了解。从目前应用的效果可以看出，串并联数控机床在很多方面的性能优于传统机床，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业界的高度重视。在提高我国装备制造技术进程中必须加大在这方面的研究力度，打造属于我国自主知识产权的串并联运动机床。

［1］陈文家，王洪光，房立金.并联机床的发展现状与展望［J］.机电工程，2001，18(4):5 －8.

［2］詹泳，周云飞，师汉民.串并联数控机床的作业空间分析［J］.应用科学学报，2004，22(1):60 －65.

［3］王瑞，钟诗胜，王知行.5轴新型数控铣床仿真建模的实现［J］.计算机集成制造系统，2005，11(8):1176 －1180.

［4］王友渔，赵兴玉，黄田.可重构混联机械手TriVariant与Tricept的静动态特性预估与比较［J］.天津大学学报，2007，40(1):41 －45.