新型串并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機床

高天雷

(中國通用技術(shù)(集團)哈爾濱量具刃具集團有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

制造業(yè)是一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，機床是對制造業(yè)起決定作用的制造裝備和核心設(shè)備，其發(fā)展水平標志著該國家或地區(qū)的科技水平、生活水準和國防實力。這就對機床設(shè)計及制造技術(shù)提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)［1］。上世紀90年代隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，并聯(lián)機床也隨之發(fā)展起來，并聯(lián)機床作為新一代數(shù)控機床，一直受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。并聯(lián)機床的出現(xiàn)擴大了機床在制造業(yè)的應(yīng)用范圍，提高了機床在制造業(yè)中的技術(shù)水平，為新型機床設(shè)計提供了理論依據(jù)。但是，并聯(lián)機床也存在著許多不足，如:并聯(lián)機床的驅(qū)動桿多，互相牽制，導(dǎo)致工作空間小;每個驅(qū)動支路的關(guān)節(jié)較多，影響了整體剛度;驅(qū)動桿的反饋困難，運動精度難以保證。而串聯(lián)機床雖然也有一些固有的缺點，但其控制簡單、運動空間大和運動靈活性好。因此為了充分利用并聯(lián)機床和串聯(lián)機床的優(yōu)點，克服兩者的不足之處，研究人員將并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)進行合理的結(jié)合，形成了新型的串并聯(lián)機床。

哈爾濱量具刃具集團有限責(zé)任公司應(yīng)用瑞典艾克斯康(Exechon)公司最新技術(shù)(并聯(lián)機構(gòu)Tripod)推出了一種全新結(jié)構(gòu)的加工中心——LINKS－EXE700，如圖1所示。該機床是一種典型的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床，因沒有實體坐標軸，故又稱虛擬軸機床。

這種機床是將并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)進行合理的結(jié)合而成，是近年來世界上逐漸興起的一種新型結(jié)構(gòu)機床。它綜合了串聯(lián)機床和并聯(lián)機床的優(yōu)點，克服了兩者的不足，具有動態(tài)性能好、模塊化程度高、機構(gòu)靈活度高、響應(yīng)速度快、工作空間范圍大、剛度高、承載能力強、重量輕、技術(shù)附加值高和結(jié)構(gòu)簡單等突出的特點［2－4］。尤其在復(fù)雜曲面的加工中具有很好的應(yīng)用前景。LINKS－EXE700是一款立足于中國制造，運用國際先進技術(shù)資源，面向全球市場的最新一代串并聯(lián)機床，也是近年來我國在國際機床領(lǐng)域的一項重大突破。

1 串并聯(lián)數(shù)控機床LINKS－EXE700機械結(jié)構(gòu)

LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床包括并聯(lián)部分和串聯(lián)部分，并聯(lián)部分由定平臺和動平臺以及3個分支組成，其中有兩個分支的一端與定平臺用兩自由度虎克鉸連接，另一個分支的一端與定平臺用三自由度虎克鉸連接，3個分支的另一端分別與動平臺用轉(zhuǎn)動副連接，虎克鉸與轉(zhuǎn)動副之間是移動副;串聯(lián)部分由兩個軸線互相垂直的轉(zhuǎn)動副組成。因此，整個并聯(lián)部分和串聯(lián)部分構(gòu)成一個具有5個自由度的串并聯(lián)機構(gòu)，如圖2所示。

2 LINKS－EXE700串并聯(lián)數(shù)控機床數(shù)控系

統(tǒng)LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床采用了西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK 840D中配置了SIMODRIVE 611D數(shù)控及數(shù)字驅(qū)動單元，數(shù)控單元為NCU 573.5，數(shù)字驅(qū)動單元是新一代數(shù)字控制總線驅(qū)動的交流驅(qū)動(雙軸模塊)。交流伺服電動機采用1FT7和1FK7系列，全閉環(huán)控制。人機交換界面負責(zé)LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床數(shù)據(jù)的輸入和顯示，由PCU50及MCP483和OP015A組成。可編程控制器PLC采用西門子SIMATIC S7－300的軟件及模塊。手持單元為西門子SINUMERIK HT8，它具有操作面板以及機床控制面板的功能，通過示教和編程，能夠進行全面的機床操作、監(jiān)控和生成用戶程序。

電主軸采用西門子 WEISS電主軸，功率32.5 kW;額定轉(zhuǎn)速11 100 r/min;扭矩28 N·m;冷卻方式為水冷。主軸刀柄接口形式為Capto－C6或HSK。

3 虛實軸轉(zhuǎn)換

LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床屬于虛擬軸機床，與傳統(tǒng)機床不同。傳統(tǒng)機床的加工軌跡等控制概念都是建立在笛卡爾坐標系，驅(qū)動軸在空間中的位置也與笛卡爾坐標系相吻合。但是LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床的軌跡控制是由3根桿件空間運動耦合而成，它在操作空間用來描述運動平臺位姿的X、Y、Z、A、B、C并不真實存在(虛軸)，不能對其進行直接控制，而可以直接控制的是各伸縮桿的長度(實軸)。所以LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床運動控制最關(guān)鍵的問題是通過對實軸的控制來實現(xiàn)對虛軸的聯(lián)動控制。通?！疤撦S”用于機床坐標系及工件坐標系的建立，并產(chǎn)生刀具加工運動軌跡等。機床的調(diào)整和校準是在“實軸”狀態(tài)下進行的?！皩嵼S”(桿件)需要按照Tripod機構(gòu)運動學(xué)解算規(guī)律進行運動，從而獲得所需要的“虛軸”運動軌跡。“實軸”與“虛軸”坐標變換軟件是由西門子公司為瑞典艾克斯康公司的Tripod機構(gòu)專門開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)軟件，并應(yīng)用于西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)中。在數(shù)控系統(tǒng)的操作和加工編程上與傳統(tǒng)數(shù)控機床完全相同，通用性強，操作方便，這也是LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床與并聯(lián)機床相比所具有的一個優(yōu)勢。它可以方便地實現(xiàn)空間復(fù)雜軌跡的運動，具有很高的應(yīng)用價值。

4 虛擬樣機在線仿真數(shù)控加工軟件ILP

近年來，計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了新的數(shù)控加工仿真技術(shù)，那就是虛擬樣機在線仿真數(shù)控加工技術(shù)。為了保證LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床在數(shù)控加工過程中的可靠性和準確性，LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床應(yīng)用了現(xiàn)代最新的虛擬樣機在線仿真數(shù)控加工軟件ILP，利用LINKS－EXE700型串并聯(lián)加工中心數(shù)控系統(tǒng)的操作指令可以在人機交換界面(OP015A顯示屏)上仿真LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床整個執(zhí)行機構(gòu)及刀具和工裝實時加工狀況，進行仿真分析，解決了模擬運動可視化的問題。通過ILP軟件可直接觀察了解LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床的工作過程，直觀地觀察到LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床的工作過程是否發(fā)生干涉現(xiàn)象。而不需要進行繁瑣的分析。如有干涉，ILP軟件可自動提示干涉區(qū)域及加工程序段。圖3所示為虛擬樣機在線仿真數(shù)控加工軟件ILP界面。

5 LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床工作空間

工作空間是指機床正常工作時，末端執(zhí)行器在空間活動的最大范圍。工作空間是從幾何方面描述機床的工作能力，對末端執(zhí)行器的可達運動范圍作出客觀評價，是并聯(lián)機床性能的重要指標和進行機構(gòu)設(shè)計、運動規(guī)劃的重要依據(jù)。LINKS－EXE700型串并聯(lián)數(shù)控機床相對傳統(tǒng)的并聯(lián)機床具有更大的工作空間，如圖4所示。理論計算表明，該型串并聯(lián)數(shù)控機床的工作空間可達1.431×109mm3。

6 串并聯(lián)數(shù)控機床優(yōu)點

(1)具有較高的剛度和加工精度，更大的工作空間，動態(tài)性能好，技術(shù)附加值高。

(2)定位方便，由于沒有實體坐標系，機床坐標系與工件坐標系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成，建立工件坐標系方便、快捷，變換坐標系方便。

(3)在一次裝夾中可實現(xiàn)五坐標軸聯(lián)動進行高速、敏捷、復(fù)合角度的5到6面體的加工，實現(xiàn)加工功能復(fù)合化，并可自動換刀。

(4)采用具有高度開放性結(jié)構(gòu)的通用數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D，并與西門子公司合作，利用西門子獨特的內(nèi)部坐標變換功能，實現(xiàn)了常規(guī)五坐標編程與實時在線仿真，使得用戶的操作與編程更為簡便。

(5)除切削加工外，匹配不同功能部件及裝置，可實現(xiàn)多功能加工。

(6)機床結(jié)構(gòu)簡單，集成化、模塊化程度高?？芍瞥瑟毩⒀b備或集成于大型系統(tǒng)生產(chǎn)線中或多臺聯(lián)合完成加工、裝配和測量等工作，形成并聯(lián)機床生產(chǎn)線。

(7)由于沒有傳統(tǒng)機床導(dǎo)軌，避免了導(dǎo)軌磨損、銹蝕、劃傷等現(xiàn)象，使用壽命長。

從以上的分析可以看出，該機床具有許多傳統(tǒng)機床無法替代的優(yōu)點，彌補了串聯(lián)機床、并聯(lián)機床的不足。串并聯(lián)機床作為新一代數(shù)控機床，它兼顧了并聯(lián)機構(gòu)技術(shù)、串聯(lián)機構(gòu)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控機床技術(shù)于一體，提高了機床在制造業(yè)中的技術(shù)水平。在一次裝夾中可完成從毛坯至成品的多道加工工序，實現(xiàn)加工的復(fù)合化。特別適用于航空、航天、汽車、工程機械以及復(fù)雜自由曲面等的加工，可實現(xiàn)高速鉚接、焊接和裝配等。

7 展望

串并聯(lián)數(shù)控機床作為一種新型的加工設(shè)備，在實際加工過成中具有較強的加工能力，同時也加深了人們對串并聯(lián)數(shù)控機床的了解。從目前應(yīng)用的效果可以看出，串并聯(lián)數(shù)控機床在很多方面的性能優(yōu)于傳統(tǒng)機床，已成為當前機床技術(shù)的一個重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)界的高度重視。在提高我國裝備制造技術(shù)進程中必須加大在這方面的研究力度，打造屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)的串并聯(lián)運動機床。

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