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并联机床的设计理论与关键技术

发布日期：2020-10-12 01:43:35 浏览次数：341

为了提高对生产环境的适应性，满足快速变化的市场需求，近年来，全球机床制造业一直在积极探索和开发新的多功能制造设备和系统。机床结构技术的突破是并联机床，又称虚拟机床，出现于上世纪90年代中期的虚拟轴机床或并联机床。从本质上讲，并联机床是机器人技术与机床结构技术相结合的产物，其原型是并联机器人机械手。与传统的五轴数控机床相比，并联机床具有以下优点：
高刚度重量比：由于采用并联闭环静定或非定常连杆结构，在准静态情况下，传动部件仅为两个受力杆受拉且受压缩载荷，故传动机构的单位重量具有较高的承载能力。
响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效提高了伺服控制器的动态品质，使运动平台获得了较高的进给速度和加速度，特别适用于各种高速数控操作。
环境适应性强：便于重构和模块化设计，可形成多种布局和自由度组合。安装在移动平台上的刀具可用于多坐标铣削、钻孔、磨削、抛光，以及异形刀具的磨削等加工。它配有机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器。可完成精密装配、特殊加工和测量。
高技术附加值：并联机床具有硬件简单、软件复杂的特点。它是一种高技术附加值的机电一体化产品，具有较高的经济效益。
目前，国际学术界和工程界十分重视并联机床的研发，在上世纪90年代中期，他们相继推出了各类产品样机。1994年，美国英格索尔铣床公司、吉丁斯刘易斯公司和赫赛尔公司首次展出了名为hexapod和Variax的数控机床和加工中心，引起了轰动。此后，英国大地测量公司、俄罗斯拉皮克公司、挪威multicraft公司、日本{todayhot}、丰田、日立、三菱等，瑞士etzh和IFW研究院，瑞典近地天体机器人，丹麦布伦瑞克，亚琛理工大学，汉诺威大学和德国斯图加特大学还开发了不同结构的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。为此，由Sandia国家实验室和国家标准局发起，于1996年成立了六足动物用户协会，并在互联网上建立了网站。近年来，与并联机床和并联机器人相关的学术会议层出不穷，如第47~49届CIRP年会、1998~1999年CIRA大会、第25届ASME机构双年展、第10届TMM世界大会。由美国国家科学基金会发起，第一届平行运动机械国际研讨会于1998年在意大利米兰举行，第二届研讨会决定于2000年在密歇根大学举行。从1994年到1999年，这种新型机床已在所有大型国际机床展览会上展出，有望成为21世纪高速轻型数控加工的主要设备。连续被国家865计划列入国家自然科学与机械发展计划（国家865计划）。一些高校还将并联机床的研发列入教育部211工程重点建设项目，并得到了地方政府部门的支持，吸引了机床骨干企业的参与。1999年6月，在国家自然科学基金的支持下，中国大陆在该领域的研究骨干举行。在清华大学，首届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会在国内召开。论述了并联机床的发展现状、发展趋势和需要解决的问题。并联机床设计理论与关键技术
概念设计
概念设计是并联机床设计的首要环节。其目的是在给定的要求自由度下，寻找具有主刚体（移动平台）的并联机构的构型、驱动方式和总体布局的各种可能组合。
并联机床按支链中所含伺服执行机构的个数，大致可分为并联、{hottag}串并联和混合连接三种类型。前者只在一个支链中包含一个或多个作动器，直接产生3-6个自由度，而后者则通过两个或两个以上少自由度并联或串联机构的串联组合产生所需的自由度。根据执行机构在支链中的位置，并联机床可由内副和外副驱动，通常采用直线传动装置，如伺服电机滚珠丝杠螺母副或直线电机。机架结构的改变可以使并联机床的总体布局具有多样性，但同时，工作空间的尺寸、形状和运动灵活性也存在很大差异。因此，在进行总体布局规划时，应采用概念设计与运动设计的互动模式，并根据具体要求进行决策。
通过更换端部执行器，可以在一台机床上实现多种数控操作，这是并联机床的优点之一。然而，由于铰链约束、支链干涉，尤其是位姿耦合的影响，运动平台实现姿态的能力有限，这是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难以适应大角度多坐标数控的需要操作。目前，并联机床的一个重要发展趋势是利用混合机构实现平动和转动自由度。这种结构不仅可以实现平动和旋转控制的解耦，而且具有工作空间大、可重构性强等优点。特别是正位置解的解析解，为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。需要强调的是，传统机床的发展已有数百年的历史，任何试图从纯机械的角度彻底放弃传统机床结构布局和制造工艺的合理部分，都是有失偏颇的。并联机床运动学设计包括工作空间的定义和描述，以及工作空间的分析和综合。合理定义工作空间是并联机床运动设计的第一步。与传统机床不同的是，并联机床的工作空间是各支链子空间的交集，通常是由多个空间块组成的闭包。为了满足多坐标数控加工的需要，通常将柔性工作空间的规则内接几何定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床，运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，工作空间逐渐减小。因此，为了实现运动平台姿态能力的可视化，往往需要对位置空间或姿态空间进行降维处理。
工作空间分析与综合是并联机床运动学设计的核心内容。从广义上讲，工作空间分析包括在已知尺度参数和主动关节变量变化范围的情况下，评估运动平台实现姿态的能力；而尺度综合则是确定主动关节变量的变化范围和尺度参数，目的是在规划空间内达到预定的位姿能力，使操作性能达到最优。
工作空间分析可采用数值法或解析法。前者的核心算法是根据工作空间边界必须是约束边界的性质，利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思想是将并联机构分解为多个单开链，利用曲面包络理论求解每个单开链的子空间边界，然后利用曲面求交技术得到整个工作空间边界。
尺寸综合是并联机床运动学设计的最终目标。原则上要考虑运动平台实现姿态的能力、运动的灵活性、支链的干涉等诸多因素。对于六自由度并联机床，现有的尺度综合方法可分为三类：一类是基于各向同性条件，另一类是基于运动平台的各向同性条件和姿态能力，另一类是基于整体柔度指标的加权综合。在第一种方法中，当各向同性条件满足时，它只依赖于尺度参数关系，因此存在无穷多个解集。在第二种方法中，通过施加适当的约束条件，可以有效地解决多解问题，以满足运动平台在给定工作空间内达到预定姿态能力的要求。第三种方法更为普遍。它通常以工作空间上雅可比矩阵条件数的一阶矩最小为目标，将尺度综合问题归结为一类函数极值问题。值得指出的是，第二种方法只适用于某些并联机构（如Stewart平台），而第三种方法除了计算效率较低外，没有考虑运动平台实现姿态的能力。因此，针对不同类型的并联机床，研究考虑各种性能指标的高效尺度综合方法将是一项非常有意义的工作。刚体动力学反问题是并联机床动力学分析、动力学设计和控制器参数整定的理论基础。这类问题可以归结为：已知运动平台的运动规律，求解铰链的内力和驱动力。相应的建模方法可以采用几乎所有可用的力学原理，如牛顿-欧拉法、拉格朗日方程、虚功原理、凯恩方程等，因为从雅可比矩阵和黑森矩阵很容易建立起操作空间与关节空间速度和加速度的映射关系，然后构造出各运动部件的广义速度和广义惯性力，认为虚功（速率）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精度的重要指标。并联机器人的动态性能评价可以沿用串联机器人的相应成果，即动态可操作性椭球的动态条件数、动态最小奇异值和半轴长度的几何平均值作为评价指标。与机器人不同，金属切削机床动态特性的优劣主要是基于结构抗振性和切削稳定性的考虑。动态设计的目标是提高整机单位重量的静刚度；通过质量和刚度的合理匹配，平衡低阶主振型的振动能量；有效降低刀具与工件相对动柔度的最大负实部，从而提高抗切削颤振的能力。因此，机器人与机床的动态性能评价指标存在一定的差异。实际上，前者没有考虑对结构支撑子系统动力特性的影响和对工作性能的特殊要求；后者没有考虑运动部件惯性和刚度随结构变化的时变和非线性特性。因此，研究并联机床等具有非定长非线性特性的复杂机械系统的动态建模与动态设计方法是一项具有挑战性的课题。这对于指导控制器参数整定，提高系统的动态品质具有重要意义。
精密设计与运动标定
精度是并联机床工业运行的关键。并联机床的误差可分为准静态误差和动态误差。前者主要包括零件制造与装配、铰链间隙、伺服控制、稳态切削载荷、热变形等引起的误差；后者主要是由结构与系统动态特性与切削过程耦合引起的振动引起的。机械误差是并联机床准静态误差的主要来源，包括零件的制造和装配误差。由于目前还没有有效的手段来检测运动平台的位置和姿态信息，因此在不能实现全闭环控制的情况下，通过精密设计和运动标定来提高机床的精度是非常重要的。
精密设计是机床误差避免技术的重要组成部分，可概括为精度预测和精度综合两类反问题。精度预测的主要任务是按照一定的精度水平设定零件的制造公差，根据闭链约束建立误差模型，从统计意义上估算刀具在整个工作空间内的位姿方差，最后通过灵敏度分析对相关工艺参数进行修正，直至达到预期的精度指标。在工程设计中，更重要的工作是精密综合，即精密设计的反问题。精密综合是指预先给定刀具在工作空间内的最大公差（或体积误差），反算应分配给零件的制造公差，并在一定意义上达到平衡。一般来说，精度综合可以归结为一类以零件制造公差为设计变量，以误差敏感矩阵加权欧几里德范数最大为目标，以公差在同一精度水平上平衡为约束的一类二次线性规划问题。
运动标定又称精度补偿或基于信息的精度生成，是提高并联机床精度的重要手段。运动标定的基本原理是利用闭环约束和误差可观测性，构造测量信息与模型输出之间的误差函数。利用非线性最小二乘法辨识模型参数，然后根据辨识结果对控制器中的逆模型参数进行修正，达到精确补偿的目的。高效准确的测量方法是实现运动标定的首要前提。根据测量输出的不同，可以采用两种运动标定方法：1）利用内部观测器获取的信息进行自标定，一般需要在从动铰链上安装传感器（如在钩铰链上安装编码器）；2）检测刀具位置和姿态信息的外部标定方法原则上需要高精度的测量工具和昂贵的五坐标测量装置。
数控系统
从机床运动学的角度来看，并联机床与传统机床的本质区别在于运动平台在笛卡尔空间的运动是关节空间伺服运动的非线性映射（也称为虚实映射）。因此，在运动控制过程中，必须通过位置逆解模型将预先给定的刀具位置和速度信息转化为伺服系统的控制指令，通过驱动并联机构来实现刀具的预期运动。由于并联机床的结构参数和尺度参数不同，不同并联机床的虚拟现实映射结构和参数也不尽相同。因此，采用开放式体系结构是提高数控系统适用性的理想途径。
为了实现高速高精度的刀具轨迹控制，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、插值计算、虚实变换、PLC控制、安全等模块，需要一个简单、可靠、底层访问、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操作的重要因素。由于操作者已经习惯了传统数控机床的操作面板及相关术语和命令系统，为了方便终端用户的使用，在开发并联机床数控系统的用户界面时，必须将传动原理的特点隐藏在系统中，使信息得以传递提供给用户或需要用户加工的尽量与传统机床一致。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。
实时插补计算是实现高速高精度刀具轨迹控制的关键技术。在基于工控机和开放式多轴操作控制板的并联机床数控系统中，常用且简单的插补算法是根据精度要求，在操作空间内对刀具轨迹进行离散化，并根据硬件提供的插补采样频率，离散化刀具轨迹根据时间轴对点进行粗插补，然后通过虚实变换将数据转换为关节空间，然后发送给控制器进行精插补。注意到即使是操作空间中两个离散点之间的简单线性匀速运动，也会转化为关节空间中各轴相应的两个离散点之间的变速运动。因此，如果关节空间中各轴的两个离散点仍以恒定速度运动，则在操作空间中会形成复杂的曲线轨迹。因此，必须对离散点进行加密，以产生高速、高精度的刀轨。这不仅需要大大提高控制器的插补率，而且需要有效地处理速度过渡问题。
关键基础件
关键基础件的专业化、系列化是建设高速高精度并联机床、实现产品可重构和模块化设计、大幅降低制造成本的物质保障。这也是将并联机床推向市场的重要环节。并联机床的关键部件包括大功率容积比高速电主轴单元、高速高性能直线电机、精密丝杠副、紧凑可调间隙精密滚动轴承和万向铰链，以及高精度光栅和激光测量定位系统。目前，国外专业厂家（如德国INA轴承公司）已开发出不同系列的产品。但这些产品在我国仍属空白，或与国际先进水平有较大差距。
并联机床是机床家族中的一个新成员。它还处于起步阶段，还有许多理论和技术问题需要解决。并联机床生命力的关键在于它能否回答潜在用户“为什么能说服我购买并联机床而不是传统机床”的问题。因此，抓住新一代制造装备改革的机遇，加强并联机床的理论研究和工程实践，对于促进这种新型数控设备的早日生产和产业化具有重要意义，尽快把高科技转化为生产力。这项工作有赖于政府部门、机床制造商和潜在用户的远见卓识，也有赖于机床设计师和机器人机械工人的合作与不懈努力。

关键词： 关键技术机床理论

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