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机床设计之家

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并联数控机床  

2013-12-10 10:04:13|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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并联运动机床是1994年出现的新概念机床,是一种在结构上完全不同0于传统机床的新型机床。

  1994年,在美国国际制造技术展览会上(IMTS94),美国Giddings-Lewis公司推出了Variax加工中心。在这台机床上,看不到传统机床的床身、导轨、立柱和横粱等结构,它的基本结构是一个活动平台、一个固定平台和六根长度可变的连杆。活动平台上装有机床主轴和刀具,固定平台上安装工件,六根杆实际是六个滚珠丝杠副,它通过万向铰链将两个平台连在一起,同时将伺服电动机的旋转运动转换为直线运动。当不断改变六根杆的长度时,可带动活动平台产生六自由度的空间运动,使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。

  Variax加工中心实际上是一台以Stewart平台为基础的立式加工中心,它标志着机床设计开始使用并联机构,是机床机构重大改革的里程碑。经过了近十几年时间的发展,并联运动机床已进入了实用阶段,并联运动机床最适合用于高速切削加工。目前主要应用在模具制造、气缸体、传动箱体和大型飞机结构零件的制造等领域。

并联运动机床与传统机床的比较

  并联运动机床与传统机床的结构见下图所示。
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               并联运动机床与传统机床的比较
  并联运动机床是以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构,主轴部件安装在并联机构的动平台上,工作台与机床框架连接在一起。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具相对于被加工零件的运动轨迹。

  并联运动机床与传统机床相比,具有以下优异的性能:

  1. 运动精度高。
  2. 可实现高速加工。
  3. 机床刚性好。
  4. 结构简单。

  由于并联运动机床具有上述显著优点,目前已成为高速高效高柔性加工设备的一个新的发展方向,但是它也存在一些缺点,如控制计算极其复杂,杆件的热变形对机床的加工精度影响比较严重,机床加工的有效空间相对于机床本身体积所占比例较小。

并联运动机床的主要部件

  相对于传统机床,并联运动机床机械结构简单,模块化程度高,并且具有可重构性。并联运动机床主要由主轴、杆件及其驱动等机电—体化功能部件及固定平台、动平台、框架等组成。

(1)主轴部件

  并联运动机床的主轴大多数采用电主轴,其电动机的转子和主轴是一体的,无需任何机械连接。主轴转速的调节采用变频调速,改变电动机的供电频率,即可实现主轴转速的调节。

  下图为IBAG公司生产的主轴系统。主轴系统主要包括电主轴及安装调整板、可编程控制器和主轴驱动、主轴冷却系统和润滑系统、刀具夹紧液压系统等组成。
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                   主轴系统

(2)杆件

  杆件是并联机构的运动输入构件。杆件的物理结构包括机械构件、电气器件、液压部件以及它们的组合,可分为固定杆长和可变杆长两大类。

  可变杆长的并联机构,杆件的基点固定,杆件的工作长度可变;固定杆长的并联机构,杆件的长度固定不变,杆件的基点位置可以变化。从运动学的角度来看,杆件是具有一定刚度的刚体,杆件长度的变化或杆件基点的移动决定了动平台(主轴部件)的运动速度、加速度、位置和姿态。
下图是固定杆长杆件。杆件的两端安装有万向铰链,分别用于连接直线电动机滑板和主轴部件动平台。杆件由管材制成,通过螺纹与万向铰连接。
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                    带万向铰链的杆件

  并联运动机床的伸缩杆组件如下图所示,杆的驱动由伺服电动机驱动。
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              Dyan-M型并联运动机床的伸缩杆组件

(3)铰链

  铰链是连接固定平台、动平台和杆件的构件,其功能是提供绕某一运动中心的转动以及传递实现运动所需的力。为达到这一目的,铰链应该具有2~3个旋转自由度,并在所有旋转位置时,转动轴线都能够通过铰链的同一中心点。

  铰链可分为球铰链和万向铰链两类。铰链是并联机构的活动关节,对并联运动机床的工作精度有很大的影响,制造精度要求较高。例如,球铰链的球体尺寸误差为1μm,需要专门的工艺和设备,一般由专业厂家生产。

  INA公司生产多种用于并联机构的滚珠球铰链和万向铰链,其外观如下图所示。
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              INA公司生产的球铰链和万向铰链

  并联运动机床的主要功能部件如电主轴、杆件、铰链等都有标准化、系列化的模块,因此并联运动机床可由模块化的标准功能部件组成。下图为由标准化功能部件组成的并联运动机床(高压水切割机床)。该机床除底座和机架外,全部由标准化功能部件组成。从图中可见,三角形的底座有三个按照120°均匀分布的机架,形成双层结构固定平台(下平台)。6根结构相同的伸缩杆,由伺服电动机驱动。其外壳通过2自由度的十字框型铰链,按等分布置固定在机床的底座和机架上。伸缩杆与垂直方向成45°分布。6根伸缩杆的另一端通过万向铰链与并联机构动平台(上平台)连接。因此并联运动机床具有模块化及可重构的优点,可以在短期内开发出各种新型的并联运动机床。
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              由标准化部件组成的并联运动机床

并联运动机床实例

  Linapod-Ⅲ型并联运动机床是由德国斯图加特大学机床控制技术研究所负责开发的5坐标立式加工中心,机床的外观及整机的CAD模型如图所示。该机床底座有三个呈120°分布的、具有直线导轨的立柱。在每个立柱导轨上有两块由直线电动机驱动的滑板沿其作上下移动。由于该机床采用直线移动作为并联机构的输入,因此称为Linapod。 
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            Linapod-Ⅲ型并联运动机床外观和CAD模型
  机床技术参数为:加工范围600mm×600mm×600mm,主轴最大移动速度60m/min,主轴移动最大加速度1.5g,主轴倾角15°,主轴转速24000r/min,主轴功率27kW,直线电动及驱动力11kN。

 

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