jic35导读：混联式数控机床是一种很有发展前景的数控机床型式。文章分析了混联式数控机床的研发现状和发展趋势，同时论述了对于混联式数控机床除了要进行运动学、动力学等理论及方法研究之外，还应该在方案创新设计技术、关节技术、主电动机及电主轴、高精度检测元件等方面作深入的研究与开发。
1前言
并联机构和串联机构相比，具有承载能力大（比刚度高）、响应速度快及运动精度高等优点。因此受到学术界和产业界的关注，对它的理论研究和应用开发研究非常重视。简单的并联机构很早就已经有了应用，例如桁架构件中的平面二杆或三杆并联机构。作为机械装备产品，并联机构首先在机器人上进行了应用。
对机床而言，比刚度、响应速度、运动精度正是其所追求的重要技术指标，而且由于机床是工作母机，一般来讲，其刚度、运动精度的要求要比机器人的要求高得多。因此并联机构的优点对机床工业具有很大的吸引力，一时间并联机床（又称虚拟轴机床）的研究与开发成为一个热门课题。人们对并联机床寄予很大期望，预言并联机床将成为21世纪的数控机床。
虽然并联机构具有上述诱人的优点，但它又同时有运动范围（工作空间）小的缺点，特别是回程运动范围有限。从机械装备产品的大类来讲，机床和机器人同属具有坐标运动（不同的是机床多为直角坐标系型式，机器人多为关节坐标系型式）的机械，可以说是同族。因此并联机床又可称为切削加工机器人。但是机床又不同于一般的机器人（如搬运机器人、喷漆机器人、焊接机器人等），不仅精度、刚度要求非常高，而且工作空间（直线运动空间和回转工作空间）及干涉约束的要求也高。例如，通过刀具与工件间的相对运动对工件进行切削加工时，为了避免刀具与工件的干涉（特别是复杂的内表面及空间孔系加工），对机床运动的约束条件要求较高，对复杂空间曲面的加工或空间孔系加工，要求回转运动范围大。如五面体加工要求工作台回转运动达到360°立卧两用机床要求主轴头摆动90°；某些空间曲面或孔系加工要求主轴或工件摆动达到180°等。各轴全部并联的全并联机床工作空间有限，因此，工作空间数控轴数比（或工作空间价格比）技术指标低。我们认为从工作空间数控轴数比，功能价格比，性能价格比等综合效果来看，全并联机床并不一定，而并联、串联同时采用的混联式数控机床更具实用价值。下面根据我们的研究、开发经历，谈一些对混联式数控机床发展的看法。
图1
图2
图3
2研究开发现状
1994年美国推出*台并联机床之后不久，人们已开始研究混联式机床。国外开始研究混联式机床并不是为了扩大工作空间，而是从获得实用的机床精度的角度考虑的。这是由于机床的精度、刚度要求远比一般机器人高，例如：运动精度要求为几个µm，刚度要求几十个n/µm以上。虽然并联机构理论上的精度、刚度很高，但实际尚达不到那么高。例如当时美国和日本所开发的六轴并联机床的运动精度都是几十个µm，还达不到传统机床的精度水平。虽然人们已经发现关节结构是制约精度的薄弱环节，但要解决它难度很大。因此人们开始考虑将并联和串联一起使用，1997年相继推出了一些混联式机床。例如，德国阿亨工业大学开发的三轴加工中心（二轴并联，一轴串联）如图1所示。日本丰田工机也开发出了相似的加工中心（二轴并联，一轴串联）。
从扩大工作空间的角度进行混联式的研究开发也在同时展开。例如，我们于1997年研制成功了一台六轴混联式数控机床，采用了三轴并联和三轴串联的六轴混联立卧式数控机床。z轴进给和两个回转运动由三轴并联机构实现，x轴和y轴进给及另一个回转运动（立式工作时为c轴，卧式工作时为b轴）由串联驱动实现。由于并联机构的回转运动可以达到90°，故z轴可以为立式，也可以为卧式。而x、y及b轴（或c轴）是串联驱动，运动范围可以扩大，其中b轴（或c轴）可实现360°连续回转运动。沈阳自动化研究所1999年研制的五轴并联机床（实际也是混联式机床，四轴并联，一轴串联），扩大了纵向行程范围。我们正在研制的三轴并联，三轴串联的六轴混联式机床（如图2所示），不仅扩大了三个直线运动范围，而且使三个回转运动分别达到了90°、90°和360°。在美国imts2000机床展览会上，美国辛辛那提和德国dst公司开发的hypermach卧式加工中心所采用的z3数控主轴头也是混联式，它可以实现三轴并联、二轴串联运动，主轴头由三轴并联机构和主轴部件组成，除了实现主运动外，主轴头自身由并联机构驱动实现z轴进给和两个回转进给运动。如图3所示。
3发展趋势
混联式数控机床可以将并联机构和传统机床的串联机构的优点集于一身，是一类很有前途的数控机床。虽然已开发了不少型式的机床，还有很多理论和技术问题有待进一步研究，为了使并联机床能够达到它的理论上的高性能，为了并联和串联结合得更科学，以使机床获得更好的综合技术指标，除了运动学、动力学等理论及方法研究之外，还应该进一步进行基础元件技术研究。以下列举几个方面。
混联式机床的方案创新设计技术混联式机床方案的创新余地很大，虽然混联机床总体方案创成方法已有研究，也已开发出不少型式的混联机床，但如何获得*的并联、串联组合，形成混联式机床方案创新系统还有很多技术尚待进一步研究。
关节技术应用了并联机构的机床，其性能之所以尚达不到理论上的高度，主要原因是由于关节而产生的。关节的问题主要是结构尺寸、刚度、精度之间的矛盾问题。一般而言，关节刚度较低，若采用预紧的方法提高刚度，则摩擦增大，将导致运动精度下降；若采用可调隙的滚动轴承，由于并联机构的突出优点是承载能力大，目前承载能力大的滚动轴承类型一般结构尺寸也较大，将导致关节尺寸增大。因此研究开发适合关节应用的承载能力大、结构尺寸小的高精度滚动和结构紧凑、刚度及精度高的复合滚动关节是关键的基础技术。
主电动机及电主轴目前混联或并联机床的主轴大多安装在动平台上，或者用交流伺服主电动机驱动，或者直接用电主轴。由于并联机构的优点之一是运动部件惯性小，因此对电动机的功率、扭矩#重量比要求更高，对其振动和发热要求更严。
高精度检测元件并联机构的采用，将带来众多的被动关节。由于被动关节没有伺服电动机驱动，因此无论是机床的精度标定，还是运动误差补偿，被动关节运动误差检测都是很重要的。这就要求研究开发适合被动关节安装使用的、尺寸小、精度高、抗*力强的检测元件。
4结束语
混联式机床可以将并联和串联的优点融为一身，适用价值好，是一种很有前途的数控机床型式。从混联数控机床本身的技术而言，可以说，国内与国外的研究几乎是同时起步的。因此，应该抓住机遇，加大进一步研究、开发和应用的力度，从一个侧面推动我国机床技术的创新和进步，为振兴我国机床工业的发展做出贡献。