0引言

      並聯機床具有傳統結構的機床不具（jù）備, 甚至難以實現的一些優勢。在科技發達國家, 並聯機床已進入應用層, 我國（guó）雖已研製出幾（jǐ）種並聯機床的樣機, 但尚未真正進入應用層。由並聯機（jī）器人到並聯機床並非一個（gè）簡單的拓展或轉換, 真正（zhèng）實現這個跨（kuà）越涉及動力學、切削理論、工藝學、數（shù）控等諸多問題的綜合。雖然導致這（zhè）些問題的因素錯綜複雜, 但是, 如果並聯機床無機械傳動鏈, 許多（duō）影響（xiǎng）因素自然消失, 一些棘手難題隨之解決。既然並聯機床以新（xīn）結構模式出現, 若仍承襲傳統的驅動和傳（chuán）動模式, 一些弊端也被繼承。因此, 把更合適的驅動技術引入並聯機床, 是促使並聯機（jī）床進一步高精度（dù）化、高速化、高效化、柔性化的必要環節, 以便增強並聯機床的生命力、實用（yòng）性和性能價格比, 擴展其技術應用範圍。

      1 並聯機床（chuáng）驅動和傳動的現狀

      並聯機床的獨特之處是其基（jī）於空間並聯機構的進給係統（tǒng）, 盡管結（jié）構新穎, 仍有如下（xià）問題:

      (1) 主運動均為回轉運動, 使（shǐ）並聯機床的功（gōng）能單調（diào）, 限製了其應用範圍。

      (2) 進給傳動鏈的模式為（wéi）: 或用旋（xuán）轉型伺服電機配（pèi）以（yǐ）機械傳動（dòng）鏈; 或用（yòng）液壓（yā）伺服係統, 難免涉及一些傳（chuán）統（tǒng）的疑難問題:

      滾珠絲杠（gàng）螺母副和齒輪副除了有原（yuán）理性缺陷,使用時由諸多因素( 如（rú）製造水準、彈（dàn）性位移（yí）、熱變形、磨損等) 引起非線性綜合（hé）誤差, 由於誤差的複雜（zá）性和隨機性, 已成為（wéi）傳統結構機床的棘手（shǒu）問（wèn）題。然而, 傳統結構機床各（gè）個坐標的綜合誤差彼此獨立, 可以分別調整和補償; 而並聯機床（chuáng）不僅（jǐn）每（měi）個  進給杆  有綜合誤差, 而且各個進給杆之間的綜合誤差又嚴格地相互映（yìng）射, 難以分別（bié）調整和補償, 也使折（shé）算到活動平台上的非線（xiàn）性綜合誤差有更強的複雜性、隨機性和模糊性[ 1]。凡是有機械（xiè）傳動鏈（liàn）的機床, 都難以用反饋補償完全消除機械（xiè）傳動鏈產生的綜合誤差, 還會導致成本高、控製複雜、難調整和維護等負麵作用。

      從整（zhěng）體受力分（fèn）析講, 並聯進給（gěi）機構的   進（jìn）給（gěi）杆  屬二力杆。然而, 並（bìng）聯進給機構的剛度並非取決於進給杆的自身剛度, 而是（shì）受滾珠絲杠螺母副、齒輪或液壓傳（chuán）動元件及介質的局部剛度、接觸剛度和動剛度的綜（zōng）合製約, 機床工作時易產生彈性位移、受（shòu）迫振動和自激振動。

      滾珠絲杠螺母副最高運行速度一般為20~30m/min, 最大線（xiàn）加速度也僅能（néng）達到1~ 3m/ s2。當前國（guó）際上要求（qiú）先進高速機床（chuáng）的單（dān）坐標最高進給（gěi）線（xiàn）速（sù）度為110~ 150m/min, 最大線（xiàn）加速（sù）度（dù）10~ 25m/ s2, 滾珠絲杠螺母副或液（yè）壓傳動不（bú）能滿足現代機床的這（zhè）一主流發展需求（qiú）。

      液壓伺（sì）服係（xì）統成本高, 不易實現精確勻速微量進給, 某些情況（kuàng）下還涉及環保（bǎo）問題。

      當然, 因為各用戶層對設備需求的差（chà）異, 具有機械傳動鏈的（de）並聯機床仍是並聯機床家族的重要成員。但是, 並聯機床要想真正成為21 世紀的機床, 應該向精密（mì）、高速和柔性（xìng）化發展。

      2無傳動鏈高效並聯機床傳（chuán）動模式

      2.1  並聯機床的主運動係統。

      2.1.1 主（zhǔ）運動為回轉運動。機床的主運動用電主軸直接（jiē）驅動。電主軸的機械結構見圖1 左下部, 電主軸在國（guó）外也稱空心（xīn）轉子電動機, 其空心轉子與機床主軸用過盈配合結為一（yī）體（tǐ）, 轉（zhuǎn）子兩端（duān）有動平衡調整環, 用發熱量低、散熱快的（de）活動式（shì）電磁軸承或Si4N3陶瓷軸承作主支承, 主軸以高精度高速旋轉[ ( 4~ 6) 104r/ min] , 主軸可無（wú）級調（diào）速[ 2]。由於電主軸的特（tè）殊構造, 大部分熱量由定子產（chǎn）生（shēng）, 轉子產生的熱量大部分轉化到定子中形成（chéng）空氣隙, 極少部分傳到主軸上,一般用油水型熱交換器冷卻定子和軸承, 主軸溫升穩定在1~ 2 [ 2] 。根（gēn）據生產綱領和工藝需求, 必要時可更換（huàn）不同用途的主軸。還有一種結構較簡單的電主軸（zhóu）, 其轉子本身就是機床主軸。並聯機床（chuáng）能實現銑（xǐ）、鏜、鑽、磨等（děng）功（gōng）能（néng）。

      電（diàn）主軸使刀具能對工件進（jìn）行( 超) 高速切削（xuē）, 其切削力很小、切（qiē）削溫度極（jí）低、刀具耐（nài）用（yòng）度高, 不僅提高了加工效率和表（biǎo）麵質（zhì）量, 而且能高速、優質地切削低硬度或難切削材（cái）料。

      還可采用圓盤型直線電動機直接（jiē）驅動主軸; 盡管（guǎn）這種電機輸出的是回旋運動, 因其工作原理和初級 (定子) 的構造與直線電機相同, 故將其（qí）納入直線電機範疇[ 3]。如圖2 所（suǒ）示, 這種電機可以有一個或幾個初級, 若把圓盤形次級( 動子) 的回轉軸設計成空心軸, 空心軸與（yǔ）主軸以過盈配合結合成一體, 可（kě）根（gēn）據工（gōng）藝需求（qiú）和生產綱領更換主軸（zhóu）; 若將圓盤次極的回轉軸直（zhí）接設計成主軸, 則隻能更換（huàn）刀具; 因圓盤次級兼起飛輪（lún）作用, 更適用於主軸受衝擊載荷的機床。

      電機通常采用自然空冷, 僅當圓盤次極直徑較小且運動轉差率（lǜ）較大（dà）時（shí）才考慮用強迫風冷。電機的最大驅動力矩和極限轉速通過初級在圓盤次級上的徑向位置調節, 主軸的（de）極限（xiàn）轉速可用下式（shì）確定[ 3] :

      2.12 主（zhǔ）運動為直線運動。如（rú）圖3 ( a) 所示,直線電機的空心次級( 動子) 與主運動執（zhí）行件結為一體, 這（zhè）種結構的優點是便於更換（huàn）不同類型或規格的執行件, 增強了機床的柔（róu）性。如果把直線電機的次級直接製造成主運動執行件( 未畫) , 雖然能提（tí）高剛度（dù）和精度, 但是機床（chuáng）的工藝範圍受限。在直線電（diàn）機行波磁場作（zuò）用（yòng）下, 次級( 執行件) 做往複直（zhí）線運動, 次級的有效（xiào）長度取決於機床結構和（hé）最大工作行程, 通過控製輸入直線電機的電參數調整執行件（jiàn）的運動頻率和行程[ 3]。配備導向件( 如圓柱導（dǎo）軌副（fù）) 實現（xiàn）執行件的導向, 有關導向件的內容參閱機（jī）床設計資料（liào）。理論上（shàng）講（jiǎng）, 這類（lèi）並聯機床能實現刨、插、推削、鋸斷、焊接、輕量衝(擠) 壓等功能。

      2.13 主運動為（wéi）螺旋運動。開發主運動為螺旋 運動的並聯機（jī）床具有理論意義和實用價值, 譬如: 螺栓類零件裝配機、高效( 鑽孔) 攻絲機、精密座標鏜床等, 然而, 直線- 旋轉混合型電機的問（wèn）世為研（yán）製（zhì）這類並聯機床奠定了基礎。如（rú）圖3 ( b) , 這種電機有兩套初級( 定子) 繞組, 兩套初（chū）級共用一個次級( 動子) , 旋轉運動型（xíng）初級繞組通（tōng）電時, 次級做旋轉運動;直（zhí）線運動型初級繞組通電時, 次級做直線運動, 兩套初級繞組（zǔ）同時通電（diàn）時, 次級做螺旋運動, 電機的調速範圍寬, 極限（xiàn）轉速高[ 3]。采用這種電機的並聯機床,具有旋轉、直線和螺旋三種主運動, 具有很大的工藝柔性和技術（shù）潛力。

      2.2 並聯機床的進給運動係統

      2.21 直線步進電機的（de）特點。實現精確進給的（de）必要（yào）條件之一是取消機械傳動鏈, 用直線電機直接驅動進給運（yùn）動執行件是理想方案（àn）。與（yǔ）直線直流電機和直線感應電機相（xiàng）比, 直線步進電機( Linear Step Motor)更適合並（bìng）聯機床的進給係統, 其主要原因（yīn）如下[ 2, 3] :

      (1) 用開環控（kòng）製和細分電路可實現（xiàn）無漂移（yí）精確微步距位移和無累積（jī）誤差的高分辨率定位;

      (2) 響應快。次級運動速度可達120~ 150m/ min,線加速度可達30~ 70m/ s2;

      (3) 混合式直線步進電機在不加（jiā）控製電流情況下, 在失電狀態能確保其次級（jí）在瞬時既定（dìng）位置上, 無需（xū）失電鎖緊裝置, 適於伸縮杆的功能要求;

      (4) 電機的初級發熱量小, 而次（cì）級的大部分直接外露而自然空冷, 因此累積溫升較低（dī）。

      2.22直線步（bù）進電機的選擇。直線步（bù）進電機（jī）按其電磁推力產生的機理（lǐ）可分為變磁阻式( VR) 和（hé）混合式兩大類。

      變（biàn）磁（cí）阻式結構簡單, 但無永久磁鐵, 隻需單極性開關電路控製, 故綜（zōng）合成本低、可靠性高。由於電機（jī）始終處於開關運行狀態, 耗（hào）電量較小, 因此, 在不要求高分辨率的場合優先考慮。

      混合式具有（yǒu）線圈和永久磁鐵, 結構較複雜, 但在（zài）同體積的情況下, 產生的最大（dà）推力（lì）比變磁阻式（shì）大的多。混（hún）合式（shì）易實（shí）現微步距（jù）控製, 相應的細分電路簡（jiǎn）單, 因此, 混合式適於空（kōng）間受限, 需要高分辨率定位和大進給驅動力的場合。

      2.23 直線步進電機驅動的並聯進給（gěi）係統[ 1, 4, 5]。

      圖4 表示直線步進電機驅動的並聯進給機構, 因（yīn）為活動台永（yǒng）遠是並（bìng）聯機（jī）床的進給（gěi）運動執行件, 主要有（yǒu）二種應用（yòng）情況:  其上安放主（zhǔ）運動電機及刀（dāo）具;  其上放置（zhì）夾具和工件。直線步（bù）進電機的次級經鉸鏈與活（huó）動台連（lián）接, 而它的初級經鉸鏈與滑鞍連接, 滑鞍或由電機驅動或手動驅動, 使之能沿立（lì）柱軸（zhóu）向位移和定位。並聯進給機構用六個相同的（de）直線（xiàn）步進電機驅（qū）動, 圖1右上部表（biǎo）達了其中一個直（zhí）線步進電機( 杆) 的結構, 為突出結構重點, 未畫出導向件等附件。為增加（jiā）電（diàn）機的（de）驅動力（lì）和失電時對（duì）次級的鎖緊力, 並盡量減少 杆  的徑（jìng）向尺寸, 一般（bān）取電機初級長度接近並聯機構要求的最短杆長。有幾種傳動模式:

      (1) 滑鞍的位移是機床的調整運動。機床工作時滑鞍不動, 屬於常規的六軸聯動進（jìn）給, 在（zài）行波磁場作用下, 電機次級做直線往（wǎng）複的聯動, 使活動台的位移、速度和姿態按既定規律變化（huà）, 實現刀具或工件的進給。從機床的（de）性能價（jià）格（gé）比考慮, 大型機床易采用電機驅動滾動絲（sī）杠螺母副實現滑鞍（ān）的位置調整; 小型機床則可用手動機構調整（zhěng）滑鞍的位置, 然後將滑鞍鎖定在所需位置。根據生產需（xū）求,調整滑鞍在立柱上的位置, 可把並聯係（xì）統從圖4 ( a)的內（nèi）容式轉換為圖（tú）4 ( b) 的外容（róng）式。無論內容式還是外容式（shì）, 調（diào）整滑鞍的位置能改（gǎi）變活動台相對於工作台在（zài）鉛垂方向的極限位（wèi）置或初始姿態。若活動台安裝主（zhǔ）運動電機, 純並聯前提下, 工作台無自由（yóu）度; 串、並聯情況下, 工作台（tái）有自由度。對於內容式結構, 若活（huó）動台安裝夾具和工件, 活動台（tái）就是（shì）工作台, 把（bǎ）主運動係統置於支承立柱上（shàng）( 未畫)。

      (2) 用直線（xiàn）步進電（diàn）機驅動滑鞍（ān）作進給運動。預先把六個電伸縮杆 分成三組, 相（xiàng）鄰兩杆為一組, 同組內兩個杆的初始長度調整為相等。機床工作時, 靠數控係統（tǒng）實現同組的電（diàn）動伸縮杆嚴格地同步伸縮(擺動) , 而同組內的兩（liǎng）個滑鞍則嚴格地同步位（wèi）移, 即一（yī）個組（zǔ）相當於一個等效（xiào）杆和（hé）一個等效滑鞍的組合。與口中闡述的傳動模式相比, 雖然機（jī）床的傳動和運動方式改（gǎi）變了, 但（dàn）是機床（chuáng）的自由度數( 軸（zhóu）數) 和聯動控製數目沒變。

      (3) 仍然用直線步進（jìn）電機驅動滑鞍作進給運動。把六個 電伸縮杆 調整到所需的相等（děng）長度, 並 鎖定 各杆長度, 既把六個杆（gǎn）剛性化, 再（zài）采用與 (2) 一樣的分組法。機床工作時, 隻讓每（měi）組的兩個（gè）滑鞍嚴格地同步運動, 六個電伸縮杆 隻擺動, 不伸縮。因此, 隻對三組滑鞍實施三軸聯控, 減少了機床的自由度數和聯動控製數。

      目前的並聯進給機構均采用標準化、係列化的滾珠絲杠螺母副或液壓伺服（fú）部件, 設計和使用受其行程（chéng）及參數的製約, 若用非標的（de）滾（gǔn）珠絲杠螺母副或液壓伺服部件將大幅（fú）增加成本。然而, 采用直線步進電機,能根據不同的（de）最大進（jìn）給行程（chéng）方便地更換相應（yīng）長度的次級杆, 電機（jī）次級的綜合成本比（bǐ）滾珠絲杠和液壓伺服件低得多, 而且使用（yòng）中無須預（yù）緊、潤（rùn）滑、密封等, 更無（wú）摩擦、磨損。

      3 結（jié）論

      與現有並聯機床（chuáng）相比, 無機械傳動鏈高速並（bìng）聯機床的傳動模式有以下（xià）主（zhǔ）要特點:

      (1) 精度高。由於無機械傳動鏈（liàn）, 理論上講, 進給係統易實（shí）現精確微量位移和高分（fèn）辨率定位, 主運動係統有更（gèng）好的旋轉精度和（hé）動特性。

      (2) 柔性好。即能調整機（jī）床的結構布局, 也能（néng）更換主運動（dòng）執行件或直線步進電機的次級。

      (3) 效率高。主運動執行件的極限速度高, 進給（gěi）直線步進電機的次極（jí）響（xiǎng）應（yīng）快, 極限速度高。

      (4) 溫升低。所用電機溫升低, 摩（mó）擦熱源少, 高速切削散熱快, 無主（zhǔ）軸箱等阻熱零部件。

      (5) 工藝範圍寬（kuān）。機床結（jié）構具有一定柔性, 電主軸和直線步（bù）進電機的（de）調速範圍寬, 具有電主軸的機床還能加工低硬度或（huò）難切削材料。

      (6) 綜合成（chéng）本低。無（wú）傳動鏈及其輔助性零（líng）、部件; 不（bú）需要對傳動鏈的冷卻、潤滑係統。