0引言

      並聯機床具（jù）有傳（chuán）統結構的機床不具備, 甚至難以（yǐ）實現的一（yī）些優勢。在科技發達（dá）國家（jiā）, 並聯機床已進入應用層, 我國（guó）雖（suī）已研製出（chū）幾種並聯機床的樣機, 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簡單的拓展或轉換, 真正實現這個跨越涉及動力學、切削理（lǐ）論、工（gōng）藝學、數控等諸（zhū）多問題的綜合。雖然導（dǎo）致這些（xiē）問題的因素（sù）錯綜複（fù）雜, 但是, 如果並聯機床無機械傳動鏈, 許多（duō）影響因素自然消失, 一些（xiē）棘手難（nán）題隨之解決。既然（rán）並聯機床以新結構模式出現, 若（ruò）仍承襲傳統的驅動（dòng）和傳動模式, 一（yī）些弊端也被繼承。因此, 把更合適的驅動技術引入並聯機（jī）床, 是促使並（bìng）聯機床進一步高（gāo）精度化、高速化（huà）、高效化、柔（róu）性化（huà）的必要環節（jiē）, 以便增強（qiáng）並聯機床的生命力（lì）、實用性（xìng）和性（xìng）能價格比（bǐ）, 擴展其（qí）技術應用範圍。

      1 並聯機床驅動和傳動的現狀

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

      (1) 主運動均為回（huí）轉運動, 使並聯機床的（de）功能單調, 限製了其應用範圍。

      (2) 進給傳動鏈的模式為: 或用旋轉型伺服電機配（pèi）以機械傳動鏈; 或用（yòng）液（yè）壓伺服係統, 難（nán）免涉及一些（xiē）傳統的（de）疑難問題:

      滾珠絲杠螺母副和齒輪副除了有原理性缺陷,使用時由諸多因素( 如製造（zào）水準、彈性位移、熱變形、磨損等) 引起非線性綜合誤差, 由於誤差的複雜（zá）性和隨機性, 已成為傳（chuán）統結構機床的棘（jí）手問題。然而, 傳統結構機床各個坐標的（de）綜合誤（wù）差彼此獨立, 可以（yǐ）分別調整和（hé）補償; 而並聯機（jī）床（chuáng）不僅每個  進給杆  有綜合誤差, 而且各個進給杆之間（jiān）的綜合誤差又（yòu）嚴格地相互映射, 難以分別（bié）調整和補（bǔ）償, 也使折算到活動平台上的非線性綜合誤差有更強的（de）複雜性、隨機性和模糊性[ 1]。凡是有機械傳動鏈的機床, 都難以用反饋補償完全消除機械傳動鏈產生的綜合誤差, 還（hái）會導致成本高、控製複雜、難調整和維護等負麵作用。

      從整體受力分析講, 並聯進給機構的   進給杆  屬二力杆（gǎn）。然而, 並聯進給機構的剛度並非（fēi）取（qǔ）決於進給（gěi）杆的自身剛度, 而是受滾（gǔn）珠（zhū）絲杠螺母副、齒輪或液壓傳（chuán）動（dòng）元件及（jí）介（jiè）質的局部剛度、接觸剛度和動剛度的綜合製約, 機床工作時易產生彈（dàn）性位移（yí）、受迫振動和自激振動。

      滾珠絲杠螺母副最高運行速度一般為20~30m/min, 最大線加（jiā）速度也（yě）僅能達到1~ 3m/ s2。當前國際（jì）上要求先進高速機床的單坐標最高進給線速（sù）度為110~ 150m/min, 最大線加速度10~ 25m/ s2, 滾珠絲杠螺（luó）母副或液壓傳動不能（néng）滿足（zú）現代機床的這（zhè）一主流發展需求（qiú）。

      液壓伺服係統成本高, 不易實現精確勻速微量進（jìn）給, 某些情況下（xià）還涉及環保問題。

      當然, 因為各用戶層對設（shè）備（bèi）需求的差異, 具有機械傳動鏈的並聯機床仍是並聯機（jī）床家族的重要成員。但是（shì）, 並聯機床要想真正成為21 世紀的（de）機床, 應該向精密、高速和柔性化（huà）發展。

      2無（wú）傳動鏈（liàn）高效並聯機床傳動模式

      2.1  並聯機床的主運動係統。

      2.1.1 主（zhǔ）運動為回轉（zhuǎn）運動。機床（chuáng）的主運動用電主軸直接驅動。電主軸的機械結構見圖1 左下部, 電（diàn）主軸在國外也稱空心轉子電（diàn）動機, 其空心轉子與機床（chuáng）主軸用過（guò）盈配合結為一體, 轉子兩端有動平衡調整環, 用發熱（rè）量低（dī）、散熱快的（de）活（huó）動式（shì）電磁軸承或Si4N3陶瓷軸承作主（zhǔ）支承, 主軸以高精度高速旋轉[ ( 4~ 6) 104r/ min] , 主軸可無級調速[ 2]。由於電主軸的特殊構造, 大部分熱量由定子產生（shēng）, 轉（zhuǎn）子產生的熱量大部分轉（zhuǎn）化到定子中形成空氣隙, 極少部分傳到主軸上,一（yī）般用油水型熱交換器冷卻定子和軸（zhóu）承, 主軸溫（wēn）升穩定在1~ 2 [ 2] 。根據（jù）生產綱領和工藝需求, 必要時可更換不同用（yòng）途的主軸。還有一（yī）種（zhǒng）結構較簡單（dān）的電（diàn）主軸, 其轉子本身就是機床主軸。並聯機（jī）床能實現銑、鏜、鑽、磨等功能。

      電主（zhǔ）軸使（shǐ）刀具能對工件進（jìn）行( 超) 高速切削, 其切削力（lì）很小、切削溫度極低、刀具耐用度高, 不僅提高了加工效率和表麵質量（liàng）, 而且能高速、優質地切削低硬（yìng）度或難切削材料（liào）。

      還可采（cǎi）用圓盤型（xíng）直線電動機直接驅動主軸（zhóu）; 盡管這種電機（jī）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（diàn）機相同, 故將其納入直線電機範疇[ 3]。如（rú）圖（tú）2 所示, 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（shè）計成空心軸, 空心軸與主軸以過盈配合結合成一體, 可根據工藝需求和生產綱領更換主軸; 若將圓盤次極的回轉（zhuǎn）軸直接設計成主軸, 則隻能更換刀具; 因圓盤次級兼起飛（fēi）輪作用, 更適（shì）用於（yú）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（jí）直徑較小且運動轉差率較大時才考慮用強迫風冷。電機的最（zuì）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, 主軸的極限轉速可用下式確定[ 3] :

      2.12 主運動為（wéi）直線運動。如圖3 ( a) 所示,直線電機（jī）的空心次（cì）級( 動子（zǐ）) 與主（zhǔ）運動執行件結為一體, 這種結構的優（yōu）點是便（biàn）於更換不同類型（xíng）或規（guī）格的執行（háng）件, 增強了機床（chuáng）的柔性。如果把直線電機的次級直接製造成主運動（dòng）執（zhí）行件( 未畫) , 雖然能提高（gāo）剛度（dù）和精度, 但是機床的工藝範圍受限。在直線電機行波磁場作用下, 次級( 執行件) 做往複直線運動, 次級的有效長度取決（jué）於（yú）機床結構（gòu）和最（zuì）大工作行程, 通過控（kòng）製輸入直線（xiàn）電機的電參數（shù）調整執行件的運動頻率和行（háng）程[ 3]。配備導向件( 如圓柱導（dǎo）軌副) 實現執行（háng）件（jiàn）的導向（xiàng）, 有關導（dǎo）向件的內容參閱機床設計（jì）資料（liào）。理論上講, 這類並聯機床能實現刨、插、推（tuī）削、鋸斷、焊接、輕（qīng）量（liàng）衝(擠) 壓等功能。

      2.13 主運動為螺旋運動。開發主運（yùn）動為螺（luó）旋（xuán） 運動的並聯機床具有理（lǐ）論意義和實用價值, 譬如: 螺（luó）栓類零件裝配機、高效( 鑽孔) 攻絲機、精密座（zuò）標鏜床等, 然而, 直線- 旋轉（zhuǎn）混合型電（diàn）機的問世為研製（zhì）這類並聯機床奠（diàn）定了基（jī）礎。如圖3 ( b) , 這種電機有兩（liǎng）套初級( 定子) 繞組, 兩套初級共用一個次級（jí）( 動子) , 旋（xuán）轉運動型初級繞組通（tōng）電時, 次級做旋轉運動;直線運動型初（chū）級繞組通電時, 次級做直線運動, 兩套（tào）初級繞組同時通電時, 次（cì）級做螺旋運動（dòng）, 電機的調速範圍寬, 極限轉速高[ 3]。采用這種電機的並聯（lián）機床,具有旋轉、直線和螺旋三種主運動, 具有很大的工（gōng）藝柔性和技術潛力（lì）。

      2.2 並聯機床的進給運動係統

      2.21 直（zhí）線步進電機的特點。實現精確（què）進給的必要條件之一（yī）是取消機械傳動鏈, 用直線電機直接驅動進給（gěi）運（yùn）動執行件是理想方案。與直（zhí）線直流電機和（hé）直線感應電（diàn）機相比, 直線步進電機( Linear Step Motor)更適（shì）合並聯機床的進（jìn）給係統（tǒng）, 其主要原因如下[ 2, 3] :

      (1) 用開環控製和細分（fèn）電路可實現無漂移精確微步距位移和無累積誤差的（de）高分辨率定位（wèi）;

      (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（hún）合式（shì）直線（xiàn）步進電機在不加控製電流情況下, 在失電狀態能確保其次（cì）級在瞬時既定位置上, 無需失電鎖（suǒ）緊（jǐn）裝置, 適於伸縮杆的功能（néng）要求;

      (4) 電機（jī）的初級發熱量小, 而（ér）次級的大部分直接外（wài）露而自然空冷, 因此累積溫升較低（dī）。

      2.22直線步進電機的（de）選擇。直線步進電（diàn）機按其電磁推力產生的機理可分為變磁阻式( VR) 和混合（hé）式兩大類。

      變磁阻式結（jié）構簡單, 但無永久磁鐵, 隻需單極性開（kāi）關電路控製（zhì）, 故綜合成本低（dī）、可（kě）靠性高。由於電機始終處於開（kāi）關運行狀態, 耗電量較（jiào）小, 因此, 在不要求高分辨率的場合優先考慮（lǜ）。

      混合式具有線圈和永久磁鐵, 結構較複雜, 但在同體積的情況下（xià）, 產生的最大推力比變磁阻式（shì）大的（de）多。混合式易實現微步（bù）距（jù）控製, 相應的細分電路簡單（dān）, 因此, 混合式適於空間受限, 需（xū）要高分辨率定位（wèi）和大進給驅動力的場合。

      2.23 直線步（bù）進電（diàn）機驅動的（de）並聯（lián）進給係統[ 1, 4, 5]。

      圖4 表示直線步（bù）進電機驅動（dòng）的並聯進給（gěi）機構, 因（yīn）為活動台永遠是並聯（lián）機床的（de）進給運動（dòng）執行件, 主要有二種應用情況:  其上安放主運動電機及刀具;  其上放置夾具和工件（jiàn）。直線步進電機的次級經鉸鏈（liàn）與（yǔ）活動台連（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, 使之能沿立柱軸向位移和定位。並聯進給機構用六個相（xiàng）同的直線步（bù）進電機（jī）驅動, 圖1右上（shàng）部表達了其中一個直線步進電機( 杆) 的結構, 為突出結構重點, 未畫出導向件等附件。為（wéi）增加電機的驅動力和失電時對次級的鎖緊力, 並盡量減少 杆  的徑（jìng）向尺寸, 一般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（chuáng）的調整運動。機床工作（zuò）時滑鞍（ān）不動, 屬於常規的六軸聯（lián）動進（jìn）給（gěi）, 在行波磁場作用下, 電機次級做直線往複的聯動, 使活動台的位（wèi）移、速度和姿態按既定規律變化, 實現刀具或工件的進給（gěi）。從機床的性能價格比考慮, 大型機床易采（cǎi）用電機（jī）驅動滾動絲杠螺母副實現滑鞍的位置調整; 小型機床則可用手動機構調整滑鞍的位置, 然後（hòu）將滑鞍鎖定在所需位置。根據生產需求（qiú）,調整滑鞍在立柱上的位置, 可把並聯係統從（cóng）圖4 ( a)的（de）內容式轉換為圖4 ( b) 的外容式。無論內容式還是外容式, 調整滑鞍的位置能改變活（huó）動（dòng）台相（xiàng）對於工作台在鉛垂方向的極限位置或（huò）初始姿態。若活動台安裝主運（yùn）動電（diàn）機, 純並聯前提下, 工作（zuò）台無自由度; 串、並聯情況下, 工作台（tái）有自由度。對於內容式（shì）結構, 若活動台安（ān）裝夾具和工件（jiàn）, 活動台就是工（gōng）作台, 把主運動係統置於支承立柱上( 未（wèi）畫)。

      (2) 用直線步進電機驅動滑鞍作（zuò）進給運動。預先把六個電伸縮（suō）杆 分成三組, 相鄰兩杆為一組, 同（tóng）組（zǔ）內兩個杆的初始長度調整為相等。機床（chuáng）工作（zuò）時（shí）, 靠數控係統實現（xiàn）同組的電動伸縮（suō）杆嚴格（gé）地同步伸縮(擺動) , 而同組內的兩個滑鞍則（zé）嚴格地同步位移, 即一個組相當於一（yī）個等效杆和一個等效滑（huá）鞍（ān）的組合。與口（kǒu）中闡述的傳動模式相比, 雖然機（jī）床的傳動和（hé）運動方式改變了（le）, 但是機床的自由度數( 軸數) 和聯動控製數目沒變。

      (3) 仍然用直線步進電（diàn）機驅動滑鞍作進（jìn）給運動。把六個（gè） 電伸（shēn）縮杆 調整到所需的相等長度, 並 鎖定 各杆長度, 既把六個杆剛性化（huà）, 再（zài）采用與 (2) 一樣的分組法。機床工作時, 隻讓（ràng）每組（zǔ）的（de）兩（liǎng）個滑（huá）鞍嚴格地同步運動, 六個電伸縮杆 隻擺動（dòng）, 不（bú）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（gǔn）珠絲杠螺（luó）母副或液壓伺服部件, 設計和使用（yòng）受其行程及參數的製約, 若用非標的滾珠絲杠螺母副或液壓伺服部件將大幅增加（jiā）成本。然而, 采用直（zhí）線步進電機,能根據不同的最大（dà）進給行程方便地更換相應長度（dù）的次級杆, 電機次級（jí）的綜合成本比滾珠絲杠和液壓伺服件低得多（duō）, 而且（qiě）使用中（zhōng）無須預緊、潤滑、密封等, 更無摩擦、磨損。

      3 結論

      與現有並聯機床相比, 無機械傳動鏈（liàn）高速並聯機床的傳動模式有以下主要特點:

      (1) 精度高。由於無機械傳（chuán）動鏈, 理論上講, 進給係統易實現精確微量位移和高分辨率定位, 主運動係統有更好的旋（xuán）轉精度和動特性（xìng）。

      (2) 柔性（xìng）好（hǎo）。即能調整機床的結構布局, 也能更換主運動執行件或直（zhí）線步進電（diàn）機的次級。

      (3) 效率高。主運動執行件的極限速（sù）度高, 進給直線（xiàn）步進電機的次極響應快（kuài）, 極限速（sù）度高。

      (4) 溫升低。所用電機（jī）溫升（shēng）低, 摩擦熱源少, 高（gāo）速切削散熱快, 無主軸箱等阻熱零（líng）部件。

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

      (6) 綜合成本低。無傳動鏈（liàn）及其輔助性零、部件; 不需要對傳動鏈的冷卻、潤滑係統。