新型并聯機床
發表時間:2009-06-11 08:35:00; 來源:
自1994年第一臺并聯機床誕生之日起，其動態性能和靈活性便引起人們的高度重視，世界各國專家學者進行了大量的研究工作，并一度出現了并聯機床熱，并聯機床風靡全球，曾有人把并聯機床的誕生稱為21世紀的機床革命。時至今日，盡管國內外專家學者一直在進行不懈的研究，但并聯機床產業化方面的進展并不快。阻礙并聯機床發展的原因主要有：
- 典型并聯機構(如由六根伸縮桿組成Stewart機構)的工作范圍有限，特別是動平臺的姿態角一般在30°左右，使刀具可加工的區域很有限，大大限制了其應用范圍。
- 為擴大并聯機床的加工范圍，人們嘗試著采用并聯機構和串聯機構相結合的混聯技術構成新的機床，以期達到高靈活性和大的加工范圍，但總的看來，現存結構的兩自由度和三自由度活動關節還是比較多，降低了機床的剛度和精度，抑制了并聯機床運動部分重量輕、高速性能好的優勢；即使是國際上知名的Tricept機床，已降到7個活動關節、18個自由度，但仍存在著剛性不足的問題，特別是在加工范圍的邊緣區域，這種現象更為嚴重。盡管一些專業廠家對并聯機床的關節做了大量的研究，在國際市場上也有銷售，但昂貴的價格和其尚存的局限性，使之沒有在并聯機床上得到廣泛的應用。關節結構復雜且難以實現高剛性，制約了各種并聯機床特別是具有大的加工范圍的混聯機床的發展。
哈量集團應用瑞典愛克斯康(Exechon)公司的最新并聯機床技術，開發的LINKS-EXE700新一代并聯機床成功地解決了這一并聯機床發展的瓶頸，該款機床無論是在剛性、高速性能，還是在精度等方面較之前的并聯機床都有大幅度的提高，可滿足需靈活加工技術的航空航天和汽車工業等領域的需要。
LINKS-EXE700并聯機床的主要特點
LINKS-EXE700并聯機床的設計理念解決了前面所述的并聯機床問題，并且突顯了并聯機床的所有目標，如高剛性與極好靈活性和動態性的結合。LINKS-EXE700并聯機床在各致動器與下平臺之間的鉸鏈僅有一個擺動的自由度，其中兩個致動器與上平臺之間的連接采用2個自由度的虎克鉸結構，中間一個致動器與上平臺連接為一個3個自由度的虎克鉸，這種設計使得并聯機構僅有6個活動關節，10個自由度，是目前世界上現存的并聯機構中活動關節和自由度最少的。這種設計形成的實體結構可以完全去除施加給機床各方向的撓曲和扭矩力。當給機床主軸施加一個作用力時，動平臺將產生扭轉趨勢，通過1個自由度的鉸鏈和各致動器，將力均勻地傳遞給上平臺，大大地提高了機床的剛性。
該機床的3根致動器也采用了與以前的并聯機床明顯不同的結構，以前的并聯機構普遍采用套裝的伸縮桿結構，剛性差，而LINKS-EXE700采用的是整體結構，剛性大幅度提高。
LINKS-EXE700機床的主要技術指標和特殊性能可描述如下：
- 加工范圍。
- X軸2000mm；Y軸1500mm;Z軸500mm;A軸270°；B軸360°。
- 加速度。
- X、Y軸：2g；Z軸：1g。
- 電主軸。
- 功率32kW；轉矩28N•m；轉速18000r/min；夾持刀柄CAPTOC6。
- 圓檢測精度。
- 最大誤差不超過0.01mm。
- 靜態剛性。
- 該機床的設計靜態剛性為15N/µm，且在機床加工空間任何位置均保持一致。
- 在線生產驗證ILP。
- LINKS-EXE700并聯機床應用了一種最新的實時仿真軟件，即ILP，該軟件可以執行數控系統的操作指令(G代碼和M代碼)，可以在屏幕上顯示刀具、加工狀況、工裝位置及加工過程是否干涉，如果干涉，在干涉區域將顯示不同顏色，并可以自動記錄下出現干涉時的程序段，以便于修改程序。
- 強大的后置處理系統。
- 該機床采用了加拿大ICAM公司為它定制的功能強大的后置處理軟件，該軟件可兼容目前世界上流行的CAD/CAM軟件，方便用戶使用。
并聯機床的應用領域
- 敏捷加工
- 傳統3軸加工時，經常出現工件坐標系的參照點在工件內部或者與工件的中心線不一致的問題，因此調整工件在機床坐標系中的位置是一項耗時又耗資的工作。所以傳統機床只好使用昂貴且不靈活的伺服控制夾具，或使用高級的脫機測量設備手工調整每個工件。
- 并聯機床可以輕松地使用激光或傳統測頭并結合并聯機床特有的5軸聯動和高速度、高加速度運動的性能，在加工前能夠很快地測完工件基準，并很容易地建立起工件坐標。特別是在大的表面上具有復合角度的工件，很多情況下，需要加工的部位是以工件的某一要素作為基準的，用并聯機床最為快捷。
- 一次裝夾加工
- 傳統3軸加工的另外一個問題是工件所有6個面的加工最少需要2個夾具，有時用3個夾具。這種加工技術需要多次工件裝夾，這會造成很多的問題。諸如，產生重復裝夾誤差，Cpk值降低，制造夾具的成本增高，使用過程中定期的校準、維護也給生產管理帶來不少麻煩。
- 并聯機床具有很大的靈活性，其主軸矢量方向可以覆蓋空間的任意方向，這種獨特的性能使得并聯機床從理論上能夠在一次裝夾便可加工工件的所有面。如果此技術采用上述測頭的話，那么使用精度不必很高，但穩定性和剛性好、成本低的夾具就有可以了。由于產生重復裝夾誤差的因素隨之消失，工件的Cpk值也會增加。同時，也節省了大量的輔助時間，提高了生產效率。
- 復合角度加工
- 隨著飛機和汽車設計技術的不斷升級，對復合角度和圓插補的復雜加工需求也與日俱增。如果采用傳統的五軸龍門型機床做這類加工，5個笨重的軸需要不斷再定位，機床在加工時很難高速運行，在加工過程中，通常還會出現路徑跟隨誤差過大及生產率低等問題。
- 并聯機床具有高度的動態性能，平面或者復合角度面對它來說都是一樣的，因此它適于未來汽車制造期望的所有復雜加工。不難想象，飛機、火車或建筑機械上的部件需要更先進的加工技術，目前傳統機床無法做到的，并聯機床卻可以實現。
- 多重路徑混合加工
- 三軸傳統加工中的一個老問題就是很難加工完美的純平表面。采用多重路徑加工要求機床的剛性和精度非常好，即使條件滿足，也不可能完全避免出現路徑之間的紋楞。傳統機床主要通過兩種途徑來解決這個問題，一是使用運動軌跡可覆蓋整個表面的刀具，但需要機床具有更大的功率和更好的剛性；二是從機械方面將主軸沿運動方向上傾斜很小的角度，所有的走刀路徑按同一方向切削，效率很低。
前面提到，并聯機床不管其主軸與工件表面是否垂直，用一個按工件被加工面確定的傾角就很容易給并聯機床進行預編程，加工表面時就用這個角度。另外，加工鈦合金等硬度高的材料時，刀具背面不接觸工件，增加了刀具的使用壽命。
應用案例
由于該機床的3個致動器均裝在上平臺上，與其他環節無關，故上平臺可以與地面以任何夾角布置，如0°、45°、90°等，甚至可以使致動器向上布置，這樣就給機床設計和現場應用，特別是飛機制造領域帶來了極大的方便?，F今，如上所述的布置，都被一些飛機制造公司所選用。
- 各種大型型材加工
- 加工大型冷拔型材，由于工件自身有一定的扭曲，按傳統的方式加工極為困難，甚至無法加工；應用并聯機床則很容易來完成這項工作。其加工機理就是充分利用該機床的靈活、敏捷加工的特點。加工時將工件隨意裝夾在工作臺上，工件是否有少量的彈性變形關系不大，先用十字激光瞄準裝置快速檢測出工件側面的法線方向及邊緣位置，根據這些數據，建立工件坐標系，確保加工部位與邊緣的距離，并使刀具與加工表面垂直，然后進行加工，這樣，不必使用昂貴且需復雜調直的夾具，可大幅度地降低加工成本。
- 數字化裝配
- 航空航天領域的數字化裝配工程是我國即將實施的重大戰略項目，由于并聯機床可實現敏捷加工，可以用激光瞄準裝置非?？旖莸匾怨ぜ哪骋灰?或工裝上的定位點)來重新建立工件坐標系，并可方便地找到曲面工件的法向，確保銑削或鉆孔時沿法向進刀，從而保證加工精度。另外，該機床配置自動鉚接裝置，即可實現一次完成鉆孔、鉚接工作，大大提高裝配質量和效率。實現該工藝過程的方法是使用2臺或更多臺的LINKS-EXE700型機床，兩面對置，鉆孔時，各自分攤一部分，鉚接時，兩臺機床核心構件聯合工作。哈量集團為某飛機制造企業制定了高柔性的、可銑鉆又可實現數字化裝配的技術方案。
- 為擴大機床的加工范圍，在每一臺機床上增加了縱向和豎直方向的導軌，以帶動工作頭移動。加工時，將其移動到加工區域后，將這兩個方向的導軌鎖緊，利用機床核心部分的運動來加工，從而保證了機床的高速性。加工完該區域后，機床再移動到下一個工作區域，重復上述過程，這樣就可以實現大工件的高速加工，在每次移動到新的位置時，可以根據加工工藝的要求，在工件或夾具上建立新的坐標系。
- 大型或超大型工件的倒置式加工
- 該機床的靈活性還體現在飛機大型工件的加工中，并聯機床的高速、靈活、可加工復合角度及可重構的特點可充分展示，有的飛機制造公司已確定了將機翼等大型構件支撐在機床上面，機床在工件下面加工，將機床布置成致動器向上的方案，加工時，仍然采用以工件的要素作為參考點建立工件坐標系，進行分段加工，機床從一個區域移動到另一個區域時，通過一個氣浮裝置將機床整體浮起，用拖車或機床自身的驅動裝置將機床整體移動，借助GPS定位系統，對機床進行初步的位置確定，再通過激光定位裝置在本區域建立新的工件坐標系，隨后即可對該區域進行加工。該方案的特點是取消了移動機床的兩個方向的導軌，機床的運動和工件的工裝設計更加靈活，適用范圍廣。
- 自動化及人工裝配的結合
- 一般情況下，鉆孔是飛機裝配過程中最為關鍵的工序之一。另外一種技術方案是雙面裝配，機床安裝在夾具的一側，機床主要用于鉆孔、清理毛刺等，另一面由人工手動裝入鉚釘，然后配合著機床共同進行鉚接工作，如此布置機床，取消了自動鉚接系統，且僅用一臺機床的核心部件，相對來講，機床造價大幅度降低，機床加工及鉚接的編程也相對簡單，易于掌握。
- 哈量曾為某航空公司提供了將自動和人工裝配結合的技術方案。
- 模擬飛機框架結構五面加工及直升飛機框架高速加工
- 對于飛機框架的內、外、上、下、左、右各側面的鉆孔和加工，應用傳統機床很難在一臺機床上一次裝夾來完成全部工序，而應用LINKS-EXE機床則很容易實現，只要采用合理的裝夾方式，將各需要加工的表面暴露出來，就可實現一次裝夾，完成各表面的加工。該機床還特別適合加工航空薄壁件，由于該機床相對龍門銑床等大型機床而言，具有較高的速度和加速度，故在加工形狀相對復雜的鋁合金薄壁件時，可始終保持高效加工，特別是在插補加工圓弧或其他各種曲線軌跡時，與傳統的龍門銑床相比，該特點尤為突出。
- 飛機修理
- 在機床上增加一個垂直方向的運動，可使機床平臺上下移動，可以用于飛機的蒙皮修理，將機床移至飛機蒙皮破損點附近，銑掉破損面蒙皮，并在四周鉆孔，采用激光瞄準系統，找出飛機蒙皮的法線，以確保在加工時無論是銑削還是鉆孔工序，都可以方便地保持刀具軸線落在飛機蒙皮的法線上，再按相應的工藝清洗、涂膠，將事先加工好的新蒙皮粘接，并進行鉚接即可。
- 加工大型葉片
- 在工作臺上安裝兩臺同步運動的數控轉臺，與機床核心的五軸構成新的六軸聯動系統，可以旋轉加工大型葉片(如核電站汽輪機的葉片)，由于該機床的高速性能優越，故用該機床可以實現高效率葉片加工。
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