0引言
并聯(lián)機(jī)床具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)床不具備, 甚至難以實(shí)現(xiàn)的一些優(yōu)勢(shì)。在科技發(fā)達(dá)國(guó)家, 并聯(lián)機(jī)床已進(jìn)入應(yīng)用層, 我國(guó)雖已研制出幾種并聯(lián)機(jī)床的樣機(jī), 但尚未真正進(jìn)入應(yīng)用層。由并聯(lián)機(jī)器人到并聯(lián)機(jī)床并非一個(gè)簡(jiǎn)單的拓展或轉(zhuǎn)換, 真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)跨越涉及動(dòng)力學(xué)、切削理論、工藝學(xué)、數(shù)控等諸多問(wèn)題的綜合。雖然導(dǎo)致這些問(wèn)題的因素錯(cuò)綜復(fù)雜, 但是, 如果并聯(lián)機(jī)床無(wú)機(jī)械傳動(dòng)鏈, 許多影響因素自然消失, 一些棘手難題隨之解決。既然并聯(lián)機(jī)床以新結(jié)構(gòu)模式出現(xiàn), 若仍承襲傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)模式, 一些弊端也被繼承。因此, 把更合適的驅(qū)動(dòng)技術(shù)引入并聯(lián)機(jī)床, 是促使并聯(lián)機(jī)床進(jìn)一步高精度化、高速化、高效化、柔性化的必要環(huán)節(jié), 以便增強(qiáng)并聯(lián)機(jī)床的生命力、實(shí)用性和性能價(jià)格比, 擴(kuò)展其技術(shù)應(yīng)用范圍。
1 并聯(lián)機(jī)床驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)的現(xiàn)狀
并聯(lián)機(jī)床的獨(dú)特之處是其基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的進(jìn)給系統(tǒng), 盡管結(jié)構(gòu)新穎, 仍有如下問(wèn)題:
(1) 主運(yùn)動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 使并聯(lián)機(jī)床的功能單調(diào), 限制了其應(yīng)用范圍。
(2) 進(jìn)給傳動(dòng)鏈的模式為: 或用旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)配以機(jī)械傳動(dòng)鏈; 或用液壓伺服系統(tǒng), 難免涉及一些傳統(tǒng)的疑難問(wèn)題:
滾珠絲杠螺母副和齒輪副除了有原理性缺陷,使用時(shí)由諸多因素( 如制造水準(zhǔn)、彈性位移、熱變形、磨損等) 引起非線性綜合誤差, 由于誤差的復(fù)雜性和隨機(jī)性, 已成為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)床的棘手問(wèn)題。然而, 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的綜合誤差彼此獨(dú)立, 可以分別調(diào)整和補(bǔ)償; 而并聯(lián)機(jī)床不僅每個(gè) 進(jìn)給桿 有綜合誤差, 而且各個(gè)進(jìn)給桿之間的綜合誤差又嚴(yán)格地相互映射, 難以分別調(diào)整和補(bǔ)償, 也使折算到活動(dòng)平臺(tái)上的非線性綜合誤差有更強(qiáng)的復(fù)雜性、隨機(jī)性和模糊性[ 1]。凡是有機(jī)械傳動(dòng)鏈的機(jī)床, 都難以用反饋補(bǔ)償完全消除機(jī)械傳動(dòng)鏈產(chǎn)生的綜合誤差, 還會(huì)導(dǎo)致成本高、控制復(fù)雜、難調(diào)整和維護(hù)等負(fù)面作用。
從整體受力分析講, 并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的 進(jìn)給桿 屬二力桿。然而, 并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛度并非取決于進(jìn)給桿的自身剛度, 而是受滾珠絲杠螺母副、齒輪或液壓傳動(dòng)元件及介質(zhì)的局部剛度、接觸剛度和動(dòng)剛度的綜合制約, 機(jī)床工作時(shí)易產(chǎn)生彈性位移、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。
滾珠絲杠螺母副最高運(yùn)行速度一般為20~30m/min, 最大線加速度也僅能達(dá)到1~ 3m/ s2。當(dāng)前國(guó)際上要求先進(jìn)高速機(jī)床的單坐標(biāo)最高進(jìn)給線速度為110~ 150m/min, 最大線加速度10~ 25m/ s2, 滾珠絲杠螺母副或液壓傳動(dòng)不能滿足現(xiàn)代機(jī)床的這一主流發(fā)展需求。
液壓伺服系統(tǒng)成本高, 不易實(shí)現(xiàn)精確勻速微量進(jìn)給, 某些情況下還涉及環(huán)保問(wèn)題。
當(dāng)然, 因?yàn)楦饔脩魧訉?duì)設(shè)備需求的差異, 具有機(jī)械傳動(dòng)鏈的并聯(lián)機(jī)床仍是并聯(lián)機(jī)床家族的重要成員。但是, 并聯(lián)機(jī)床要想真正成為21 世紀(jì)的機(jī)床, 應(yīng)該向精密、高速和柔性化發(fā)展。
2無(wú)傳動(dòng)鏈高效并聯(lián)機(jī)床傳動(dòng)模式
2.1 并聯(lián)機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
2.1.1 主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)用電主軸直接驅(qū)動(dòng)。電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 左下部, 電主軸在國(guó)外也稱空心轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī), 其空心轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸用過(guò)盈配合結(jié)為一體, 轉(zhuǎn)子兩端有動(dòng)平衡調(diào)整環(huán), 用發(fā)熱量低、散熱快的活動(dòng)式電磁軸承或Si4N3陶瓷軸承作主支承, 主軸以高精度高速旋轉(zhuǎn)[ ( 4~ 6) 104r/ min] , 主軸可無(wú)級(jí)調(diào)速[ 2]。由于電主軸的特殊構(gòu)造, 大部分熱量由定子產(chǎn)生, 轉(zhuǎn)子產(chǎn)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,一般用油水型熱交換器冷卻定子和軸承, 主軸溫升穩(wěn)定在1~ 2 [ 2] 。根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)和工藝需求, 必要時(shí)可更換不同用途的主軸。還有一種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的電主軸, 其轉(zhuǎn)子本身就是機(jī)床主軸。并聯(lián)機(jī)床能實(shí)現(xiàn)銑、鏜、鉆、磨等功能。
電主軸使刀具能對(duì)工件進(jìn)行( 超) 高速切削, 其切削力很小、切削溫度極低、刀具耐用度高, 不僅提高了加工效率和表面質(zhì)量, 而且能高速、優(yōu)質(zhì)地切削低硬度或難切削材料。
還可采用圓盤(pán)型直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸; 盡管這種電機(jī)輸出的是回旋運(yùn)動(dòng), 因其工作原理和初級(jí) (定子) 的構(gòu)造與直線電機(jī)相同, 故將其納入直線電機(jī)范疇[ 3]。如圖2 所示, 這種電機(jī)可以有一個(gè)或幾個(gè)初級(jí), 若把圓盤(pán)形次級(jí)( 動(dòng)子) 的回轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)成空心軸, 空心軸與主軸以過(guò)盈配合結(jié)合成一體, 可根據(jù)工藝需求和生產(chǎn)綱領(lǐng)更換主軸; 若將圓盤(pán)次極的回轉(zhuǎn)軸直接設(shè)計(jì)成主軸, 則只能更換刀具; 因圓盤(pán)次級(jí)兼起飛輪作用, 更適用于主軸受沖擊載荷的機(jī)床。
電機(jī)通常采用自然空冷, 僅當(dāng)圓盤(pán)次極直徑較小且運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)差率較大時(shí)才考慮用強(qiáng)迫風(fēng)冷。電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力矩和極限轉(zhuǎn)速通過(guò)初級(jí)在圓盤(pán)次級(jí)上的徑向位置調(diào)節(jié), 主軸的極限轉(zhuǎn)速可用下式確定[ 3] :
2.12 主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)。如圖3 ( a) 所示,直線電機(jī)的空心次級(jí)( 動(dòng)子) 與主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件結(jié)為一體, 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是便于更換不同類型或規(guī)格的執(zhí)行件, 增強(qiáng)了機(jī)床的柔性。如果把直線電機(jī)的次級(jí)直接制造成主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件( 未畫(huà)) , 雖然能提高剛度和精度, 但是機(jī)床的工藝范圍受限。在直線電機(jī)行波磁場(chǎng)作用下, 次級(jí)( 執(zhí)行件) 做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng), 次級(jí)的有效長(zhǎng)度取決于機(jī)床結(jié)構(gòu)和最大工作行程, 通過(guò)控制輸入直線電機(jī)的電參數(shù)調(diào)整執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)頻率和行程[ 3]。配備導(dǎo)向件( 如圓柱導(dǎo)軌副) 實(shí)現(xiàn)執(zhí)行件的導(dǎo)向, 有關(guān)導(dǎo)向件的內(nèi)容參閱機(jī)床設(shè)計(jì)資料。理論上講, 這類并聯(lián)機(jī)床能實(shí)現(xiàn)刨、插、推削、鋸斷、焊接、輕量沖(擠) 壓等功能。
2.13 主運(yùn)動(dòng)為螺旋運(yùn)動(dòng)。開(kāi)發(fā)主運(yùn)動(dòng)為螺旋 運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)床具有理論意義和實(shí)用價(jià)值, 譬如: 螺栓類零件裝配機(jī)、高效( 鉆孔) 攻絲機(jī)、精密座標(biāo)鏜床等, 然而, 直線- 旋轉(zhuǎn)混合型電機(jī)的問(wèn)世為研制這類并聯(lián)機(jī)床奠定了基礎(chǔ)。如圖3 ( b) , 這種電機(jī)有兩套初級(jí)( 定子) 繞組, 兩套初級(jí)共用一個(gè)次級(jí)( 動(dòng)子) , 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型初級(jí)繞組通電時(shí), 次級(jí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);直線運(yùn)動(dòng)型初級(jí)繞組通電時(shí), 次級(jí)做直線運(yùn)動(dòng), 兩套初級(jí)繞組同時(shí)通電時(shí), 次級(jí)做螺旋運(yùn)動(dòng), 電機(jī)的調(diào)速范圍寬, 極限轉(zhuǎn)速高[ 3]。采用這種電機(jī)的并聯(lián)機(jī)床,具有旋轉(zhuǎn)、直線和螺旋三種主運(yùn)動(dòng), 具有很大的工藝柔性和技術(shù)潛力。
2.2 并聯(lián)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
2.21 直線步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)精確進(jìn)給的必要條件之一是取消機(jī)械傳動(dòng)鏈, 用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件是理想方案。與直線直流電機(jī)和直線感應(yīng)電機(jī)相比, 直線步進(jìn)電機(jī)( Linear Step Motor)更適合并聯(lián)機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng), 其主要原因如下[ 2, 3] :
(1) 用開(kāi)環(huán)控制和細(xì)分電路可實(shí)現(xiàn)無(wú)漂移精確微步距位移和無(wú)累積誤差的高分辨率定位;
(2) 響應(yīng)快。次級(jí)運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)120~ 150m/ min,線加速度可達(dá)30~ 70m/ s2;
(3) 混合式直線步進(jìn)電機(jī)在不加控制電流情況下, 在失電狀態(tài)能確保其次級(jí)在瞬時(shí)既定位置上, 無(wú)需失電鎖緊裝置, 適于伸縮桿的功能要求;
(4) 電機(jī)的初級(jí)發(fā)熱量小, 而次級(jí)的大部分直接外露而自然空冷, 因此累積溫升較低。
2.22直線步進(jìn)電機(jī)的選擇。直線步進(jìn)電機(jī)按其電磁推力產(chǎn)生的機(jī)理可分為變磁阻式( VR) 和混合式兩大類。
變磁阻式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 但無(wú)永久磁鐵, 只需單極性開(kāi)關(guān)電路控制, 故綜合成本低、可靠性高。由于電機(jī)始終處于開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài), 耗電量較小, 因此, 在不要求高分辨率的場(chǎng)合優(yōu)先考慮。
混合式具有線圈和永久磁鐵, 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 但在同體積的情況下, 產(chǎn)生的最大推力比變磁阻式大的多。混合式易實(shí)現(xiàn)微步距控制, 相應(yīng)的細(xì)分電路簡(jiǎn)單, 因此, 混合式適于空間受限, 需要高分辨率定位和大進(jìn)給驅(qū)動(dòng)力的場(chǎng)合。
2.23 直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)進(jìn)給系統(tǒng)[ 1, 4, 5]。
圖4 表示直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu), 因?yàn)榛顒?dòng)臺(tái)永遠(yuǎn)是并聯(lián)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件, 主要有二種應(yīng)用情況: 其上安放主運(yùn)動(dòng)電機(jī)及刀具; 其上放置夾具和工件。直線步進(jìn)電機(jī)的次級(jí)經(jīng)鉸鏈與活動(dòng)臺(tái)連接, 而它的初級(jí)經(jīng)鉸鏈與滑鞍連接, 滑鞍或由電機(jī)驅(qū)動(dòng)或手動(dòng)驅(qū)動(dòng), 使之能沿立柱軸向位移和定位。并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu)用六個(gè)相同的直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng), 圖1右上部表達(dá)了其中一個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)( 桿) 的結(jié)構(gòu), 為突出結(jié)構(gòu)重點(diǎn), 未畫(huà)出導(dǎo)向件等附件。為增加電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和失電時(shí)對(duì)次級(jí)的鎖緊力, 并盡量減少 桿 的徑向尺寸, 一般取電機(jī)初級(jí)長(zhǎng)度接近并聯(lián)機(jī)構(gòu)要求的最短桿長(zhǎng)。有幾種傳動(dòng)模式:
(1) 滑鞍的位移是機(jī)床的調(diào)整運(yùn)動(dòng)。機(jī)床工作時(shí)滑鞍不動(dòng), 屬于常規(guī)的六軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給, 在行波磁場(chǎng)作用下, 電機(jī)次級(jí)做直線往復(fù)的聯(lián)動(dòng), 使活動(dòng)臺(tái)的位移、速度和姿態(tài)按既定規(guī)律變化, 實(shí)現(xiàn)刀具或工件的進(jìn)給。從機(jī)床的性能價(jià)格比考慮, 大型機(jī)床易采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)滑鞍的位置調(diào)整; 小型機(jī)床則可用手動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整滑鞍的位置, 然后將滑鞍鎖定在所需位置。根據(jù)生產(chǎn)需求,調(diào)整滑鞍在立柱上的位置, 可把并聯(lián)系統(tǒng)從圖4 ( a)的內(nèi)容式轉(zhuǎn)換為圖4 ( b) 的外容式。無(wú)論內(nèi)容式還是外容式, 調(diào)整滑鞍的位置能改變活動(dòng)臺(tái)相對(duì)于工作臺(tái)在鉛垂方向的極限位置或初始姿態(tài)。若活動(dòng)臺(tái)安裝主運(yùn)動(dòng)電機(jī), 純并聯(lián)前提下, 工作臺(tái)無(wú)自由度; 串、并聯(lián)情況下, 工作臺(tái)有自由度。對(duì)于內(nèi)容式結(jié)構(gòu), 若活動(dòng)臺(tái)安裝夾具和工件, 活動(dòng)臺(tái)就是工作臺(tái), 把主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)置于支承立柱上( 未畫(huà))。
(2) 用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑鞍作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。預(yù)先把六個(gè)電伸縮桿 分成三組, 相鄰兩桿為一組, 同組內(nèi)兩個(gè)桿的初始長(zhǎng)度調(diào)整為相等。機(jī)床工作時(shí), 靠數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同組的電動(dòng)伸縮桿嚴(yán)格地同步伸縮(擺動(dòng)) , 而同組內(nèi)的兩個(gè)滑鞍則嚴(yán)格地同步位移, 即一個(gè)組相當(dāng)于一個(gè)等效桿和一個(gè)等效滑鞍的組合。與口中闡述的傳動(dòng)模式相比, 雖然機(jī)床的傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方式改變了, 但是機(jī)床的自由度數(shù)( 軸數(shù)) 和聯(lián)動(dòng)控制數(shù)目沒(méi)變。
(3) 仍然用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑鞍作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。把六個(gè) 電伸縮桿 調(diào)整到所需的相等長(zhǎng)度, 并 鎖定 各桿長(zhǎng)度, 既把六個(gè)桿剛性化, 再采用與 (2) 一樣的分組法。機(jī)床工作時(shí), 只讓每組的兩個(gè)滑鞍嚴(yán)格地同步運(yùn)動(dòng), 六個(gè)電伸縮桿 只擺動(dòng), 不伸縮。因此, 只對(duì)三組滑鞍實(shí)施三軸聯(lián)控, 減少了機(jī)床的自由度數(shù)和聯(lián)動(dòng)控制數(shù)。
目前的并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu)均采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的滾珠絲杠螺母副或液壓伺服部件, 設(shè)計(jì)和使用受其行程及參數(shù)的制約, 若用非標(biāo)的滾珠絲杠螺母副或液壓伺服部件將大幅增加成本。然而, 采用直線步進(jìn)電機(jī),能根據(jù)不同的最大進(jìn)給行程方便地更換相應(yīng)長(zhǎng)度的次級(jí)桿, 電機(jī)次級(jí)的綜合成本比滾珠絲杠和液壓伺服件低得多, 而且使用中無(wú)須預(yù)緊、潤(rùn)滑、密封等, 更無(wú)摩擦、磨損。
3 結(jié)論
與現(xiàn)有并聯(lián)機(jī)床相比, 無(wú)機(jī)械傳動(dòng)鏈高速并聯(lián)機(jī)床的傳動(dòng)模式有以下主要特點(diǎn):
(1) 精度高。由于無(wú)機(jī)械傳動(dòng)鏈, 理論上講, 進(jìn)給系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)精確微量位移和高分辨率定位, 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有更好的旋轉(zhuǎn)精度和動(dòng)特性。
(2) 柔性好。即能調(diào)整機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局, 也能更換主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件或直線步進(jìn)電機(jī)的次級(jí)。
(3) 效率高。主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件的極限速度高, 進(jìn)給直線步進(jìn)電機(jī)的次極響應(yīng)快, 極限速度高。
(4) 溫升低。所用電機(jī)溫升低, 摩擦熱源少, 高速切削散熱快, 無(wú)主軸箱等阻熱零部件。
(5) 工藝范圍寬。機(jī)床結(jié)構(gòu)具有一定柔性, 電主軸和直線步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速范圍寬, 具有電主軸的機(jī)床還能加工低硬度或難切削材料。
(6) 綜合成本低。無(wú)傳動(dòng)鏈及其輔助性零、部件; 不需要對(duì)傳動(dòng)鏈的冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)。
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