0引言
并聯(lián)機床具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機床不具備, 甚至難以實現(xiàn)的一些優(yōu)勢。在科技發(fā)達國家, 并聯(lián)機床已進入應(yīng)用層, 我國雖已研制出幾種并聯(lián)機床的樣機, 但尚未真正進入應(yīng)用層。由并聯(lián)機器人到并聯(lián)機床并非一個簡單的拓展或轉(zhuǎn)換, 真正實現(xiàn)這個跨越涉及動力學(xué)、切削理論、工藝學(xué)、數(shù)控等諸多問題的綜合。雖然導(dǎo)致這些問題的因素錯綜復(fù)雜, 但是, 如果并聯(lián)機床無機械傳動鏈, 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)機床以新結(jié)構(gòu)模式出現(xiàn), 若仍承襲傳統(tǒng)的驅(qū)動和傳動模式, 一些弊端也被繼承。因此, 把更合適的驅(qū)動技術(shù)引入并聯(lián)機床, 是促使并聯(lián)機床進一步高精度化、高速化、高效化、柔性化的必要環(huán)節(jié), 以便增強并聯(lián)機床的生命力、實用性和性能價格比, 擴展其技術(shù)應(yīng)用范圍。
1 并聯(lián)機床驅(qū)動和傳動的現(xiàn)狀
并聯(lián)機床的獨特之處是其基于空間并聯(lián)機構(gòu)的進給系統(tǒng), 盡管結(jié)構(gòu)新穎, 仍有如下問題:
(1) 主運動均為回轉(zhuǎn)運動, 使并聯(lián)機床的功能單調(diào), 限制了其應(yīng)用范圍。
(2) 進給傳動鏈的模式為: 或用旋轉(zhuǎn)型伺服電機配以機械傳動鏈; 或用液壓伺服系統(tǒng), 難免涉及一些傳統(tǒng)的疑難問題:
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)雜性和隨機性, 已成為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機床的棘手問題。然而, 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機床各個坐標(biāo)的綜合誤差彼此獨立, 可以分別調(diào)整和補償; 而并聯(lián)機床不僅每個 進給桿 有綜合誤差, 而且各個進給桿之間的綜合誤差又嚴(yán)格地相互映射, 難以分別調(diào)整和補償, 也使折算到活動平臺上的非線性綜合誤差有更強的復(fù)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(chǎn)生的綜合誤差, 還會導(dǎo)致成本高、控制復(fù)雜、難調(diào)整和維護等負(fù)面作用。
從整體受力分析講, 并聯(lián)進給機構(gòu)的 進給桿 屬二力桿。然而, 并聯(lián)進給機構(gòu)的剛度并非取決于進給桿的自身剛度, 而是受滾珠絲杠螺母副、齒輪或液壓傳動元件及介質(zhì)的局部剛度、接觸剛度和動剛度的綜合制約, 機床工作時易產(chǎn)生彈性位移、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, 最大線加速度也僅能達到1~ 3m/ s2。當(dāng)前國際上要求先進高速機床的單坐標(biāo)最高進給線速度為110~ 150m/min, 最大線加速度10~ 25m/ s2, 滾珠絲杠螺母副或液壓傳動不能滿足現(xiàn)代機床的這一主流發(fā)展需求。
液壓伺服系統(tǒng)成本高, 不易實現(xiàn)精確勻速微量進給, 某些情況下還涉及環(huán)保問題。
當(dāng)然, 因為各用戶層對設(shè)備需求的差異, 具有機械傳動鏈的并聯(lián)機床仍是并聯(lián)機床家族的重要成員。但是, 并聯(lián)機床要想真正成為21 世紀(jì)的機床, 應(yīng)該向精密、高速和柔性化發(fā)展。
2無傳動鏈高效并聯(lián)機床傳動模式
2.1 并聯(lián)機床的主運動系統(tǒng)。
2.1.1 主運動為回轉(zhuǎn)運動。機床的主運動用電主軸直接驅(qū)動。電主軸的機械結(jié)構(gòu)見圖1 左下部, 電主軸在國外也稱空心轉(zhuǎn)子電動機, 其空心轉(zhuǎn)子與機床主軸用過盈配合結(jié)為一體, 轉(zhuǎn)子兩端有動平衡調(diào)整環(huán), 用發(fā)熱量低、散熱快的活動式電磁軸承或Si4N3陶瓷軸承作主支承, 主軸以高精度高速旋轉(zhuǎn)[ ( 4~ 6) 104r/ min] , 主軸可無級調(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, 必要時可更換不同用途的主軸。還有一種結(jié)構(gòu)較簡單的電主軸, 其轉(zhuǎn)子本身就是機床主軸。并聯(lián)機床能實現(xiàn)銑、鏜、鉆、磨等功能。
電主軸使刀具能對工件進行( 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。
還可采用圓盤型直線電動機直接驅(qū)動主軸; 盡管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(gòu)造與直線電機相同, 故將其納入直線電機范疇[ 3]。如圖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(zhuǎn)軸設(shè)計成空心軸, 空心軸與主軸以過盈配合結(jié)合成一體, 可根據(jù)工藝需求和生產(chǎn)綱領(lǐng)更換主軸; 若將圓盤次極的回轉(zhuǎn)軸直接設(shè)計成主軸, 則只能更換刀具; 因圓盤次級兼起飛輪作用, 更適用于主軸受沖擊載荷的機床。
電機通常采用自然空冷, 僅當(dāng)圓盤次極直徑較小且運動轉(zhuǎn)差率較大時才考慮用強迫風(fēng)冷。電機的最大驅(qū)動力矩和極限轉(zhuǎn)速通過初級在圓盤次級上的徑向位置調(diào)節(jié), 主軸的極限轉(zhuǎn)速可用下式確定[ 3] :
2.12 主運動為直線運動。如圖3 ( a) 所示,直線電機的空心次級( 動子) 與主運動執(zhí)行件結(jié)為一體, 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是便于更換不同類型或規(guī)格的執(zhí)行件, 增強了機床的柔性。如果把直線電機的次級直接制造成主運動執(zhí)行件( 未畫) , 雖然能提高剛度和精度, 但是機床的工藝范圍受限。在直線電機行波磁場作用下, 次級( 執(zhí)行件) 做往復(fù)直線運動, 次級的有效長度取決于機床結(jié)構(gòu)和最大工作行程, 通過控制輸入直線電機的電參數(shù)調(diào)整執(zhí)行件的運動頻率和行程[ 3]。配備導(dǎo)向件( 如圓柱導(dǎo)軌副) 實現(xiàn)執(zhí)行件的導(dǎo)向, 有關(guān)導(dǎo)向件的內(nèi)容參閱機床設(shè)計資料。理論上講, 這類并聯(lián)機床能實現(xiàn)刨、插、推削、鋸斷、焊接、輕量沖(擠) 壓等功能。
2.13 主運動為螺旋運動。開發(fā)主運動為螺旋 運動的并聯(lián)機床具有理論意義和實用價值, 譬如: 螺栓類零件裝配機、高效( 鉆孔) 攻絲機、精密座標(biāo)鏜床等, 然而, 直線- 旋轉(zhuǎn)混合型電機的問世為研制這類并聯(lián)機床奠定了基礎(chǔ)。如圖3 ( b) , 這種電機有兩套初級( 定子) 繞組, 兩套初級共用一個次級( 動子) , 旋轉(zhuǎn)運動型初級繞組通電時, 次級做旋轉(zhuǎn)運動;直線運動型初級繞組通電時, 次級做直線運動, 兩套初級繞組同時通電時, 次級做螺旋運動, 電機的調(diào)速范圍寬, 極限轉(zhuǎn)速高[ 3]。采用這種電機的并聯(lián)機床,具有旋轉(zhuǎn)、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 并聯(lián)機床的進給運動系統(tǒng)
2.21 直線步進電機的特點。實現(xiàn)精確進給的必要條件之一是取消機械傳動鏈, 用直線電機直接驅(qū)動進給運動執(zhí)行件是理想方案。與直線直流電機和直線感應(yīng)電機相比, 直線步進電機( Linear Step Motor)更適合并聯(lián)機床的進給系統(tǒng), 其主要原因如下[ 2, 3] :
(1) 用開環(huán)控制和細分電路可實現(xiàn)無漂移精確微步距位移和無累積誤差的高分辨率定位;
(2) 響應(yīng)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控制電流情況下, 在失電狀態(tài)能確保其次級在瞬時既定位置上, 無需失電鎖緊裝置, 適于伸縮桿的功能要求;
(4) 電機的初級發(fā)熱量小, 而次級的大部分直接外露而自然空冷, 因此累積溫升較低。
2.22直線步進電機的選擇。直線步進電機按其電磁推力產(chǎn)生的機理可分為變磁阻式( VR) 和混合式兩大類。
變磁阻式結(jié)構(gòu)簡單, 但無永久磁鐵, 只需單極性開關(guān)電路控制, 故綜合成本低、可靠性高。由于電機始終處于開關(guān)運行狀態(tài), 耗電量較小, 因此, 在不要求高分辨率的場合優(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。混合式易實現(xiàn)微步距控制, 相應(yīng)的細分電路簡單, 因此, 混合式適于空間受限, 需要高分辨率定位和大進給驅(qū)動力的場合。
2.23 直線步進電機驅(qū)動的并聯(lián)進給系統(tǒng)[ 1, 4, 5]。
圖4 表示直線步進電機驅(qū)動的并聯(lián)進給機構(gòu), 因為活動臺永遠是并聯(lián)機床的進給運動執(zhí)行件, 主要有二種應(yīng)用情況: 其上安放主運動電機及刀具; 其上放置夾具和工件。直線步進電機的次級經(jīng)鉸鏈與活動臺連接, 而它的初級經(jīng)鉸鏈與滑鞍連接, 滑鞍或由電機驅(qū)動或手動驅(qū)動, 使之能沿立柱軸向位移和定位。并聯(lián)進給機構(gòu)用六個相同的直線步進電機驅(qū)動, 圖1右上部表達了其中一個直線步進電機( 桿) 的結(jié)構(gòu), 為突出結(jié)構(gòu)重點, 未畫出導(dǎo)向件等附件。為增加電機的驅(qū)動力和失電時對次級的鎖緊力, 并盡量減少 桿 的徑向尺寸, 一般取電機初級長度接近并聯(lián)機構(gòu)要求的最短桿長。有幾種傳動模式:
(1) 滑鞍的位移是機床的調(diào)整運動。機床工作時滑鞍不動, 屬于常規(guī)的六軸聯(lián)動進給, 在行波磁場作用下, 電機次級做直線往復(fù)的聯(lián)動, 使活動臺的位移、速度和姿態(tài)按既定規(guī)律變化, 實現(xiàn)刀具或工件的進給。從機床的性能價格比考慮, 大型機床易采用電機驅(qū)動滾動絲杠螺母副實現(xiàn)滑鞍的位置調(diào)整; 小型機床則可用手動機構(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。無論內(nèi)容式還是外容式, 調(diào)整滑鞍的位置能改變活動臺相對于工作臺在鉛垂方向的極限位置或初始姿態(tài)。若活動臺安裝主運動電機, 純并聯(lián)前提下, 工作臺無自由度; 串、并聯(lián)情況下, 工作臺有自由度。對于內(nèi)容式結(jié)構(gòu), 若活動臺安裝夾具和工件, 活動臺就是工作臺, 把主運動系統(tǒng)置于支承立柱上( 未畫)。
(2) 用直線步進電機驅(qū)動滑鞍作進給運動。預(yù)先把六個電伸縮桿 分成三組, 相鄰兩桿為一組, 同組內(nèi)兩個桿的初始長度調(diào)整為相等。機床工作時, 靠數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)同組的電動伸縮桿嚴(yán)格地同步伸縮(擺動) , 而同組內(nèi)的兩個滑鞍則嚴(yán)格地同步位移, 即一個組相當(dāng)于一個等效桿和一個等效滑鞍的組合。與口中闡述的傳動模式相比, 雖然機床的傳動和運動方式改變了, 但是機床的自由度數(shù)( 軸數(shù)) 和聯(lián)動控制數(shù)目沒變。
(3) 仍然用直線步進電機驅(qū)動滑鞍作進給運動。把六個 電伸縮桿 調(diào)整到所需的相等長度, 并 鎖定 各桿長度, 既把六個桿剛性化, 再采用與 (2) 一樣的分組法。機床工作時, 只讓每組的兩個滑鞍嚴(yán)格地同步運動, 六個電伸縮桿 只擺動, 不伸縮。因此, 只對三組滑鞍實施三軸聯(lián)控, 減少了機床的自由度數(shù)和聯(lián)動控制數(shù)。
目前的并聯(lián)進給機構(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, 采用直線步進電機,能根據(jù)不同的最大進給行程方便地更換相應(yīng)長度的次級桿, 電機次級的綜合成本比滾珠絲杠和液壓伺服件低得多, 而且使用中無須預(yù)緊、潤滑、密封等, 更無摩擦、磨損。
3 結(jié)論
與現(xiàn)有并聯(lián)機床相比, 無機械傳動鏈高速并聯(lián)機床的傳動模式有以下主要特點:
(1) 精度高。由于無機械傳動鏈, 理論上講, 進給系統(tǒng)易實現(xiàn)精確微量位移和高分辨率定位, 主運動系統(tǒng)有更好的旋轉(zhuǎn)精度和動特性。
(2) 柔性好。即能調(diào)整機床的結(jié)構(gòu)布局, 也能更換主運動執(zhí)行件或直線步進電機的次級。
(3) 效率高。主運動執(zhí)行件的極限速度高, 進給直線步進電機的次極響應(yīng)快, 極限速度高。
(4) 溫升低。所用電機溫升低, 摩擦熱源少, 高速切削散熱快, 無主軸箱等阻熱零部件。
(5) 工藝范圍寬。機床結(jié)構(gòu)具有一定柔性, 電主軸和直線步進電機的調(diào)速范圍寬, 具有電主軸的機床還能加工低硬度或難切削材料。
(6) 綜合成本低。無傳動鏈及其輔助性零、部件; 不需要對傳動鏈的冷卻、潤滑系統(tǒng)。
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