0引言

      並聯機床具有傳（chuán）統結構的機床不具備, 甚至難（nán）以（yǐ）實（shí）現的一些優勢。在（zài）科技發達國家, 並聯機（jī）床已進入應用（yòng）層, 我國雖已研製（zhì）出幾種並聯機床的樣機, 但尚未真正進入應用層。由並聯機器人到並聯機床並非一個簡單（dān）的拓展或轉換, 真正實現這個跨越涉及動力學、切削理論、工藝學、數控等諸多問題的綜合。雖然導致這些問（wèn）題的因素錯綜複（fù）雜, 但是, 如果並聯機（jī）床（chuáng）無機械傳（chuán）動鏈, 許多影響因素自然消失, 一（yī）些棘手難（nán）題隨之解決。既然並聯機床以新結構模式出現, 若仍（réng）承（chéng）襲傳統的驅動和傳動模式, 一些弊端也被繼承。因此, 把更合適的（de）驅動技術引入並聯機床（chuáng）, 是促使並聯機床（chuáng）進一步高精度（dù）化（huà）、高速（sù）化、高效化、柔性化的必要環節, 以便增強並聯機床的（de）生命力、實用性和性能價格比, 擴展其技術應用範圍。

      1 並（bìng）聯機床驅動和傳（chuán）動的現狀

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

      (1) 主運動（dòng）均為回轉運（yùn）動, 使並聯機床的（de）功（gōng）能單調, 限製了其應用（yòng）範圍。

      (2) 進給傳動鏈的模（mó）式為: 或用旋（xuán）轉型伺服電機配以機械傳動鏈; 或用液壓伺服係統, 難免涉及一些傳統的疑難問題:

      滾珠絲杠螺（luó）母副和（hé）齒輪副除了有原理性缺陷,使用時由諸多因素( 如製（zhì）造水準、彈性位移、熱變形、磨損等) 引起非線性綜合誤差, 由於誤差的複雜性和（hé）隨機性, 已成為傳統（tǒng）結構機床的棘（jí）手問（wèn）題。然而, 傳統結構機床各（gè）個坐標的綜合（hé）誤差彼（bǐ）此獨立, 可以分別調整和補償; 而並聯機床不僅每個  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, 難以分別調整和補償, 也使（shǐ）折算到（dào）活動平台上的非線性綜合誤差有更強的複雜性、隨（suí）機性和模糊（hú）性[ 1]。凡是（shì）有機械傳動鏈（liàn）的（de）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（wù）差, 還會導致成本高、控製複雜、難調整（zhěng）和維護等負麵作用。

      從整體受力分析講, 並聯進（jìn）給機構的   進給杆  屬二力杆。然而, 並聯進給機構的剛度並非取決於進給杆的自身剛度, 而是受滾珠絲杠螺母（mǔ）副、齒輪或液（yè）壓傳動元件及介質的局部剛度、接觸剛度和動剛度的綜合製約, 機床工作時易產生（shēng）彈性位移（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（zuì）大線加速度也僅能達到1~ 3m/ s2。當前國際上要求先進（jìn）高（gāo）速機床的單坐標最高（gāo）進給線（xiàn）速度為110~ 150m/min, 最大線加速度（dù）10~ 25m/ s2, 滾珠絲（sī）杠螺母副或液壓傳動不能滿足現代機床的這一主流發展需求。

      液壓伺服係（xì）統成本高, 不易實（shí）現精確勻速微量進給, 某些情況下還（hái）涉及環保問題（tí）。

      當然, 因為各用戶層對設備需求的差異, 具有機械傳動鏈的並聯機床仍是並聯機床家族的重要成（chéng）員。但是, 並聯機床要想真正成為21 世紀（jì）的（de）機（jī）床, 應該向精密、高速和柔性化發（fā）展。

      2無傳動鏈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 主運動為回轉運動。機床的（de）主運動用（yòng）電主軸直（zhí）接驅動。電主軸（zhóu）的機械（xiè）結構見（jiàn）圖1 左下部, 電主軸（zhóu）在國外也稱空心轉子電動機, 其空心轉（zhuǎn）子與機床主（zhǔ）軸用過盈（yíng）配合結為一體, 轉子兩端有動平衡調整（zhěng）環, 用發熱（rè）量低、散熱快的活動式電磁軸承或Si4N3陶瓷軸承（chéng）作主支承, 主軸以高精度高速旋（xuán）轉[ ( 4~ 6) 104r/ min] , 主軸可無級調速[ 2]。由於電主軸的特殊構（gòu）造, 大部分熱量由定子產生, 轉子產（chǎn）生的熱量大部分（fèn）轉化到定子中形成空氣隙, 極少部分傳到主軸（zhóu）上（shàng）,一般用油水型熱交換器冷卻定子和（hé）軸承, 主軸溫升穩定在1~ 2 [ 2] 。根（gēn）據生產（chǎn）綱領和工藝需求, 必要時可更換不同用（yòng）途的主軸。還有一種結構較簡單的電主軸, 其轉子本身就是機床主軸。並（bìng）聯（lián）機床能實現銑（xǐ）、鏜、鑽、磨等功能。

      電主軸使刀（dāo）具能對工件進行( 超) 高速（sù）切削, 其切削力很小（xiǎo）、切削溫度極低、刀具耐用（yòng）度高, 不僅（jǐn）提高了加工（gōng）效率和表麵質（zhì）量, 而且能高（gāo）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（jī）直接驅動主軸; 盡管（guǎn）這種電機輸出的是回（huí）旋運動, 因其工作原理和（hé）初級 (定子) 的（de）構造與直線電機相同, 故（gù）將其納入直線電機範疇（chóu）[ 3]。如圖2 所示, 這種電機（jī）可以（yǐ）有一個或幾個初級, 若把圓盤形次（cì）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（jù）工藝需（xū）求和生產綱領更（gèng）換主軸; 若將圓盤次極的回轉軸直接設計成主軸, 則隻能更換刀（dāo）具; 因圓盤（pán）次級兼（jiān）起飛輪作用（yòng）, 更適用於主軸（zhóu）受衝擊載荷的機床。

      電（diàn）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較大時才考慮用強迫風冷。電機的最大驅動（dòng）力矩和極限轉速通過初級在圓盤次級上的徑（jìng）向位置（zhì）調節（jiē）, 主軸的極限轉（zhuǎn）速可（kě）用下（xià）式確定[ 3] :

      2.12 主運動為直線運動。如圖3 ( a) 所（suǒ）示,直線電機的空心次級( 動子（zǐ）) 與主運動執行件結為一（yī）體, 這種結構（gòu）的優點是便於更換不同（tóng）類（lèi）型或（huò）規格的執行件, 增強了機床的柔（róu）性（xìng）。如（rú）果把直線電機的（de）次級（jí）直接製造（zào）成主運（yùn）動執行件( 未畫) , 雖然能提高剛度和（hé）精度, 但是機床（chuáng）的工藝範圍受限。在直線電（diàn）機行波磁場作用下, 次級( 執行件（jiàn）) 做往複直線運動, 次級的有效長度取決於機床結構和最大工作行程, 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( 如圓柱導軌副) 實現執行件的導向, 有（yǒu）關導向件的內容參閱機床（chuáng）設（shè）計資料（liào）。理論上講, 這類並聯機床能實現刨（páo）、插、推削、鋸斷、焊接、輕量衝(擠) 壓（yā）等功能。

      2.13 主（zhǔ）運動為螺旋運（yùn）動。開發主（zhǔ）運（yùn）動（dòng）為螺旋 運動的並聯機床具有理論意義和（hé）實用價值, 譬如: 螺栓（shuān）類零（líng）件裝配機、高效( 鑽孔) 攻（gōng）絲機、精（jīng）密座標鏜床等, 然而（ér）, 直線- 旋轉（zhuǎn）混合型電機的（de）問世為研製這類（lèi）並聯機床奠定了基礎。如圖（tú）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) , 旋轉運動型初級繞組通電時, 次級做旋轉運動;直線運（yùn）動型初級繞組通（tōng）電時, 次級做直線運動, 兩套初（chū）級繞組同（tóng）時（shí）通電時, 次級做螺旋運動, 電機的調速範圍寬, 極限轉速高[ 3]。采用這種電機（jī）的並聯機床,具（jù）有旋轉、直線和螺旋三種主運動（dòng）, 具有很大（dà）的工藝柔性和技術潛力。

      2.2 並聯機床的進給運動係統

      2.21 直線步進電（diàn）機的特點。實現精確進給的必要條件之一是取消（xiāo）機械傳動鏈, 用直線電機直接驅動進給運動執行件是理（lǐ）想方案。與直線直流電機和直線感應電機相比, 直線步進電機( Linear Step Motor)更適合並聯機床的進給係統, 其主要（yào）原因如下[ 2, 3] :

      (1) 用（yòng）開環控製和細分電路可實現無漂移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控製電流情況下, 在失電狀態能確保其次級（jí）在瞬時既定位（wèi）置上, 無需失電鎖緊裝置（zhì）, 適於伸縮杆的功能要求（qiú）;

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

      2.22直線（xiàn）步進電機的選擇。直（zhí）線步進電機按其電磁推力（lì）產（chǎn）生的機理可分為變磁阻（zǔ）式( VR) 和混合式兩大類。

      變磁阻式（shì）結構簡單, 但無永久磁鐵, 隻（zhī）需單極性開關（guān）電路控製, 故綜合（hé）成本低、可靠（kào）性高。由於電機始終處於開關運行狀態, 耗電量較小, 因此, 在不要求高分辨率的場合優先（xiān）考慮。

      混合式具有線圈和永久磁（cí）鐵, 結構（gòu）較複雜, 但在同體（tǐ）積的情（qíng）況下, 產生的（de）最大推力比變磁阻式大的多。混合式易實現微步距控製, 相應的細分電路簡單, 因（yīn）此, 混合式適於空間受限（xiàn）, 需（xū）要高分辨率定位（wèi）和大進給驅動力的場合。

      2.23 直線步進電機驅動的並聯進給係統[ 1, 4, 5]。

      圖4 表示直線步進電機（jī）驅（qū）動（dòng）的並聯進給機構, 因為活動台永遠是並（bìng）聯機床的進給（gěi）運動執行件, 主要有（yǒu）二種應用情況:  其（qí）上安放主運動電機及刀具;  其上放置（zhì）夾具（jù）和工件。直線步進電機的次級經鉸鏈與活動台連接, 而它的（de）初（chū）級經鉸鏈與滑鞍連接（jiē）, 滑鞍或由電機驅動（dòng）或手動驅動, 使之能沿立（lì）柱軸向位移和定位。並聯進給機構用六個相同的直線（xiàn）步進電機驅動, 圖1右上部表達了其中一（yī）個直線步（bù）進電機( 杆) 的結構, 為突出結構重點, 未畫出（chū）導向件等附件。為增（zēng）加電（diàn）機的驅動力和失電（diàn）時對次級的鎖緊力, 並盡量減少 杆  的徑向尺寸, 一般取（qǔ）電機初級長度接近並（bìng）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（ān）不動, 屬於常規的六軸聯動進給（gěi）, 在行波（bō）磁（cí）場作用下（xià）, 電機次級做直線往複的聯動（dòng）, 使活（huó）動（dòng）台（tái）的位移、速度和姿態按既定規律變（biàn）化, 實現刀具或工件的（de）進給。從機床的性能（néng）價格比考慮（lǜ）, 大型機床易采用電機驅（qū）動滾動絲杠螺母副實現滑鞍的位置調整; 小型機床則可用（yòng）手動機構調（diào）整（zhěng）滑鞍（ān）的位置, 然後將滑（huá）鞍鎖定在所需位置。根據生產需求,調整（zhěng）滑鞍在立柱上的位置, 可把並（bìng）聯係統從圖4 ( a)的內容式轉（zhuǎn）換為（wéi）圖4 ( b) 的外容式。無論內容式還（hái）是外（wài）容式, 調整滑（huá）鞍的位置能改（gǎi）變活（huó）動台相對於工作台在鉛垂方（fāng）向的極限位置（zhì）或（huò）初始姿態。若（ruò）活動台安裝主運動電機, 純（chún）並聯（lián）前提下, 工作台無自由度; 串、並聯情況下, 工作台（tái）有自由（yóu）度。對於內（nèi）容式結構, 若（ruò）活動台安裝夾具和（hé）工件, 活動台就是工作台, 把主運動係統置於支（zhī）承（chéng）立柱上( 未畫)。

      (2) 用直線步（bù）進電機驅動（dòng）滑（huá）鞍作進給運動。預先把六個電伸縮杆 分成三組, 相鄰兩杆為一組, 同（tóng）組內兩個杆的初始長度調整為相等。機床工作時, 靠數控係統實現同組的電動伸縮杆嚴格地同步伸縮(擺（bǎi）動（dòng）) , 而同組（zǔ）內的兩個滑鞍則嚴格地同步（bù）位移, 即一個組相當於一個等效杆和（hé）一個等（děng）效滑鞍的組合。與口中闡述的傳動模式相比, 雖然機床的傳（chuán）動和（hé）運動方式改（gǎi）變了, 但是機床的自（zì）由（yóu）度數（shù）( 軸數) 和聯動控製數目沒變。

      (3) 仍然（rán）用直線步進電機驅動滑鞍作進給運動。把六個 電伸縮杆 調整到所需的相等長度, 並 鎖定 各杆長度, 既把六個杆剛性化, 再采用與 (2) 一樣的分組（zǔ）法。機床工作時, 隻（zhī）讓每組的兩個滑鞍嚴格（gé）地同步運動, 六（liù）個電伸縮杆 隻擺動, 不伸縮（suō）。因此, 隻對三組滑鞍實施三軸聯控, 減少了機（jī）床的自由度數和聯動控製數。

      目（mù）前的並聯進給機（jī）構（gòu）均采用標準化、係列化（huà）的滾珠絲杠螺母副或液壓伺服部件, 設計和使用受其行程及參數的（de）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成（chéng）本。然而, 采（cǎi）用直線步（bù）進（jìn）電機,能根（gēn）據不（bú）同的最大進（jìn）給行（háng）程方（fāng）便地更換（huàn）相應長度的次級杆, 電機次級的綜合（hé）成本比滾珠絲杠和液壓伺服件低得多, 而且使（shǐ）用中無須預緊、潤滑、密（mì）封等, 更無摩擦、磨損。

      3 結論（lùn）

      與（yǔ）現有並聯機床相比, 無機械傳動鏈高速並聯機床的傳動模式有以下主要特（tè）點:

      (1) 精度高。由於無機械傳動鏈, 理（lǐ）論（lùn）上講, 進給係統易（yì）實現精確微量位移和高分辨率定位（wèi）, 主運動係（xì）統有更好的旋轉（zhuǎn）精度和動特性。

      (2) 柔性好。即能調整機床的結構布局, 也能更換主運動執行件或直線步進（jìn）電機的次（cì）級。

      (3) 效率高。主運動執行件的極限（xiàn）速度高, 進給直線步進電機的次（cì）極響應快, 極限速度（dù）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（yì）範圍寬。機床結構具有一定柔性, 電主軸和直線步（bù）進電機（jī）的調速範圍寬, 具（jù）有（yǒu）電主軸的機床（chuáng）還能加（jiā）工低硬度或難切削材（cái）料。

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