0 引言

　　近年来，随着各国科研单位和高校对并联运动机床的投入，并联运动数控机床技术得到了进一步的研究与发展，其应用领域也越来越广泛。

　　在未来的十年之内，并联运动机床在中国的需求将会有明显的增长。随着计算机技术、自动化技术和数控技术的不断发展，以及市场对高性能和高效率的数控机床的需求不断提高，又因为并联运动机床的刚度重量比大、速度快等优点，使其具有广泛的应用和广阔的发展前景，已成为数控技术研究的一个热点。

　　并联运动机床使用量增长的主要原因是其具有刚度高、动态性能好等优点。并联运动机床的出现彻底改变了一百多年来机床的结构配置和运动学原理，并将成为21世纪新一代机床的典范。

1 国内外研究现状

　　目前，国内外在并联运动机床方面的研究很多，而且已经开发出一些商业化产品。

　　1994年，Giddings&Lewis公司在美国芝加哥IMTS94机床博览会上推出的VARIAX并联机床，引起广泛关注，被称为“21世纪的机床”[1-2]。正是由于Giddings&Lewis公司的创新探索，对促进各国大学和研究机构开展并联运动机床研究起到了积极的推动作用。美国Hexel公司致力于并联运动机床和并联结构应用的普及化，推出低价位的Tornado型5坐标加工中心和铣床工作台以及六自由度的定位平台和微型机器人等一系列产品。

　　在并联运动机床方面，欧洲也投入了很大的财力和技术支持。德国Mikromat机床公司的6X Hexa立式加工中心是欧洲第一台商品化的并联运动机床，该机床的开发计划由欧共体Esprit高科技研究计划资助。德国DS Technologie机床公司在1999年推出了Ecospeed型大型5坐标卧式加工中心，用于加工飞机机身的结构件。2000年，该公司与美国Cincinnati公司达成策略联盟协议，在Cincinnati的机床上配置DSTechnologie公司的z3型主轴部件，提供给北美飞机制造工业应用。另一家德国Index机床公司在2000年率先推出采用并联机床的车削中心，2002年又先后将6台车削中心联成两条加工传感器壳体零件的生产线。俄罗斯的Lapic公司将Stewart平台并联机构用于TM-1000型精密加工中心和KHM-750型3坐标测量机。法国Renault Automation公司在1999年推出Urane SX卧式加工中心。该机床用于加工Renault汽车齿轮变速箱体的平面和孔。采用高速切削，效率很高，加工齿轮变速箱体上16个盲孔仅需要5.8s就可以了。该机床的变量结构特色是采用Delta机器人原理，这是一种3杆并联机构，具有很高的动态特性。

　　另外，英国Geodetic公司，挪威Multieraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司，瑞士ETZH和I冈研究所，瑞典NeosRobotics公司等公司和科研单位都研制出了不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。

　　目前，国内已经有许多高校和科研单位对并联机床进行研究，并开发了多种形式的样机，如清华大学和天津大学联合于1997年成功开发了一台基于Stewan机构的大型镗铣类虚拟轴机床样机VAMTIY。并在2001年的中国国际机床展览会上与昆明机床股份有限公司合作开发了XNZ63数控镗铣类虚拟轴机床和与江东机床有限公司合作开发了XNZ2010数控龙门式虚拟轴机床。

哈尔滨工业大学早在1994年底就开始对变量运动机床的基本理论、基本结构形式和加工过程的计算．机仿真进行研究，而且在1998年完成原型样机的制造和性能试验。哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂合作开发了一台6自由度并联机床，该机床可以对水轮机叶片等复杂曲面进行加工。2007年12月17日，哈量集团召开了新一代并联机床LINKS—EXE700新闻发布及技术交流会，并进行了现场加工演示旧1。哈量集团引进瑞典EXECON公司的技术，该技术突破了阻碍并联机床发展与广泛应用的障碍，性能指标大幅度提高。哈量集团新一代并联机床的研制成功，在一定程度上有助于解决我国复杂产品加工的难题。

　　2008年4月21日，第五届中国数控机床展览会在北京举行。在这届展会上，沈阳机床集团针对国防工业、飞机、造船、发电等重点行业领域推出7大类25台数控机床产品，集中体现了5轴联动复合化、大型化、高速化、精密化特点，可满足各类客户需要。展会上最吸引眼球的是配备沈阳机床集团自主研发的“飞阳”牌数控系统的立式加工中心系列产品，其加工精度、加工效率等已经达到国际领先水平。高档数控机床在航空航天、国防工业等行业用户中赢得强烈反响，大型、5轴高档数控机床打破了发达国家对相关领域的技术垄断，填补了国内空白，极大地缓解了重点企业的生产压力。

　　北京理工大学开发的BKX—I型变轴数控机床，是基于Stewart并联机构的原理设计的，具有高刚度、高精度、高速度、高柔性、轻重量、低成本等诸多优点。燕山大学也成功开发了5自由度的5·UPS／PRPU并联机床，并且新开发了适用于并联机床的数控系统软件平台一。。从事此方面研究的国内高校和科研单位还有北京航空大学、国防科技大学、南京航天航空大学和北京邮电大学等。

　　国内外学术界和工程界在并联运动机床相关领域内发表了大量论文，举行了多次国际学术研讨会，对变量机床的关键技术和亟待解决的课题进行了研究和探索。我国已经将变量机床的研究与开发列人国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。各国研究单位将研究与产业发展、市场需求非常好的结合起来，使研究服务于企业，企业促使研究发展，形成一个良性循环。因此并联运动机床的产业化，已经取得了非常好的成果。

2 并联运动机床的关键技术

　　由于并联机床要求设计高速、高精度的复杂数控系统，必须结合并联机床的特点，对并联机床实时数控系统的关键技术进行深入研究。并联机床实时数控系统的关键技术主要包括以下几个方面。

　　2.1 数控系统实时控制模型

　　在6自由度的并联结构机床中，加工所需的刀具运动轴x，y，Z，α，β，γ在工作空间无法对其直接控制，只能通过直接控制工作空间中滑块的位置或者改变杆件长度，达到改变动平台位置和姿态的目的。因此，在并联机床控制系统的开发中，一个重要的问题就是如何根据机床的机械结构设计参数，通过对伺服轴的控制来实现虚轴的控制。由于目前理论尚未成熟，因此结合试验样机的设计参数，建立并联机床的运动学模型是研究并联机床实时控制系统的理论基础和关键之一。

　　传统机床布局的基本特点是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台的滑板沿支承部件上的直线导轨移动，按照x、y、z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。并联运动机床布局的基本特点是以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。由此可见，并联机床与传统机床运动传递有着本质的区别，传统数控系统是针对控制多轴串联设计的，各伺服轴运动相对独立，其刀具运动轨迹是各控制轴位移矢量的线性组合，而并联机床刀具运动轨迹输出与各输入参数之间存在赋值的非线性耦合关系。所以并联机床数控系统在进行控制时，必须利用坐标系变换、并联机构的位置逆解和速度映射模型，将经粗插补后的刀具轨迹离散点及其速度转换为实际伺服轴的运动指令，由此建立合理的伺服控制模型。

　　2.2 位置正反解

　　目前，位置正、反解是并联机器人操作机研究的核心内容之一，也是并联机构工作空间分析和控制的理论基础。位置正解是在已知关节变量求解刀具的空间位置和姿态，位置反解则是在已知刀具的位置和姿态求解关节变量。在并联机器人的位置分析中，主要有矢量法和解析法。运用空间解析几何中坐标变换和投影的方法，对其位置进行反解。同串联机器人操作机相比，并联机器人操作机位置反解容易，而位置正解相当困难，它包含一组高度非线性的方程。由于并联机构的位置正解目前还没有有效的通解，故通常使用解析法通过搜索来查找位置正解，此方法耗时多且无法满足控制系统的实时性要求。对于未知数比较少的高次非线性方程组，可以用Newton—Rapson方法求解。对于一般的并联机构正解难度比较大，其中一种比较有效的方法是采用数值方法求解一组非线性方程，即采用非线性方程的数值算法，当给定初值时，寻找一个在初值附近的比较合理的解。数值法的优点是数学建模比较简单，并且省去了繁琐的数学推导。但是这种方法不能求得机构的所有位置解，并且最终的结果与初值的选择有直接的关系，虽然它有缺点，但是它对所有的并联机构有效，建立数学模型简单，可以立即进行位置分析和进行后继的研究工作。

　　2.3 运动学分析

　　并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。广义地，工作空间分析是在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下，评价动平台实现位姿的能力。往往需要根据加工空间来选择机床的结构参数，根据并联机床的加工空间来确定其结构参数，又叫尺度综合。动力学分析可分为刚体动力学和弹性动力学两部分内容。刚体动力学模型的建立方法有牛顿一欧拉法、拉格朗日法‘矧、虚功原理法Ⅲ3和凯恩方程法等。方跃法Ⅲ。建立了并联机器人的弹性动力学模型。由于并联运动机床的运动复杂性，用计算方法求解动平台的位置和姿态以及机床的工作空间，不仅所获得的数据很不直观，而且难以判断其正确性。而且由于并联机构具有的许多几何约束条件，机床能否实现给定刀头点的轨迹，都必须通过实时运动仿真来解决。并联运动机床运动学仿真流程框图如图1所示。

图1并联运动机床仿真

　　关于仿真系统的建立，国内许多资料中都有阐述，但大多是借助于现成的通用仿真应用软件。已有一些高级的、具有机构运动仿真模块的软件可以完成这些工作，如UGS(unigraphie system)、ADAMS、有限元分析软件ANSYS、大型工程软件I-DEAS等。

　　建立仿真试验平台经过仿真后，检查杆件的活动范围和杆件之间可能发生的干涉，由此可以优化并联运动机床的设计参数，如动平台、杆件等的相互位置关系以及尺寸的合理性。

3 存在的主要问题与解决途径

　　(1)国内外进行的研究都仅针对特定的设计环节进行仿真或分析，不能支持并联运动机床的整体设计，由此设计出的并联运动机床整体性能大打折扣。解决的办法是开发出一套集成化、一体化的专业并联机床设计软件，它综合了并联机床设计的各个环节，这样不仅可以很大程度提高并联机床的整体性能，而且可以缩短开发周期。

　　(2)虽然目前已经开发出一些并联机床商业化样机，且有产品投入实际应用，但是由于设计理论和工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能力、作业性能等方面表现较差，工作空间小，与传统数控机床相比存在一定差距。解决的途径是进一步深入研究有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建模与分析、控制等关键技术，改进机床的结构设计，并对并联机床研究的各个方面进行综合。

　　(3)关于并联机床的精度研究仍是国际难题，因此也是并联运动机床存在的最大问题，它包括机床制造前精度设计和精度描述和机床制造后输出数据处理和精度评价。并联运动机床误差研究包括误差分析、误差建模及误差精度保证等问题。目前，由于尚无有效的手段检测动平台位置和姿态信息，因而无法实现全闭环控制。解决的方法是采用精度设计、自动补偿和运动学标定，这些对改善机床的精度显得格外重要，而且实际效果也很好。

4 结论

　　对并联运动机床的国内外发展状况以及关键技术进行了综述。分别阐述了美国、德国等数控制造强国以及我国的并联运动机床的研究背景及其发展状况，对并联运动机床的关键技术进行了总结，提出了目前存在的问题以及解决方法。随着世界各国对并联运动机床的深入研究，并联运动机床性能价格比和精度等都将不断地提高，在未来数控领域里，并联运动机床必将得到广阔地发展。