虚拟轴机床：采用并联结构的可重组设备

虚拟轴机床（Virtual Axis Machine Tool）的出现是从发明数控技术以来在机床工业上最有意义的进步。它作为2l世纪新一代数控加工设备出现引起了世界各国的广泛关注。

1.结构特点和组成

长期以来，机床设备一直处于一种固定不变的模式，它们通常由床身、立柱、主轴箱和工作台等几个主要部分构成。机床的基本结构一直沿用传统的笛卡尔坐标形式，千“床”一面。因此结构的相似性造成各类机床工作任务单一，变通性很小，灵活性差，已成为当前机床设备存在的主要问题。而现实的生产环境的特点主要体现为新产品不断推出，产品更新换代加速，产品结构越来越复杂。这些复杂产品的空间曲面加工必须采用专用机床进行，但这样的专用机床结构复杂，价格昂贵，其中一些产品属于单件小批量生产，甚至可能只生产一件，企业若添置这样的专用设备，使用率并不高，会造成资源闲置等等。因此希望能有一种柔性的高性能加工机床出现。

图3-104 虚拟轴机床外观

如图3-104所示的虚拟轴机床实质是机器人与机床这两种技术的集成，它突破了传统机床的工作轴线概念。在原理上按照stewart平台并联机器人的运动原理和结构形式进行设计和工作。虚拟轴机床采用六根两两交叉的杆连接起来的上动平台和下定平台这种特殊的结构形式。机床的结构除了各种形式的stewart平台外，还包括由杆件组成的多面体框架结构，此类机床也称为并联机床，如图3-105所示。伸缩杆长度变化可控制装有主轴头的动平台在空间中的位置和姿态，以满足刀具运动轨迹的要求，实现6自由度运动的复杂曲面加工。在虚拟轴机床运动中，实际上是看不到如普通机床运动中的笛卡尔坐标轴，这些坐标轴只是虚拟地存在于控制系统操作之中，这就是虚拟轴机床名称的由来。

图3-105 虚拟轴机床结构示意图

1—工作台 2—刀具 3—主轴 4—变长杆 5—框架

2.特点

1）机床结构简单。虚拟轴机床主要由框架和可变长度杆等简单构件组成。对于复杂的曲面加工，无需普通机床X、Y、Z三个方向的工作台或刀架的复合运动，只要控制6杆长度即可。

2）结构稳定、刚度高。虚拟轴机床采用对称封闭框架结构，受力、受热均匀，主轴平台受力由6根杆件分担。每杆受力不大，巨只承受拉力或压力，而不承受弯短或扭矩。因此刚度高，稳定性好，在相同自重下具有很高承裁能力。

3）机床动态性能好。虚拟轴机床采用并联结构，容易将电动机及传动部件置于框架上。运动平台上仅安装加工所需的刀具，运动部件的数量少、质量轻，减少了运动负荷，使系统的动态性能得到改善，能够实现更快的动态响应。在高速加工时，并联结构的优点更加明显。

4）机床精度高。虚拟轴机床采用6根驱动杆构成。6个并联的传动链，6杆长度各自控制，共同确定所需要的刀具的工作位置。机床误差是6个轴误差的平均值，而非串联传动机构是各个轴的误差叠加。同时虚拟轴机床可以将所有的测量基准点都置于不可移动的框架结构上，这在传统机床结构中是不可能实现的。

5）机床适应性强。虚拟轴机床加工通过连接刀具的动平台在空间改变位置和姿态实现的，而动平台的运动则是通过调整6杆的长度进行控制的。对于不同形状的零件，只要改变各杆的长度就可以实现刀具位姿的变化。因此，对于复杂形状的零件，刀具调整方便，机床适应性强。

6）机床经济性好。虚拟轴机床结构简单，框架和可变长度杆等简单构件易于制造。不需要消耗材料多、重量大的床身式直线导轨，不需要保持导轨正交状态的部件，不需要支撑横向负荷的部件，因而材料消耗少，降低了制造成本。同时，虚拟轴机床的主要部件多为通用件，具有较强的模块化功能，有利于针对不同加工需要进行设备重组。

虚拟轴机床显示出来的上述特点，是由于它采用了不同于传统机床串联机构的并联机构所决定的。串联机构（传统机床）与并联机构（虚拟轴机床）基本持性的对比见表3-25。由表中数据可知，相对于传统机床，虚拟轴机床尚未全面占优，也存在一些如机床控制较复杂、机床的工作空间相对于机床历占尺寸较小等缺点。事实上，尽管虚拟轴机床的问世带来了“机床结构的重大革命”，但串联结构的传统机床和并联结构的虚拟轴机床之间不是相互替代的关系，而是对偶、互补的关系。在某些采用串联结构的传统机床所不能涉足的领域，并联机构的虚拟轴机床就可能大显身手。

表3-25 联机构与串联机构的性能对比

当前虚轴机床的市场占有率还很低，原因大致有以下三方面：

1）虚轴机床虽然可产生6自由度的空间运动，但每个自由度的运动范围却不是很大，故机床的工作空间小。例如，动平台的倾角一般不超过30°，无法完成诸如箱体五面加工等类的工作，这在一定程度上限制了它的应用。

图3-106 串并联机床DCB510

2）由于这项技术尚处于开发的初期，某些厂家的虚轴机床性能并不理想，如精度、刚性等指标甚至低于普通机床，使得人们对这种新型机床持怀疑态度。

3）任何新事物都很难立刻得到人们充分的肯定。虚轴机床与传统机床几乎没有相似之处，要想得到人们的承认，更需时日。

大连机床集团开发设计的串并联型五轴联动数控机床DCB510，如图3-106所示，主要技术参数见表3-26，主要特点为：

1）X，Y，Z三坐标由滑板连杆式三个虚拟轴并联而成，A轴、C轴为实轴。由于采用了串、并联结构，本机床即有并联机床刚性好、移动部件轻、速度快、加速度高的特点，同时又有各坐标工作范围的特点，其行程X，Y，Z坐标分别为630mm，630mm，500mm，A轴可达140°，C轴可以超过360°。(www.xing528.com)

2）机床刚性好，整体性好。

3）由于具有五轴联动功能，因此，可以加工复杂型面，如叶轮、模具等。采用开放式多轴联动数控系统易于实现CAD/CAM。

表3-26 主要技术参数

3.虚拟轴机床技术体系

虚拟轴机床的出现不仅给机床行业带来了新的生长点，也促成了整个虚拟轴机床技术体系的形成和不断发展。虚拟轴机床涉及许多现代设计、制造、控制、测量、建模、仿真等高新技术，有大量理论与应用研究工作需要不断深入。虚拟轴机床技术的关键技术主要有以下几个方面：

（1）虚拟轴机床的基础理论 包括构型和尺度综合优化方法；精度建模及分析；作业空间及干涉分析等。例如，6个伸缩杆的长度决定动平台位置的一般理论及特例、虚拟轴机床的运动分析、虚拟轴机床的力学分析等。这些技术涉及到机器人学、机构学、运动学、力学、数学等多个研究领域。

（2）虚拟轴机床的控制技术 虚拟轴机床机械结构的简单是以控制系统的复杂为条件的，其控制技术包括虚拟轴机床的控制方法、控制精度、数控编程、故障自诊断、安全运行保障和生产线总控等方面，关键技术是通过对虚拟轴机床各驱动杆的控制，实现虚拟轴（传统概念的X、Y、Z轴）的联动控制。

（3）虚拟轴机床的误差分折技术 虚拟轴机床虽然比传统机床具有更高的精度，但仍然存在影响加工精度的因素，巨机床的校准、调整复杂而困难，因而需要专门的误差分析、校准和调节方法。

（4）虚拟轴机床的制造技术 包括虚拟轴机床的模块化技术、虚拟轴机床的标液化技术、数宇式交流伺服控制系统、精确定位的机电技术等。

（5）直线电动机技术 直线电动机能直接把电磁力转变成直线运动，不采用滚珠丝杠这种把旋转运动转变为直线运动的传统办法。这样传动系统没有间隙，能够高速加速或减速，非常适合高速和高精度机械加工。

（6）热变形控制技术 驱动杆运动的任何热输入都会引起热膨胀问题，当用这种杆来进行定位长度测量时，常常造成误差。因此对这一问题需从两个方面入手来解决，一个是通过强制对流冷却来减少热变形，另一个是建立随时间变化的热输入模型，通过这些模型进行补偿来消除误差。

4.虚拟轴机床的研究方向

（1）虚拟轴机床组成原理的研究 研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型，以及运动学分析、建模与仿真等问题。

（2）虚拟轴机床运动空间研究 包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解（如数值求解法、球坐标搜索法等）、机床干涉计算及位置分析等。

（3）虚拟轴机床结构设计研究 虚拟轴机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计（包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等）。

（4）虚拟轴机床刚度、精度、柔度和灵巧度研究 并联机构封闭回路的特性，使虚拟轴机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题相对地在动力分析上形成很大困扰。虚拟轴机床精度研究包括机床系统硬件研究（及机床制造前精度设计和精度描述）和系统输出精度研究（及机床制造后输出数据处理和精度评价）。虚拟轴机床柔度研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内分布等方面。灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。

（5）虚拟轴机床误差研究 包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。

（6）虚拟轴机床模块设计与创建 根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型虚拟轴机床和平面型虚拟轴机床两大类。虚拟轴机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：①执行模块；②机座模块（静平台模块）；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。

（7）新型虚拟轴数控机床的研究 虚拟轴数控机床是用数学制造的机床。因为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。目前对于Stewart平台的理论研究已取得一些关键结论，还需进一步研究Stewart平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的研制提供理论基础。

（8）虚拟轴机床控制的研究 包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的直接控制和开放式数控系统等。虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂，因此，控制研究在虚拟轴机床研究中具有举足轻重的作用。

5.应用展望

自世界上第一台虚拟轴机床在1994年美国芝加哥国际机床博览会上面世以来，虚拟轴机床得到了突飞猛进的发展。已经从原型机制造、试验室试验阶段逐渐进入到了实用研究阶段。1998年4月6日，我国正式宣布首台大型键铣类虚拟轴机床原型样机研制成功，使我国成为世界上为数不多的拥有该项技术的国家。在动平台末端装备电主轴、机械手腕、激光器等执行机构，在一定范围内可实现多坐标数控加工、装配与测量等多种功能，适用于模具、叶片及航空航天业异形工件等复杂三维空间曲面的加工，具有广阔的应用前景和较好的性能价格比。表3-27列出了虚拟轴机床的一些可能的应用。

表3-27 虚拟轴机床的用途