并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，具有承載能力大(比剛度高)、響應(yīng)速度快及運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，對(duì)它的理論研究和應(yīng)用開發(fā)研究非常重視。簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)構(gòu)很早就已經(jīng)有了應(yīng)用，例如桁架構(gòu)件中的平面二桿或三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)。作為機(jī)械裝備產(chǎn)品，并聯(lián)機(jī)構(gòu)首先在機(jī)器人上進(jìn)行了應(yīng)用。

    對(duì)機(jī)床而言，比剛度、響應(yīng)速度、運(yùn)動(dòng)精度正是其所追求的重要技術(shù)指標(biāo)，而且由于機(jī)床是工作母機(jī)，一般來(lái)講，其剛度、運(yùn)動(dòng)精度的要求要比機(jī)器人的要求高得多。因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)機(jī)床工業(yè)具有很大的吸引力，一時(shí)間并聯(lián)機(jī)床(又稱虛擬軸機(jī)床)的研究與開發(fā)成為一個(gè)熱門課題。人們對(duì)并聯(lián)機(jī)床寄予很大期望，預(yù)言并聯(lián)機(jī)床將成為21世紀(jì)的數(shù)控機(jī)床。

    雖然并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有上述誘人的優(yōu)點(diǎn)，但它又同時(shí)有運(yùn)動(dòng)范圍(工作空間)小的缺點(diǎn)，特別是回程運(yùn)動(dòng)范圍有限。從機(jī)械裝備產(chǎn)品的大類來(lái)講，機(jī)床和機(jī)器人同屬具有坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)(不同的是機(jī)床多為直角坐標(biāo)系型式，機(jī)器人多為關(guān)節(jié)坐標(biāo)系型式)的機(jī)械，可以說(shuō)是同族。因此并聯(lián)機(jī)床又可稱為切削加工機(jī)器人。但是機(jī)床又不同于一般的機(jī)器人(如搬運(yùn)機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人等)，不僅精度、剛度要求非常高，而且工作空間(直線運(yùn)動(dòng)空間和回轉(zhuǎn)工作空間)及干涉約束的要求也高。例如，通過(guò)刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行切削加工時(shí)，為了避免刀具與工件的干涉(特別是復(fù)雜的內(nèi)表面及空間孔系加工)，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的約束條件要求較高，對(duì)復(fù)雜空間曲面的加工或空間孔系加工，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍大。如五面體加工要求工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)達(dá)到360°立臥兩用機(jī)床要求主軸頭擺動(dòng)90°；某些空間曲面或孔系加工要求主軸或工件擺動(dòng)達(dá)到180°等。各軸全部并聯(lián)的全并聯(lián)機(jī)床工作空間有限，因此，工作空間數(shù)控軸數(shù)比(或工作空間價(jià)格比)技術(shù)指標(biāo)低。我們認(rèn)為從工作空間數(shù)控軸數(shù)比，功能價(jià)格比，性能價(jià)格比等綜合效果來(lái)看，全并聯(lián)機(jī)床并不一定最好，而并聯(lián)、串聯(lián)同時(shí)采用的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床更具實(shí)用價(jià)值。下面根據(jù)我們的研究、開發(fā)經(jīng)歷，談一些對(duì)混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床發(fā)展的看法。

    1994年美國(guó)推出第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)床之后不久，人們已開始研究混聯(lián)式機(jī)床。國(guó)外開始研究混聯(lián)式機(jī)床并不是為了擴(kuò)大工作空間，而是從獲得實(shí)用的機(jī)床精度的角度考慮的。這是由于機(jī)床的精度、剛度要求遠(yuǎn)比一般機(jī)器人高，例如：運(yùn)動(dòng)精度要求為幾個(gè)µm，剛度要求幾十個(gè)N/µm以上。雖然并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論上的精度、剛度很高，但實(shí)際尚達(dá)不到那么高。例如當(dāng)時(shí)美國(guó)和日本所開發(fā)的六軸并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度都是幾十個(gè)µm，還達(dá)不到傳統(tǒng)機(jī)床的精度水平。雖然人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是制約精度的薄弱環(huán)節(jié)，但要解決它難度很大。因此人們開始考慮將并聯(lián)和串聯(lián)一起使用，1997年相繼推出了一些混聯(lián)式機(jī)床。例如，德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)開發(fā)的三軸加工中心(二軸并聯(lián)，一軸串聯(lián))如圖1所示。日本豐田工機(jī)也開發(fā)出了相似的專用加工中心(二軸并聯(lián)，一軸串聯(lián))。

    從擴(kuò)大工作空間的角度進(jìn)行混聯(lián)式的研究開發(fā)也在同時(shí)展開。例如，我們于1997年研制成功了一臺(tái)六軸混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床，采用了三軸并聯(lián)和三軸串聯(lián)的六軸混聯(lián)立臥式數(shù)控機(jī)床。Z軸進(jìn)給和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由三軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，X軸和Y軸進(jìn)給及另一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(立式工作時(shí)為C軸，臥式工作時(shí)為B軸)由串聯(lián)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到90°，故Z軸可以為立式，也可以為臥式。而X、Y及B軸(或C軸)是串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍可以擴(kuò)大，其中B軸(或C軸)可實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所1999年研制的五軸并聯(lián)機(jī)床(實(shí)際也是混聯(lián)式機(jī)床，四軸并聯(lián)，一軸串聯(lián))，擴(kuò)大了縱向行程范圍。我們正在研制的三軸并聯(lián)，三軸串聯(lián)的六軸混聯(lián)式機(jī)床(如圖2所示)，不僅擴(kuò)大了三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)范圍，而且使三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別達(dá)到了90°、90°和360°。在美國(guó)IMTS2000國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，美國(guó)辛辛那提和德國(guó)DST公司開發(fā)的Hyper Mach臥式加工中心所采用的Z3數(shù)控主軸頭也是混聯(lián)式，它可以實(shí)現(xiàn)三軸并聯(lián)、二軸串聯(lián)運(yùn)動(dòng)，主軸頭由三軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)和主軸部件組成，除了實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)外，主軸頭自身由并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z軸進(jìn)給和兩個(gè)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

    混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床可以將并聯(lián)機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)機(jī)床的串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)集于一身，是一類很有前途的數(shù)控機(jī)床。雖然已開發(fā)了不少型式的機(jī)床，還有很多理論和技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究，為了使并聯(lián)機(jī)床能夠達(dá)到它的理論上的高性能，為了并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)合得更科學(xué)，以使機(jī)床獲得更好的綜合技術(shù)指標(biāo)，除了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等理論及方法研究之外，還應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行基礎(chǔ)元件技術(shù)研究。以下列舉幾個(gè)方面。

    混聯(lián)式機(jī)床的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù) 混聯(lián)式機(jī)床方案的創(chuàng)新余地很大，雖然混聯(lián)機(jī)床總體方案創(chuàng)成方法已有研究，也已開發(fā)出不少型式的混聯(lián)機(jī)床，但如何獲得最佳的并聯(lián)、串聯(lián)組合，形成混聯(lián)式機(jī)床方案創(chuàng)新系統(tǒng)還有很多技術(shù)尚待進(jìn)一步研究。

    關(guān)節(jié)技術(shù) 應(yīng)用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)床，其性能之所以尚達(dá)不到理論上的高度，主要原因是由于關(guān)節(jié)而產(chǎn)生的。關(guān)節(jié)的問題主要是結(jié)構(gòu)尺寸、剛度、精度之間的矛盾問題。一般而言，關(guān)節(jié)剛度較低，若采用預(yù)緊的方法提高剛度，則摩擦增大，將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)精度下降；若采用可調(diào)隙的滾動(dòng)軸承，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是承載能力大，目前承載能力大的滾動(dòng)軸承類型一般結(jié)構(gòu)尺寸也較大，將導(dǎo)致關(guān)節(jié)尺寸增大。因此研究開發(fā)適合關(guān)節(jié)應(yīng)用的承載能力大、結(jié)構(gòu)尺寸小的高精度滾動(dòng)和結(jié)構(gòu)緊湊、剛度及精度高的復(fù)合滾動(dòng)關(guān)節(jié)是關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)。

    主電動(dòng)機(jī)及電主軸 目前混聯(lián)或并聯(lián)機(jī)床的主軸大多安裝在動(dòng)平臺(tái)上，或者用交流伺服主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，或者直接用電主軸。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是運(yùn)動(dòng)部件慣性小，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率、扭矩#重量比要求更高，對(duì)其振動(dòng)和發(fā)熱要求更嚴(yán)。

    高精度檢測(cè)元件 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的采用，將帶來(lái)眾多的被動(dòng)關(guān)節(jié)。由于被動(dòng)關(guān)節(jié)沒有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此無(wú)論是機(jī)床的精度標(biāo)定，還是運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，被動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)都是很重要的。這就要求研究開發(fā)適合被動(dòng)關(guān)節(jié)安裝使用的、尺寸小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的檢測(cè)元件。

    混聯(lián)式機(jī)床可以將并聯(lián)和串聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)融為一身，適用價(jià)值好，是一種很有前途的數(shù)控機(jī)床型式。從混聯(lián)數(shù)控機(jī)床本身的技術(shù)而言，可以說(shuō)，國(guó)內(nèi)與國(guó)外的研究幾乎是同時(shí)起步的。因此，應(yīng)該抓住機(jī)遇，加大進(jìn)一步研究、開發(fā)和應(yīng)用的力度，從一個(gè)側(cè)面推動(dòng)我國(guó)機(jī)床技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，為振興我國(guó)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。