并聯(lián)機床又稱為虛擬軸機床或并聯(lián)機器人，是機器人技術與機床技術相結合產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品。國際學術界和工程界高度重視并聯(lián)機床的研究與開發(fā)，相繼推出了幾種結構相似而名稱各異的原型樣機。本文詳細介紹并聯(lián)機床的研究進程，并與讀者分享國內(nèi)外研究的最新成果，文章還進一步探討并聯(lián)機床的研究方向。

在今年4月舉辦的CIMT展會上，哈爾濱量具刃具集團數(shù)控設備公司展出了一種具有新的突破意義的并聯(lián)結構機床LINKS-EXE700。該并聯(lián)機床特點是結構進一步簡化，加工范圍增大，覆蓋空間x軸方向2m、y軸方向1m、z軸方向0.5m，動作快速，x、y軸的快速進給分別達到125米m/min、加速度3g，z軸方向45m/min、加速度1g，剛性和精度提高，五軸聯(lián)動數(shù)控編程與使用常規(guī)化，可以加工五面體，在工件特別裝夾的情況下，還可作六面加工，這是目前任何機床結構都做不到的。進行不同功能配置后，可廣泛應用于航天、航空、汽車、模具工業(yè)作切削、磨削、焊接、鉚接、打毛刺和裝配之用，可以單機使用，也可以配置成生產(chǎn)線。

并聯(lián)機床的結構完全不同于所有的傳統(tǒng)機床。傳統(tǒng)機床結構是按笛卡爾坐標沿三個坐標線方向運動和繞這三個坐標轉動依次串聯(lián)疊加來形成所需刀具的運動軌跡，其所有的幾何精度誤差、力的傳遞和剛度的損失，都會是串聯(lián)累積的。在近二十年出現(xiàn)的并聯(lián)結構機床，通過多桿結構在空間同時運動來移動主軸頭，與串聯(lián)結構相比，具有更為簡單、剛度高、動態(tài)性能更好等一系列優(yōu)點，世界范圍內(nèi)大概有二、三十家在從事這方面的研發(fā)，中國機床工具業(yè)也有七、八個團隊在進行研發(fā)工作。

并聯(lián)機床(Parallel Kinematic Machine，簡稱PKM)又稱為虛擬軸機床或并聯(lián)機器人，是機器人技術與機床技術相結合產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品，具有高精度、高剛性、高速度、高加速度、高柔性、高靈活性、推力大、重量輕等優(yōu)異性能。1994年美國Ingersoll公司和G&L公司首次在IMTS上展出了并聯(lián)機床。自其在IMTS上首次面世即被譽為是“21世紀的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結構的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯(lián)機構驅動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質量都有較大的改進。

另外，由于其進給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現(xiàn)。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、機械結構簡單、制造成本低、標準化程度高等優(yōu)點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術界的廣泛關注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機床，不但具有并聯(lián)機床的優(yōu)點，而且在使用上更具實用價值。

隨著高速切削的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)串聯(lián)式機構構造平臺的結構剛性與移動臺高速化逐漸成為技術發(fā)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象。相對于串聯(lián)式機床來說，并聯(lián)式工作平臺具有如下特點和優(yōu)點。

結構簡單、價格低

機床機械零部件數(shù)目較串聯(lián)構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機床低得多，容易組裝和搬運。

結構剛度高

由于采用了封閉性的結構(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點，其結構負荷流線短，而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結構，應力與變形都最小的是受張力的二力結構，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床。

加工速度高，慣性低

如果結構所承受的力會改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構件將會是最節(jié)省材料的結構，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。

加工精度高

由于其為多軸并聯(lián)機構組成，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用，因而不存在傳統(tǒng)機床(即串聯(lián)機床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對稱性結構設計，因此熱變形較��；故它具有高精度的優(yōu)點。

多功能靈活性強。

由于該機床機構簡單控制方便，較容易根據(jù)加工對象而將其設計成專用機床，同時也可以將之開發(fā)成通用機床，用以實現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機，以實現(xiàn)機床的多功能。這將會帶來很大的應用和巿場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應用前景。

使用壽命長。

由于受力結構合理，運動部件磨損小，且沒有導軌，不存在鐵屑或冷卻液進入導軌內(nèi)部而導致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)。對于不同的機器加工范圍，只需改變連桿長度和接點位置，維護也容易，無須進行機件的再制和調整，只需將新的機構參數(shù)輸入。

變換座標系方便

由于沒有實體座標系，機床座標系與工件座標系的轉換全部靠軟件完成，非常方便。Stewart平臺應用于機床與機器人時，可以降低靜態(tài)誤差(因為高剛性)，以及動態(tài)誤差(因為低慣量)。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小，且其在工作空間上有著奇異點的限制，而串聯(lián)工作平臺，控制器遇到奇異點時，將會計算出驅動裝置無法達成的驅動命令而造成控制誤差，但Stewart平臺在奇異位置會失去支撐部分方向的力或力矩的能力，無法完成固定負載對象。

1997年歐洲國際機床展覽會(EMO'97)上已有美、英、德等國廠商展出了10余臺并聯(lián)機床。歐洲“創(chuàng)新制造計劃(IMI)”聯(lián)盟將并聯(lián)機床納入名為“航空制造快速反應”的研究計劃之中。日本也有10多家公司和研究機構在研制和生產(chǎn)并聯(lián)機床。在1997年召開的第47屆國際機械加工技術科學研究會(CIRP)年會上，機床設計委員會(MTC)將并聯(lián)機床列為1998年大會的主題報告內(nèi)容。2002年4月在德國召開的并聯(lián)機床專題國際研討會(PKS'2002)上，各國專家學者發(fā)表了有關并聯(lián)機床的最新研究成果。目前，國際學術界和工程界高度重視并聯(lián)機床的研究與開發(fā)，對這種新型數(shù)控加工裝備的應用前景和巿場潛力非常樂觀，紛紛投入大量人力物力競相開發(fā)，相繼推出了幾種結構相似而名稱各異的原型樣機。

并聯(lián)機床的研究始自1965年Stewart提出著名的Stewart平臺機構，從此開始了基于Stewart并聯(lián)機構的虛擬機床研究。但開始，人們還只是對這種機構停留在理論分析上。1994年，在美國芝加哥IMTS博覽會上首次展出并引起世界轟動的并聯(lián)6條腿機床(又稱并聯(lián)機床)，在經(jīng)過隨后持續(xù)三年的全球跟進浪潮后，在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫。這是因為并聯(lián)機床在理論和實踐上有一系列的難題，難以在短期內(nèi)解決。目前，國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機床。中國的并聯(lián)機床研究起步較晚，但成果顯著。

其中清華大學是國內(nèi)最早開始進行虛擬軸機床研究的單位之一，對虛擬軸機床以及多個相關領域進行了深入研究，并于1997年12月25日與天津大學合作，共同開發(fā)出中國第一臺大型鏜銑類虛擬軸機床原型樣機——VAMT1Y。在虛擬軸機床設計理論與樣機建造等關鍵技術方面達到了國際先進水平，其中部分理論成果屬國際首創(chuàng)。

昆明機床股份有限公司、江東機床廠和大連機床廠聯(lián)合研制的三種不同構型的機床已經(jīng)問世，并于2001年在CIMT上展出，有望在近期實現(xiàn)商品化。與昆明機床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機床，可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，其綜合指標達到了國際先進水平。與江東機床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺龍門式虛擬軸機床，結構采用雙柱龍門工作臺移動式，可完成4坐標聯(lián)動。與大連機床廠聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動串并聯(lián)機床，能夠通過并聯(lián)機構實現(xiàn)X、Y和Z方向的移動，采用傳統(tǒng)的串聯(lián)方式實現(xiàn)主軸頭的A和C方向的轉動。

另外由天津大學設計并與天津巿第一機床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機床也獲得成功并達到實用化水平。哈工大與齊齊哈爾第二機床企業(yè)集團聯(lián)合研制了BJ-1并聯(lián)機床。東北大學研制的DSX5-70型三桿虛擬軸機床是由三自由度的并聯(lián)機構和兩自由度的串聯(lián)機構混聯(lián)組成的五自由度虛擬軸機床。

由國防科技大學和香港科技大學聯(lián)合研制的銀河—2000虛擬軸機床是一種并聯(lián)式六自由度機床，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機床發(fā)展而來的，在保持原并聯(lián)機構的諸多優(yōu)點，如高剛度，高精度和高的運動速度外，用變異機構擴大了機床的運動范圍。

國外，瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案，從低層次應用做起，逐步積累經(jīng)驗和財力，向高層次應用發(fā)展，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施，其并聯(lián)機床產(chǎn)品早已進入實用。德國Fraunhofer機床和成型技術研究所開發(fā)的6x型機床適于模具的高速加工，其主要技術參數(shù)為：工作臺：630×630，X，Y，Z行程均為630mm，兩個轉動自由度范圍為30°，主軸最高速度為3000r/min，功率為16kW，腿的最大進給速度為30m/min，加速度為10m/s。

德國Index的美國分公司將并聯(lián)機床用于車床，生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機構的“倒立車”(即主軸和工件在上作X、Z軸運動，而刀具在下不動，可回轉換刀，但不作任何直線運動的立式車床，中國習稱為“倒立車”)。它具有如下優(yōu)點：①外形緊湊。車床不象加工中心，工件相對刀具的移動范圍較小，克服了并聯(lián)機構空間有效利用率低的弱點。②車床一般只需兩個自由度(X和Z軸)，現(xiàn)用三桿幾何機構，可以獲得X、Y、Z三個自由度，冗余的一個自由度可用作自由上下料用。另外，為了增加剛度，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機構，與中國天津第一機床總廠結構類似。

美國Hexel公司將6桿并聯(lián)結構作成獨立部件應用于轉塔銑床。這可將低價的普通銑床升級為5軸聯(lián)動銑床。瑞士技術院(ETH)、機床與制造技術院(IWF)和機器人院(IFR)也聯(lián)合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機床。迄今為止，我們了解的虛擬軸并聯(lián)機床有二自由度、三自由度、法面三自由度、純移動三自由度四自由度、對稱五自由度和六自由度等類型。虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機床多用于虛擬軸六自由度數(shù)控機床。

研究并聯(lián)機床自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學分析、建模與仿真等問題。并聯(lián)機床運動空間的研究包括運動空間分析及仿真、可達工作空間求解(如數(shù)值求解法、球坐標搜索法等)、機床干涉計算及位置分析等。

并聯(lián)機床的結構設計包括很多內(nèi)容，如機床的總體布局、安全機構設計、數(shù)控系統(tǒng)設計(包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)、并聯(lián)機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機構封閉回路的特性，使并聯(lián)機床較傳統(tǒng)串聯(lián)結構機床具有更高的剛度，但這個特性引起的耦合問題，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應予以足夠的重視。

關于并聯(lián)機床精度的研究仍是國際難題，包括機床系統(tǒng)硬件研究及機床制造前精度設計和精度描述、系統(tǒng)輸出精度研究及機床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價。并聯(lián)機床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標及其分布等。并聯(lián)機床誤差研究包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設計等問題。并聯(lián)機床模塊設計與創(chuàng)建。根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應地把并聯(lián)機床分為空間型并聯(lián)機床和平面型并聯(lián)機床兩大類。

并聯(lián)機床按功能和結構可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊；④機架模塊；⑤定位模塊；⑥驅動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數(shù)控機床的研究。虛擬軸數(shù)控機床是“要用數(shù)學制造的機床”，因為這種機床的設計與運行要用到非常復雜的數(shù)學計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關鍵結論，還需進一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機床的研制提供理論基礎。并聯(lián)機床控制的研究包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機床的最大特點是機械結構簡單而控制復雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機床的研究中具有舉足輕重的作用。