并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)相比，具有承載能力大(比剛度高)、響應(yīng)速度快及運動精度高等優(yōu)點。因此受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，對它的理論研究和應(yīng)用開發(fā)研究非常重視。簡單的并聯(lián)機構(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)機構(gòu)。作為機械裝備產(chǎn)品，并聯(lián)機構(gòu)首先在機器人上進行了應(yīng)用。

    對機床而言，比剛度、響應(yīng)速度、運動精度正是其所追求的重要技術(shù)指標，而且由于機床是工作母機，一般來講，其剛度、運動精度的要求要比機器人的要求高得多。因此并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點對機床工業(yè)具有很大的吸引力，一時間并聯(lián)機床(又稱虛擬軸機床)的研究與開發(fā)成為一個熱門課題。人們對并聯(lián)機床寄予很大期望，預(yù)言并聯(lián)機床將成為21世紀的數(shù)控機床。

    雖然并聯(lián)機構(gòu)具有上述誘人的優(yōu)點，但它又同時有運動范圍(工作空間)小的缺點，特別是回程運動范圍有限。從機械裝備產(chǎn)品的大類來講，機床和機器人同屬具有坐標運動(不同的是機床多為直角坐標系型式，機器人多為關(guān)節(jié)坐標系型式)的機械，可以說是同族。因此并聯(lián)機床又可稱為切削加工機器人。但是機床又不同于一般的機器人(如搬運機器人、噴漆機器人、焊接機器人等)，不僅精度、剛度要求非常高，而且工作空間(直線運動空間和回轉(zhuǎn)工作空間)及干涉約束的要求也高。例如，通過刀具與工件間的相對運動對工件進行切削加工時，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)，對機床運動的約束條件要求較高，對復(fù)雜空間曲面的加工或空間孔系加工，要求回轉(zhuǎn)運動范圍大。如五面體加工要求工作臺回轉(zhuǎn)運動達到360°立臥兩用機床要求主軸頭擺動90°；某些空間曲面或孔系加工要求主軸或工件擺動達到180°等。各軸全部并聯(lián)的全并聯(lián)機床工作空間有限，因此，工作空間數(shù)控軸數(shù)比(或工作空間價格比)技術(shù)指標低。我們認為從工作空間數(shù)控軸數(shù)比，功能價格比，性能價格比等綜合效果來看，全并聯(lián)機床并不一定最好，而并聯(lián)、串聯(lián)同時采用的混聯(lián)式數(shù)控機床更具實用價值。下面根據(jù)我們的研究、開發(fā)經(jīng)歷，談一些對混聯(lián)式數(shù)控機床發(fā)展的看法。

    1994年美國推出第一臺并聯(lián)機床之后不久，人們已開始研究混聯(lián)式機床。國外開始研究混聯(lián)式機床并不是為了擴大工作空間，而是從獲得實用的機床精度的角度考慮的。這是由于機床的精度、剛度要求遠比一般機器人高，例如：運動精度要求為幾個µm，剛度要求幾十個N/µm以上。雖然并聯(lián)機構(gòu)理論上的精度、剛度很高，但實際尚達不到那么高。例如當時美國和日本所開發(fā)的六軸并聯(lián)機床的運動精度都是幾十個µm，還達不到傳統(tǒng)機床的精度水平。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)式機床。例如，德國阿亨工業(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))。

    從擴大工作空間的角度進行混聯(lián)式的研究開發(fā)也在同時展開。例如，我們于1997年研制成功了一臺六軸混聯(lián)式數(shù)控機床，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)控機床。Z軸進給和兩個回轉(zhuǎn)運動由三軸并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)，X軸和Y軸進給及另一個回轉(zhuǎn)運動(立式工作時為C軸，臥式工作時為B軸)由串聯(lián)驅(qū)動實現(xiàn)。由于并聯(lián)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)運動可以達到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，運動范圍可以擴大，其中B軸(或C軸)可實現(xiàn)360°連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。沈陽自動化研究所1999年研制的五軸并聯(lián)機床(實際也是混聯(lián)式機床，四軸并聯(lián)，一軸串聯(lián))，擴大了縱向行程范圍。我們正在研制的三軸并聯(lián)，三軸串聯(lián)的六軸混聯(lián)式機床(如圖2所示)，不僅擴大了三個直線運動范圍，而且使三個回轉(zhuǎn)運動分別達到了90°、90°和360°。在美國IMTS2000國際機床展覽會上，美國辛辛那提和德國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，它可以實現(xiàn)三軸并聯(lián)、二軸串聯(lián)運動，主軸頭由三軸并聯(lián)機構(gòu)和主軸部件組成，除了實現(xiàn)主運動外，主軸頭自身由并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動實現(xiàn)Z軸進給和兩個回轉(zhuǎn)進給運動。

    混聯(lián)式數(shù)控機床可以將并聯(lián)機構(gòu)和傳統(tǒng)機床的串聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點集于一身，是一類很有前途的數(shù)控機床。雖然已開發(fā)了不少型式的機床，還有很多理論和技術(shù)問題有待進一步研究，為了使并聯(lián)機床能夠達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)，以使機床獲得更好的綜合技術(shù)指標，除了運動學(xué)、動力學(xué)等理論及方法研究之外，還應(yīng)該進一步進行基礎(chǔ)元件技術(shù)研究。以下列舉幾個方面。

    混聯(lián)式機床的方案創(chuàng)新設(shè)計技術(shù) 混聯(lián)式機床方案的創(chuàng)新余地很大，雖然混聯(lián)機床總體方案創(chuàng)成方法已有研究，也已開發(fā)出不少型式的混聯(lián)機床，但如何獲得最佳的并聯(lián)、串聯(lián)組合，形成混聯(lián)式機床方案創(chuàng)新系統(tǒng)還有很多技術(shù)尚待進一步研究。

    關(guān)節(jié)技術(shù) 應(yīng)用了并聯(lián)機構(gòu)的機床，其性能之所以尚達不到理論上的高度，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)致運動精度下降；若采用可調(diào)隙的滾動軸承，由于并聯(lián)機構(gòu)的突出優(yōu)點是承載能力大，目前承載能力大的滾動軸承類型一般結(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和結(jié)構(gòu)緊湊、剛度及精度高的復(fù)合滾動關(guān)節(jié)是關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)。

    主電動機及電主軸 目前混聯(lián)或并聯(lián)機床的主軸大多安裝在動平臺上，或者用交流伺服主電動機驅(qū)動，或者直接用電主軸。由于并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點之一是運動部件慣性小，因此對電動機的功率、扭矩#重量比要求更高，對其振動和發(fā)熱要求更嚴。

    高精度檢測元件 并聯(lián)機構(gòu)的采用，將帶來眾多的被動關(guān)節(jié)。由于被動關(guān)節(jié)沒有伺服電動機驅(qū)動，因此無論是機床的精度標定，還是運動誤差補償，被動關(guān)節(jié)運動誤差檢測都是很重要的。這就要求研究開發(fā)適合被動關(guān)節(jié)安裝使用的、尺寸小、精度高、抗干擾能力強的檢測元件。

    混聯(lián)式機床可以將并聯(lián)和串聯(lián)的優(yōu)點融為一身，適用價值好，是一種很有前途的數(shù)控機床型式。從混聯(lián)數(shù)控機床本身的技術(shù)而言，可以說，國內(nèi)與國外的研究幾乎是同時起步的。因此，應(yīng)該抓住機遇，加大進一步研究、開發(fā)和應(yīng)用的力度，從一個側(cè)面推動我國機床技術(shù)的創(chuàng)新和進步，為振興我國機床工業(yè)的發(fā)展做出貢獻。