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并聯機床的發展現狀與展望

  并取機床亦稱63條腿機床虛軸機床是90年代中期問世的種新型數控加工裝備,其基本特征是安裝工具的動平臺由多個支路聯接到固定平臺,通過這些支路的作動器主動副驅動動平臺運動以改變工具在空間的位置和姿態,從而實現工具相對工件的進給運動。1心,并聯機冰實質上是并聯機器人技術機床技術結合的產物它與傳統結構形動刀具與工件作相對運動的進給軸按照笛卡爾坐標布置,為串聯1鏈結構。,為實現5軸加工。;心在傳統的3軸機床上再增加兩個軸來控制刀具的姿態,所有這些軸都按串聯結構布置。當個軸運動日寸,需帶動串聯運動鏈上后面的所有軸起運動,因此其運動慣性大,動態性能較差。同產生的切削力沿開鏈傳遞,使每部件的缺陷都會對切削精度產生影響。這種機床的優點是各軸運動相互獨立,運動控制比較簡單。

  基于并聯機器人開發的并聯機床。由于其運動平臺由兒個簡單的串聯運動鏈并行驅動。與傳統串聯結構的機床相比,具有如下優點系統剛度重量比大;因采用并聯閉鏈桿系結構,在準靜態情況下傳動構件理論上為僅受拉壓載荷的力桿,故傳動機構的單位重量具有很高的承載能力響應速度快。運動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態品質,允許動平臺獲得很高的進給速度和加速度,因而特別適合于各種高速數控作業機械本體的體積精度較高。各關節誤差能夠相互抵消部分,而串聯結構機床各關節的誤差是積累的;環境適應性強。易于可重構和模塊化設a1典型的并聯機,原理簡作簡眾陳文家1今1 2廠江蘇揚州冬,中國科穿1院沈陽自味研究所博士研,生。研1養方審機器人學茳聯機違。

  計,可構成形式多樣的布局和自由度組合;技術附加值高。并聯機床具有硬件簡單軟件復雜的特點,是種技術附加值很高的機電體化產品閩此。并聯機床圮種具浪好應前景的新代制造裝備2并聯機床的發展現狀國內外學術界和工程界對研宄和開發并聯機床都非常重視。1994年在芝加哥國際機床博覽會1594上首次展出了稱為六足蟲他4和變異型,的數控機床與加工中心并引起了轟動2.此后,各主要工業國家都投入了大量的人力和物力進行并聯機床的研宄與開發。如美國司,德國她,1公司亞琢工業大學漢諾威大學斯加特大學,挪威,吐公司,瑞士1和。研所。瑞典心機器人公司。意人利01日立公司菱公司,韓國3,100出01硌公司等單位相繼研制出不同結構形式的數控機床激光加工和水射流機床坐標測量機等基于并聯機構同樣引起了許多研究單位的重視,由美國國家科學基金會動議,1998年在意大利召開了第屆國際并聯運動學機器專研會,210年在美1召開了第屆國際并聯運動學機器專研討會。

  我國己在國家九科技攻關計劃和863高技術發展計劃中對并聯機床的研究與開發予以支持。中國科學院沈陽自動化研究所清華大學天津人學哈爾濱工業大學東北火學河北工業大學等,位的研允人纟也在積極從并聯機床領域的研究工作,并與相關企業合作研制了數臺結構形式各異基于并聯機器人的多坐標數控機床研究已成為機器人研允領域以及機床制造領域的研究熱點目前,內外所推出的各種并聯機床大多數都是單純利并聯機構尤其是其中的3甲臺機構來構造機床也有些在并聯機構的動平臺上再串接相應的并聯機構所具有的自由度主要有6自由度6條腿以及3自由投3條腿叫類按照各分支鏈的長桿的端通過滑塊或絲杠螺母副沿固定平臺導軌移動簡稱腿滑動來改變動平臺的位置及姿態另種形式為通過各分支鏈桿長的伸縮尚稱腿伸縮來改變動平臺的位置及姿態。

  2.1腿伸縮的6條腿機床在現己推出的并聯機床機型中,大多數屬于這種類型。這類機床所采用的并聯機構就是*典型的6自由度5咖3平臺,1不。即動平臺通過6條可伸縮的腿與固定平臺相連,通過控制6條可伸縮腿的長度來驅動動1;臺運動以改變動臺在中間公司的第代產品,1為立式布局,其第代產品1江600改為臥式布該型機床也4肚界上首臺臥式布局的基于6自由度3平臺的并聯機床。臥式布局極大地改善了工件的可接近性,也改善了工作空間對機床所占體積之比。63m的分度轉臺,故可實現5軸面加工。刀具的*大進給速度為30加速度為0.5主軸轉速為0 20001;*人功率為37.5設大扭矩為49.1.刀庫放置在機床的左側,容量為40或80把刀。換刀時刀庫進入工作區,換刀后退出,無機械手空精度為0.0=德1證13公司的6型機床為立式布局的腿伸縮的6條腿機床他們以主軸筒體,代了動平臺。3條腿位于茼體1部,3條腿位于簡體下部如此連接有利尸主軸有傾角,受力均勻,機床的固有頻率很高,主軸運轉極平穩。

  國內開發的并聯機床中也有幾臺屬于這種類型,都采用了立式布局。清華大學與天津大學聯合開發的,型虛擬軸機床原型樣機于1997年底完成。哈爾濱工業大學在,咖199上展出了班系列的腿仲縮6條腿機床在丁2001上,該校又與哈爾濱量具刃具廠聯合推出了稱為新代并聯機宋的1退伸縮‘結構6條腿機床,據介紹該機床的加工范圍為04,父6,1;主軸*大姿態角27;主軸電機功率為9小軸轉違10,800,1重復精度為0.002,定位精度為0.0151機床夕形尺寸為1800,1500以23001在,1丁2001上還展出了臺由清華大學與昆明機床股份有限公司聯合研制的撕263數控鏜銑虛擬軸機床驅,厲中遍!樾油,減,嬪,排能有效降低各女鏈涉的叫該機床主要技術指標為作業空間40,1父400父3001;刀具擺角為±25;定位精度為±,2;*大速度為15 2.2腿滑動的6條腿機床這類機床的6條腿長度固定,通過腿的端在機架導軌上滑動來改變動平臺的位置姿態。例如瑞士聯邦技術學院機床和制造研宄所提出的6滑塊機構⑴共有條水平方向的每條導軌上有兩個腿座在上面作相互平行的直線運動,6根桿長度固定,結構簡單,內不含滾珠絲杠副,也就沒有引起熱變形的熱源,工件可接近性,此外,本豐田工機推出的35也屬于這種類型,該機床6條定長的腿迪過滑塊在傾斜布置的6根導軌上泔動,來改變動平臺的位置姿態,從而實現刀具相對1件的進給運動。進給電機可以固定在機座上是這類機床的個顯優點。,2.3腿伸縮的3條腿機床這種形式的機床迎過改變3條可伸縮腿的長度來實現動平的3個山度的運動。般部,要采取些措施約束掉動平臺不需要的自由度。其典型代為意大利,剔入。機床公司和瑞典過機器人公司的1的并聯機構部分具有3個自由度,靠外側3條腿長度每分支鏈從動平臺到機座的長度的變化來使動平臺實現3個自由度的運動,中間的桿件起約束作用以限制不需要的動平臺,由度。其中瑞叫附,8機器人公1以12000年9月的美國芝力哥國際機床展覽會182000上展出了1.叩1丁1845加中心,實現5軸加工,該機床在動平臺上串接了兩個轉動關節,機床進給速度達90山1.加速投。體積記位精度達到±50重復精度為±山主軸功率為3,451撕,主軸轉速為240003000,叫刀庫容量乜把刀,換刀日寸間5他。東北大學研制的,3,5 703條腿并聯機床,也采用了這種腿伸縮的結構。該機床利用其中間的空間平行機構約束動平臺的3個轉動自由度,在3根伸縮桿的驅動下,動平臺實現3維平也2.4腿滑動的3條腿機床這類機床的3條腿長度固定,通過腿的端在機架導軌上滑動來改變動平臺的位置姿態,般也需要采取些措施約束掉動平臺不需要的自由度。

  推出的013條腿機床,采用兩條1行的桿效于條腿,其動平臺具有又12方向的3個移動自由度。

  99上展出的天津大學與天津第機床總廠合作研制的,條腿芥聯機杞每條腿由3根平行桿組成,構成帶冗余約束的空間邊形結構,通過每條腿的端在立柱上移動進而使動平臺實現3維平動。在0,丁2001上展出了大連機床集團與清華大學合作研制的,510軸聯動并聯機床,該機床的并聯機構部分具有3個自由度,為種采用兩條平行的桿等效于條腿的腿滑動的3條腿并聯機構。其動肀臺實現3維平動。為實現5軸加工,該機床在動平臺上串接了兩個轉動關節。

  2.5其他形式除了以1兒種典型結構的并聯機床以外。還打些較為獨特的設計。中科學院沈陽自動化研允所在國家九科技攻關計劃支持下研制的種5坐標并聯機床的原理簡,2.該機床采用了傳統的龍門框架結構,主要由龍門框架個4自由度并聯機構以及可移動的工作臺等組成。其中。4自由度并聯機構的動臺能夠實現方向方向的移動以及繞方向3方向軸線的轉動,裝夾工件的工作臺作,方向的移動,從而實現刀具相對于1件的5坐標進給運動;該機床工作空間大。工件可接近性好,工作空間描述與傳統機床接近。

  另種比較有特色的方案是在,2001上展出的清華大學與江東機床廠聯合開發的數控龍門式虛擬軸機床剔22010,該機床由個平面3自由度并聯機構,3龍門架以及可移動的工作臺構成,3自由度并聯機構實現刀具的兩維平動與維擺動,另加工作臺個方向的移動從而實現刀具與工件之間4個坐標的進給運動。

  3并聯機床的應與展望德國,加特劇1料制造設備控技術費,目前在世界范圍內尚少有廠家有定型的產品化機床開始銷售,但經過國內外眾多研宄人員的共同努力,在這類機床的實用化方面已取得了相當大的進展。

  例如,瑞典NEOS機器人公司的TRICEPT已經在世界聞名的飛機汽車和工程機械公司如15疋取丁1門1訓600組成的單元對轎午保險杠進行鋸鉆孑1和銑削,4不。

  不可否認,盡管從理論上講,并聯機床優越性明顯,但要真正成熟實用還有段漫長艱苦的路程要走。從前情況看。尚有些關鍵技術需要進步加以解決,3.1精度問前。山于尚無,效手段對并聯機構動平臺的位姿信息進行實時檢測,因而無法直接對動平臺實現全閉環控制。雖然通過精度設計與運動學標定能夠改善機床的精度,但與傳統機床相比尚有很大差距。因此,從控制傳感檢測等方面研宄直接對動平臺實現全閉環控制的方法是解決并聯機床精度問3.2關鍵基礎件的研究并聯機床所需的關鍵基礎件,包括功率體積比大的高速屯主軸單元速高性能直線電機精密絲杠沿九副以及高粘度,剛度大轉角范;的球鉸鏈等。目前,國外已有專業廠開發出些產品,但尚有3.3相關的并聯機構理論問例如。建立概念設計的系統方法配置形式布空間姿態空間;奇異位形分析支鏈干涉及碰撞檢查的實用方法;動力學建模及整機動態設計方法等。

  3.4考慮并聯機床特點的數控系統并聯機床與傳統機床的本質區別在于動平臺在笛卡爾空間中的運動是關節空間伺服運動的非線性映射又稱虛實映射。進行位置控制時,必須通過位置逆解模型將事先給定的刀具位姿及速度信息變換為伺服系統的控制指令,并驅動并聯機構實現刀具的期唱運動。閃此。應針對并聯機床的這些特點研宄開發相應的數控系統,網絡環境下具有開放式體系結構的數擰系統足并聯機床的理想選擇。

  3.5并聯機床性能評價準由于并聯機床與傳統機床在運動學方面存在本質區別,傳統機床的性能評價標準難以全面準確地反映弁聯機床的性能特點。因此。應決建針對并聯機床特點的性能評價標準。

  在研宄解決上述問的同時,可以同步進行并聯機床的開發應用研究。根據目前的現狀,可以從以幾個方而著手尋找傳統方法難以解決問而并聯機床又能夠解決的應用場介。例如,要用強力。1配合的閂動裝配以及類似4可以用多個并聯機床單元構成個系統對些大型特大型的零部件或整機進各種加工;有些任務用傳統方式也可以完成。似并聯機床可以更好更經濟地完成。例如用砂輪成銑刀打毛刺導角鉆油孔;當加工對象為木材塑料鋁材等易切削材料,且加工精度要求不是特別高時可考慮用并聯機床;雖然并聯機床暫時難以達到品檔傳統機床機床。

  4結束語傳統機床的發展已有數百年的歷史,而并聯機床的出現才不過幾年的時間,期望短期內下子就能解決并聯機床,論和實踐上的系列難是不現實的;1樣。在并聯機床發展過程中暫時碰到些準就認為并聯機床沒有前途難以*終走向市場0從和38數據雙向轉換技術的研究郝平陸寶濟21.浙江1業躦目剪齡,航刪1452.浙江紹興棘鋼廠,浙江紹興312000換技木的萬法,并探討了以13和1數據信息的雙向轉換技術的實現和編程技術1引目由于013具有張大的繪閣功能和處理矢呈形的能力,前己廣泛地被應在1業設計機械設計建筑設計城市規劃之中。特別是這幾年,及其相關技術的發展,t勾代它技術之間的融合度加深數據格式的相互轉換和調用,入和轉,己經成為各種應用軟件系統融合的基礎。,稅技術在其傳統應用的基礎上,尤代是與數據,符,信傳統機床的補充,許通過不斷的研究開發在更多的場合,代傳統機床同時,在研允開發并聯機床的M過柯中應注泛充分吸收。借覽傳統機床中使用成熟的技術。結構形式。也正因為并聯機床仍面臨諸多3 1汪勁松。黃田。并聯機束機床,業面臨的機遇與71黃田,倪雁本王洋等。388并聯機床運動學設計王知行,李建生。1型并聯機床。制造技術與機床蔡光起,戴炬,胡明等。機器人化腿磨削機床的研制力。制造技術與機床,1991046.

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