如同一般加工机床一样,高速加工机床一般都有两个以上,多至五个进给运动轴,这些运动轴间的相互结构联系,目前存在着串联、并联和混联三种形式。
串联结构是传统机床普遍采用的形式,其特点是各运动轴的布局采用笛卡儿直角坐标系,机床床身、立柱、溜板、工作台/转台和主轴箱等部件分别通过相应的导轨支承面串联在一起的,各轴运动均可单独地独立进行。由于是串联,各运动部件的重量往往都较大,且不一致,需特殊调整方可保持各轴加速度特性的一致性;进给系统的结构件不仅受拉、压力,而且受弯、扭力矩的作用,变形复杂,后运动部件受到先运动部件的牵动和加速,加工误差由各轴运动误差线性叠加而成,且受导轨精度的影响等,这些都是串联结构的缺点。然而由于串联结构较传统,有长期设计、制造和应用的经验,技术较成熟,故迄今仍为大多数高速加工机床所采用。但串联结构中还有着不同的各运动轴的相互组合配置方式,其所获得的应用效果是不一样的,设计时应以高速加工的特点及其对机床结构设计的要求出发来确定。
并联结构的典型代表是Stewart平台式虚拟轴机床,如图2-6所示。它的特点是运动部件是一个由伺服电动机分别控制六根可自由伸缩的杆子所支承的动平台,该动平台可同时作六个自由度的运动,但没有像串联结构那样的物理上固定的X、Y、Z轴和相应的运动支承导轨,而且任何一轴运动都必须由六根可自由伸缩的杆协同运动来完成。一般刀具/主轴头就安装在该动平台上,工件则固定在机床的机架上,此外就不再有溜板、导轨等支承件了。
与传统串联结构的机床相比,并联结构形式的机床主要有如下优点:
1)运动部件重量轻,惯量小,更有利于实现进给运动高的速度和加速度。
2)刀具主轴头可同时实现五轴联动,结构简单,且主要的六根可自由伸缩杆具有相同的结构和驱动方式,便于模块化、标准化和系列化生产。
3)自由伸缩杆的两端分别由球铰和虎克铰链与相关件连接,使杆子只受拉、压力,不受弯扭力作用,刚度高,并易于通过预加载荷来提高整个进给系统的综合刚度。
4)理论精度高,因为它不像串联结构那样,各轴运动误差有可能被累积和放大,故并联结构进给运动的综合误差一般不会大于六根可自由伸缩杆运动误差的平均值。(www.xing528.com)
并联结构机床的缺点是:
1)在同一台机床上,其进给的行程随着各自由伸缩杆的伸出长度和动平台的位姿角变化而变化,故由行程所决定的可加工空间是非规则形,不方便应用。
2)因受球铰和胡克铰转角的限制,带主轴头的动平台所能倾斜的角度较小(一般只有±40°),从而影响了机床的可加工范围。
3)运动编程较复杂,而且在任一轴向上的简单直线运动,也要有六根可自由伸缩杆的协调运动才能完成。
由于有这些问题的存在,目前并联结构的应用尚不十分广泛,还有待进一步的研究和发展。
图2-6 Stewart平台式虚拟轴机床
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