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3-HSS 型并聯機床關鍵技術與產品開發

項目研究的背景及用途:為了提高對生產環境的適應性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機床制造業正在積極探索和研制新型多功能的制造裝備與系統，其中在結構技術上的突破性進展當屬九十年代問世的并聯機床(ParallelMachine Tool)，又稱虛(擬)軸機床(Virtual Axis Machine Tool)或并聯運動學機器(Parallel Kinematics Machine)。并聯機床是以并聯機構作為進給傳動機構的數控機床。這種新型制造裝備在構思上體現了現代系統集成的思想，在功能上是加工、測量、裝配與物料搬運等多種工藝過程的集成，在性能上是高剛度、高精度、高速度、高柔性、輕重量、低成本的集成，是知識經濟初見端倪的高科技數控加工裝備。天津大學于 1998 年 10 月得到天津市科委“95”重點科技攻關項目資助，開展了可實現三平動自由度并聯機床的設計理論、關鍵技術和樣機建造工作，旨在在國內率先開發出一臺具有國際領先水平的，可完成自由曲面加工的三軸聯動并聯機床產品化樣機。該項目于 1999 年 2 月被列入天津大學“211”工程跨世紀標志性成果管理項目，同時得到天津第一機床總廠的參與和支持。技術原理及流程：所研制的三平動自由度并聯機床采用 3-HSS 并聯機構作為傳動進給機構(在此，H—螺旋副，S—球面副)，由底座、動平臺和三對立柱——滑鞍——支鏈組成。每條支鏈中含三根平行定長桿件，各桿件一端與滑鞍，另端與動平臺用球鉸連接。滑鞍由伺服電機和滾珠絲杠螺母副驅動，沿安裝在立柱上的滾動導軌作上下移動。該機床主要用于三坐標高速銑、鏜加工，主要解決以下關鍵技術: (1)柔性并聯機床總體結構概念設計和虛擬樣機設計; (2)主模塊工作空間與靈活度分析，以及結構參數尺度綜合技術; (3)主模塊單元控制和在線精度補償技術，以及靜、動剛度預估與評價技術; (4)多主模塊協同控制核心算法，以及硬件匹配和編程技術。成果水平及主要技術指標:天津質量監督局第12站對樣機的檢測結果表明，各項性能指標已經達到天津市科委立項合同中的各項指標。樣機的主要幾何精度、運動精度、工作精度已經達到或接近加工中心精度水平，重量明顯輕于傳統機床，而剛度顯著大于傳統機床。獲得天津市科技發明二等獎及一項專利。市場分析及效益預測：國家科技部在指定我國制造與自動化領域“十五”計劃與2015年遠景規劃前期報告“先進制造工藝裝備”中明確指出:應抓住時機，搶在國外產品占領我國市場之前，開發我國自己的并聯機床產品。“十五”期間，要以并聯機床開發為契機，面向多品種、小批量、靈活多變的生產環境，建立新型系列化并聯機床的生產基地。根據國家機械局機械科學院對 2005～2015 年機械制造裝備市場預測估計，并聯機床的國內市場需求量約為 500 余臺/年。

天津大學 2021-04-11

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