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3-HSS 型并联机床关键技术与产品开发

项目研究的背景及用途:为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业正在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在结构技术上的突破性进展当属九十年代问世的并联机床(ParallelMachine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)。并联机床是以并联机构作为进给传动机构的数控机床。这种新型制造装备在构思上体现了现代系统集成的思想，在功能上是加工、测量、装配与物料搬运等多种工艺过程的集成，在性能上是高刚度、高精度、高速度、高柔性、轻重量、低成本的集成，是知识经济初见端倪的高科技数控加工装备。天津大学于 1998 年 10 月得到天津市科委“95”重点科技攻关项目资助，开展了可实现三平动自由度并联机床的设计理论、关键技术和样机建造工作，旨在在国内率先开发出一台具有国际领先水平的，可完成自由曲面加工的三轴联动并联机床产品化样机。该项目于 1999 年 2 月被列入天津大学“211”工程跨世纪标志性成果管理项目，同时得到天津第一机床总厂的参与和支持。技术原理及流程：所研制的三平动自由度并联机床采用 3-HSS 并联机构作为传动进给机构(在此，H—螺旋副，S—球面副)，由底座、动平台和三对立柱——滑鞍——支链组成。每条支链中含三根平行定长杆件，各杆件一端与滑鞍，另端与动平台用球铰连接。滑鞍由伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动，沿安装在立柱上的滚动导轨作上下移动。该机床主要用于三坐标高速铣、镗加工，主要解决以下关键技术: (1)柔性并联机床总体结构概念设计和虚拟样机设计; (2)主模块工作空间与灵活度分析，以及结构参数尺度综合技术; (3)主模块单元控制和在线精度补偿技术，以及静、动刚度预估与评价技术; (4)多主模块协同控制核心算法，以及硬件匹配和编程技术。成果水平及主要技术指标:天津质量监督局第12站对样机的检测结果表明，各项性能指标已经达到天津市科委立项合同中的各项指标。样机的主要几何精度、运动精度、工作精度已经达到或接近加工中心精度水平，重量明显轻于传统机床，而刚度显著大于传统机床。获得天津市科技发明二等奖及一项专利。市场分析及效益预测：国家科技部在指定我国制造与自动化领域“十五”计划与2015年远景规划前期报告“先进制造工艺装备”中明确指出:应抓住时机，抢在国外产品占领我国市场之前，开发我国自己的并联机床产品。“十五”期间，要以并联机床开发为契机，面向多品种、小批量、灵活多变的生产环境，建立新型系列化并联机床的生产基地。根据国家机械局机械科学院对 2005～2015 年机械制造装备市场预测估计，并联机床的国内市场需求量约为 500 余台/年。

天津大学 2021-04-11