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本文分析了并聯機床特別是其中混聯結構的現狀與發展趨勢，并且還介紹了可重構機床的基本概念。

并聯機床

基于Stewart平臺原理的并聯機床，目前在國際上一般稱為并聯運動學機器(Parallel Kinematic Machine, PKM)，過去中國也稱其為六條腿機床或者虛擬軸機床。由于并聯機床是機床結構的重大革新而具有許多優點，自1994年美國Giddings & Lewis公司在芝加哥國際機床展覽會上首次展出名為VARIAX(變異型)加工中心的這種機床以來，倍受各國重視，比如歐盟就設立了PKM科研專項，在歷屆著名的國際機床展覽會上都相繼展出了一些經過改進的新產品，中國的高等院校與機床制造商也合作推出了幾種形式的并聯機床。總之，無論國際還是國內現在都在大力推進并聯機床的實用化。

傳統的金屬切削機床，本質上是“串聯”機構。而圖1所示的基于Stewart平臺的典型純并聯六自由度機床，相對傳統機床來說，具有如下優點：硬件結構簡單，剛度/重量比大，制造成本相對較低；運動部件輕，慣性小，響應速度快，易於實現高的速度和加速度；配置靈活，在動平臺上可以選配不同的工作頭(旋轉刀具頭、高能束加工頭、測量頭等)來進行不同的作業；理論上運動和定位精度可以達到很高，這是由于六根變長桿長度變化的誤差對動平臺空間位置精度的影響，不是像傳統機床那樣累計迭加而是具有均化傾向。

不過，并聯機床也存在一些缺點和問題，例如：
其動平臺在工作空間的運動，要通過從虛軸空間(并不存在的運動座標軸)到實軸(變長桿長度)空間的非線性映射來實現，而且實軸空間存在深度耦合，因此其控制軟件要比傳統機床復雜；
在相同的外觀尺寸下，其有效工作空間要比傳統機床小得多且不直觀，特別是動平臺主軸頭能實現的最大姿態角一般小于30°；
雖然并聯機床的空間定位精度理論上可以達到很高，但實際上受一些因素的制約，比如其關鍵元件高精度鉸關節的設計制造仍較困難等原因，迄今其動平臺的空間位置精度基本上還處于10微米級的水平。

為了解決并聯機床工作空間小、特別是主軸頭姿態角嚴重不足影響5軸聯動加工能力的問題，世界上相繼推出了各種不同串并聯組合的所謂混聯機床，其中最常見的是由三自由度并聯機構實現平動和由傳統串聯機構實現轉動的混聯機床，從而使平動和轉動解耦。與純并聯六自由度機床相比，這種機床不僅工作空間較大和能進行大傾角多座標數控加工，而且由于位置和速度正逆解均存在解析解答，為數控編程和誤差補償創造了有利條件。

瑞典NEOS ROBOTICS公司的三桿并聯機床Tricept，是目前實際生產中應用最多的并聯機床。在此并聯機構基礎上開發的Tricept 845加工中心，X、Y、Z三個自由度由三桿并聯機構來完成，兩個轉動自由度則由傳統的復合轉臺來實現。由三桿并聯機構驅動的主軸頭，最大進給速度可達90m/min，加速度2g，電主軸最高轉速24,000或30,000r/min，功率30/45kW。該機床為模塊化結構，除可選配復合轉臺外，也可選配普通工作臺、單座標轉臺或交換工作臺，主軸也有立式、臥式和45°安裝三種形式。其空間定位精度不高(據說已由原來的50μm提高至25μm)，但已具有實用價值。

這種類型的串并聯組合還有另一種布局結構，即三個移動軸仍由三桿并聯機構來實現，而兩個轉動軸由動平臺下串聯的主軸頭來完成。德國著名的機床制造商Deckel Maho公司在獲得使用Tricept結構的許可後，依靠自身在機床領域積累的經驗，重新設計了床身、萬能主軸頭、驅動桿和球鉸等重要部件，開發出Tricenter (DMT 100)銑削中心(圖3)。這臺機床工作臺固定不動，由三桿并聯機構實現X/Y/Z軸移動，行程達1500/800/700mm，相應的最大進給速度100/50/50m/min，加速度2g，進給力5kN。串聯的主軸頭A軸轉角0°-120°，C軸轉角±180°。所使用的電主軸最高轉速24000r/min，功率27kW，力矩90Nm，刀柄HSK63A。

該機床不僅工作空間大和主軸頭能實現大的姿態角，而且由於使用了激光標定，主軸頭空間的位置精度可達4~12μm。所謂激光標定，是利用高精度激光測量儀對主軸頭在整個加工區域的空間位置進行測量(一般要測量200個點)，再借助專門開發的標定算法，按實測信息修整CNC控制器中的逆解模型參數，以進行精度補償。Tricenter不僅適于高速加工復雜曲面的鋁材零件，而且可以對鋼和鑄鐵工件進行高效率加工。Deckel Maho公司計劃在2002年把這臺機床交世界知名的Airbus公司實際使用。

中國大連機床集團與清華大學合作開發的5軸聯動并聯機床DCB510，也是三個移動軸由并聯機構實現、兩個轉動軸由動平臺下串聯機構實現的混聯結構(圖4)。其X/Y/Z軸行程為630/630/500mm，A軸最大轉角140°，C軸最大轉角380°。不過它是用滑板和定長桿來代替可伸縮桿，每付定長桿由雙桿組成(也可用三桿組成)，而且定長桿一端的鉸支固定在滑板上，這樣雖然結構稍微復雜一點，但有利於提高機床的剛度和精度。此外，這種結構形式滑板的驅動不僅可以用滾珠絲杠，也可用直線電機直接驅動。

串、并聯組合的混聯機床還有其它結構形式，比如美國Cincinnati公司針對航空工業開發的龍門移動式高速數控銑床Hyper Mach，其X軸行程最長46m，Y軸行程2m，由直線電機驅動，但仍為傳統的串聯機構，其獨特之處在於采用了德國DST公司開發的Z3主軸頭。這種主軸頭由三軸并聯機構和主軸部件組成，除了主軸可以高速轉動外，主軸頭自身由并聯機構驅動實現Z軸進給和繞A軸與B軸轉動(±40°)。
并聯機床的應用領域還在擴大，最近又把開發目標向車床擴展。比如德國Index公司開發的V100倒置式立車，其主軸平臺在上，由三桿并聯機構驅動不僅可以實現X、Z軸的移動，而且多出的一個自由度還可用於車床的自動上下料。其轉塔刀架在主軸平臺下方，只轉動不移動。

理論和實踐都證明，并聯機床很適於高速加工復雜曲面零件，目前也正向實用化方向發展，但真正要在工廠中較普遍應用還需經過艱苦的努力才能實現。雖然串并聯組合的混聯結構在擴大機床的工作空間、特別是在增大主軸頭空間姿態角方面已取得較大成效，但并聯機床的承載能力、特別是主軸頭在空間的位置精度還極待提高。這除了從運動學和動力學角度進行研究改進外，改善制約并聯機床剛度和精度的薄弱環節—關節結構的性能也是當務之急，所以必須重視結構尺寸小、承載能力強和精度高的復合滾動關節的開發和生產。此外，運動學標定即精度補償也是提高并聯機床精度的重要手段，除上文所述使用高精度激光測量儀的外部標定方法外，還可在機床內部安裝傳感器獲取信息進行自標定(一般是在從動關節上安裝精度高和抗干擾能力強的檢測元件)。盡管還有上述種種問題需要解決，但并聯機床成為傳統高速加工機床的重要補充已為期不遠了。

可重構機床

當前，數控機床為了滿足更多不同零件的加工工藝要求，正在不斷增加加工功能，但在實際批量生產中，通用數控機床的功能利用率相當低。德國一教授曾對22個國家370家批量生產的機械制造企業進行過調查，發現有近80%的加工中心只利用其20%的功能。顯然一味采用復合加工功能的辦法來提高機床設備的生產柔性和生產效率并不一定經濟合理，因此人們又提出了可重構機床(Reconfigurable Machine Tool)的概念。

顧名思義，可重構機床的核心是使用過程中的可重構性，用戶可以根據所生產產品的變化對機床的結構、布局乃至加工功能進行改變，而且每次重構都要力求做到基本上無冗余功能。顯而易見，機床的重構需要通過改變某些功能部件才能實現，因此可重構機床一定是模塊化機床，而且應當是以用戶為中心的模塊化機床。所謂以用戶為中心，是指組成機床的軟、硬件模塊必須遵守國家或行業的而不是企業自訂的標準，特別是各模塊之間要具有標準化的接口，當然與制造系統的接口也應當是標準化的。

雖然可重構機床理論上可以頻繁重構，但實際應用中應盡可能減少重構次數且重構時要盡可能避免改變主要結構，才符合經濟性原則和有利於保持機床精度。這涉及可重構機床可能的加工對象、應具有的功能和功能模塊的劃分等許多重構策略方面的問題，對這些問題尚需進行深入系統的研究。不過筆者還認為，可重構機床可能更適合在大、中批量生產條件下使用。另方面也不難看出，使用可重構機床的用戶要儲備一定備用的機床功能模塊，這可能會影響到它的推廣使用。有人認為建立若干地區性的機床功能倉儲服務中心可以解決這一問題，當然這還有待將來實踐的檢驗。

可重構機床目前尚處于研究階段，迄今尚無公認的原型機制造出來，圖5所示是美國密西根大學Yoram Koren等人提出的可重構機床概念圖。盡管可重構機床離實用化還有一段距離，但它作為可快速重組制造系統(RRMS)的一項重要單元技術，可快速形成對更新產品的批量生產能力，肯定具有發展潛力。機床制造商應未雨綢繆，現在就給予足夠的關注。