簡介
並在線上床發展狀況
並在線上床發展狀況套用這種並聯裝置的工具機最初是在1994年芝加哥國際工具機博覽會出現的。但是，由全坐標並聯裝置構成的6軸或5軸工具機，據稱在研發比較前進的歐洲也基本沒有得到普及使用。
妨礙其實用化的原因有如下幾點：
1、由於沒有物理性的嚮導面，機械精度難以充分體現出來。
2、為確保高自由度、高速性能，就需要使作為移動體的主軸達到小型、輕量化，這就自然使得主軸加工能力降低。3、因操作複雜不好編程。
4、傾斜角度比原來的5坐標工具機小。
大隈公司開發並投入到市場的並聯加工機COSMO CENTERPM—600針對上述課題，已開始將產品運用於汽車零部件的批量加工、金屬模具加工等領域。這些加工領域對於加工設備的要求非常嚴格，並聯加工機同原來的工具機相比可大幅提高生產效率， 已經顯示出效果。
結構原理
並在線上床結構並在線上床並非真實存在X、Y、Z、A、B、C軸，不能像傳統工具機一樣直接控制各坐標軸，而是通過改變6根驅動桿（簡稱實軸）的桿長來實現刀具沿X、Y、Z、A、B、C軸（又稱虛軸）運動的。因此，在並在線上床控制技術的研究和數控系統的開發中，最關鍵的問題是如何控制6個實軸來實現刀具的聯合運動，以得到所要求的刀具軌跡。
並在線上構的原理，機構的構件總數為14；運動副總數為18，其中包括6個一自由度的移動副，6個二自由度的虎克鉸（A1，A2，A3，A4，A5，A6），6個三自由度的球鉸（B1，B2，B3，B4，B5，B6）。其中驅動桿和定平台連線處的虎克鉸也可用球鉸代替，這樣每根驅動桿多了一個繞其軸線方向鏇轉的局部自由度，但機構的整體自由度數不變。因此，這是一個具有6個自由度的並在線上構。
系統組成
並在線上床系統1 、數控系統硬體
數控系統硬體框架主控計算機、運動控制卡和可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）構成數控系統的核心框架，它們有著獨立的分工。在工具機的運行過程中，這三者之間始終保持實時雙向通信，共同控制整個系統的運行。各部分的具體功能說明如下。
（1）主控計算機：數控系統的核心。主要功能是提供人機互動界面，負責數控代碼的生成和編譯、刀具運動軌跡仿真，以及加工過程中對運動控制卡和PLC的協調和監控。主控計算機通過區域網路與遠程計算機相連，實現與外部的數據交換。
（2）運動控制卡：運動控制的核心部件。主要任務是通過接收來自主控計算機的運動控制指令，控制7路電機同步運動。該卡採用VxWorks實時作業系統，通過SERCOS光纖通信協定與伺服驅動器通信，通信速度快，信息量大，抗干擾能力強。
（3）PLC：電氣系統控制的核心。主要任務是接收來自主控計算機的輔助控制指令（M指令），並控制輔助設備動作；通過控制變頻器，進而控制工具機的電主軸；管理刀庫；工具機運行過程中對各電氣元件邏輯關係進行監控，以及故障診斷和處理。
（4）遠程計算機：構成多工具機大系統的核心。通過區域網路同時與多台工具機相連，與它們進行數據交換並實行遠程控制。這種方式節約了軟體資源，便於集中管理和監控。
（5）刀庫：工具機刀具的管理中心。可安裝24把刀具，並且可以實現加工過程的自動換刀。刀庫的控制由PLC和主控計算機聯合實現。PLC負責刀庫的轉刀和換刀過程, 主控計算機控制轉刀和換刀的開啟。
並在線上床系統並在線上床加工中心數控系統的軟體採用模組化設計方式。從功能的實現角度劃分，可分為3個模組：編程與仿真模組、運動控制模組和測量模組。現分別介紹如下：
（1）編程與仿真模組。
編程與仿真模組主要用到軌跡描述檔案、刀位檔案和運動控制數據檔案。其中，刀具位置檔案是軟體編程的難點，該檔案主要實現工具機的干涉校驗、模擬仿真、工藝管理和刀具位置描述等功能；軌跡描述檔案是基於APT語言開發的，用戶使用基本的軌跡元素、特殊點和直線，可以方便地建立輪廓軌跡；運動控制數據檔案由刀具軌跡描述檔案經刀具補償、軌跡插補等運算後產生，用於存儲伺服電機的運動控制數據。
（2）運動控制模組。
該模組匯集了系統中所有涉及硬體部分的操作，主要包括自動運動控制、手動運動控制、主軸運動控制、輔助功能、刀庫控制、開關量和模擬量I/O控制，以及各部分的運行監控和錯誤處理等子模組。其中多數子模組與普通數控系統中的相似，現僅對自動運動控制、手動運動控制、運行監控和錯誤處理3個子模組進行簡要的介紹。
a.自動運動控制子模組。
該模組用於工具機的連續加工。它對刀具數據進行了離線編譯，並利用kollmorgen運動控制卡提供的電子凸輪功能實現各軸的高速同步運行。此模組還為用戶提供原路退刀和刀軸方向退刀等功能，用戶可以在中途終止暫停加工的情況下自動恢復斷點，以便繼續加工。
b.手動運動控制子模組。
該模組用於運行由手輪控制的工具機。對編譯程式進行實時逆解運算，以解決並在線上床運動的非線性。手動運動控制模組與測量模組相結合，使數控系統具備很好的測量功能。
c.運行監控和錯誤處理子模組。
系統中，對於運行監控和錯誤處理的任務有如下分工：PLC負責對各部分電氣的邏輯關係、電主軸系統和刀庫系統進行監控；運動控制卡負責對伺服電機進行監控。同時，運動控制卡和PLC之間保持實時雙向通信，以實現連鎖動作。主控計算機接收PLC和運動控制卡發來的錯誤報告，並通過人機界面顯示。而遠程計算機通過訪問主控計算機上的錯誤報告檔案進行遠程故障診斷。
（3）測量模組。
主軸運動的靈活性使得並在線上床非常適合測量工件。本系統為了更好地發揮並在線上床的這個優勢，專門開發了功能完備的測量模組，因此，該工具機完全可以當作測量機使用。測量模組的具體功能包括：
a.工件坐標系的測量。
用於加工之前對工件坐標系進行測量，以確定工件在工具機上的裝夾位置。該功能避免了傳統工具機中繁瑣而複雜的工件找正工作。
b.刀長和刀具直徑的自動測量。
利用隨機附帶的測頭和對刀器，用戶可以非常方便地測量刀具的參數。
c.工具機的自動標定。
用戶可在環境溫度變化較大或工具機搬遷時，對工具機精度進行自行標定和修正。
d.線上加工精度測量。
用戶可以對工件進行線上加工精度測量。
優點
並在線上床優點1、剛度重量比大：因採用並聯閉環靜定或非靜定桿繫結構，且在準靜態情況下，傳動構件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機構的單位重量具有很高的承載能力。
2、回響速度快：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，允許動平台獲得很高的進給速度和加速度，因而特別適於各種高速數控作業。
3、環境適應性強：便於可重組和模組化設計，且可構成形式多樣的布局和自由度組合。在動平台上安裝刀具可進行多坐標銑、鑽、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機械手腕、高能束源或CCD攝像機等末端執行器，還可完成精密裝配、特種加工與測量等作業。
4、技術附加值高：並在線上床具有“硬體”簡單，“軟體”複雜的特點，是一種技術附加值很高的機電一體化產品，因此可望獲得高額的經濟回報。
關鍵技術
並聯技術概念設計是並在線上床設計的首要環節，其目的是在給定所需自由度條件下，尋求含一個主剛體(動平台)的並在線上構桿副配置、驅動方式和總體布局的各種可能組合。
按照支鏈中所含伺服作動器數目不同，並在線上床可大致分為並聯、串並聯和混聯3種類型。前兩者在一條支鏈中僅含一個或一個以上的作動器，以直接生成3～6個自由度；而後者則通過2個或多個少自由度並聯或串在線上構的串接組合生成所需的自由度。按照作動器在支鏈中的位置不同，並在線上床可採用內副和外副驅動，且一般多採用線性驅動單元，如伺服電機—滾珠絲槓螺母副或直線電機等。機架結構的變化可使得並在線上床的總體布局具有多樣性，但同時也使工作空間的大小、形狀以及運動靈活度產生很大差異。因此，在制定總體布局方案時，應採用概念設計與運動學設計互動方式，並根據特定要求做出決策。
通過更換末端執行器便可在單機上實現多種數控作業是並在線上床的優點之一。然而由於受到鉸約束、支鏈干涉、特別是位置與姿態耦合等因素的影響，致使動平台實現姿態能力有限是各種6自由度純並在線上構的固有缺陷，難於適應大傾角多坐標數控作業的需要。目前並在線上床一個重要的發展趨勢是採用混在線上構分別實現平動和轉動自由度。這種配置不但可使平動與轉動控制解耦，而且具有工作空間大和可重組性強等優點。特別是由於位置正解存在解析解答，故為數控編程和誤差補償提供了極大的方便。應該強調，傳統工具機的發展已有數百年歷史，任何希望從純機構學角度創新而試圖完全摒棄傳統工具機結構布局與製造工藝合理部分的構想都將是有失偏頗的。
並在線上床設計並在線上床運動學設計包括工作空間定義與描述，以及工作空間分析與綜合兩大內容。合理地定義工作空間是並在線上床運動學設計的首要環節。與傳統工具機不同，並在線上床的工作空間是各支鏈工作子空間的交集，一般是由多張空間曲面片圍成的閉包。為了適合多坐標數控作業的需要，通常將靈活(巧)度工作空間的規則內接幾何形體定義為工具機的編程工作空間。對於純6自由度並在線上床，動平台實現位置和姿態的能力是相互耦合的，即隨著姿態的增加，工作空間逐漸縮小。因此，為了實現動平台實現位姿能力的可視化，往往還需用位置空間或姿態空間進行降維描述。
工作空間分析與綜合是並在線上床運動學設計的核心內容。廣義地，工作空間分析涉及在已知尺度參數和主動關節變數變化範圍條件下，評價動平台實現位姿的能力；尺度綜合則是以在編程空間內實現預先給定的位姿能力並使得操作性能最優為目標，確定主動關節變數的變化範圍和尺度參數。
工作空間分析可藉助數值法或解析法。前者的核心算法為，根據工作空間邊界必為約束起作用邊界的性質，利用位置逆解和K-T條件搜尋邊界點集。後者的基本思路是，將並在線上構拆解成若干單開鏈，利用曲麵包絡論求解各單開鏈子空間邊界，再利用曲面求交技術得到整體工作空間邊界。
尺度綜合是實現並在線上床運動學設計的最終目標，原則上需要兼顧動平台實現位姿的能力、運動靈活度、支鏈干涉等多種因素。針對6自由度並在線上床，目前可以利用的尺度綜合方法可以分為：基於各向同性條件的尺度綜合，兼顧各向同性條件和動平台姿態能力的尺度綜合，以及基於總體靈活度指標的加權綜合3種方法。第1種方法因僅依賴滿足各向同性條件時的尺度參數關係，故存在無窮多組解答。第2種方法針對動平台在給定工作空間中實現預定姿態能力的需要，通過施加適當約束，可有效地解決多解問題。第3種方法較為通用，通常以雅可比矩陣條件數關於工作空間的一次矩最小為目標，將尺度綜合問題歸結為一類泛函極值問題。值得指出，第2種方法僅適用某些並在線上構(如Stewart平台)；而第3種方法除計算效率低外，還不能兼顧動平台實現姿態的能力。因此，針對不同類型的並在線上床，研究兼顧多種性能指標的高效尺度綜合方法將是一項極有意義的工作。
並在線上床剛體動力學逆問題是並在線上床動力分析、整機動態設計和控制器參數整定的理論基礎。這類問題可歸結為已知動平台的運動規律，求解鉸內力和驅動力。相應的建模方法可採用幾乎所有可以利用的力學原理，如牛頓－尤拉法、拉格朗日方程、虛功原理、凱恩方程等。由於極易由雅可比和海賽矩陣建立操作空間與關節空間速度和加速度的映射關係，並據此構造各運動構件的廣義速度和廣義慣性力，因此有理由認為，虛功(率)原理是首選的建模方法。
動態性能是影響並在線上床加工效率和加工精度的重要指標。並在線上器人的動力性能評價完全可以沿用串在線上器人的相應成果，即可用動態條件數、動態最小奇異值和動態可操作性橢球半軸長几何均值作為指標。與機器人不同，金屬切削工具機動態特性的優劣主要是基於對結構抗振性和切削穩定性的考慮。動態設計目標一般可歸結為，提高整機單位重量的靜剛度；通過質量和剛度合理匹配使得低階主導模態的振動能量均衡；以及有效地降低刀具與工件間相對動柔度的最大負實部，以期改善抵抗切削顫振的能力。由此可見，機器人與工具機二者間動態性能評價指標是存在一定差異的。事實上，前者沒有計及對結構支撐子系統動態特性的影響，以及對工作性能的特殊要求；而後者未考慮運動部件慣性及剛度隨位形變化的時變性和非線性。因此，深入探討並在線上床這類機構與結構耦合的、具有非定長和非線性特徵的複雜機械系統動力學建模和整機動態設計方法，將是一項極富挑戰性的工作。這項工作對於指導控制器參數整定，改善系統的動態品質也是極為重要的。
並在線上床精度精度問題是並在線上床能否投入工業運行的關鍵。並在線上床的自身誤差可分為準靜態誤差和動態誤差。前者主要包括由零部件製造與裝配、鉸鏈間隙、伺服控制、穩態切削載荷、熱變形等引起的誤差；後者主要表現為結構與系統的動特性與切削過程耦合所引起的振動產生的誤差。機械誤差是並在線上床準靜態誤差的主要來源，包括零部件的製造與裝配誤差。目前，由於尚無有效的手段檢測動平台位姿信息，因而無法實現全閉環控制條件下，通過精度設計與運動學標定改善工具機的精度就顯得格外重要。
精度設計是工具機誤差避免技術的重要內容，可概括為精度預估與精度綜合兩類互逆問題。精度預估的主要任務是，按照某一精度等級設定零部件的製造公差，根據閉鏈約束建立誤差模型，並在統計意義下預估刀具在整個工作空間的位姿方差，最後通過靈敏度分析修改相關工藝參數，直至達到預期的精度指標。工程設計中，更具意義的工作是精度綜合，即精度設計的逆問題。精度綜合是指預先給定刀具在工作空間中的最大位姿允差(或體積誤差)，反求應分配給零部件的製造公差，並使它們達到某種意義下的均衡。精度綜合一般可歸結為一類以零部件的製造公差為設計變數，以其關於誤差靈敏度矩陣的加權歐氏範數最大為目標，以及以公差在同一精度等級下達到均衡為約束的有約束二次線性規劃問題。
運動學標定，又稱為精度補償或基於信息的精度創成，是提高並在線上床精度的重要手段。運動學標定的基本原理是，利用閉鏈約束和誤差可觀性，構造實測信息與模型輸出間的誤差泛函，並用非線性最小二乘技術識別模型參數，再用識別結果修正控制器中的逆解模型參數，進而達到精度補償的目的。高效準確的測量方法是實現運動學標定的首要前提。根據測量輸出不同，通常可採用2類運動學標定方法：①利用內部觀測器所獲信息的自標定方法，其一般需要在從動鉸上安裝感測器（如在虎克鉸上安裝編碼器）；②檢測刀具位姿信息的外部標定方法，其原則上需要高精度檢具和昂貴的五坐標檢測裝置。
並在線上床數控系統從工具機運動學的觀點看，並在線上床與傳統工具機的本質區別在於動平台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)。因此，在進行運動控制時，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，並驅動並在線上構實現刀具的期望運動。由於構型和尺度參數不同，導致不同並在線上床虛實映射的結構和參數不盡相同，因此採用開放式體系結構建造數控系統是提高系統適用性的理想途徑。
為了實現對刀具的高速高精度軌跡控制，並在線上床數控系統需要高性能的控制硬體和軟體。系統軟體通常包括用戶界面、數據預處理、插補計算、虛實變換、PLC控制、安全保障等模組，並需要簡單、可靠、可作底層訪問，且可完成多任務實時調度的作業系統。
友好的用戶界面是實現並在線上床工業運行不可忽視的重要因素。由於操作者已習慣傳統數控工具機操作面板及有關術語和指令系統，故基於方便終端用戶使用的考慮，在開發並在線上床數控系統用戶界面時，必須將其在傳動原理方面的特點隱藏在系統內部，而使提供給用戶或需要用戶處理的信息儘可能與傳統工具機一致。這些信息通常包括操作面板的顯示，數控程式代碼和坐標定義等。
實時插補計算是實現刀具高速、高精度軌跡控制的關鍵技術。在以工業PC和開放式多軸運控板為核心搭建的並在線上床數控系統中，常用且易行的插補算法是，根據精度要求在操作空間中離散刀具軌跡，並根據硬體所提供的插補採樣頻率，按時間軸對離散點作粗插補，然後通過虛實變換將數據轉化到關節空間，再送入控制器進行精插補。注意到在操作空間中兩離散點間即便是簡單的直線勻速運動，也將被轉化為關節空間中各軸相應兩離散點間的變速運動，因此若仍使關節空間中各軸兩離散點間作勻速運動，則將在操作空間中合成複雜的曲線軌跡。為此，必須對離散點密化以創成高速、高精度的刀具軌跡。這不僅需要大幅度提高控制器的插補速率，而且需要有效地處理速度過渡問題。
並在線上床關鍵部件關鍵基礎件的專業化和系列化配套是建造高速高精度並在線上床，實現產品的可重組和模組化設計，以及大幅度降低製造成本的物質保證。這項工作也是將並在線上床推向市場的重要環節。並在線上床所需的關鍵基礎件包括功率體積比大的高速電主軸單元、高速高性能直線電機、精密絲槓導軌副、結構緊湊且可調隙的精密滾動球軸承和卡當鉸，以及高精度光柵和雷射測量定位系統等。目前，國外已有專業生產廠(如德國INA軸承公司)開發出不同系列的產品。然而，這些產品在我國還多屬空白，或與國際先進水平存在較大差距。
並在線上床是工具機家族中的一個新成員，目前還處於“襁褓“之中，尚有許多理論與技術問題有待攻克。並在線上床是否具有生命力的關鍵在於能否回答潛在用戶“有何理由能說服我購買並在線上床而不是傳統工具機”這一問題。因此，緊緊把握新一代製造設備變革的契機，大力加強對並在線上床的理論研究與工程實踐，對促進這種新型數控裝備早日產品化和產業化，儘快將高新技術轉化為生產力具有重要的意義。這一工作將有賴於政府主管部門、工具機生產企業和潛在用戶的遠見卓識，以及工具機設計工作者與機器人機構學工作者的通力合作和不懈努力。
加工範圍
並在線上床加工•主軸與Z軸夾角10°，φ600mm ×290mm。
主要參數：
•主軸最大走刀速度：4000mm/min；
•主軸快速移動速度：15000mm/ min；
•雙向定位精度： 0.022mm；
•電主軸額定功率： 14kW；
•電主軸額定轉速：100～10000r/min；
•電主軸額定轉矩：110N•m；
•刀庫含刀量：24把。
由於沒有實體的坐標系，工件坐標系的建立以及工件與工具機的坐標轉換完全依靠軟體實現，無需像傳統工具機那樣找正工件，操作者可以方便地建立工件坐標系。
在用並在線上床加工中心加工汽輪機葉片的技術方面，完成了葉片葉型曲面加工和清根加工；並可用UG進行葉片加工數控編程和加工仿真。目前該並在線上床加工中心已有4台套用於哈爾濱汽輪機廠的生產加工現場，1台套用於無錫鼎元葉片廠的生產加工現場。在葉片加工過成中，僅需1次裝夾，自動換刀，即可完成葉片汽道型面、葉頂、葉根圓角和進、出汽邊圓角的加工，並成功地完成多級別、具有複雜自由曲面的汽輪機葉片零件的加工。其中，單個葉片的加工效率與瑞士斯特拉格五坐標葉片專用工具機相當。在用並在線上床加工中心加工船用中小型螺鏇槳的數控加工方面，可在UG環境下完成螺鏇槳數控加工編程，用vericut進行加工仿真和干涉校驗。目前，已用並在線上床加工中心成功地完成了小型螺鏇槳的加工。
實用例證
1、汽車零部件批量加工在汽車部件批量加工方面，用於加工箱體的例子：以同一工具進行5軸的孔加工、圓柱體側面加工和倒角，實現了工序集成，削減了工具數量。再加上發揮出COSMO CENTER PM—600的特點：高速鑽加工(26sec／40個)；高速攻絲(53sec／40個)；高速ATC(C—C：3sec)等，同原來的工作檯傾斜型五面體加工機相比，加工時間縮短了約30％。以鋁壓鑄材料為加工對象時，尺寸達470*330*230。
有這樣的例子，一台COSMO CENTERPM—600比一台加工中心和一台專用機合起來的效率還要高。可以認為，並聯加工機在汽車部件批量加工領域，作為高柔性、高速加工機，能夠作出很好的貢獻。
2、輪胎側面的文字加工
作為適於金屬模具加工的例證，介紹在輪胎側面作的文字和記號的加工。輪胎側面的品牌文字在模具加工時，曲面為垂直加工，將主軸傾斜、避開球頭立銑刀的前端進行加工，這就實現了高品味、高效率的加工。濕式切削時材質是鋁合金(A7075)。和原來的五面體加工機相比，加工時間約為1/4，大幅度減少了加工時間。加工程式是以5軸通用CAM作成的。
3、機翼的結構部件
在飛機部件領域進行的是機翼結構部件的加工。由於有微傾斜壁，原來是用主軸頭傾斜型的5軸加工機進行加工的，用COSMO CENTERPM—600加工，時間達到原來的1/10以下。濕式切削，材質是鋁合金(A7075)，尺寸是220*180*38。
4、作為工具機的一種形態
為達到產業界提出的縮短加工時間的要求，高速化和工序結合(多軸化)是必不可少的。在高速化方面寄希望於採用直線電機的工具機，在多軸化方面一般是期待於五面體加工中心的。雖由於加工對象工件的不同要求而有些差異，但並聯加工機具有以上兩方面的特性，今後會有很大貢獻。
