并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)及基本框架研究

0 引言

　　并聯(lián)機(jī)床（ParallelMachineTool,PMT）又稱并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器（ParallelKinematicsMachines，PKMs）或虛（擬）軸機(jī)床（virtualaxismachinetool），是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型數(shù)控加工設(shè)備。90年代初，美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家先后推出了多種并聯(lián)機(jī)床商業(yè)化樣機(jī)，引起了世界制造業(yè)的轟動(dòng)，被譽(yù)為"機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大革命"、"21世紀(jì)的新一代數(shù)控加工設(shè)備"[1,2]。

　　由于PMT推出時(shí)間較短，在并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)環(huán)境、研究手段、用戶認(rèn)同及相關(guān)支持等方面存在許多問題，制約著并聯(lián)機(jī)床的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)，無法適應(yīng)制造業(yè)的迅猛發(fā)展和并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)業(yè)化要求。針對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)境方面存在的問題，結(jié)合虛擬制造技術(shù)，本文提出并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并初步給出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想和基本結(jié)構(gòu)。

　　1 并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)的研究和發(fā)展

　　1.1并聯(lián)機(jī)床的多樣化結(jié)構(gòu)

　　從并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式上，可將并聯(lián)機(jī)床分為內(nèi)副驅(qū)動(dòng)、外副驅(qū)動(dòng)及內(nèi)外副混合驅(qū)動(dòng)三大類；根據(jù)并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)的支鏈配置，可將并聯(lián)機(jī)床分為純并聯(lián)型、串并聯(lián)型、并串聯(lián)型三種；根據(jù)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)自由度的數(shù)目還可分為6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并聯(lián)機(jī)床等[3]。

　　以Stewart平臺(tái)為基本構(gòu)型的各類并聯(lián)機(jī)床，包括美國(guó)Giddings&Lewis公司的VARIAX數(shù)控機(jī)床[4]、英國(guó)Geodetic公司的Hexapods加工中心[1,5]、清華大學(xué)VAMT1Y型虛擬軸機(jī)床原型樣機(jī)及美國(guó)Ingersoll公司、俄羅斯Lapicjoint-stock公司并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)等均屬于內(nèi)副驅(qū)動(dòng)類；而日本豐田公司的豐田工機(jī)[6]，瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的六滑塊機(jī)床，韓國(guó)SENATE公司的ECLIPSE等則屬于外副驅(qū)動(dòng)類。標(biāo)準(zhǔn)的Stewart平臺(tái)即為純并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而采用2自由度主軸頭的Geodetic機(jī)床，即為典型的混聯(lián)結(jié)構(gòu)[1,5]。不同自由度的并聯(lián)機(jī)床也均有一些樣機(jī)或產(chǎn)品問世。

　　1.2并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)的理論研究

　　并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)除包括機(jī)床結(jié)構(gòu)形式的概念設(shè)計(jì)外，還包括運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，已經(jīng)取得了諸多有價(jià)值的研究成果。如，Raghavan得出Stewart平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解結(jié)論[7]，Innocenti[8]和Cheok[9]等人提出運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值解法；Gosselin[10]、Merlet[11]和Ji[12]的工作空間幾何解析法，黃田和汪勁松等人提出工作空間邊界變心球面族包絡(luò)面求交法[13]；基于各向同性條件（局部靈活度）、動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)能力、總體靈活度指標(biāo)的多種尺度綜合方法[14]；Nguyen[15]、Lee[16]、Liu[17]關(guān)于動(dòng)力學(xué)建模及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)構(gòu)造的理論結(jié)果，以及熊有倫[18]提出動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略；用不同方法建立的驅(qū)動(dòng)部件誤差與終端誤差之間的關(guān)系；多種運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、提高機(jī)床加工精度的方法等。這些研究成果為并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

　　另一方面，要求進(jìn)一步深入研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、并聯(lián)機(jī)床整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)和控制技術(shù)，以提高并聯(lián)機(jī)床作業(yè)能力和作業(yè)精度，充分發(fā)揮并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度重量比大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)布局靈活等優(yōu)點(diǎn)，使并聯(lián)機(jī)床成為傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的重要補(bǔ)充，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

　　1.3并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的問題

　　并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展除了在設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法等方面需要不斷深入研究外，在設(shè)計(jì)手段、設(shè)計(jì)環(huán)境等方面還存在下述問題：

　　(1)快速開發(fā)新型并聯(lián)機(jī)床的需求與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造方式的矛盾日趨多樣化的制造需求，將促進(jìn)人們不斷開發(fā)結(jié)構(gòu)多樣的新型并聯(lián)機(jī)床。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方式效率低、周期長(zhǎng)，難以適應(yīng)并聯(lián)機(jī)床的開發(fā)需要，同時(shí)帶來巨大的人力和物力的浪費(fèi)，制約了并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展。并行的集成數(shù)字化設(shè)計(jì)制造環(huán)境下的虛擬制造技術(shù)，將較好地解決這一矛盾。

　　(2)融合最新設(shè)計(jì)理論的需要與現(xiàn)行自由設(shè)計(jì)方式的矛盾并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)迫切需要不斷融合最新設(shè)計(jì)理論成果，以提高設(shè)計(jì)水平，改善機(jī)床作業(yè)能力和性能。但現(xiàn)有設(shè)計(jì)方式缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境，對(duì)設(shè)計(jì)理論成果的采用依賴于設(shè)計(jì)者個(gè)人，難以充分發(fā)揮新成果對(duì)整個(gè)并聯(lián)機(jī)床業(yè)的推動(dòng)作用。如果將最新研究成果融入統(tǒng)一的集成設(shè)計(jì)環(huán)境，則可較好地解決這一問題。

　　(3)設(shè)計(jì)自動(dòng)化一體化的需求與現(xiàn)有分散設(shè)計(jì)方式的矛盾并聯(lián)機(jī)床具有設(shè)計(jì)復(fù)雜、計(jì)算量大等特點(diǎn)，各種設(shè)計(jì)分析活動(dòng)必須采用計(jì)算機(jī)，且設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間相互影響。目前，各分散設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)軟件混雜不全，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間數(shù)據(jù)模型的映射和演變存在障礙，不能較好地支持概念設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)，不能保證設(shè)計(jì)工作的效率和正確性。顯然，設(shè)計(jì)一個(gè)能支持并聯(lián)機(jī)床所有設(shè)計(jì)活動(dòng)的一體化軟件集成環(huán)境很有必要[19]。

　　(4)計(jì)算機(jī)仿真分析功能與并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)非數(shù)字化的矛盾計(jì)算機(jī)仿真及分析能對(duì)并聯(lián)機(jī)床作業(yè)能力和作業(yè)性能的研究提供強(qiáng)有力支持，一些成熟的商業(yè)軟件可被采用。但目前并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)未能全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，給仿真分析帶來困難，不能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)對(duì)并聯(lián)機(jī)床研究的促進(jìn)作用。虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境將提供良好的解決方案。

　　(5)并聯(lián)機(jī)床的市場(chǎng)拓展需求與用戶對(duì)并聯(lián)機(jī)床不了解的矛盾并聯(lián)機(jī)床的潛在用戶對(duì)并聯(lián)機(jī)床的加工能力、作業(yè)性能缺乏了解，制約著并聯(lián)機(jī)床的應(yīng)用和推廣。虛擬制造技術(shù)提供的逼真的數(shù)字化樣機(jī)作業(yè)仿真演示，能較好地說服潛在用戶對(duì)并聯(lián)機(jī)床作出購(gòu)買決定。

　　2 并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)

　　2.1虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思想

　　虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)(VirtualProductDesignSystem,VPDS)是以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造系統(tǒng)，也稱為產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它提供集成、并行、多層次數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)境，從輸入產(chǎn)品構(gòu)思起，通過完成概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、性能分析和可制造性評(píng)估，得到產(chǎn)品樣機(jī)數(shù)字化模型，并設(shè)計(jì)該數(shù)字化產(chǎn)品樣機(jī)的工藝計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃，提供對(duì)虛擬產(chǎn)品的功能演示和性能測(cè)試環(huán)境。工程設(shè)計(jì)分析軟件廠商競(jìng)相提供虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境。由于并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)的特殊性，這些軟件均不能全面滿足并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)需求，但可作為并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的支撐平臺(tái)。

　　2.2并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的提出

　　利用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)所提供的集成、并行、數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，能較好地解決并聯(lián)機(jī)床研究中面臨的問題，促進(jìn)并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展。由此，我們提出了并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VirtualProductDesignSystemforParallelMachineTools，PMT-VPDS）。該系統(tǒng)可為設(shè)計(jì)者提供數(shù)字化的設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析、精度設(shè)計(jì)、可制造性分析、作業(yè)過程仿真與性能分析等分析平臺(tái)和設(shè)計(jì)平臺(tái)；為研究者提供并聯(lián)裝備設(shè)計(jì)方法研究、工作性能分析和作業(yè)工藝優(yōu)化研究的平臺(tái)；為用戶提供并聯(lián)機(jī)床或各種并聯(lián)裝備的作業(yè)過程、作業(yè)效果、作業(yè)能力、作業(yè)性能演示的平臺(tái)。即PMT-VPDS將同時(shí)滿足并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)者、研究者和用戶三方的需要。

　　2.3并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的作用

　　(1)促進(jìn)新型并聯(lián)機(jī)床開發(fā)，迎接市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)PMT-VPDS將專門提供對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)信息描述和構(gòu)型綜合活動(dòng)的支持，提供友善高效的概念設(shè)計(jì)環(huán)境和強(qiáng)大的組合設(shè)計(jì)工具，并平滑過渡到其后的各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)，使并聯(lián)機(jī)床的新構(gòu)思更易于形成實(shí)用的新產(chǎn)品，隨時(shí)根據(jù)需要投入生產(chǎn)。

　　(2)融合最新設(shè)計(jì)理論成果，提高設(shè)計(jì)水平PMT-VPDS支持并聯(lián)機(jī)床所有的設(shè)計(jì)活動(dòng)，其開放式體系結(jié)構(gòu)可以不斷吸收并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)和應(yīng)用的新成果，較好地推動(dòng)了并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品的開發(fā)。

　　(3)提供集成設(shè)計(jì)環(huán)境，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率在PMT-VPDS中，理順并聯(lián)機(jī)床各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和不同工程分析方法間的關(guān)聯(lián)機(jī)理，集成分散的設(shè)計(jì)活動(dòng)，并消除各軟件間模型和信息共享的障礙，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)的并行化、一體化和集成化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)-修改整體大循環(huán)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；建立一系列共享模型和信息數(shù)據(jù)庫，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，減少設(shè)計(jì)中的重復(fù)工作；針對(duì)并聯(lián)機(jī)床提供的專用分析設(shè)計(jì)模塊，也將大大提高設(shè)計(jì)效率。

　　(4)提供仿真分析環(huán)境，改善研究手段在PMT-VPDS的集成環(huán)境中，提供并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的數(shù)字化模型，利用豐富的計(jì)算機(jī)仿真和分析工具，對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行仿真、分析和處理，有助于對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行深入的工程分析和研究，尋找提高并聯(lián)機(jī)床作業(yè)能力、作業(yè)性能、作業(yè)效果的技術(shù)方案，驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)理論和方法的應(yīng)用效果。

　　(5)提供虛擬產(chǎn)品演示環(huán)境，促進(jìn)產(chǎn)品推廣利用PMT-VPDS的虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，向用戶提供機(jī)床作業(yè)能力、加工性能和加工效果的三維實(shí)感動(dòng)畫演示，讓用戶全面逼真地體驗(yàn)并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品的各方面特征，為潛在用戶決定購(gòu)買產(chǎn)品提供足夠的決策依據(jù)，也為用戶在使用過程中進(jìn)行數(shù)控程序的優(yōu)化，以及加工調(diào)試提供良好的仿真環(huán)境。