并聯機床虛擬產品設計系統及基本框架研究
0 引言
并聯機床（ParallelMachineTool,PMT）又稱并聯運動學機器（ParallelKinematicsMachines，PKMs）或虛（擬）軸機床（virtualaxismachinetool），是基于空間并聯機構的新型數控加工設備。90年代初，美國等工業發達國家先后推出了多種并聯機床商業化樣機，引起了世界制造業的轟動，被譽為"機床結構的重大革命"、"21世紀的新一代數控加工設備"[1,2]。
由于PMT推出時間較短，在并聯機床設計方法、設計理論、設計環境、研究手段、用戶認同及相關支持等方面存在許多問題，制約著并聯機床的研究、設計和開發，無法適應制造業的迅猛發展和并聯機床產業化要求。針對設計環境方面存在的問題，結合虛擬制造技術，本文提出并聯機床虛擬產品設計系統，并初步給出系統的總體設計思想和基本結構。
1 并聯機床設計技術的研究和發展
1.1并聯機床的多樣化結構
從并聯機構的驅動方式上，可將并聯機床分為內副驅動、外副驅動及內外副混合驅動三大類；根據并聯機床機構的支鏈配置，可將并聯機床分為純并聯型、串并聯型、并串聯型三種；根據末端執行器運動自由度的數目還可分為6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并聯機床等[3]。
以Stewart平臺為基本構型的各類并聯機床，包括美國Giddings&Lewis公司的VARIAX數控機床[4]、英國Geodetic公司的Hexapods加工中心[1,5]、清華大學VAMT1Y型虛擬軸機床原型樣機及美國Ingersoll公司、俄羅斯Lapicjoint-stock公司并聯機床樣機等均屬于內副驅動類；而日本豐田公司的豐田工機[6]，瑞士蘇黎世聯邦工業大學的六滑塊機床，韓國SENATE公司的ECLIPSE等則屬于外副驅動類。標準的Stewart平臺即為純并聯結構，而采用2自由度主軸頭的Geodetic機床，即為典型的混聯結構[1,5]。不同自由度的并聯機床也均有一些樣機或產品問世。
1.2并聯機床設計的理論研究
并聯機床的設計除包括機床結構形式的概念設計外，還包括運動學設計、動力學設計、精度設計、數控系統設計等方面，已經取得了諸多有價值的研究成果。如，Raghavan得出Stewart平臺運動學正解結論[7]，Innocenti[8]和Cheok[9]等人提出運動學數值解法；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面求交法[13]；基于各向同性條件（局部靈活度）、動平臺姿態能力、總體靈活度指標的多種尺度綜合方法[14]；Nguyen[15]、Lee[16]、Liu[17]關于動力學建模及動態性能指標構造的理論結果，以及熊有倫[18]提出動力學優化設計策略；用不同方法建立的驅動部件誤差與終端誤差之間的關系；多種運動學標定、提高機床加工精度的方法等。這些研究成果為并聯機床的設計和應用奠定了理論基礎。
另一方面，要求進一步深入研究并聯機構運動學設計、并聯機床整機動力學設計、精度設計和控制技術，以提高并聯機床作業能力和作業精度，充分發揮并聯機構剛度重量比大、響應速度快、結構布局靈活等優點，使并聯機床成為傳統數控機床的重要補充，具有市場競爭實力。
1.3并聯機床設計面臨的問題
并聯機床的發展除了在設計理論、設計方法等方面需要不斷深入研究外，在設計手段、設計環境等方面還存在下述問題：
(1)快速開發新型并聯機床的需求與傳統設計制造方式的矛盾日趨多樣化的制造需求，將促進人們不斷開發結構多樣的新型并聯機床。傳統的設計制造方式效率低、周期長，難以適應并聯機床的開發需要，同時帶來巨大的人力和物力的浪費，制約了并聯機床的發展。并行的集成數字化設計制造環境下的虛擬制造技術，將較好地解決這一矛盾。
(2)融合最新設計理論的需要與現行自由設計方式的矛盾并聯機床的設計迫切需要不斷融合最新設計理論成果，以提高設計水平，改善機床作業能力和性能。但現有設計方式缺乏統一的設計環境，對設計理論成果的采用依賴于設計者個人，難以充分發揮新成果對整個并聯機床業的推動作用。如果將最新研究成果融入統一的集成設計環境，則可較好地解決這一問題。
(3)設計自動化一體化的需求與現有分散設計方式的矛盾并聯機床具有設計復雜、計算量大等特點，各種設計分析活動必須采用計算機，且設計環節間相互影響。目前，各分散設計環節的設計軟件混雜不全，設計環節間數據模型的映射和演變存在障礙，不能較好地支持概念設計到整機設計的所有環節，不能保證設計工作的效率和正確性。顯然，設計一個能支持并聯機床所有設計活動的一體化軟件集成環境很有必要[19]。
(4)計算機仿真分析功能與并聯機床設計非數字化的矛盾計算機仿真及分析能對并聯機床作業能力和作業性能的研究提供強有力支持，一些成熟的商業軟件可被采用。但目前并聯機床設計未能全面實現數字化，給仿真分析帶來困難，不能充分發揮計算機對并聯機床研究的促進作用。虛擬產品設計環境將提供良好的解決方案。
(5)并聯機床的市場拓展需求與用戶對并聯機床不了解的矛盾并聯機床的潛在用戶對并聯機床的加工能力、作業性能缺乏了解，制約著并聯機床的應用和推廣。虛擬制造技術提供的逼真的數字化樣機作業仿真演示，能較好地說服潛在用戶對并聯機床作出購買決定。
2 并聯機床虛擬產品設計系統
2.1虛擬產品設計的思想
虛擬產品設計系統(VirtualProductDesignSystem,VPDS)是以設計為中心的虛擬制造系統，也稱為產品數字化設計系統。它提供集成、并行、多層次數字化設計環境，從輸入產品構思起，通過完成概念設計、詳細設計、性能分析和可制造性評估，得到產品樣機數字化模型，并設計該數字化產品樣機的工藝計劃和生產計劃，提供對虛擬產品的功能演示和性能測試環境。工程設計分析軟件廠商競相提供虛擬產品設計環境。由于并聯機床設計的特殊性，這些軟件均不能全面滿足并聯機床的設計需求，但可作為并聯機床虛擬產品設計系統的支撐平臺。
2.2并聯機床虛擬產品設計系統的提出
利用虛擬產品設計系統所提供的集成、并行、數字化產品開發環境，能較好地解決并聯機床研究中面臨的問題，促進并聯機床的發展。由此，我們提出了并聯機床虛擬產品設計系統（VirtualProductDesignSystemforParallelMachineTools，PMT-VPDS）。該系統可為設計者提供數字化的設計開發環境，包括并聯機構概念設計、運動學設計、整機設計、動力學分析、精度設計、可制造性分析、作業過程仿真與性能分析等分析平臺和設計平臺；為研究者提供并聯裝備設計方法研究、工作性能分析和作業工藝優化研究的平臺；為用戶提供并聯機床或各種并聯裝備的作業過程、作業效果、作業能力、作業性能演示的平臺。即PMT-VPDS將同時滿足并聯機床的設計者、研究者和用戶三方的需要。
2.3并聯機床虛擬產品設計系統的作用
(1)促進新型并聯機床開發，迎接市場競爭PMT-VPDS將專門提供對并聯機構結構信息描述和構型綜合活動的支持，提供友善高效的概念設計環境和強大的組合設計工具，并平滑過渡到其后的各項設計活動，使并聯機床的新構思更易于形成實用的新產品，隨時根據需要投入生產。
(2)融合最新設計理論成果，提高設計水平PMT-VPDS支持并聯機床所有的設計活動，其開放式體系結構可以不斷吸收并聯機床設計和應用的新成果，較好地推動了并聯機床產品的開發。
(3)提供集成設計環境，提高設計質量和效率在PMT-VPDS中，理順并聯機床各設計環節和不同工程分析方法間的關聯機理，集成分散的設計活動，并消除各軟件間模型和信息共享的障礙，實現并聯機床設計的并行化、一體化和集成化，實現設計-評價-修改整體大循環，從而優化設計過程，提高設計質量；建立一系列共享模型和信息數據庫，簡化設計過程，減少設計中的重復工作；針對并聯機床提供的專用分析設計模塊，也將大大提高設計效率。
(4)提供仿真分析環境，改善研究手段在PMT-VPDS的集成環境中，提供并聯機床產品整個生命周期中的數字化模型，利用豐富的計算機仿真和分析工具，對數字化模型進行仿真、分析和處理，有助于對并聯機構、并聯機床進行深入的工程分析和研究，尋找提高并聯機床作業能力、作業性能、作業效果的技術方案，驗證新的設計理論和方法的應用效果。
(5)提供虛擬產品演示環境，促進產品推廣利用PMT-VPDS的虛擬現實和計算機仿真技術，向用戶提供機床作業能力、加工性能和加工效果的三維實感動畫演示，讓用戶全面逼真地體驗并聯機床產品的各方面特征，為潛在用戶決定購買產品提供足夠的決策依據，也為用戶在使用過程中進行數控程序的優化，以及加工調試提供良好的仿真環境。