關鍵詞：並聯機床；虛擬軸機床；虛擬設計；虛擬製造
0 引言
並聯機床（Parallel Machine Tool,PMT）又稱並聯運動學機器（Parallel Kinematics Machines，PKMs）或虛（擬）軸機床（virtual axis machine tool），是基於空間並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後推出了多種並聯機床商業化樣機，引起了世界製造業的轟動，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] ?。?
由於PMT推出時間較短，在並聯機床設計方法、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，制約著並聯機床的研究、設計和開發，無法適應製造業的迅猛發展和並聯機床產業化要求。針對設計環境方面存在的問題，結合虛擬製造技術，本文提出並聯機床虛擬產品設計系統，並初步給出系統的總體設計思想和基本結構。?
1 並聯機床設計技術的研究和發展
1?1 並聯機床的多樣化結構
從並聯機構的驅動方式上，可將並聯機床分為內副驅動、外副驅動及內外副混合驅動三大類；根據並聯機床機構的支鏈配置，可將並聯機床分為純並聯型、串並聯型、並串聯型三種；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自由度並聯機床等??[3]?。?
以Stewart平台為基本構型的各類並聯機床，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Lapic joint-stock公司並聯機床樣機等均屬於內副驅動類；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SENA TE公司的ECLIPSE等則屬於外副驅動類。標準的Stewart平台即為純並聯結構，而採用2自由度主軸頭的Geodetic機床，即為典型的混聯結構??[1,5]?。不同自由度的並聯機床也均有一些樣機或產品問世。?
1?2 並聯機床設計的理論研究
並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平台運動學正解結論??[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]?；基於各向同性條件（局部靈活度）、動平台姿態能力、總體靈活度指標的多種尺度綜合方法??[14]?；Nguyen??[15]?、Lee??[16]?、Liu??[17]?關於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係；多種運動學標定、提高機床加工精度的方法等。這些研究成果為並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並聯機構運動學設計、並聯機床整機動力學設計、精度設計和控制技術，以提高並聯機床作業能力和作業精度，充分發揮並聯機構剛度重量比大、響應速度快、結構布局靈活等優點，使並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 並聯機床設計面臨的問題
並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)快速開發新型並聯機床的需求與傳統設計製造方式的矛盾 日趨多樣化的製造需求，將促進人們不斷開發結構多樣的新型並聯機床。傳統的設計製造方式效率低、周期長，難以適應並聯機床的開發需要，同時帶來巨大的人力和物力的浪費，制約了並聯機床的發展。并行的集成數字化設計製造環境下的虛擬製造技術，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 並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，對設計理論成果的採用依賴於設計者個人，難以充分發揮新成果對整個並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 並聯機床具有設計複雜、計算量大等特點，各種設計分析活動必須採用計算機，且設計環節間相互影響。目前，各分散設計環節的設計軟體混雜不全，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，設計一個能支持並聯機床所有設計活動的一體化軟體集成環境很有必要??[19]?。?
(4)計算機模擬分析功能與並聯機床設計非數字化的矛盾 計算機模擬及分析能對並聯機床作業能力和作業性能的研究提供強有力支持，一些成熟的商業軟體可被採用。但目前並聯機床設計未能全面實現數字化，給模擬分析帶來困難，不能充分發揮計算機對並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)並聯機床的市場拓展需求與用戶對並聯機床不了解的矛盾 並聯機床的潛在用戶對並聯機床的加工能力、作業性能缺乏了解，制約著並聯機床的應用和推廣。虛擬製造技術提供的逼真的數字化樣機作業模擬演示，能較好地說服潛在用戶對並聯機床作出購買決定。?
2 並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(Virtual Product Design System,VPDS)是以設計為中心的虛擬製造系統，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、性能分析和可製造性評估，得到產品樣機數字化模型，並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。工程設計分析軟體廠商競相提供虛擬產品設計環境。由於並聯機床設計的特殊性，這些軟體均不能全面滿足並聯機床的設計需求，但可作為並聯機床虛擬產品設計系統的支撐平台。?
2?2 並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，能較好地解決並聯機床研究中面臨的問題，促進並聯機床的發展。由此，我們提出了並聯機床虛擬產品設計系統（Virtual Product Design System for Parallel Machine Tools，PMT-VPDS）。該系統可為設計者提供數字化的設計開發環境，包括並聯機構概念設計、運動學設計、整機設計、動力學分析、精度設計、可製造性分析、作業過程模擬與性能分析等分析平台和設計平台；為研究者提供並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台；為用戶提供並聯機床或各種並聯裝備的作業過程、作業效果、作業能力、作業性能演示的平台。即PMT-VPDS將同時滿足並聯機床的設計者、研究者和用戶三方的需要。?
2?3 並聯機床虛擬產品設計系統的作用
(1)促進新型並聯機床開發，迎接市場競爭 PMT-VPDS將專門提供對並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，並平滑過渡到其後的各項設計活動，使並聯機床的新構思更易於形成實用的新產品，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支持並聯機床所有的設計活動，其開放式體系結構可以不斷吸收並聯機床設計和應用的新成果，較好地推動了並聯機床產品的開發。?
(3)提供集成設計環境，提高設計質量和效率 在PMT-VPDS中，理順並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，並消除各軟體間模型和信息共享的障礙，實現並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資料庫，簡化設計過程，減少設計中的重複工作；針對並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)提供模擬分析環境，改善研究手段 在PMT-VPDS的集成環境中，提供並聯機床產品整個生命周期中的數字化模型，利用豐富的計算機模擬和分析工具，對數字化模型進行模擬、分析和處理，有助於對並聯機構、並聯機床進行深入的工程分析和研究，尋找提高並聯機床作業能力、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模擬技術，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並聯機床產品的各方面特徵，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模擬環境。?
3 PMT-VPDS的基本框架與設計思想
3?1 系統體系結構
作為面向設計的虛擬製造系統，PMT-VPDS主要涉及設計過程、虛擬裝配過程及並聯機床虛擬產品的模擬運行過程，這些活動的實時性、併發性不強。系統將在成熟商用軟體的基礎上進行系統開發和集成，數據集成將是關鍵問題。?
我們根據本系統實時性、併發性不強的特點，在嚴雋琪等??[16]?提出的五層體系結構基礎上，將控制層併入界面層，活動層併入應用層，提出簡化的三層體系結構，即系統由界面層、應用層、數據層組成，如圖1所示。?
(1)界面層 該層提供統一的圖形人機交互界面。並聯機床產品的開發者、研究者、用戶可通過此界面進入本地或遠程的各平台，進行並聯機構分析與設計、並聯機床整機設計、虛擬產品作業演示和加工性能研究等。?
(2)應用層 該層由並聯機構運動學分析與設計平台、並聯機床整機組合設計與動力學分析平台、虛擬樣機作業過程模擬與性能分析平台三類平台組成，各平台採取分散式系統結構。三平台可并行工作，其併發控制依賴於數據共享管理。?
(3)數據層 數據層對產品開發過程中所有活動所需處理的靜態和動態設計數據、模型等進行管理，這些數據以分散式資料庫形式存放。
3?2 系統的設計思想
3?2?1 基礎平台?
根據該系統設計目標，分析並聯機床的設計過程，結合虛擬產品設計思想，確定系統的目標和規模，並將系統邏輯結構分為三部分：?
(1)並聯機構設計平台 完成機構概念設計和運動學設計，確定並聯機構構型和機構參數；?
(2)機床整機設計平台 完成機床整機結構設計、動力學設計和精度綜合，得出所有的零部件圖紙、裝配圖紙；?
(3)虛擬樣機模擬平台 對數字化樣機提供作業模擬和性能分析。?
3?2?2 型譜庫選型的概念設計方式?
由於並聯機床概念設計中構型綜合的複雜性，從頭進行構型綜合的概念設計方式，普通設計者可能難以完成設計任務。如果用專門軟體進行輔助型數綜合，或由機構學家研究得出實用構型，按並聯構型族類存入並聯機構型譜庫，並不斷積累，在概念設計時，只需直接從型譜庫中選取滿足機床運動性能要求的並聯構型，可簡化概念設計。此外，系統可提供並聯機構常見組件庫，採用組件組合設計提高構型綜合和建模效率。?
3?2?3 核心求解演算法結合型譜庫實現尺度綜合?
由於並聯機構構型種類繁多，不同機構有不同的運動學方程和尺度綜合目標函數，採用各自獨有演算法進行尺度綜合，將導致系統過分龐大。以一般性的求解演算法為核心，在機構型譜庫中提供各種機構的運動學方程和尺度綜合目標函數及其它有關信息，由核心演算法針對具體方程和函數求解，並完成尺度綜合，將使系統更加簡潔且易於實現。?
3?2?4 輔助組合設計方式實現數字化樣機設計?
並聯機床整機設計採取計算機輔助組合設計方式。建立並不斷擴充並聯機床詳細設計所需的子裝配體模型庫，提供輔助組合設計環境，根據機構設計平台提供的並聯機構模型，以設計人員的整機結構構思為指導，以動力學分析結果為依據，并行化分散式完成各機床結構件和輔助件的選擇和組合，形成可製造的機床整機數字化模型。?
3?2?5 全面模擬作業過程和作業動態效應?
用虛擬現實技術模擬數字化樣機作業過程，進行作業性能分析，向用戶全面展現虛擬產品具體的作業特性。切削類機床的作業模擬包括機床作業過程模擬和工件切削成型模擬，性能分析包括運動誤差預估、切削顫振效應分析、熱態效應分析、切削效果分析等。?
3?3 系統邏輯結構分析與基本框架的建立
根據上述設計思想進行系統分析，並建立系統的邏輯模型。圖3描述了系統各功能模塊、數據文件或資料庫及相互間的數據流動關係。?
在對系統進行邏輯結構分析的基礎上，結合系統的體系結構，確定PMT-VPDS的基本框架，如圖4所示。?
3?3?1 概念設計與運動學設計平台?
該平台提供並聯機構概念設計和機構運動學分析與設計的功能。機構概念設計包括構型綜合和構型選擇，構型綜合模塊由機構學家藉助設計平台提供專門軟體進行型數綜合，設計出實用的新構型，並將其實體模型、運動學方程及設計信息存入機構型譜庫中；構型選擇從輸入機構設計要求開始，由設計人員從機構型譜庫中選擇適用的並聯機構。運動學分析和尺度綜合利用型譜庫提供的運動學性能評價模型及設計平台提供的尺度綜合演算法，完成機構運動學尺度綜合，得出滿足設計要求的機構實體模型。?
3?3?2 整機組合設計與動力學設計平台?
該平台提供整機輔助組合設計、動力學分析與設計及精度綜合功能。整機輔助組合設計是以並聯機構實體模型為核心，以並聯機床子裝配體模型庫為基礎，運用計算機輔助組合設計工具進行整機的結構設計；動力學分析與設計部分利用設計平台提供的動力學分析工具，根據並聯機構型譜庫提供的動力學模型和動力學性能指標評價模型，完成機床整機動力學尺度綜合；精度綜合部分根據機床的作業精度要求，以各主要零部件公差對運動學誤差的影響規律為指導，結合製造成本評估完成公差的合理分配。該平台最終給出滿足設計要求的、帶公差的可裝配數字化樣機的機床實體模型。?
3?3?3 作業過程模擬與作業性能分析平台?
該平台支持並聯機床數字化樣機的作業模擬和性能分析。以整機設計平台設計出的可裝配數字化樣機實體模型為作業模擬和性能分析的模型，採用數字模擬和虛擬現實技術實現平台的模擬分析功能。其中，作業模擬包括機床作業過程模擬和工件切削成型模擬，並向用戶提供具有真實感的三維動畫圖像；性能分析包括運動誤差預估、切削顫振效應分析、熱態效應分析、切削效果分析及其它作業性能的模擬分析，並提供性能分析結論和工藝優化的具體信息。?
3?4 系統的設計要求
並聯機床虛擬產品設計系統的開發應努力達到下述要求：?
(1)完整性 應能全面支持並聯機床設計各環節，使設計者在系統提供的集成環境中完成所有的並聯機床設計工作。?
(2)多樣性 必須適用不同的並聯機構，型譜庫應包含儘可能多的並聯機構構型，設計平台應支持多種不同的設計分析方法。?
(3)可擴充性 應保證較好的可擴充性，能不斷對系統進行擴充，適應新的機構類型，吸取新的設計理論和設計方法，保持系統有較好的適應性和旺盛的生命力。?
(4)可操作性 要使系統提供的設計、研究和演示環境能真正發揮作用，必須保證系統良好的可操作性，讓使用者能通過明確的、可掌握的操作完成任務。?
(5)可驗證性 應利用計算機的模擬和分析功能，實現對複雜設計結果的正確性驗證，並採用較為清晰直觀的形式提供驗證結果，保證設計者能準確評價設計結果。?
(6)簡便性 系統應儘可能追求使用的簡便性，最大程度地提高設計和研究效率，使系統更好地發揮作用。
4 結束語
並聯機床虛擬產品設計系統是虛擬製造技術在並聯機床研究中應用的具體產物。它集中體現了以設計為中心的虛擬製造技術的先進思想，綜合實現了並聯機床設計各方面的理論和方法。該系統的研究將對並聯類機床以至各種並聯類裝備的理論研究、工程設計、推廣應用起到一定的促進作用，從而推動並聯機床的產業化進程。
