并联机床虚拟产品设计系统及基本框架研究
0 引言
并联机床（ParallelMachineTool,PMT）又称并联运动学机器（ParallelKinematicsMachines，PKMs）或虚（拟）轴机床（virtualaxismachinetool），是基于空间并联机构的新型数控加工设备。90年代初，美国等工业发达国家先后推出了多种并联机床商业化样机，引起了世界制造业的轰动，被誉为"机床结构的重大革命"、"21世纪的新一代数控加工设备"[1,2]。
由于PMT推出时间较短，在并联机床设计方法、设计理论、设计环境、研究手段、用户认同及相关支持等方面存在许多问题，制约着并联机床的研究、设计和开发，无法适应制造业的迅猛发展和并联机床产业化要求。针对设计环境方面存在的问题，结合虚拟制造技术，本文提出并联机床虚拟产品设计系统，并初步给出系统的总体设计思想和基本结构。
1 并联机床设计技术的研究和发展
1.1并联机床的多样化结构
从并联机构的驱动方式上，可将并联机床分为内副驱动、外副驱动及内外副混合驱动三大类；根据并联机床机构的支链配置，可将并联机床分为纯并联型、串并联型、并串联型三种；根据末端执行器运动自由度的数目还可分为6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并联机床等[3]。
以Stewart平台为基本构型的各类并联机床，包括美国Giddings&Lewis公司的VARIAX数控机床[4]、英国Geodetic公司的Hexapods加工中心[1,5]、清华大学VAMT1Y型虚拟轴机床原型样机及美国Ingersoll公司、俄罗斯Lapicjoint-stock公司并联机床样机等均属于内副驱动类；而日本丰田公司的丰田工机[6]，瑞士苏黎世联邦工业大学的六滑块机床，韩国SENATE公司的ECLIPSE等则属于外副驱动类。标准的Stewart平台即为纯并联结构，而采用2自由度主轴头的Geodetic机床，即为典型的混联结构[1,5]。不同自由度的并联机床也均有一些样机或产品问世。
1.2并联机床设计的理论研究
并联机床的设计除包括机床结构形式的概念设计外，还包括运动学设计、动力学设计、精度设计、数控系统设计等方面，已经取得了诸多有价值的研究成果。如，Raghavan得出Stewart平台运动学正解结论[7]，Innocenti[8]和Cheok[9]等人提出运动学数值解法；Gosselin[10]、Merlet[11]和Ji[12]的工作空间几何解析法，黄田和汪劲松等人提出工作空间边界变心球面族包络面求交法[13]；基于各向同性条件（局部灵活度）、动平台姿态能力、总体灵活度指标的多种尺度综合方法[14]；Nguyen[15]、Lee[16]、Liu[17]关于动力学建模及动态性能指标构造的理论结果，以及熊有伦[18]提出动力学优化设计策略；用不同方法建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。这些研究成果为并联机床的设计和应用奠定了理论基础。
另一方面，要求进一步深入研究并联机构运动学设计、并联机床整机动力学设计、精度设计和控制技术，以提高并联机床作业能力和作业精度，充分发挥并联机构刚度重量比大、响应速度快、结构布局灵活等优点，使并联机床成为传统数控机床的重要补充，具有市场竞争实力。
1.3并联机床设计面临的问题
并联机床的发展除了在设计理论、设计方法等方面需要不断深入研究外，在设计手段、设计环境等方面还存在下述问题：
(1)快速开发新型并联机床的需求与传统设计制造方式的矛盾日趋多样化的制造需求，将促进人们不断开发结构多样的新型并联机床。传统的设计制造方式效率低、周期长，难以适应并联机床的开发需要，同时带来巨大的人力和物力的浪费，制约了并联机床的发展。并行的集成数字化设计制造环境下的虚拟制造技术，将较好地解决这一矛盾。
(2)融合最新设计理论的需要与现行自由设计方式的矛盾并联机床的设计迫切需要不断融合最新设计理论成果，以提高设计水平，改善机床作业能力和性能。但现有设计方式缺乏统一的设计环境，对设计理论成果的采用依赖于设计者个人，难以充分发挥新成果对整个并联机床业的推动作用。如果将最新研究成果融入统一的集成设计环境，则可较好地解决这一问题。
(3)设计自动化一体化的需求与现有分散设计方式的矛盾并联机床具有设计复杂、计算量大等特点，各种设计分析活动必须采用计算机，且设计环节间相互影响。目前，各分散设计环节的设计软件混杂不全，设计环节间数据模型的映射和演变存在障碍，不能较好地支持概念设计到整机设计的所有环节，不能保证设计工作的效率和正确性。显然，设计一个能支持并联机床所有设计活动的一体化软件集成环境很有必要[19]。
(4)计算机仿真分析功能与并联机床设计非数字化的矛盾计算机仿真及分析能对并联机床作业能力和作业性能的研究提供强有力支持，一些成熟的商业软件可被采用。但目前并联机床设计未能全面实现数字化，给仿真分析带来困难，不能充分发挥计算机对并联机床研究的促进作用。虚拟产品设计环境将提供良好的解决方案。
(5)并联机床的市场拓展需求与用户对并联机床不了解的矛盾并联机床的潜在用户对并联机床的加工能力、作业性能缺乏了解，制约着并联机床的应用和推广。虚拟制造技术提供的逼真的数字化样机作业仿真演示，能较好地说服潜在用户对并联机床作出购买决定。
2 并联机床虚拟产品设计系统
2.1虚拟产品设计的思想
虚拟产品设计系统(VirtualProductDesignSystem,VPDS)是以设计为中心的虚拟制造系统，也称为产品数字化设计系统。它提供集成、并行、多层次数字化设计环境，从输入产品构思起，通过完成概念设计、详细设计、性能分析和可制造性评估，得到产品样机数字化模型，并设计该数字化产品样机的工艺计划和生产计划，提供对虚拟产品的功能演示和性能测试环境。工程设计分析软件厂商竞相提供虚拟产品设计环境。由于并联机床设计的特殊性，这些软件均不能全面满足并联机床的设计需求，但可作为并联机床虚拟产品设计系统的支撑平台。
2.2并联机床虚拟产品设计系统的提出
利用虚拟产品设计系统所提供的集成、并行、数字化产品开发环境，能较好地解决并联机床研究中面临的问题，促进并联机床的发展。由此，我们提出了并联机床虚拟产品设计系统（VirtualProductDesignSystemforParallelMachineTools，PMT-VPDS）。该系统可为设计者提供数字化的设计开发环境，包括并联机构概念设计、运动学设计、整机设计、动力学分析、精度设计、可制造性分析、作业过程仿真与性能分析等分析平台和设计平台；为研究者提供并联装备设计方法研究、工作性能分析和作业工艺优化研究的平台；为用户提供并联机床或各种并联装备的作业过程、作业效果、作业能力、作业性能演示的平台。即PMT-VPDS将同时满足并联机床的设计者、研究者和用户三方的需要。
2.3并联机床虚拟产品设计系统的作用
(1)促进新型并联机床开发，迎接市场竞争PMT-VPDS将专门提供对并联机构结构信息描述和构型综合活动的支持，提供友善高效的概念设计环境和强大的组合设计工具，并平滑过渡到其后的各项设计活动，使并联机床的新构思更易于形成实用的新产品，随时根据需要投入生产。
(2)融合最新设计理论成果，提高设计水平PMT-VPDS支持并联机床所有的设计活动，其开放式体系结构可以不断吸收并联机床设计和应用的新成果，较好地推动了并联机床产品的开发。
(3)提供集成设计环境，提高设计质量和效率在PMT-VPDS中，理顺并联机床各设计环节和不同工程分析方法间的关联机理，集成分散的设计活动，并消除各软件间模型和信息共享的障碍，实现并联机床设计的并行化、一体化和集成化，实现设计-评价-修改整体大循环，从而优化设计过程，提高设计质量；建立一系列共享模型和信息数据库，简化设计过程，减少设计中的重复工作；针对并联机床提供的专用分析设计模块，也将大大提高设计效率。
(4)提供仿真分析环境，改善研究手段在PMT-VPDS的集成环境中，提供并联机床产品整个生命周期中的数字化模型，利用丰富的计算机仿真和分析工具，对数字化模型进行仿真、分析和处理，有助于对并联机构、并联机床进行深入的工程分析和研究，寻找提高并联机床作业能力、作业性能、作业效果的技术方案，验证新的设计理论和方法的应用效果。
(5)提供虚拟产品演示环境，促进产品推广利用PMT-VPDS的虚拟现实和计算机仿真技术，向用户提供机床作业能力、加工性能和加工效果的三维实感动画演示，让用户全面逼真地体验并联机床产品的各方面特征，为潜在用户决定购买产品提供足够的决策依据，也为用户在使用过程中进行数控程序的优化，以及加工调试提供良好的仿真环境。