1 引言

　　并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tools)也稱為虛(擬)軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tools)，是并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種新型機(jī)床，它同時(shí)具有機(jī)床和機(jī)器人的諸多特性谷誓。二十世紀(jì)九十年代，美國(guó)晃烟、英國(guó)蕾崔、德國(guó)、俄羅斯翠柄、瑞典氧蔼、瑞士、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和機(jī)床廠家紛紛推出具有不同結(jié)構(gòu)型式和功能特性的并聯(lián)機(jī)床皿完。并聯(lián)機(jī)床的問世使機(jī)床行業(yè)取得了突破性進(jìn)展夫蚜，引起了世界各國(guó)機(jī)床制造廠商和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注被譽(yù)為“機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大革命”, 21世紀(jì)的新一代數(shù)控加工裝備”。

　　并聯(lián)機(jī)床出現(xiàn)至今只有不到十年的發(fā)展時(shí)間狈馏，其理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究尚不夠成熟功刽，還有許多技術(shù)難題需要解決。此外缘说，在研究手段显午、設(shè)計(jì)環(huán)境上也有待進(jìn)一步完善與發(fā)展。并聯(lián)機(jī)床具有機(jī)構(gòu)型式多樣劣零、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜钟助、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)及多種工具軟件掏秩，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)分散或舞，且各環(huán)節(jié)間相互影響，數(shù)據(jù)模型的映射和演變存在障礙蒙幻，以致一些最新的理論和技術(shù)成果難以迅速應(yīng)用嚷那，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成果不易積累杆煞。因此，迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的腐泻、集成的設(shè)計(jì)環(huán)境來(lái)解決上述問題决乎。并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)正是為滿足這一需求而提出并開發(fā)的。

　　2 并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

　　系統(tǒng)基本框架

　　并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Virtual Product Design System for Parallel Machine Tools，PMT-VPDS)將為設(shè)計(jì)者提供數(shù)字化的設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境构诚，提供包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)蚌斩、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)范嘱、動(dòng)力學(xué)分析送膳、精度設(shè)計(jì)、可制造性分析斤间、作業(yè)過(guò)程仿真與性能分析等方面的分析和設(shè)計(jì)平臺(tái)穆烹；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)化的研究平臺(tái)稿棚；為用戶提供并聯(lián)機(jī)床或各種井聯(lián)類裝備的作業(yè)過(guò)程败何、作業(yè)效果、作業(yè)能力采缎、作業(yè)性能演示平臺(tái)诺骏。簡(jiǎn)言之，PMT-VPDS系統(tǒng)可同時(shí)滿足并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)者敌菩、研究者和用戶三方的需要基恩。
并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本框架。系統(tǒng)主要由三個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)(機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)疏拱、整機(jī)組合設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)和作業(yè)運(yùn)動(dòng)仿真與性能分析平臺(tái)少斤杏、系統(tǒng)界面(人機(jī)交互界面、計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)界面)和數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)文件(并聯(lián)機(jī)構(gòu)型譜庫(kù)柳卒、井聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)體模型笨扁、子裝配體模型庫(kù)等)組成。

　　三個(gè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

　　該子系統(tǒng)可提供并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與設(shè)計(jì)的功能列疗。機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)包括構(gòu)型綜合和構(gòu)型選擇滑蚯。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和尺度綜合以并聯(lián)機(jī)構(gòu)型譜庫(kù)提供的設(shè)計(jì)算法和程序?yàn)榛A(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)抵栈，可得到滿足機(jī)床需要的機(jī)構(gòu)參數(shù)告材。

　　整機(jī)組合設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

　該子系統(tǒng)可提供并聯(lián)機(jī)床整機(jī)輔助組合設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)及精度綜合功能最終可給出滿足設(shè)計(jì)要求的古劲、帶公差的斥赋、可裝配數(shù)字化樣機(jī)的機(jī)床實(shí)體模型。

　　作業(yè)過(guò)程仿真與作業(yè)性能分析子系統(tǒng)

　　該子系統(tǒng)可提供并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化樣機(jī)的機(jī)床作業(yè)過(guò)程仿真和工件切削成型仿真产艾，并且進(jìn)行機(jī)床作業(yè)的性能分析評(píng)價(jià)機(jī)床比能優(yōu)劣疤剑，獲得工藝優(yōu)化的相關(guān)信息。

　　3 并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)

　　系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

　　PMT-VPDS系統(tǒng)采用Unigraphics作為開發(fā)平臺(tái)闷堡，在利用Unigraphics自身功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)適用于并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)開發(fā)的專用功能隘膘。

　　Unigraphics的二次開發(fā)工具使用了Visual C++ 6.0軟件。型譜庫(kù)、零件庫(kù)弯菊、組件庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件形式存放于系統(tǒng)環(huán)境變量制定的目錄中昵乾，系統(tǒng)環(huán)境變量在安裝系統(tǒng)時(shí)設(shè)置，用于存放PMT-VPDS系統(tǒng)的各種文件和信息田蕴。

　　設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理

　　為對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行有效管理．提出了設(shè)計(jì)項(xiàng)目的概念歼取。設(shè)計(jì)一臺(tái)滿足一定設(shè)汁要求的并聯(lián)機(jī)床的整個(gè)過(guò)程可稱為一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。每次開始設(shè)計(jì)一臺(tái)并聯(lián)機(jī)床時(shí)负稚，都必須首先建立或打開一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目踱措，與該并聯(lián)機(jī)床相關(guān)的各種設(shè)計(jì)信息(如設(shè)計(jì)要求信息、構(gòu)型信息肃逐、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)文件缤纽、機(jī)構(gòu)實(shí)體模型、整機(jī)實(shí)體模型袄肩、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)文件讨绝、精度設(shè)計(jì)相關(guān)文件等)均按項(xiàng)目進(jìn)行管理和調(diào)用。

　　系統(tǒng)可提供項(xiàng)日管理功能包括創(chuàng)建新項(xiàng)目打開已有項(xiàng)目再副、修改項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求信息脸学、查詢項(xiàng)目信息、刪除項(xiàng)目等躬拢。創(chuàng)建新項(xiàng)目操作中的一個(gè)功能對(duì)話框躲履，用于輸入需要的項(xiàng)目如運(yùn)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)及速度要求等。打開已有項(xiàng)日功能可列出所有設(shè)計(jì)項(xiàng)目聊闯，從中選擇需要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目工猜。顯示項(xiàng)目信息功能可列出項(xiàng)目設(shè)計(jì)的相關(guān)信息，包括機(jī)構(gòu)選型信息菱蔬、整機(jī)設(shè)計(jì)信息整機(jī)作業(yè)仿真信自等篷帅。

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)型譜庫(kù)

　　型譜庫(kù)在PKM-VPDS系統(tǒng)中具有重要作用型譜庫(kù)用于存放各種成熟的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型及相關(guān)的設(shè)計(jì)信息，包括機(jī)構(gòu)標(biāo)識(shí)名拴泌、機(jī)構(gòu)形式化描述魏身、機(jī)構(gòu)實(shí)體模型、自由度及姿態(tài)實(shí)現(xiàn)能力蚪腐、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化算法及程序箭昵、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)中進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)．需根據(jù)各構(gòu)型的主要性能指標(biāo)從型譜庫(kù)中選擇構(gòu)型方案回季；在進(jìn)行尺度綜合時(shí)家制，需從型譜庫(kù)中選擇己有機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)算法和相應(yīng)程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外泡一，在進(jìn)行整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)裕消、精度設(shè)計(jì)時(shí)蟋扩，同樣可將型譜庫(kù)中已有的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)算法和相應(yīng)程序作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此乃屈，型譜庫(kù)是對(duì)已有研究成果的積累和延續(xù)，可以為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)常苍，并盡可能決地應(yīng)用最新的理論研究成果兼英。

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)的原型開發(fā)

　　以型譜庫(kù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)的原型鸵丸。設(shè)計(jì)者可從型潛庫(kù)中選擇已有構(gòu)型開始設(shè)計(jì)喳牌，也可以利用以并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫(kù)和零件庫(kù)為基礎(chǔ)的組合式開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行新構(gòu)型的設(shè)計(jì)贪焊。

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫(kù)與零件庫(kù)

　　結(jié)構(gòu)形式的多樣性是并聯(lián)機(jī)床區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)床的顯著特點(diǎn)之一玲院。不同的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以由數(shù)目一定的相同組件按照不同的拓?fù)潢P(guān)系組合而成。組件是指由多個(gè)零件惦肴、運(yùn)動(dòng)副(或僅由零件)構(gòu)成的組合件淡早，并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫(kù)則是與并聯(lián)機(jī)構(gòu)相關(guān)的組件集合。

　　并聯(lián)機(jī)床的機(jī)構(gòu)組件可分為三類：①支鏈類：指構(gòu)成并聯(lián)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)和動(dòng)平臺(tái)間支鏈的結(jié)構(gòu)耳标，包括滑塊滑軌類醇坝、伸縮腿、定長(zhǎng)桿等次坡；② 平合類：指構(gòu)成基礎(chǔ)平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)呼猪，包括固定鉸鏈平臺(tái)和滑軌式平臺(tái)；③ 除以上兩類之外的其它組件砸琅、如刀頭刀架組件等宋距。

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)零件是指構(gòu)成并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件的基本零件，并聯(lián)機(jī)構(gòu)零件庫(kù)則是并聯(lián)機(jī)構(gòu)零件的集合症脂。

　　系統(tǒng)提供了對(duì)組件庫(kù)和零件庫(kù)進(jìn)行管理的功能谚赎。

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)的組件庫(kù)和零件庫(kù)均以參數(shù)化的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，可以修改設(shè)計(jì)參數(shù)摊腋。利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件和零件能夠決速構(gòu)造并聯(lián)機(jī)床的機(jī)構(gòu)原型從而縮短并聯(lián)機(jī)床的概念樣機(jī)設(shè)計(jì)周期沸版。

　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)與分析

　　以并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫(kù)和零件庫(kù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)提供了組合設(shè)計(jì)的功能兴蒸。從組件庫(kù)中選擇適當(dāng)?shù)慕M件视粮，調(diào)整組件位置和參數(shù)，即可完成并聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型建模间歌。如沒有滿足要求的合適組件胃磷，可從零件庫(kù)中選擇零件組成需要的組件。此外鹅址，系統(tǒng)還提供機(jī)構(gòu)形式化描述自動(dòng)分析功能．以字符串形式輸入機(jī)構(gòu)形式化描述．系統(tǒng)可自動(dòng)選擇需要的建模組件裤困。

　　其它功能

　　利用Unigraphics本身的功能可以進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真多蜕，井進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析(如位移、力巡雄、速度嘀回、加速度分析等)。

　　對(duì)于存放在型譜庫(kù)中的已經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)夹宏，可從系統(tǒng)提供的界面中直接選擇并調(diào)用(或打開其它工具軟件選擇并運(yùn)行)運(yùn)動(dòng)學(xué)尺度綜合程序蜜裸，優(yōu)化瀏幾構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文提出的并聯(lián)機(jī)床虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)為并聯(lián)機(jī)床提供了統(tǒng)一的檩耕、集成的虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境沧气，可以縮短并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)周期．綜合應(yīng)用并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)各方面的理論和方法，從而對(duì)并聯(lián)機(jī)床的理論研究蜒鸣、工程設(shè)計(jì)牍懂、推廣應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用，推動(dòng)并聯(lián)機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程绸罗。

　　系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)原型已基本開發(fā)完成．建立了項(xiàng)目管理體系意推，以型譜庫(kù)、組件庫(kù)从诲、零件庫(kù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了井聯(lián)機(jī)床的機(jī)構(gòu)建模及分析．為后續(xù)進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)和整機(jī)作業(yè)仿真及睦能分析奠定了基礎(chǔ)左痢。

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