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

摘要：介紹了并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)(PMT-VPDS)的基本框架及其子系統(tǒng)功能。開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)構(gòu)建
 
    摘要：介紹了并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)(PMT-VPDS)的基本框架及其子系統(tǒng)功能。開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)構(gòu)建了項(xiàng)目管理體系、型譜庫(kù)、組件庫(kù)和零件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的基本功能。PMT-VPDS系統(tǒng)將為并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供一個(gè)集成的虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境縮短并聯(lián)機(jī)床的開(kāi)發(fā)周期。
    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。二十世紀(jì)九十年代，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、瑞典、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。并聯(lián)機(jī)床的問(wèn)世使機(jī)床行業(yè)取得了突破性進(jìn)展，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，其理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究尚不夠成熟，還有許多技術(shù)難題需要解決。此外，在研究手段、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、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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)及多種工具軟件，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)分散，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，以致一些最新的理論和技術(shù)成果難以迅速應(yīng)用，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成果不易積累。因此，迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的、集成的設(shè)計(jì)環(huán)境來(lái)解決上述問(wèn)題。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(kāi)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

       1. 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(kāi)發(fā)環(huán)境，提供包括并聯(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(guò)程仿真與性能分析等方面的分析和設(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)化的研究平臺(tái)；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、作業(yè)效果、作業(yè)能力、作業(yè)性能演示平臺(tái)。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、研究者和用戶三方的需要。
              并聯(lián)機(jī)床虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。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)、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、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)、井聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)體模型、子裝配體模型庫(kù)等)組成。 
              圖1 PMT-VPDS的基本框架
       2. 三個(gè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)
             1. 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。機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)包括構(gòu)型綜合和構(gòu)型選擇。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�礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到滿足機(jī)床需要的機(jī)構(gòu)參數(shù)。
             2. 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、帶公差的、可裝配數(shù)字化樣機(jī)的機(jī)床實(shí)體模型。
             3. 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，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，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(kāi)發(fā)

       1. 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境
              PMT-VPDS系統(tǒng)采用Unigraphics作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在利用Unigraphics自身功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用于并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的專用功能。
              Unigraphics的二次開(kāi)發(fā)工具使用了Visual C++ 6.0軟件。型譜庫(kù)、零件庫(kù)、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，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。
       2. 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。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(kāi)始設(shè)計(jì)一臺(tái)并聯(lián)機(jī)床時(shí)，都必須首先建立或打開(kāi)一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，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、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)文件、機(jī)構(gòu)實(shí)體模型、整機(jī)實(shí)體模型、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)文件、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。
              
              圖2 項(xiàng)目文件組成結(jié)構(gòu) 
              圖3 創(chuàng)途新項(xiàng)目功能對(duì)話框
              項(xiàng)目文件的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。各分支分別代表一個(gè)文件目錄名或文件名，各目錄下分別存放相應(yīng)的設(shè)計(jì)文件。
              系統(tǒng)可提供項(xiàng)日管理功能包括創(chuàng)建新項(xiàng)目打開(kāi)已有項(xiàng)目、修改項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求信息、查詢項(xiàng)目信息、刪除項(xiàng)目等。圖3為創(chuàng)建新項(xiàng)目操作中的一個(gè)功能對(duì)話框，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(kāi)已有項(xiàng)日功能可列出所有設(shè)計(jì)項(xiàng)目，從中選擇需要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目。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、整機(jī)設(shè)計(jì)信息整機(jī)作業(yè)仿真信自等。
       3. 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、機(jī)構(gòu)形式化描述、機(jī)構(gòu)實(shí)體模型、自由度及姿態(tài)實(shí)現(xiàn)能力、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化算法及程序、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；在進(jìn)行尺度綜合時(shí)，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，在進(jìn)行整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)時(shí)，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，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)，并盡可能決地應(yīng)用最新的理論研究成果。
       4. 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(kāi)發(fā)
              以型譜庫(kù)為基礎(chǔ)，開(kāi)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。設(shè)計(jì)者可從型潛庫(kù)中選擇已有構(gòu)型開(kāi)始設(shè)計(jì)，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(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)行新構(gòu)型的設(shè)計(jì)。
                 1. 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。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、運(yùn)動(dòng)副(或僅由零件)構(gòu)成的組合件，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)，包括滑塊滑軌類、伸縮腿、定長(zhǎng)桿等；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)，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、如刀頭刀架組件等。
                        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。
                        并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)原型的構(gòu)成如圖4所示。
                        
                        圖4 并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)原型的結(jié)構(gòu)組成
                        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。
                        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)。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。
                 2. 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。從組件庫(kù)中選擇適當(dāng)?shù)慕M件，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。如沒(méi)有滿足要求的合適組件，可從零件庫(kù)中選擇零件組成需要的組件。此外，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。
                        圖5為利用組件庫(kù)和零件庫(kù)設(shè)計(jì)的4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中使用的零件全部來(lái)自于組件庫(kù)和零件庫(kù)。
                        
                        圖5 使用組件庫(kù)和零件庫(kù)構(gòu)建的并聯(lián)機(jī)構(gòu)
                 3. 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，井進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析(如位移、力、速度、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)，可從系統(tǒng)提供的界面中直接選擇并調(diào)用(或打開(kāi)其它工具軟件選擇并運(yùn)行)運(yùn)動(dòng)學(xué)尺度綜合程序，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、集成的虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，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、工程設(shè)計(jì)、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。
    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(kāi)發(fā)完成．建立了項(xiàng)目管理體系，以型譜庫(kù)、組件庫(kù)、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)。