并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：介紹了并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)(PMT-VPDS)的基本框架及其子系統(tǒng)功能。開發(fā)了原型系統(tǒng)構(gòu)建
 
    摘要：介紹了并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)(PMT-VPDS)的基本框架及其子系統(tǒng)功能。開發(fā)了原型系統(tǒng)構(gòu)建了項目管理體系、型譜庫、組件庫和零件庫，實現(xiàn)了并聯(lián)機構(gòu)概念設(shè)計與運動學(xué)設(shè)計子系統(tǒng)的基本功能。PMT-VPDS系統(tǒng)將為并聯(lián)機床的設(shè)計開發(fā)提供一個集成的虛擬設(shè)計環(huán)境縮短并聯(lián)機床的開發(fā)周期。
    1 引言
    并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)也稱為虛(擬)軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，是并聯(lián)機器人技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)控機床技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的一種新型機床，它同時具有機床和機器人的諸多特性。二十世紀(jì)九十年代，美國、英國、德國、俄羅斯、瑞典、瑞士、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的有關(guān)研究機構(gòu)和機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)機床。并聯(lián)機床的問世使機床行業(yè)取得了突破性進展，引起了世界各國機床制造廠商和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注被譽為“機床結(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)機床出現(xiàn)至今只有不到十年的發(fā)展時間，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)計環(huán)境上也有待進一步完善與發(fā)展。并聯(lián)機床具有機構(gòu)型式多樣、運動學(xué)和動力學(xué)設(shè)計復(fù)雜、計算量大等特點，各種設(shè)計分析活動必須采用計算機及多種工具軟件，設(shè)計環(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)計周期長，設(shè)計成果不易積累。因此，迫切需要一個統(tǒng)一的、集成的設(shè)計環(huán)境來解決上述問題。并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)正是為滿足這一需求而提出并開發(fā)的。
    2 并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

       1. 系統(tǒng)基本框架
              并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)(Virtual Product Design System for Parallel Machine Tools，PMT-VPDS)將為設(shè)計者提供數(shù)字化的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，提供包括并聯(lián)機構(gòu)概念設(shè)計、運動學(xué)設(shè)計、整機設(shè)計、動力學(xué)分析、精度設(shè)計、可制造性分析、作業(yè)過程仿真與性能分析等方面的分析和設(shè)計平臺；為研究者提供并聯(lián)裝備設(shè)計方法研究、工作性能分析和作業(yè)工藝優(yōu)化的研究平臺；為用戶提供并聯(lián)機床或各種井聯(lián)類裝備的作業(yè)過程、作業(yè)效果、作業(yè)能力、作業(yè)性能演示平臺。簡言之，PMT-VPDS系統(tǒng)可同時滿足并聯(lián)機床的設(shè)計者、研究者和用戶三方的需要。
              并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。系統(tǒng)主要由三個設(shè)計平臺(機構(gòu)概念設(shè)計與運動學(xué)設(shè)計平臺、整機組合設(shè)計與動力學(xué)設(shè)計平臺和作業(yè)運動仿真與性能分析平臺少、系統(tǒng)界面(人機交互界面、計算機仿真和虛擬現(xiàn)實界面)和數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件(并聯(lián)機構(gòu)型譜庫、井聯(lián)機構(gòu)實體模型、子裝配體模型庫等)組成。 
              圖1 PMT-VPDS的基本框架
       2. 三個設(shè)計子系統(tǒng)
             1. 并聯(lián)機構(gòu)概念設(shè)計和運動學(xué)設(shè)計子系統(tǒng)
                    該子系統(tǒng)可提供并聯(lián)機構(gòu)概念設(shè)計和機構(gòu)運動學(xué)分析與設(shè)計的功能。機構(gòu)概念設(shè)計包括構(gòu)型綜合和構(gòu)型選擇。運動學(xué)分析和尺度綜合以并聯(lián)機構(gòu)型譜庫提供的設(shè)計算法和程序為基礎(chǔ)，進行優(yōu)化設(shè)計，可得到滿足機床需要的機構(gòu)參數(shù)。
             2. 整機組合設(shè)計與動力學(xué)設(shè)計子系統(tǒng)
                    該子系統(tǒng)可提供并聯(lián)機床整機輔助組合設(shè)計、動力學(xué)分析與設(shè)計及精度綜合功能最終可給出滿足設(shè)計要求的、帶公差的、可裝配數(shù)字化樣機的機床實體模型。
             3. 作業(yè)過程仿真與作業(yè)性能分析子系統(tǒng)
                    該子系統(tǒng)可提供并聯(lián)機床數(shù)字化樣機的機床作業(yè)過程仿真和工件切削成型仿真，并且進行機床作業(yè)的性能分析評價機床比能優(yōu)劣，獲得工藝優(yōu)化的相關(guān)信息。

    3 并聯(lián)機床虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)

       1. 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
              PMT-VPDS系統(tǒng)采用Unigraphics作為開發(fā)平臺，在利用Unigraphics自身功能的基礎(chǔ)上進一步開發(fā)適用于并聯(lián)機床設(shè)計開發(fā)的專用功能。
              Unigraphics的二次開發(fā)工具使用了Visual C++ 6.0軟件。型譜庫、零件庫、組件庫等數(shù)據(jù)庫中的數(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)時設(shè)置，用于存放PMT-VPDS系統(tǒng)的各種文件和信息。
       2. 設(shè)計項目管理
              為對設(shè)計過程進行有效管理．提出了設(shè)計項目的概念。設(shè)計一臺滿足一定設(shè)汁要求的并聯(lián)機床的整個過程可稱為一個設(shè)計項目。每次開始設(shè)計一臺并聯(lián)機床時，都必須首先建立或打開一個設(shè)計項目，與該并聯(lián)機床相關(guān)的各種設(shè)計信息(如設(shè)計要求信息、構(gòu)型信息、運動學(xué)設(shè)計相關(guān)文件、機構(gòu)實體模型、整機實體模型、動力學(xué)設(shè)計相關(guān)文件、精度設(shè)計相關(guān)文件等)均按項目進行管理和調(diào)用。
              
              圖2 項目文件組成結(jié)構(gòu) 
              圖3 創(chuàng)途新項目功能對話框
              項目文件的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。各分支分別代表一個文件目錄名或文件名，各目錄下分別存放相應(yīng)的設(shè)計文件。
              系統(tǒng)可提供項日管理功能包括創(chuàng)建新項目打開已有項目、修改項目設(shè)計需求信息、查詢項目信息、刪除項目等。圖3為創(chuàng)建新項目操作中的一個功能對話框，用于輸入需要的項目如運動能力驅(qū)動及速度要求等。打開已有項日功能可列出所有設(shè)計項目，從中選擇需要設(shè)計的項目。顯示項目信息功能可列出項目設(shè)計的相關(guān)信息，包括機構(gòu)選型信息、整機設(shè)計信息整機作業(yè)仿真信自等。
       3. 并聯(lián)機構(gòu)型譜庫
              型譜庫在PKM-VPDS系統(tǒng)中具有重要作用型譜庫用于存放各種成熟的并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型及相關(guān)的設(shè)計信息，包括機構(gòu)標(biāo)識名、機構(gòu)形式化描述、機構(gòu)實體模型、自由度及姿態(tài)實現(xiàn)能力、機構(gòu)運動學(xué)優(yōu)化算法及程序、機構(gòu)動力學(xué)設(shè)計等。在機構(gòu)設(shè)計平臺中進行構(gòu)型設(shè)計時．需根據(jù)各構(gòu)型的主要性能指標(biāo)從型譜庫中選擇構(gòu)型方案；在進行尺度綜合時，需從型譜庫中選擇己有機構(gòu)的設(shè)計算法和相應(yīng)程序進行優(yōu)化設(shè)計。此外，在進行整機動力學(xué)設(shè)計、精度設(shè)計時，同樣可將型譜庫中已有的機構(gòu)設(shè)計算法和相應(yīng)程序作為設(shè)計基礎(chǔ)。因此，型譜庫是對已有研究成果的積累和延續(xù)，可以為后續(xù)設(shè)計奠定良好的設(shè)計基礎(chǔ)，并盡可能決地應(yīng)用最新的理論研究成果。
       4. 并聯(lián)機構(gòu)概念設(shè)計與運動學(xué)設(shè)計平臺的原型開發(fā)
              以型譜庫為基礎(chǔ)，開發(fā)出并聯(lián)機構(gòu)概念設(shè)計與運動學(xué)設(shè)計平臺的原型。設(shè)計者可從型潛庫中選擇已有構(gòu)型開始設(shè)計，也可以利用以并聯(lián)機構(gòu)組件庫和零件庫為基礎(chǔ)的組合式開發(fā)環(huán)境，進行新構(gòu)型的設(shè)計。
                 1. 并聯(lián)機構(gòu)組件庫與零件庫
                        結(jié)構(gòu)形式的多樣性是并聯(lián)機床區(qū)別于傳統(tǒng)機床的顯著特點之一。不同的并聯(lián)機構(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。組件是指由多個零件、運動副(或僅由零件)構(gòu)成的組合件，并聯(lián)機構(gòu)組件庫則是與并聯(lián)機構(gòu)相關(guān)的組件集合。
                        并聯(lián)機床的機構(gòu)組件可分為三類：①支鏈類：指構(gòu)成并聯(lián)機構(gòu)基礎(chǔ)和動平臺間支鏈的結(jié)構(gòu)，包括滑塊滑軌類、伸縮腿、定長桿等；② 平合類：指構(gòu)成基礎(chǔ)平臺和動平臺的結(jié)構(gòu)，包括固定鉸鏈平臺和滑軌式平臺；③ 除以上兩類之外的其它組件、如刀頭刀架組件等。
                        并聯(lián)機構(gòu)零件是指構(gòu)成并聯(lián)機構(gòu)組件的基本零件，并聯(lián)機構(gòu)零件庫則是并聯(lián)機構(gòu)零件的集合。
                        并聯(lián)機床機構(gòu)原型的構(gòu)成如圖4所示。
                        
                        圖4 并聯(lián)機床機構(gòu)原型的結(jié)構(gòu)組成
                        系統(tǒng)提供了對組件庫和零件庫進行管理的功能。
                        并聯(lián)機構(gòu)的組件庫和零件庫均以參數(shù)化的形式進行存儲，可以修改設(shè)計參數(shù)。利用并聯(lián)機構(gòu)組件和零件能夠決速構(gòu)造并聯(lián)機床的機構(gòu)原型從而縮短并聯(lián)機床的概念樣機設(shè)計周期。
                 2. 并聯(lián)機構(gòu)組合設(shè)計與分析
                        以并聯(lián)機構(gòu)組件庫和零件庫為基礎(chǔ)，系統(tǒng)提供了組合設(shè)計的功能。從組件庫中選擇適當(dāng)?shù)慕M件，調(diào)整組件位置和參數(shù)，即可完成并聯(lián)機構(gòu)的實體模型建模。如沒有滿足要求的合適組件，可從零件庫中選擇零件組成需要的組件。此外，系統(tǒng)還提供機構(gòu)形式化描述自動分析功能．以字符串形式輸入機構(gòu)形式化描述．系統(tǒng)可自動選擇需要的建模組件。
                        圖5為利用組件庫和零件庫設(shè)計的4自由度并聯(lián)機構(gòu)，其中使用的零件全部來自于組件庫和零件庫。
                        
                        圖5 使用組件庫和零件庫構(gòu)建的并聯(lián)機構(gòu)
                 3. 其它功能
                        利用Unigraphics本身的功能可以進行并聯(lián)機構(gòu)的運動仿真，井進行運動學(xué)分析和動力學(xué)分析(如位移、力、速度、加速度分析等)。
                        對于存放在型譜庫中的已經(jīng)過運動學(xué)設(shè)計的并聯(lián)機構(gòu)，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行)運動學(xué)尺度綜合程序，優(yōu)化瀏幾構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。

    4 結(jié)語
    本文提出的并聯(lián)機床虛擬設(shè)計系統(tǒng)為并聯(lián)機床提供了統(tǒng)一的、集成的虛擬設(shè)計環(huán)境，可以縮短并聯(lián)機床的設(shè)計周期．綜合應(yīng)用并聯(lián)機床設(shè)計各方面的理論和方法，從而對并聯(lián)機床的理論研究、工程設(shè)計、推廣應(yīng)用起到一定的促進作用，推動并聯(lián)機床的產(chǎn)業(yè)化進程。
    系統(tǒng)的機構(gòu)概念設(shè)計與運動學(xué)設(shè)計平臺原型已基本開發(fā)完成．建立了項目管理體系，以型譜庫、組件庫、零件庫為基礎(chǔ)實現(xiàn)了井聯(lián)機床的機構(gòu)建模及分析．為后續(xù)進行整機設(shè)計和整機作業(yè)仿真及睦能分析奠定了基礎(chǔ)。