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)展起來的一種新型機(jī)床，它同時具有機(jī)床和機(jī)器人的諸多特性。二十世紀(jì)九十年代，美國、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(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)床的問世使機(jī)床行業(yè)取得了突破性進(jìn)展，引起了世界各國機(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)動學(xué)和動力學(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，設(shè)計(jì)成果不易積累。因此，迫切需要一個統(tǒng)一的、集成的設(shè)計(jì)環(huán)境來解決上述問題。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，提供包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)、動力學(xué)分析、精度設(shè)計(jì)、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(jì)平臺；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；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(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。系統(tǒng)主要由三個設(shè)計(jì)平臺     (機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)平臺、整機(jī)組合設(shè)計(jì)與動力學(xué)設(shè)計(jì)平臺和作業(yè)運(yùn)動仿真與性能分析平臺少、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)庫或數(shù)據(jù)文件(并聯(lián)機(jī)構(gòu)型譜庫、井聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)體模型、子裝配體模型庫等)組成。 
    三個設(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)動學(xué)分析和尺度綜合以并聯(lián)機(jī)構(gòu)型譜庫提供的設(shè)計(jì)算法和程序?yàn)榛A(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到滿足機(jī)床需要的機(jī)構(gòu)參數(shù)。 

    整機(jī)組合設(shè)計(jì)與動力學(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。 

    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(jī)床數(shù)字化樣機(jī)的機(jī)床作業(yè)過程仿真和工件切削成型仿真，并且進(jìn)行機(jī)床作業(yè)的性能分析評價機(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，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。 

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。

    設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理 
    為對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行有效管理．提出了設(shè)計(jì)項(xiàng)目的概念。設(shè)計(jì)一臺滿足一定設(shè)汁要求的并聯(lián)機(jī)床的整個過程可稱為一個設(shè)計(jì)項(xiàng)目。每次開始設(shè)計(jì)一臺并聯(lián)機(jī)床時，都必須首先建立或打開一個設(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。

    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、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。創(chuàng)建新項(xiàng)目操作中的一個功能對話框，用于輸入需要的項(xiàng)目如運(yùn)動能力驅(qū)動及速度要求等。打開已有項(xiàng)日功能可列出所有設(shè)計(jì)項(xiàng)目，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。 

    并聯(lián)機(jī)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(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)動學(xué)優(yōu)化算法及程序、機(jī)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計(jì)等。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺中進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)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(jìn)行尺度綜合時，需從型譜庫中選擇己有機(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)動力學(xué)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)時，同樣可將型譜庫中已有的機(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，型譜庫是對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。
 
    并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)平臺的原型開發(fā) 
    以型譜庫為基礎(chǔ)，開發(fā)出并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)平臺的原型。設(shè)計(jì)者可從型潛庫中選擇已有構(gòu)型開始設(shè)計(jì)，也可以利用以并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫和零件庫為基礎(chǔ)的組合式開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行新構(gòu)型的設(shè)計(jì)。 

    并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫與零件庫 
    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。組件是指由多個零件、運(yùn)動副(或僅由零件)構(gòu)成的組合件，并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫則是與并聯(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(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)零件庫則是并聯(lián)機(jī)構(gòu)零件的集合。 

    系統(tǒng)提供了對組件庫和零件庫進(jìn)行管理的功能。 

    并聯(lián)機(jī)構(gòu)的組件庫和零件庫均以參數(shù)化的形式進(jìn)行存儲，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。 

    并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)與分析 
    以并聯(lián)機(jī)構(gòu)組件庫和零件庫為基礎(chǔ)，系統(tǒng)提供了組合設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的實(shí)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(jī)構(gòu)形式化描述自動分析功能．以字符串形式輸入機(jī)構(gòu)形式化描述．系統(tǒng)可自動選擇需要的建模組件。 

    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)動仿真，井進(jìn)行運(yùn)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(yùn)動學(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(或打開其它工具軟件選擇并運(yùn)行)運(yùn)動學(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
    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)動學(xué)設(shè)計(jì)平臺原型已基本開發(fā)完成．建立了項(xiàng)目管理體系，以型譜庫、組件庫、零件庫為基礎(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)。