并联机床虚拟产品设计系统及基本框架研究

作者：汪劲松 朱煜 张华

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 摘 要：在分析并联机床发展现状与设计环境所面临问题的基础上，结合虚拟制造技术，提出并联机床虚拟产品设计系统，分析了其工程应用价值，并初步构建了系统的框架结构。该系统框架包括机构概念设计与运动学设计、整机组合设计与动力学设计、作业过程仿真与作业性能分析三个平台，将为并联机床的设计者、研究者和用户提供良好的数字化集成环境。 关键词：并联机床；虚拟轴机床；虚拟设计；虚拟制造 并联机床（Parallel Machine Tool,PMT）又称并联运动学机器（Parallel Kinematics Machines，PKMs）或虚（拟）轴机床（virtual axis machine tool），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。 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Lapic joint-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SENA TE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(Virtual Product Design System,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（Virtual Product Design System for Parallel Machine Tools，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。 3 PMT-VPDS的基本框架与设计思想 3.1 系统体系结构 作为面向设计的虚拟制造系统，PMT-VPDS主要涉及设计过程、虚拟装配过程及并联机床虚拟产品的仿真运行过程，这些活动的实时性、并发性不强。系统将在成熟商用软件的基础上进行系统开发和集成，数据集成将是关键问题。 我们根据本系统实时性、并发性不强的特点，在严隽琪等[16]提出的五层体系结构基础上，将控制层并入界面层，活动层并入应用层，提出简化的三层体系结构，即系统由界面层、应用层、数据层组成，如图1所示。 (1)界面层 该层提供统一的图形人机交互界面。并联机床产品的开发者、研究者、用户可通过此界面进入本地或远程的各平台，进行并联机构分析与设计、并联机床整机设计、虚拟产品作业演示和加工性能研究等。 (2)应用层 该层由并联机构运动学分析与设计平台、并联机床整机组合设计与动力学分析平台、虚拟样机作业过程仿真与性能分析平台三类平台组成，各平台采取分布式系统结构。三平台可并行工作，其并发控制依赖于数据共享管理。 (3)数据层 数据层对产品开发过程中所有活动所需处理的静态和动态设计数据、模型等进行管理，这些数据以分布式数据库形式存放。 3.2 系统的设计思想 3.2.1 基础平台 根据该系统设计目标，分析并联机床的设计过程（如图2），结合虚拟产品设计思想，确定系统的目标和规模，并将系统逻辑结构分为三部分： (1)并联机构设计平台 完成机构概念设计和运动学设计，确定并联机构构型和机构参数； (2)机床整机设计平台 完成机床整机结构设计、动力学设计和精度综合，得出所有的零部件图纸、装配图纸； (3)虚拟样机仿真平台 对数字化样机提供作业仿真和性能分析。 3.2.2 型谱库选型的概念设计方式 由于并联机床概念设计中构型综合的复杂性，从头进行构型综合的概念设计方式，普通设计者可能难以完成设计任务。如果用专门软件进行辅助型数综合，或由机构学家研究得出实用构型，按并联构型族类存入并联机构型谱库，并不断积累，在概念设计时，只需直接从型谱库中选取满足机床运动性能要求的并联构型，可简化概念设计。此外，系统可提供并联机构常见组件库，采用组件组合设计提高构型综合和建模效率。 3.2.3 核心求解算法结合型谱库实现尺度综合 由于并联机构构型种类繁多，不同机构有不同的运动学方程和尺度综合目标函数，采用各自独有算法进行尺度综合，将导致系统过分庞大。以一般性的求解算法为核心，在机构型谱库中提供各种机构的运动学方程和尺度综合目标函数及其它有关信息，由核心算法针对具体方程和函数求解，并完成尺度综合，将使系统更加简洁且易于实现。 3.2.4 辅助组合设计方式实现数字化样机设计 并联机床整机设计采取计算机辅助组合设计方式。建立并不断扩充并联机床详细设计所需的子装配体模型库，提供辅助组合设计环境，根据机构设计平台提供的并联机构模型，以设计人员的整机结构构思为指导，以动力学分析结果为依据，并行化分布式完成各机床结构件和辅助件的选择和组合，形成可制造的机床整机数字化模型。 3.2.5 全面仿真作业过程和作业动态效应 用虚拟现实技术仿真数字化样机作业过程，进行作业性能分析，向用户全面展现虚拟产品具体的作业特性。切削类机床的作业仿真包括机床作业过程仿真和工件切削成型仿真，性能分析包括运动误差预估、切削颤振效应分析、热态效应分析、切削效果分析等。 3.3 系统逻辑结构分析与基本框架的建立 根据上述设计思想进行系统分析，并建立系统的逻辑模型。图3描述了系统各功能模块、数据文件或数据库及相互间的数据流动关系。 在对系统进行逻辑结构分析的基础上，结合系统的体系结构，确定PMT-VPDS的基本框架，如图4所示。 3.3.1 概念设计与运动学设计平台 该平台提供并联机构概念设计和机构运动学分析与设计的功能。机构概念设计包括构型综合和构型选择，构型综合模块由机构学家借助设计平台提供专门软件进行型数综合，设计出实用的新构型，并将其实体模型、运动学方程及设计信息存入机构型谱库中；构型选择从输入机构设计要求开始，由设计人员从机构型谱库中选择适用的并联机构。运动学分析和尺度综合利用型谱库提供的运动学性能评价模型及设计平台提供的尺度综合算法，完成机构运动学尺度综合，得出满足设计要求的机构实体模型。 3.3.2 整机组合设计与动力学设计平台 该平台提供整机辅助组合设计、动力学分析与设计及精度综合功能。整机辅助组合设计是以并联机构实体模型为核心，以并联机床子装配体模型库为基础，运用计算机辅助组合设计工具进行整机的结构设计；动力学分析与设计部分利用设计平台提供的动力学分析工具，根据并联机构型谱库提供的动力学模型和动力学性能指标评价模型，完成机床整机动力学尺度综合；精度综合部分根据机床的作业精度要求，以各主要零部件公差对运动学误差的影响规律为指导，结合制造成本评估完成公差的合理分配。该平台最终给出满足设计要求的、带公差的可装配数字化样机的机床实体模型。 3.3.3 作业过程仿真与作业性能分析平台 该平台支持并联机床数字化样机的作业仿真和性能分析。以整机设计平台设计出的可装配数字化样机实体模型为作业仿真和性能分析的模型，采用数字仿真和虚拟现实技术实现平台的仿真分析功能。其中，作业仿真包括机床作业过程仿真和工件切削成型仿真，并向用户提供具有真实感的三维动画图像；性能分析包括运动误差预估、切削颤振效应分析、热态效应分析、切削效果分析及其它作业性能的仿真分析，并提供性能分析结论和工艺优化的具体信息。 3.4 系统的设计要求 并联机床虚拟产品设计系统的开发应努力达到下述要求： (1)完整性 应能全面支持并联机床设计各环节，使设计者在系统提供的集成环境中完成所有的并联机床设计工作。 (2)多样性 必须适用不同的并联机构，型谱库应包含尽可能多的并联机构构型，设计平台应支持多种不同的设计分析方法。 (3)可扩充性 应保证较好的可扩充性，能不断对系统进行扩充，适应新的机构类型，吸取新的设计理论和设计方法，保持系统有较好的适应性和旺盛的生命力。 (4)可操作性 要使系统提供的设计、研究和演示环境能真正发挥作用，必须保证系统良好的可操作性，让使用者能通过明确的、可掌握的操作完成任务。 (5)可验证性 应利用计算机的仿真和分析功能，实现对复杂设计结果的正确性验证，并采用较为清晰直观的形式提供验证结果，保证设计者能准确评价设计结果。 (6)简便性 系统应尽可能追求使用的简便性，最大程度地提高设计和研究效率，使系统更好地发挥作用。 4 结束语 并联机床虚拟产品设计系统是虚拟制造技术在并联机床研究中应用的具体产物。它集中体现了以设计为中心的虚拟制造技术的先进思想，综合实现了并联机床设计各方面的理论和方法。该系统的研究将对并联类机床以至各种并联类装备的理论研究、工程设计、推广应用起到一定的促进作用，从而推动并联机床的产业化进程。 参考文献： ［1］ 晓 林。“六条腿”机床技术在英国机床公司的新进展［J］.世界制造技术与装备市场,1997,(2):87-88. ［2］ 李 迎，龚光容，等。虚拟轴机床的应用研究与发展趋势［J］.机械设计与制造工程,1999,5(3):2-4. ［3］ 汪劲松，黄 田。并联机床—机床行业面临的机遇与挑战［J］.中国机械工程,1999,10(10):1103-1107. ［4］ 言川宣。机床结构的重大创新—VARIAX机床问世［J］.世界制造技术与装备市场,1995,(1):16-17. ［5］ WARNECKE H J,et al.Development of hexapod based machine tool［J］.Annals of the CIRP,1998, 47(1):337-340. ［6］ 徐鸿根.丰田工机开发出并行联杆型机床［J］.世界制造技术与装备市场,1997,(2):69-70. ［7］ RAGHAVAN M.The stewart platform of general geometry has 40 configurations［J］.ASME Journal. Mechanical Design.1993,115(2): 277-281. ［8］INNOCENTI C,PARAENI-CASTELLI V.Forward kinematics of the general 6-6 fully parallel mechanism:an executive numerical approach via a mono dimension search algorithm［A］. Proc. of ASME 22nd Biennial Mechanism Conference［C］.1992, DE-45: 545-553. ［9］CHEOK K C,OVERHOLT J L,BECK R R.Exact methods for determining the kinematics of a stewart platform using additional displacement sensors［J］.Journal. of Robotic Systems,1993, 10(5):689-695. ［10］GOSSELIN C.Determination of the workspace of 6-DOF parallel manipulators［J］.ASME Journal. Mechanisms, Transmission and Automation in Design,1990, 112(3):331-336. ［11］MERLET J P,GOSSELIN C. Workspace of planar parallel manipulators［J］.Mech and Mach Theory, 1998,33(1):7-20. ［12］JI Z.Workspace analysis of stewart platforms via vertex space［J］.Journal. of Robotic Systems,1994, 11(7):631-638. ［13］黄田,汪劲松,WHITEHOUSE D J. Stewart并联机器人位置空间解析［J］.中国科学(E辑),1998,28(2):137-145. ［14］HUANG T, WHITEHOUSE D J,WANG J S.Local dexterity,optimum architecture and design criteria of parallel machine tools［J］.CIRP Annals,1998,47(1):347-351. ［15］NGUYEN C C,POORAN F.Inverse dynamic analysis of 6 DOF CKCM robot end-effector for dual-arm telerobot［J］.Systems, Robotic and Autonomous System,1989,5(4):377-394. ［16］LEE J D,GENG Z.A dynamic model of flexible stewart platform［J］.Computers & Structures,1993, 48(3):367-374. ［17］LIU K,et al.The singularities and dynamics of a stewart platform manipulator［J］.Journal. of Intelligent and Robotic Systems, 1993,8:287-308. ［18］熊有伦.机器人学[M].北京:机械工业出版社,1993. ［19］TOSATTI L M,BIANCNI G,FASSI I.An integrated methodology for the design of parallel kinematic machines(PKM)［J］.Annals of the CIRP,1997,46(2): 341-345.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/28/2006)