并联机床数字化快速开发平台研究的意义

作者：清华大学 王立平 汪劲松 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, ... 1 引言 并联机床(Parallel Machine Tool，简称PMT)，也被称为虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematic Machine)，是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床(可以完成机床的切削任务)，又可以看作是机床化的机器人(可以完成许多精密的机器人作业)。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的新型机电设备。国际学术界和工程界非常重视对并联机床的研究与开发，20世纪90年代中期，美国、英国、德国、俄罗斯、瑞典、瑞士、日本等国家的有关研究机构和机床厂家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床。并联机床已成为机床行业发展过程中不可忽视的一个亮点。 并联机床从问世以来经过了几年的发展，经历了一个由快速发展到稳步研究的发展过程，随着人们对并联机床的认识越来越深入，并联机床相关技术的研究和开发工作的步伐正逐渐趋于平稳。研究人员认识到并联机床与传统机床相比所表现出的鲜明的特有优势，这鼓舞着国内外众多研究机构和机床厂商坚持不懈地积极从事并联机床技术的研究和开发工作；另一方面，经过几年的研究，研究人员也发现并联机床存在一些缺陷，同时并联机床在较多方面的理论研究和应用技术研究尚不够成熟，还有很多难题要突破。世界各国的研究机构和机床厂商在这一问题上基本达成了共识，认为并联机床这种新型的加工装备与传统机床相比，在一些方面具有独特优势，然而在现阶段，并联机床尚不能实现大规模生产和市场化，并联机床技术也有待进一步发展完善。 2 发展特点及存在问题 1) 并联机床的发展特点 目前，并联机床的发展趋势呈现如下两个特点： 并联机床构型的多样性 构型的多样性是并联机床的显著特点之一，每一种构型都有其自身的优缺点，都有其各自适合的应用领域。关于并联机构构型的研究一直是人们关注的热点，设计开发出多种适用于不同应用条件的并联机构也一直是机构学家们研究的一个重要内容。近几年，众多学者提出了多种新机构构型，并对机构的类型和构建方法进行了系统的讨论。目前，基于串并混联、内外副混合驱动或纯并联的少自由度机构的并联机床正逐渐受到人们的青睐，最有代表性的基于少自由度并联机构的并联机床是瑞典Neos Robotics公司开发研制的Tricept系列，其他典型的有意大利Comau公司的HPI型四杆三自由度机床、德国斯图加特大学机床与制造设备控制技术研究所的LINAPOD三杆机床、德国汉诺威大学生产工程和机床研究所研制出用于钢板激光加工的三杆机床、美国Sheldon/Van Someron公司的Triax三杆机床、清华大学与江东机床厂联合开发的三自由度混联机床等。然而，由于并联机床出现不久，并没有专用的设计开发环境，目前开发一种新型并联机床的设计周期仍很长，因此迫切需要一个快速的设计开发平台以满足结构日趋多样的新型并联机床的设计开发需求。 并联机床设计理论和应用技术研究不断深入 虽然已开发出一些并联机床商业化样机，且有产品投入实际应用，但由于设计理论和工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能力、作业性能等方面表现差强人意，与传统数控机床相比存在一定差距。有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建模与分析、精度保证、控制技术等关键技术的研究一直在不断深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平台运动学正解结论，Innocenti 和Cheok等人提出的运动学数值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空间几何解析法，黄田和汪劲松等人提出的工作空间边界的变心球面族包络面求交法；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；Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模及动态性能指标的构造的理论结果，以及熊有伦提出的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。总之，并联机床的各项关键技术国内外都取得了很多有价值的理论成果，在应用技术方面也取得很大进展。 有关并联机床设计和应用的理论成果和应用技术虽然很多，然而这些理论成果和技术覆盖了并联机床设计开发的多个环节，相对独立分散，很难有机地融合在一起，不能系统有效地应用到并联机床的设计开发中。此外，由于并联机床结构的特点，其运动学设计、动力学优化、精度保证等设计环节均涉及非常复杂的非线性问题，很多设计环节间存在模型演化困难、数据难以集成等技术障碍。因此，迫切需要一个集成化一体化的并联机床设计开发环境，以解决上述问题。 通过对当前并联机床的发展现状和趋势的分析，可以看出，集成化、一体化、数字化的并联机床快速开发平台能够大大缩短并联机床的设计开发周期、实现最新设计理论和应用技术的集成和应用、保证设计过程的一体化，从而推动并联机床在理论方面的研究进展和在实际应用方面走向产业化的进程。 但是迄今为止，国内外与此相关的研究很少，涉及到并联机床的集成化设计方法、虚拟原型设计环境、虚拟设计、运动学仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果： 1997年，L Molinari Tosatti等提出了并联机床的集成化设计方法，提出了并联机床设计环境中的主要组成部分，并以Stewart平台为例进行了Stewart平台的拓扑特性分析、作业空间评估、误差分析、刚度分析、机构的敏感性分析以及机床动力学建模等。 2001年，Marco Leonesio等提出了并联机床的虚拟原型环境，该虚拟原型环境是在商业软件Adams的基础上开发的，以一个三自由度并联机构为例，简单分析了机构原型的运动特性和力特性。 1999年，黄福林等根据实体几何造型的思想建立了Stewart平台机构的实体模型，并采用画家算法，针对Stewart平台机构的结构特点，提出了适于该机构的消隐算法，同时对Stewart平台机构在运动过程中的干涉现象进行了讨论。最终开发出用于Stewart平台机构的运动学仿真软件。 2000年，韩海生等以3-HSS并联机床为对象，在虚拟环境下进行了样机实体建模和运动学仿真。 1998年，刘旭东利用C++语言开发了主要针对Stewart并联机床的运动学设计与性能分析软件。 还有其他一些研究人员针对一些以特定机构为基础的并联机床进行了运动学分析和仿真。 2) 并联机床发展中存在的问题 总体上讲，目前并联机床的研究存在如下问题： 国外关于集成设计方法的研究主要提出并联机床设计中需要的组成部分，如各种商业软件或者自行开发的软件等，并没有深入探讨各设计环节间的集成，更没有提出一个集成的一体化的设计环境； 国内外进行的研究都仅针对特定的设计环节进行仿真或分析，不能支持并联机床设计的各个环节(例如Leonesio的虚拟原型环境仅支持机构原型的仿真与设计)； 国内进行的研究都是针对具体机构，进行机构的仿真与分析，因此所开发的软件缺乏通用性。 综上所述，国外已开始关注支持并联机床设计的通用环境，并取得了一定的研究成果(如并联机床虚拟原型环境等)，而国内尚停留在针对具体机构的具体设计环节进行仿真与分析的阶段。本文提出的并联机床数字化快速开发平台能够解决国内外并联机床现有研究中存在的问题，为并联机床的设计提供高效高质量的开发环境，并且在该领域达到国际先进水平。 3 国内现有的技术基础 国内在并联机床的设计技术方面目前基本与国外同步，清华大学、天津大学等高等院校取得了一些具有世界先进水平的设计理论和技术成果，并成功设计了多台不同构型的并联机床产品样机。2001年，在北京第七届中国国际机床展览会上展出了清华大学与企业单位联合设计的三台并联机床，在国内外产生一定影响。2002年，清华大学与齐齐哈尔第二机床厂合作，成功开发了新型大型龙门式五轴混联机床，目前即将投入应用，这表明并联机床的研究开发向产业化迈出了一大步。从1999年开始，清华大学在国内开始进行并联机床数字化设计平台和虚拟产品设计环境的研究，在系统体系结构、并联构型设计、尺度综合模型、动力学建模、有限元分析、数字化仿真等方面取得了初步的研究成果，为关键技术的进一步研究和设计平台的开发奠定了很好的基础。 4 国内外专利情况 国内外文献和专利查新结果表明，目前有关并联机床的国内外研究主要集中在新构型设计、作业空间分析、动力学建模与分析、精度保证等关键技术方面，国外已有学者开始研究并联机床的集成化设计方法和虚拟原型设计环境等相关技术，但目前尚未出现支持并联机床设计的集成化、一体化、数字化并联机床快速开发环境，国内外都没有相关的专利。因此，进行并联机床快速开发环境的研究具有创新性和先进性。 5 主要研究内容 并联机床数字化快速开发平台的主要目的是实现并联机床的快速设计和开发，是一个为研究者提供并联机床设计方法研究、工作性能分析等研究的平台，也是为用户提供并联机床的作业效果、作业过程演示的平台。其研究内容主要包括以下几个部分： 并联机床数字化快速开发平台的关键技术研究：开发并联机床数字化快速开发平台关键在于技术研究包括平台总体框架设计、并联机床虚拟概念设计、并联机构设计自动化、整机智能化组合设计、数字化样机仿真等。通过这些关键技术的研究，能够在平台中实现并联机床概念设计、构型设计、整机设计、作业过程仿真等关键设计过程，为并联机床提供一个快速的集成的数字化设计开发环境。研究中将主要以六自由度并联机构和串并混联少自由度机构为实例，在平台中实现几类典型机构的数字化设计过程。 分析并联机床的设计过程，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个基础平台： 机构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。 整机组合设计与动力学设计平台：该平台提供并联机床整机辅助组合设计、动力学分析与设计及精度综合功能。 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。 并联机床设计关键技术的实用化和集成化研究：并联机床设计关键技术包括机床结构形式的概念设计、运动学规划、动力学特性分析、精度保证、作业过程仿真与性能分析等多方面研究内容，目前已经取得了许多有价值的研究成果，但这些研究成果的实用化程度并不高，而且上述各项关键技术所对应的设计环节往往相互独立、分散，不能有机地融合，有必要在已有研究成果的基础上，继续深入地对各项关键技术进行研究，并将其有机地融合于所开发的数字化快速开发平台中，实现并联机床功能设计的集成化、高速化和实用化，这一关键技术的解决将会大大缩短并联机床的设计周期、快速应用最新的并联机床设计理论。 6 主要技术难点 在目前的研究现状下研究开发并联机床数字化快速开发平台，需要解决以下关键技术问题： 以并联机构型谱库为核心的并联机床虚拟概念设计技术 由于并联机床概念设计中构型综合的复杂性，完全从头进行构型综合的概念设计方式可能导致普通设计者难以完成设计任务。设想用专门软件进行辅助型数综合或由机构学家独立研究得出实用构型，按并联构型族类存入并联机构型谱库并不断积累。设计者在进行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，大大简化了概念设计。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。 以并联机构组件库为基础的并联构型组合式设计及智能设计技术 由于并联机构的构型多样，为快速建立新并联构型，建立并联机构组件库，该组件库以零件库为基础，实现并联构型的快速、自动组合并且实现并联机构的智能设计是本研究需要解决的问题之一。 以并联机构运动学尺度综合知识集为基础的并联机构尺度综合专家系统技术 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会导致系统过分庞大。在机构型谱库中的并联机构运动学尺度综合集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，由具有一定通用性的核心算法针对具体构型完成尺度综合，将使系统更加简洁且易于实现。 以并联机床常用零件库和子装配体库为基础的整机设计专家系统技术 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，系统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。 数字化产品样机模型演化技术及作业运动仿真技术 使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，向用户展现虚拟产品全面具体的作业特性。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。 并联机床动力学优化、精度综合等关键技术的实用化集成化研究 根据不同构型进行并联机床的动力学建模与分析，寻求最佳的动力学设计与控制参数；按照不同精度设计指标，确定结构工艺参数，保证设计精度；同时，研究动力学优化与精度综合在系统中的集成问题。 7 结论与展望 并联机床数字化快速开发平台的研究，有助于： 快速建成并联机床数字化快速开发平台的框架体系； 实现并联机床概念设计、构型综合、整机装配、作业过程仿真等关键技术过程； 实现运动学规划、动力学特性分析、精度保证、作业过程仿真与性能分析的多功能的集成。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/3/2005)