1 引言
并聯(lián)機床（Parallel Machine Tool,簡稱PMT），也被稱為虛（擬）軸機床（Virtual Axis Machine Tool）或并聯(lián)運動學(xué)機器（Parallel Kinematic Machine），是并聯(lián)機器人技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控機床技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它同時兼顧了機床和機器人的諸多特性，既可以看作是機器人化的機床（可以完成機床的切削任務(wù)），又可以看作是機床化的機器人（可以完成許多精密的機器人作業(yè)）。它能夠提供機器人的靈活與柔性，又具有機床的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機電設(shè)備。國際學(xué)術(shù)界和工程界非常重視對并聯(lián)機床的研究與開發(fā)，20世紀90年代中期，美國、英國、德國、俄羅斯、瑞典、瑞士、日本等國家的有關(guān)研究機構(gòu)和機床廠家紛紛推出具有不同結(jié)構(gòu)形式和功能特性的并聯(lián)機床。并聯(lián)機床已成為機床行業(yè)發(fā)展過程中不可忽視的一個亮點。
并聯(lián)機床從問世以來經(jīng)過了幾年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個由快速發(fā)展到穩(wěn)步研究的發(fā)展過程，隨著人們對并聯(lián)機床的認識越來越深入，并聯(lián)機床相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)工作的步伐正逐漸趨于平穩(wěn)。研究人員認識到并聯(lián)機床與傳統(tǒng)機床相比所表現(xiàn)出的鮮明的特有優(yōu)勢，這鼓舞著國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)和機床廠商堅持不懈地積極從事并聯(lián)機床技術(shù)的研究和開發(fā)工作；另一方面，經(jīng)過幾年的研究，研究人員也發(fā)現(xiàn)并聯(lián)機床存在一些缺陷，同時并聯(lián)機床在較多方面的理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究尚不夠成熟，還有很多難題要突破。世界各國的研究機構(gòu)和機床廠商在這一問題上基本達成了共識，認為并聯(lián)機床這種新型的加工裝備與傳統(tǒng)機床相比，在一些方面具有獨特優(yōu)勢，然而在現(xiàn)階段，并聯(lián)機床尚不能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和市場化，并聯(lián)機床技術(shù)也有待進一步發(fā)展完善。
2 發(fā)展特點及存在問題
2．1 并聯(lián)機床的發(fā)展特點
目前，并聯(lián)機床的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下兩個特點：
(1)并聯(lián)機床構(gòu)型的多樣性
構(gòu)型的多樣性是并聯(lián)機床的顯著特點之一，每一種構(gòu)型都有其自身的優(yōu)缺點，都有其各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)于并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型的研究一直是人們關(guān)注的熱點，設(shè)計開發(fā)出多種適用于不同應(yīng)用條件的并聯(lián)機構(gòu)也一直是機構(gòu)學(xué)家們研究的一個重要內(nèi)容。近幾年，眾多學(xué)者提出了多種新機構(gòu)構(gòu)型，并對機構(gòu)的類型和構(gòu)建方法進行了系統(tǒng)的討論。目前，基于串并混聯(lián)、內(nèi)外副混合驅(qū)動或純并聯(lián)的少自由度機構(gòu)的并聯(lián)機床正逐漸受到人們的青睞，最有代表性的基于少自由度并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機床是瑞典Neos Robotics公司開發(fā)研制的Tricept系列，其他典型的有意大利Comau公司的HPI型四桿三自由度機床、德國斯圖加特大學(xué)機床與制造設(shè)備控制技術(shù)研究所的LINAPOD三桿機床、德國漢諾威大學(xué)生產(chǎn)工程和機床研究所研制出用于鋼板激光加工的三桿機床、美國Sheldon/Van Someron公司的Triax三桿機床、清華大學(xué)與江東機床廠聯(lián)合開發(fā)的三自由度混聯(lián)機床等。
然而，由于并聯(lián)機床出現(xiàn)不久，并沒有專用的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，目前開發(fā)一種新型并聯(lián)機床的設(shè)計周期仍很長，因此迫切需要一個快速的設(shè)計開發(fā)平臺以滿足結(jié)構(gòu)日趨多樣的新型并聯(lián)機床的設(shè)計開發(fā)需求。
(2)并聯(lián)機床設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)研究不斷深入
雖然已開發(fā)出一些并聯(lián)機床商業(yè)化樣機，且有產(chǎn)品投入實際應(yīng)用，但由于設(shè)計理論和工程技術(shù)的研究不夠成熟，目前并聯(lián)機床在作業(yè)能力、作業(yè)性能等方面表現(xiàn)差強人意，與傳統(tǒng)數(shù)控機床相比存在一定差距。有關(guān)并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)設(shè)計、并聯(lián)機床動力學(xué)建模與分析、精度保證、控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究一直在不斷深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平臺運動學(xué)正解結(jié)論，Innocenti和Cheok等人提出的運動學(xué)數(shù)值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空間幾何解析法，黃田和汪勁松等人提出的工作空間邊界的變心球面族包絡(luò)面求交法；基于各向同性條件（局部靈活度）、動平臺姿態(tài)能力、總體靈活度指標的多種尺度綜合方法；Nguyen、Lee、Liu關(guān)于動力學(xué)建模及動態(tài)性能指標的構(gòu)造的理論結(jié)果，以及熊有倫提出的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計策略；用不同方法建立的驅(qū)動部件誤差與終端誤差之間的關(guān)系；多種運動學(xué)標定、提高機床加工精度的方法等。總之，并聯(lián)機床的各項關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外都取得了很多有價值的理論成果，在應(yīng)用技術(shù)方面也取得很大進展。
有關(guān)并聯(lián)機床設(shè)計和應(yīng)用的理論成果和應(yīng)用技術(shù)雖然很多，然而這些理論成果和技術(shù)覆蓋了并聯(lián)機床設(shè)計開發(fā)的多個環(huán)節(jié)，相對獨立分散，很難有機地融合在一起，不能系統(tǒng)有效地應(yīng)用到并聯(lián)機床的設(shè)計開發(fā)中。此外，由于并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的特點，其運動學(xué)設(shè)計、動力學(xué)優(yōu)化、精度保證等設(shè)計環(huán)節(jié)均涉及非常復(fù)雜的非線性問題，很多設(shè)計環(huán)節(jié)間存在模型演化困難、數(shù)據(jù)難以集成等技術(shù)障礙。因此，迫切需要一個集成化一體化的并聯(lián)機床設(shè)計開發(fā)環(huán)境，以解決上述問題。
通過對當(dāng)前并聯(lián)機床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的分析，可以看出，集成化、一體化、數(shù)字化的并聯(lián)機床快速開發(fā)平臺能夠大大縮短并聯(lián)機床的設(shè)計開發(fā)周期、實現(xiàn)最新設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)的集成和應(yīng)用、保證設(shè)計過程的一體化，從而推動并聯(lián)機床在理論方面的研究進展和在實際應(yīng)用方面走向產(chǎn)業(yè)化的進程。
但是迄今為止，國內(nèi)外與此相關(guān)的研究很少，涉及到并聯(lián)機床的集成化設(shè)計方法、虛擬原型設(shè)計環(huán)境、虛擬設(shè)計、運動學(xué)仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果：
1997年，L Molinari Tosatti等提出了并聯(lián)機床的集成化設(shè)計方法，提出了并聯(lián)機床設(shè)計環(huán)境中的主要組成部分，并以Stewart平臺為例進行了Stewart平臺的拓撲特性分析、作業(yè)空間評估、誤差分析、剛度分析、機構(gòu)的敏感性分析以及機床動力學(xué)建模等。
2001年，Marco Leonesio等提出了并聯(lián)機床的虛擬原型環(huán)境，該虛擬原型環(huán)境是在商業(yè)軟件Adams的基礎(chǔ)上開發(fā)的，以一個三自由度并聯(lián)機構(gòu)為例，簡單分析了機構(gòu)原型的運動特性和力特性。
1999年，黃福林等根據(jù)實體幾何造型的思想建立了Stewart平臺機構(gòu)的實體模型，并采用畫家算法，針對Stewart平臺機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，提出了適于該機構(gòu)的消隱算法，同時對Stewart平臺機構(gòu)在運動過程中的干涉現(xiàn)象進行了討論。最終開發(fā)出用于Stewart平臺機構(gòu)的運動學(xué)仿真軟件。
2000年，韓海生等以3－HSS并聯(lián)機床為對象，在虛擬環(huán)境下進行了樣機實體建模和運動學(xué)仿真。
1998年，劉旭東利用C＋＋語言開發(fā)了主要針對Stewart并聯(lián)機床的運動學(xué)設(shè)計與性能分析軟件。
還有其他一些研究人員針對一些以特定機構(gòu)為基礎(chǔ)的并聯(lián)機床進行了運動學(xué)分析和仿真。
2．2 并聯(lián)機床發(fā)展中存在的問題
總體上講，目前并聯(lián)機床的研究存在如下問題：
①國外關(guān)于集成設(shè)計方法的研究主要提出并聯(lián)機床設(shè)計中需要的組成部分，如各種商業(yè)軟件或者自行開發(fā)的軟件等，并沒有深入探討各設(shè)計環(huán)節(jié)間的集成，更沒有提出一個集成的一體化的設(shè)計環(huán)境；
②國內(nèi)外進行的研究都僅針對特定的設(shè)計環(huán)節(jié)進行仿真或分析，不能支持并聯(lián)機床設(shè)計的各個環(huán)節(jié)（例如Leonesio的虛擬原型環(huán)境僅支持機構(gòu)原型的仿真與設(shè)計）；
③國內(nèi)進行的研究都是針對具體機構(gòu)，進行機構(gòu)的仿真與分析，因此所開發(fā)的軟件缺乏通用性。
綜上所述，國外已開始關(guān)注支持并聯(lián)機床設(shè)計的通用環(huán)境，并取得了一定的研究成果（如并聯(lián)機床虛擬原型環(huán)境等），而國內(nèi)尚停留在針對具體機構(gòu)的具體設(shè)計環(huán)節(jié)進行仿真與分析的階段。本文提出的并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺能夠解決國內(nèi)外并聯(lián)機床現(xiàn)有研究中存在的問題，為并聯(lián)機床的設(shè)計提供高效高質(zhì)量的開發(fā)環(huán)境，并且在該領(lǐng)域達到國際先進水平。
3 國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)
國內(nèi)在并聯(lián)機床的設(shè)計技術(shù)方面目前基本與國外同步，清華大學(xué)、天津大學(xué)等高等院校取得了一些具有世界先進水平的設(shè)計理論和技術(shù)成果，并成功設(shè)計了多臺不同構(gòu)型的并聯(lián)機床產(chǎn)品樣機。2001年，在北京第七屆中國國際機床展覽會上展出了清華大學(xué)與企業(yè)單位聯(lián)合設(shè)計的三臺并聯(lián)機床，在國內(nèi)外產(chǎn)生一定影響。2002年，清華大學(xué)與齊齊哈爾第二機床廠合作，成功開發(fā)了新型大型龍門式五軸混聯(lián)機床，目前即將投入應(yīng)用，這表明并聯(lián)機床的研究開發(fā)向產(chǎn)業(yè)化邁出了一大步。從1999年開始，清華大學(xué)在國內(nèi)開始進行并聯(lián)機床數(shù)字化設(shè)計平臺和虛擬產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境的研究，在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、并聯(lián)構(gòu)型設(shè)計、尺度綜合模型、動力學(xué)建模、有限元分析、數(shù)字化仿真等方面取得了初步的研究成果，為關(guān)鍵技術(shù)的進一步研究和設(shè)計平臺的開發(fā)奠定了很好的基礎(chǔ)。
4 國內(nèi)外專利情況
國內(nèi)外文獻和專利查新結(jié)果表明，目前有關(guān)并聯(lián)機床的國內(nèi)外研究主要集中在新構(gòu)型設(shè)計、作業(yè)空間分析、動力學(xué)建模與分析、精度保證等關(guān)鍵技術(shù)方面，國外已有學(xué)者開始研究并聯(lián)機床的集成化設(shè)計方法和虛擬原型設(shè)計環(huán)境等相關(guān)技術(shù)，但目前尚未出現(xiàn)支持并聯(lián)機床設(shè)計的集成化、一體化、數(shù)字化并聯(lián)機床快速開發(fā)環(huán)境，國內(nèi)外都沒有相關(guān)的專利（詳見附件專利查新證明材料）。因此，進行并聯(lián)機床快速開發(fā)環(huán)境的研究具有創(chuàng)新性和先進性。
5 主要研究內(nèi)容
并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺的主要目的是實現(xiàn)并聯(lián)機床的快速設(shè)計和開發(fā)，是一個為研究者提供并聯(lián)機床設(shè)計方法研究、工作性能分析等研究的平臺，也是為用戶提供并聯(lián)機床的作業(yè)效果、作業(yè)過程演示的平臺。其研究內(nèi)容主要包括以下幾個部分：
(1)并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究：開發(fā)并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺關(guān)鍵在于技術(shù)研究包括平臺總體框架設(shè)計、并聯(lián)機床虛擬概念設(shè)計、并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計自動化、整機智能化組合設(shè)計、數(shù)字化樣機仿真等。通過這些關(guān)鍵技術(shù)的研究，能夠在平臺中實現(xiàn)并聯(lián)機床概念設(shè)計、構(gòu)型設(shè)計、整機設(shè)計、作業(yè)過程仿真等關(guān)鍵設(shè)計過程，為并聯(lián)機床提供一個快速的集成的數(shù)字化設(shè)計開發(fā)環(huán)境。研究中將主要以六自由度并聯(lián)機構(gòu)和串并混聯(lián)少自由度機構(gòu)為實例，在平臺中實現(xiàn)幾類典型機構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計過程。
分析并聯(lián)機床的設(shè)計過程，結(jié)合虛擬產(chǎn)品設(shè)計思想，確定系統(tǒng)的目標和規(guī)模，并將系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)分為三個基礎(chǔ)平臺：
①機構(gòu)概念設(shè)計與運動學(xué)設(shè)計平臺：該平臺提供并聯(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。
②整機組合設(shè)計與動力學(xué)設(shè)計平臺：該平臺提供并聯(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。
③作業(yè)過程仿真與作業(yè)性能分析平臺：該平臺支持并聯(lián)機床數(shù)字化樣機的作業(yè)仿真和性能分析。
(2)并聯(lián)機床設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的實用化和集成化研究：并聯(lián)機床設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)包括機床結(jié)構(gòu)形式的概念設(shè)計、運動學(xué)規(guī)劃、動力學(xué)特性分析、精度保證、作業(yè)過程仿真與性能分析等多方面研究內(nèi)容，目前已經(jīng)取得了許多有價值的研究成果，但這些研究成果的實用化程度并不高，而且上述各項關(guān)鍵技術(shù)所對應(yīng)的設(shè)計環(huán)節(jié)往往相互獨立、分散，不能有機地融合，有必要在已有研究成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入地對各項關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并將其有機地融合于所開發(fā)的數(shù)字化快速開發(fā)平臺中，實現(xiàn)并聯(lián)機床功能設(shè)計的集成化、高速化和實用化，這一關(guān)鍵技術(shù)的解決將會大大縮短并聯(lián)機床的設(shè)計周期、快速應(yīng)用最新的并聯(lián)機床設(shè)計理論。
6 主要技術(shù)難點
在目前的研究現(xiàn)狀下研究開發(fā)并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：
(1)以并聯(lián)機構(gòu)型譜庫為核心的并聯(lián)機床虛擬概念設(shè)計技術(shù)
由于并聯(lián)機床概念設(shè)計中構(gòu)型綜合的復(fù)雜性，完全從頭進行構(gòu)型綜合的概念設(shè)計方式可能導(dǎo)致普通設(shè)計者難以完成設(shè)計任務(wù)。設(shè)想用專門軟件進行輔助型數(shù)綜合或由機構(gòu)學(xué)家獨立研究得出實用構(gòu)型，按并聯(lián)構(gòu)型族類存入并聯(lián)機構(gòu)型譜庫并不斷積累。設(shè)計者在進行概念設(shè)計時只需直接從型譜庫中選取滿足機床運動性能要求的并聯(lián)構(gòu)型，大大簡化了概念設(shè)計。此外，系統(tǒng)可提供并聯(lián)機構(gòu)常見組件庫，采用組件組合設(shè)計提高構(gòu)型綜合和建模效率。
(2)以并聯(lián)機構(gòu)組件庫為基礎(chǔ)的并聯(lián)構(gòu)型組合式設(shè)計及智能設(shè)計技術(shù)
由于并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型多樣，為快速建立新并聯(lián)構(gòu)型，建立并聯(lián)機構(gòu)組件庫，該組件庫以零件庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)并聯(lián)構(gòu)型的快速、自動組合并且實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)的智能設(shè)計是本研究需要解決的問題之一。
(3)以并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)尺度綜合知識集為基礎(chǔ)的并聯(lián)機構(gòu)尺度綜合專家系統(tǒng)技術(shù)
由于并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型種類繁多，不同機構(gòu)有不同的運動學(xué)方程和尺度綜合目標函數(shù)，采用各自獨有算法進行尺度綜合將會導(dǎo)致系統(tǒng)過分龐大。在機構(gòu)型譜庫中的并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)尺度綜合集提供各種機構(gòu)的運動學(xué)方程和尺度綜合目標函數(shù)及其它有關(guān)信息，由具有一定通用性的核心算法針對具體構(gòu)型完成尺度綜合，將使系統(tǒng)更加簡潔且易于實現(xiàn)。
(4)以并聯(lián)機床常用零件庫和子裝配體庫為基礎(chǔ)的整機設(shè)計專家系統(tǒng)技術(shù)
并聯(lián)機床整機設(shè)計采取計算機輔助組合設(shè)計方式。建立并不斷擴充并聯(lián)機床詳細設(shè)計所需的子裝配體模型庫，系統(tǒng)提供輔助組合設(shè)計環(huán)境，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計平臺提供的并聯(lián)機構(gòu)模型，以設(shè)計人員的整機結(jié)構(gòu)構(gòu)思為指導(dǎo)，以動力學(xué)分析結(jié)果為依據(jù)，并行化分布式完成各機床結(jié)構(gòu)件和輔助件的選擇和組合，形成可制造的機床整機數(shù)字化模型。
(5)數(shù)字化產(chǎn)品樣機模型演化技術(shù)及作業(yè)運動仿真技術(shù)
使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真數(shù)字化樣機作業(yè)過程，進行作業(yè)性能分析,向用戶展現(xiàn)虛擬產(chǎn)品全面具體的作業(yè)特性。切削類機床的作業(yè)仿真包括機床作業(yè)過程仿真和工件切削成型仿真，性能分析包括運動誤差預(yù)估、切削顫振效應(yīng)分析、熱態(tài)效應(yīng)分析、切削效果分析等。
(6)并聯(lián)機床動力學(xué)優(yōu)化、精度綜合等關(guān)鍵技術(shù)的實用化集成化研究
根據(jù)不同構(gòu)型進行并聯(lián)機床的動力學(xué)建模與分析，尋求最佳的動力學(xué)設(shè)計與控制參數(shù)；按照不同精度設(shè)計指標，確定結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)，保證設(shè)計精度；同時，研究動力學(xué)優(yōu)化與精度綜合在系統(tǒng)中的集成問題。
7 結(jié)論與展望
并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺的研究，有助于：①快速建成并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺的框架體系；②實現(xiàn)并聯(lián)機床概念設(shè)計、構(gòu)型綜合、整機裝配、作業(yè)過程仿真等關(guān)鍵技術(shù)過程；③實現(xiàn)運動學(xué)規(guī)劃、動力學(xué)特性分析、精度保證、作業(yè)過程仿真與性能分析的多功能的集成。
