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)運動學機器（Parallel Kinematic Machine），是并聯(lián)機器人技術和現(xiàn)代數(shù)控機床技術結合的產物，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），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備。國際學術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、日本等國家的有關研究機構和機床廠家紛紛推出具有不同結構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)機床從問世以來經過了幾年的發(fā)展，經歷了一個由快速發(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)機床相關技術的研究和開發(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，這鼓舞著國內外眾多研究機構和機床廠商堅持不懈地積極從事并聯(lián)機床技術的研究和開發(fā)工作；另一方面，經過幾年的研究，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用技術研究尚不夠成熟，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)模生產和市場化，并聯(lián)機床技術也有待進一步發(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)機床構型的多樣性
構型的多樣性是并聯(lián)機床的顯著特點之一，每一種構型都有其自身的優(yōu)缺點，都有其各自適合的應用領域。關于并聯(lián)機構構型的研究一直是人們關注的熱點，設計開發(fā)出多種適用于不同應用條件的并聯(lián)機構也一直是機構學家們研究的一個重要內容。近幾年，眾多學者提出了多種新機構構型，并對機構的類型和構建方法進行了系統(tǒng)的討論。目前，基于串并混聯(lián)、內外副混合驅動或純并聯(lián)的少自由度機構的并聯(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、德國斯圖加特大學機床與制造設備控制技術研究所的LINAPOD三桿機床、德國漢諾威大學生產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，并沒有專用的設計開發(fā)環(huán)境，目前開發(fā)一種新型并聯(lián)機床的設計周期仍很長，因此迫切需要一個快速的設計開發(fā)平臺以滿足結構日趨多樣的新型并聯(lián)機床的設計開發(fā)需求。
(2)并聯(lián)機床設計理論和應用技術研究不斷深入
雖然已開發(fā)出一些并聯(lián)機床商業(yè)化樣機，且有產品投入實際應用，但由于設計理論和工程技術的研究不夠成熟，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。有關并聯(lián)機構運動學設計、并聯(lián)機床動力學建模與分析、精度保證、控制技術等關鍵技術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平臺運動學正解結論，Innocenti和Cheok等人提出的運動學數(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關于動力學建模及動態(tài)性能指標的構造的理論結果，以及熊有倫提出的動力學優(yōu)化設計策略；用不同方法建立的驅動部件誤差與終端誤差之間的關系；多種運動學標定、提高機床加工精度的方法等�？傊�，并聯(lián)機床的各項關鍵技術國內外都取得了很多有價值的理論成果，在應用技術方面也取得很大進展。
有關并聯(lián)機床設計和應用的理論成果和應用技術雖然很多，然而這些理論成果和技術覆蓋了并聯(lián)機床設計開發(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)有效地應用到并聯(lián)機床的設計開發(fā)中。此外，由于并聯(lián)機床結構的特點，其運動學設計、動力學優(yōu)化、精度保證等設計環(huán)節(jié)均涉及非常復雜的非線性問題，很多設計環(huán)節(jié)間存在模型演化困難、數(shù)據(jù)難以集成等技術障礙。因此，迫切需要一個集成化一體化的并聯(lián)機床設計開發(fā)環(huán)境，以解決上述問題。
通過對當前并聯(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)機床的設計開發(fā)周期、實現(xiàn)最新設計理論和應用技術的集成和應用、保證設計過程的一體化，從而推動并聯(lián)機床在理論方面的研究進展和在實際應用方面走向產業(yè)化的進程。
但是迄今為止，國內外與此相關的研究很少，涉及到并聯(lián)機床的集成化設計方法、虛擬原型設計環(huán)境、虛擬設計、運動學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)機床的集成化設計方法，提出了并聯(lián)機床設計環(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、機構的敏感性分析以及機床動力學建模等。
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的基礎上開發(fā)的，以一個三自由度并聯(lián)機構為例，簡單分析了機構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平臺機構的實體模型，并采用畫家算法，針對Stewart平臺機構的結構特點，提出了適于該機構的消隱算法，同時對Stewart平臺機構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平臺機構的運動學仿真軟件。
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)機床的運動學設計與性能分析軟件。
還有其他一些研究人員針對一些以特定機構為基礎的并聯(lián)機床進行了運動學分析和仿真。
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國外關于集成設計方法的研究主要提出并聯(lián)機床設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計環(huán)節(jié)間的集成，更沒有提出一個集成的一體化的設計環(huán)境；
②國內外進行的研究都僅針對特定的設計環(huán)節(jié)進行仿真或分析，不能支持并聯(lián)機床設計的各個環(huán)節(jié)（例如Leonesio的虛擬原型環(huán)境僅支持機構原型的仿真與設計）；
③國內進行的研究都是針對具體機構，進行機構的仿真與分析，因此所開發(fā)的軟件缺乏通用性。
綜上所述，國外已開始關注支持并聯(lián)機床設計的通用環(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），而國內尚停留在針對具體機構的具體設計環(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)機床的設計提供高效高質量的開發(fā)環(huán)境，并且在該領域達到國際先進水平。
3 國內現(xiàn)有的技術基礎
國內在并聯(lián)機床的設計技術方面目前基本與國外同步，清華大學、天津大學等高等院校取得了一些具有世界先進水平的設計理論和技術成果，并成功設計了多臺不同構型的并聯(lián)機床產品樣機。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與企業(yè)單位聯(lián)合設計的三臺并聯(lián)機床，在國內外產生一定影響。2002年，清華大學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，目前即將投入應用，這表明并聯(lián)機床的研究開發(fā)向產業(yè)化邁出了一大步。從1999年開始，清華大學在國內開始進行并聯(lián)機床數(shù)字化設計平臺和虛擬產品設計環(huán)境的研究，在系統(tǒng)體系結構、并聯(lián)構型設計、尺度綜合模型、動力學建模、有限元分析、數(shù)字化仿真等方面取得了初步的研究成果，為關鍵技術的進一步研究和設計平臺的開發(fā)奠定了很好的基礎。
4 國內外專利情況
國內外文獻和專利查新結果表明，目前有關并聯(lián)機床的國內外研究主要集中在新構型設計、作業(yè)空間分析、動力學建模與分析、精度保證等關鍵技術方面，國外已有學者開始研究并聯(lián)機床的集成化設計方法和虛擬原型設計環(huán)境等相關技術，但目前尚未出現(xiàn)支持并聯(lián)機床設計的集成化、一體化、數(shù)字化并聯(lián)機床快速開發(fā)環(huán)境，國內外都沒有相關的專利（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)機床的快速設計和開發(fā)，是一個為研究者提供并聯(lián)機床設計方法研究、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)平臺的關鍵技術研究：開發(fā)并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺關鍵在于技術研究包括平臺總體框架設計、并聯(lián)機床虛擬概念設計、并聯(lián)機構設計自動化、整機智能化組合設計、數(shù)字化樣機仿真等。通過這些關鍵技術的研究，能夠在平臺中實現(xiàn)并聯(lián)機床概念設計、構型設計、整機設計、作業(yè)過程仿真等關鍵設計過程，為并聯(lián)機床提供一個快速的集成的數(shù)字化設計開發(fā)環(huán)境。研究中將主要以六自由度并聯(lián)機構和串并混聯(lián)少自由度機構為實例，在平臺中實現(xiàn)幾類典型機構的數(shù)字化設計過程。
分析并聯(lián)機床的設計過程，結合虛擬產品設計思想，確定系統(tǒng)的目標和規(guī)模，并將系統(tǒng)邏輯結構分為三個基礎平臺：
①機構概念設計與運動學設計平臺：該平臺提供并聯(lián)機構概念設計和機構運動學分析與設計的功能。
②整機組合設計與動力學設計平臺：該平臺提供并聯(lián)機床整機輔助組合設計、動力學分析與設計及精度綜合功能。
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)機床設計關鍵技術的實用化和集成化研究：并聯(lián)機床設計關鍵技術包括機床結構形式的概念設計、運動學規(guī)劃、動力學特性分析、精度保證、作業(yè)過程仿真與性能分析等多方面研究內容，目前已經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，而且上述各項關鍵技術所對應的設計環(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上，繼續(xù)深入地對各項關鍵技術進行研究，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)機床功能設計的集成化、高速化和實用化，這一關鍵技術的解決將會大大縮短并聯(lián)機床的設計周期、快速應用最新的并聯(lián)機床設計理論。
6 主要技術難點
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，需要解決以下關鍵技術問題：
(1)以并聯(lián)機構型譜庫為核心的并聯(lián)機床虛擬概念設計技術
由于并聯(lián)機床概念設計中構型綜合的復雜性，完全從頭進行構型綜合的概念設計方式可能導致普通設計者難以完成設計任務。設想用專門軟件進行輔助型數(shù)綜合或由機構學家獨立研究得出實用構型，按并聯(lián)構型族類存入并聯(lián)機構型譜庫并不斷積累。設計者在進行概念設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)構型，大大簡化了概念設計。此外，系統(tǒng)可提供并聯(lián)機構常見組件庫，采用組件組合設計提高構型綜合和建模效率。
(2)以并聯(lián)機構組件庫為基礎的并聯(lián)構型組合式設計及智能設計技術
由于并聯(lián)機構的構型多樣，為快速建立新并聯(lián)構型，建立并聯(lián)機構組件庫，該組件庫以零件庫為基礎，實現(xiàn)并聯(lián)構型的快速、自動組合并且實現(xiàn)并聯(lián)機構的智能設計是本研究需要解決的問題之一。
(3)以并聯(lián)機構運動學尺度綜合知識集為基礎的并聯(lián)機構尺度綜合專家系統(tǒng)技術
由于并聯(lián)機構構型種類繁多，不同機構有不同的運動學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致系統(tǒng)過分龐大。在機構型譜庫中的并聯(lián)機構運動學尺度綜合集提供各種機構的運動學方程和尺度綜合目標函數(shù)及其它有關信息，由具有一定通用性的核心算法針對具體構型完成尺度綜合，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的整機設計專家系統(tǒng)技術
并聯(lián)機床整機設計采取計算機輔助組合設計方式。建立并不斷擴充并聯(lián)機床詳細設計所需的子裝配體模型庫，系統(tǒng)提供輔助組合設計環(huán)境，根據(jù)機構設計平臺提供的并聯(lián)機構模型，以設計人員的整機結構構思為指導，以動力學分析結果為依據(jù)，并行化分布式完成各機床結構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)字化產品樣機模型演化技術及作業(yè)運動仿真技術
使用虛擬現(xiàn)實技術仿真數(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估、切削顫振效應分析、熱態(tài)效應分析、切削效果分析等。
(6)并聯(lián)機床動力學優(yōu)化、精度綜合等關鍵技術的實用化集成化研究
根據(jù)不同構型進行并聯(lián)機床的動力學建模與分析，尋求最佳的動力學設計與控制參數(shù)；按照不同精度設計指標，確定結構工藝參數(shù)，保證設計精度；同時，研究動力學優(yōu)化與精度綜合在系統(tǒng)中的集成問題。
7 結論與展望
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)機床概念設計、構型綜合、整機裝配、作業(yè)過程仿真等關鍵技術過程；③實現(xiàn)運動學規(guī)劃、動力學特性分析、精度保證、作業(yè)過程仿真與性能分析的多功能的集成。
