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基本信息
- 項目名稱：
- 高定位性能五軸并聯(lián)機床
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 項目研究的是新一代的五軸并聯(lián)機床，該機床與傳統(tǒng)機床相比具有造價低，加工速度快，精度高，可實現(xiàn)五面加工等顯著特點，尤其適用于加工具有復(fù)雜曲面和超大型零件。項目的研究和設(shè)計具有先進性和創(chuàng)新性。項目設(shè)計了新型的五軸聯(lián)動機床結(jié)構(gòu)，使得機床只需五點定位即可，而且消除了冗余自由度，使得控制模型簡化。另外還自主開發(fā)了五軸聯(lián)動機床的數(shù)控模型，使得機床的插補點直接在所加工的工件曲線上，大大提高了加工精度。項目的研究對于提升我國制造業(yè)水平，提高加工效率和質(zhì)量，發(fā)展我國高科技技術(shù)水平具有很大的現(xiàn)實意義和作用。
- 詳細介紹：
- 項目研究的是新一代的五軸并聯(lián)機床，本作品具有以下優(yōu)勢： 1）相比串聯(lián)的五軸聯(lián)動機床，本作品的數(shù)控算法更適合加工復(fù)雜曲面零件，特別對于大型零件，本作品的功能類似串聯(lián)機床中的雙擺頭加工中心，相比之下結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，重組性好。 2）并聯(lián)機床自問世以來有一些缺點沒有解決，其中很重要的缺點是由于受鉸鏈工作范圍的限制，回轉(zhuǎn)軸運動范圍小，雖具備了多個自由度但仍不能順暢地實現(xiàn)多自由度加工。相比其它構(gòu)型的并聯(lián)機床，本作品主軸傾角可達到90o，做到五面加工。 首先通過對并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型分析，建立數(shù)學(xué)逆解模型；運用三維數(shù)字化設(shè)計建立機床的數(shù)字模型；并且應(yīng)用分析軟件對機床的運動學(xué)和力學(xué)進行分析，不斷對機床結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，完成實物樣機的制作；最后建立數(shù)控模型，使刀具走出預(yù)定的加工軌跡。 作品的創(chuàng)新點為設(shè)計新型的五軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)和自主開發(fā)五軸并聯(lián)機床的數(shù)控模型。 作品定位性能高，減少了制造成本，無機床誤差累計，提高了加工精度，活動范圍大，控制模型簡單，運算速度快。 作品適應(yīng)范圍類似傳統(tǒng)五軸聯(lián)動機床的加工范圍，更適應(yīng)需要工件固定，刀頭運動的場合，功能類似串聯(lián)機床中的雙擺頭加工中心。非常適于在航空、航天、汽車等領(lǐng)域完成復(fù)雜自由曲面的加工，如葉輪、葉片、潛艇螺旋槳、模具、發(fā)動機箱體等。并聯(lián)機床由于省略了傳統(tǒng)機床導(dǎo)軌、箱體、立柱等大型構(gòu)件，機械結(jié)構(gòu)的造價只有同類傳統(tǒng)機床的三分之一，具有很好的經(jīng)濟推廣前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 研究目的： 傳統(tǒng)型的五軸聯(lián)動機床都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的，但串聯(lián)結(jié)構(gòu)機床存在無法避免的缺點，其控制算法復(fù)雜，加工復(fù)雜曲面相當(dāng)困難。而并聯(lián)機床代表了數(shù)控機床的一個發(fā)展方向，它很好的解決了加工復(fù)雜曲面的難題。但是并聯(lián)機床也存在著許多問題，很重要的缺點是回轉(zhuǎn)軸運動范圍小。本作品的主軸傾角可達到90度，做到五面加工，很好的解決了這個問題，并且機械結(jié)構(gòu)簡單，計算速度快。 基本思路： 本作品首先通過對并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型分析，建立數(shù)學(xué)逆解模型；運用三維數(shù)字化設(shè)計建立機床的數(shù)字模型；并且應(yīng)用分析軟件對機床的運動學(xué)和力學(xué)進行分析，不斷對機床結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，完成實物樣機的制作；最后建立數(shù)控模型，使刀具走出預(yù)定的加工軌跡。 創(chuàng)新點： 1)設(shè)計新型的五軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)。 2)自主開發(fā)五軸并聯(lián)機床的數(shù)控模型。 技術(shù)關(guān)鍵： 1)建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型以及機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與加工實現(xiàn)。 2)開發(fā)設(shè)計數(shù)控模型。 3)實物樣機的標(biāo)定。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1)主軸驅(qū)動電機為銑削用電主軸，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為500W； 2)機床的加工范圍（工作空間）為400×400×300mm，加工工藝為3～5坐標(biāo)銑削和鉆削； 3)機床寬度小于或等于1500mm。
科學(xué)性、先進性
- 作品科學(xué)性先進性： 1)定位性能高，減少了制造成本，無機床誤差累計，加工精度更高 本作品定位性能很高，和床身的聯(lián)接只有五個萬向鉸的中心，這五點位置精度對機床的加工精度影響很大，而床身其余幾何參數(shù)幾乎對加工精度無影響，因此機床的制造成本大大降低。另外本作品相比傳統(tǒng)機床沒有各部件誤差累積和傳遞的過程，精度保持性大大提高。 2)加工范圍大 本作品機構(gòu)所具備的優(yōu)點是，其它并聯(lián)機床的約束鉸鏈?zhǔn)枪潭ǖ?，本作品主軸部件約束鉸鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)動的環(huán)，活動范圍加大，主軸部件偏轉(zhuǎn)角可以達到90度，真正實現(xiàn)工件五面加工。 3)獨特的逆解算法控制模型，運算速度快 本作品將逆解算法建立在瞬時平面上，桿長矢量的求解由空間交錯矢量的求解問題轉(zhuǎn)化為平面矢量的求解問題。所以控制模型的運算速度比起其他同類機床速度更快。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 科技查新報告 報告編號：200921C0702136 科技項目咨詢報告 報告編號： 200902136 中國科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍冎行?
作品所處階段
- 實驗室階段，已完成實物樣機制作并能實現(xiàn)預(yù)定功能，正在進行工作性能測試。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物，現(xiàn)場演示，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明： 本作品為五軸并聯(lián)機床，在自主開發(fā)人機控制界面中，輸入需要加工的參數(shù)，電腦就能控制刀具加工出相應(yīng)的形狀。 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1)定位性能高2)重組性能好3)實現(xiàn)五面加工4)便于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化 作品的適應(yīng)范圍： 本作品適應(yīng)范圍類似傳統(tǒng)五軸聯(lián)動機床的加工范圍，更適應(yīng)需要工件固定，刀頭運動的場合，功能類似串聯(lián)機床中的雙擺頭加工中心，但本作品的控制模型簡單，加工效率更高。 作品的經(jīng)濟、環(huán)境效益分析和推廣前景： 本作品非常適于在航空、航天、汽車等領(lǐng)域完成復(fù)雜自由曲面的加工，如葉輪、葉片、潛艇螺旋槳、模具、發(fā)動機箱體等，相比傳統(tǒng)機床，加工效率可提高一倍左右。并聯(lián)機床由于省略了傳統(tǒng)機床導(dǎo)軌、箱體、立柱等大型構(gòu)件，機械結(jié)構(gòu)的造價只有同類傳統(tǒng)機床的三分之一，具有很好的經(jīng)濟推廣前景。
同類課題研究水平概述
- 1．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機床自問世以來經(jīng)過了十多年的發(fā)展研究，現(xiàn)仍有一些缺點沒有根本解決，以致并聯(lián)機床的很多優(yōu)勢不能充分發(fā)揮，其中很重要的缺點是由于受鉸鏈工作范圍的限制，回轉(zhuǎn)軸運動范圍小，雖具備了多個自由度但仍不能順暢地實現(xiàn)多自由度加工，和串聯(lián)的五軸聯(lián)動機床相比，并聯(lián)機床還不能做到五面加工，盡管有的機床采用柔性鉸鏈以擴大鉸鏈工作范圍，但和增強機床剛度形成矛盾。另一很重要的缺點是并聯(lián)機床的剛度是隨形位變化而變化的，奇異點的存在對剛度的影響極大。 在國內(nèi)外十幾年來研究成果中，絕大部分的樣機與理論研究是以第一代基于Stewart 平臺六自由度的并聯(lián)機床為主的，美國、英國、韓國、德國等國都有基于Stewart 平臺的并聯(lián)機床出現(xiàn)。國內(nèi)清華大學(xué)、天津大學(xué)、燕山大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院校和中科院沈陽自動化研究所等科研院所都建成基于Stewart平臺六自由度的并聯(lián)機床樣機。其次是以第二代三自由度的三桿并聯(lián)機構(gòu)為主的并聯(lián)機床研究，三桿并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點是運動范圍增大，正逆解最簡單，尤其能獲取正解。但三桿并聯(lián)機構(gòu)只有三自由度，必須和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成混聯(lián)結(jié)構(gòu)，或采用二組三桿并聯(lián)機構(gòu)復(fù)合才能進行五軸加工。這種構(gòu)型的缺點是三個共耦自由度和二個串聯(lián)自由度要形成五軸聯(lián)動，覆蓋任意加工曲面的控制算法難度很大。德國人Michael Schwaar在2000年提出的五自由度五桿五環(huán)純并聯(lián)機構(gòu)，這種并聯(lián)機構(gòu)用5個可任意三百六十度轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)環(huán)替代了常規(guī)情況下固定安裝在動平臺的約束鉸鏈, 解除了由于固定約束鉸鏈工作角度范圍的局限對并聯(lián)機構(gòu)動平臺活動范圍的制約，實現(xiàn)了機床主軸部件的偏轉(zhuǎn)角大于90度，具有可五面加工的優(yōu)勢。國內(nèi)有河北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的五自由度五軸并聯(lián)加工中心樣機，它由二自由度純平動桿加上虎克鉸和移動副組合構(gòu)成一個五自由度支鏈，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出五自由度五軸并聯(lián)銑床。燕山大學(xué)開發(fā)了一種五自由度五軸并聯(lián)樣機，由五桿驅(qū)動，另外有一根非驅(qū)動桿約束住動平臺沿軸心線的旋轉(zhuǎn)。與以上并聯(lián)機床相比，本作品由于采用新型機械結(jié)構(gòu)，計算速度更快。 2.結(jié)論 本作品的構(gòu)型屬于最新一代的五自由度五軸并聯(lián)機床，相比國內(nèi)外其它同類并聯(lián)機床，它的運動范圍大，可實現(xiàn)五面加工。由中國科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍冎行某鼍叩目萍疾樾伦稍儓蟾娼Y(jié)論得出，本作品在國內(nèi)國外已達到先進水平。
