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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRRU并聯(lián)機(jī)床
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目面向?qū)崿F(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件先進(jìn)制造裝備的自主創(chuàng)新的重大需求，基于國(guó)家發(fā)明專利，研發(fā)出一種無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)的3-PRRU并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以克服傳統(tǒng)的和現(xiàn)有的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的航空結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備主軸頭部件的缺陷，且控制算法較為簡(jiǎn)單，為進(jìn)一步研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可實(shí)用的并聯(lián)機(jī)床和主軸頭奠定基礎(chǔ)。
- 詳細(xì)介紹：
- 航空制造業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，具有自主核心技術(shù)的高端航空結(jié)構(gòu)件加工裝備是航空制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，德國(guó)DS公司基于3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了三自由度Z3主軸頭，再加上X、Y兩自由度的移動(dòng)，組成Ecospeed五軸加工中心，具有高效、高速和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，已成為西方發(fā)達(dá)國(guó)家用于大型航空結(jié)構(gòu)件加工的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)裝備。而目前國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)多采用五軸龍門立式機(jī)床完成航空結(jié)構(gòu)件加工,其缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)大型航空結(jié)構(gòu)件所需的高速高效加工，并且現(xiàn)有裝備開(kāi)工率趨近飽和，不能滿足國(guó)產(chǎn)新型民/軍機(jī)量產(chǎn)的需要。 Z3 主軸頭屬于高端制造裝備，歐美國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)行裝備禁運(yùn)以及核心技術(shù)封鎖。此外，Z3主軸頭的主機(jī)構(gòu)3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在伴隨運(yùn)動(dòng)，國(guó)內(nèi)研究單位對(duì)3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)伴隨運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)、規(guī)律、標(biāo)定技術(shù)和補(bǔ)償方法缺乏研究，難以研制出Z3類主軸頭。因此，發(fā)明具有無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為進(jìn)一步研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可實(shí)用的并聯(lián)機(jī)床和主軸頭奠定基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目面向?qū)崿F(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件先進(jìn)制造裝備的自主創(chuàng)新的重大需求，在機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)研究層面針對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題開(kāi)展深入研究：(1)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)，發(fā)明出既有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)又具工程實(shí)用價(jià)值的無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRRU并聯(lián)機(jī)構(gòu)；(2) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與性能評(píng)價(jià)，掌握無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRS類并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；(2) 動(dòng)力學(xué)分析與性能評(píng)價(jià)，確定機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力與其末端執(zhí)行器速度、加速度之間的關(guān)系，為研究控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)；（3）數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建，縮短3-PRS類并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研發(fā)周期，為該類機(jī)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提高了競(jìng)爭(zhēng)力；（4）樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證理論方法的正確性和有效性。 項(xiàng)目研究成果不僅豐富、發(fā)展了并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論，同時(shí)為其實(shí)際工程應(yīng)用夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)航空結(jié)構(gòu)件加工裝備的自主創(chuàng)新具有重要作用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品發(fā)明目的： 德國(guó)DS公司基于3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的Z3主軸頭屬于高端航空結(jié)構(gòu)件制造裝備，歐美國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)行裝備禁運(yùn)以及核心技術(shù)封鎖。該主軸頭的主機(jī)構(gòu)3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在伴隨運(yùn)動(dòng)，國(guó)內(nèi)對(duì)該機(jī)構(gòu)的伴隨運(yùn)動(dòng)本質(zhì)、標(biāo)定技術(shù)缺乏研究。因此發(fā)明無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為進(jìn)一步研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可實(shí)用的并聯(lián)機(jī)床和主軸頭奠定基礎(chǔ)。 基本思路： (1)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)，發(fā)明出無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRRU類并聯(lián)機(jī)構(gòu)； (2)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與性能評(píng)價(jià)，掌握無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRRU類并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法； (3)動(dòng)力學(xué)分析與性能評(píng)價(jià)，建立動(dòng)力學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)仿真分析； (4)構(gòu)建數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，研發(fā)3-PRRU并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)； (5)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證理論方法的正確性，并提出改進(jìn)方案。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1)發(fā)明出無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRRU并聯(lián)機(jī)床； 2)構(gòu)建3-PRRU并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)； 技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)指標(biāo)： 1)通過(guò)對(duì)一般的[PP]S類并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析，揭示出伴隨運(yùn)動(dòng)與其機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的幾何內(nèi)在聯(lián)系，證明[PP]S類并聯(lián)機(jī)構(gòu)無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)所必須滿足的結(jié)構(gòu)幾何條件的充要條件； 2)對(duì)3-PRRU并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立并聯(lián)機(jī)床輸入與輸出之間的映射關(guān)系。分析機(jī)床刀具末端工作空間和靈巧度； 3)建立3-PRRU機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型，求解在不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下滿足系統(tǒng)承載的驅(qū)動(dòng)力； 4)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬樣機(jī)和物理樣機(jī)的聯(lián)合仿真控制，同時(shí)開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)出開(kāi)放式控制系統(tǒng)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前國(guó)際上最先進(jìn)的航空結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備是由德國(guó)DS Technologie 公司基于Z3主軸頭研發(fā)的Ecospeed五軸加工中心。Z3型主軸頭基于3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有一移兩轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，充分發(fā)揮了并聯(lián)機(jī)構(gòu)高速、高剛度的特性，克服了傳統(tǒng)的擺叉式和萬(wàn)能式主軸頭結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。但是該類主軸頭結(jié)構(gòu)具有無(wú)法避免的伴隨運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜，需要機(jī)床實(shí)時(shí)補(bǔ)償其伴隨運(yùn)動(dòng)，從而使得編程計(jì)算以及控制算法的難度非常大。另外，該伴隨運(yùn)動(dòng)也大大地增加了標(biāo)定的難度。由于該類主軸頭結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)和刀具位姿之間的非線性和強(qiáng)耦合特征使得標(biāo)定較難實(shí)現(xiàn)，尤其是在我國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)定設(shè)備和技術(shù)水平的現(xiàn)階段，這類主軸頭的標(biāo)定極其困難，從而給裝備精度水平的提高帶來(lái)了難度。 本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于一般的[PP]S類并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析，揭示出伴隨運(yùn)動(dòng)與其機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的幾何內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而證明[PP]S類并聯(lián)機(jī)構(gòu)無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)所必須滿足的結(jié)構(gòu)幾何條件的充要條件。據(jù)此發(fā)明出無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)3-PRRU并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 一等獎(jiǎng) 校第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽 二等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 模型、樣機(jī)、圖片、視頻
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1)該機(jī)床無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)，能夠克服傳統(tǒng)的和現(xiàn)有基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的航空結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備主軸頭部件的缺陷，且控制算法較為簡(jiǎn)單，以我國(guó)現(xiàn)有的設(shè)備及技術(shù)可以完成對(duì)該機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定，符合中國(guó)制造水平國(guó)情。 2)該機(jī)床在增加x,y兩個(gè)自由度后可用于加工葉輪、航空構(gòu)件等復(fù)雜的空間曲面，可有效地增強(qiáng)機(jī)床制造復(fù)雜零件的能力、提高加工零件精度和質(zhì)量和減少刀具、夾具的數(shù)量，降低零件加工成本，適應(yīng)數(shù)字化生產(chǎn)。 經(jīng)濟(jì)效益： 目前進(jìn)口高端的數(shù)控加工設(shè)備整機(jī)價(jià)格昂貴，并且國(guó)內(nèi)的部分專用刀具不符合標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝水平，大部分依賴進(jìn)口，成本較高。采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3-PRRU并聯(lián)機(jī)床不僅可以加工復(fù)雜的空間曲面，而且能夠有效減少專用刀具的數(shù)量，降低零件加工成本，使得在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得相當(dāng)?shù)睦麧?rùn)。
同類課題研究水平概述
- 近十年來(lái)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為國(guó)際并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)，3-PRS類機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)一移3自由度，目前已應(yīng)用于航空零件制造裝配、汽車制造、食品醫(yī)藥自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。 伴隨運(yùn)動(dòng)是3-PRS類并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的最大障礙。Carretero等首先引入了3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)中伴隨運(yùn)動(dòng)的概念，認(rèn)為伴隨運(yùn)動(dòng)是3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)被約束的自由度，即非獨(dú)立的自由度上發(fā)生的小幅值運(yùn)動(dòng)。并指出3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)擁有3個(gè)伴隨運(yùn)動(dòng)：在固定坐標(biāo)系中，一個(gè)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)分別沿著X軸和Y軸的移動(dòng)。盡管在一般情況下，伴隨運(yùn)動(dòng)的數(shù)值比較小，但在實(shí)際應(yīng)用中，它卻不能夠被忽略。Carretero等人采用了優(yōu)化機(jī)構(gòu)的方法來(lái)減少伴隨運(yùn)動(dòng)；劉辛軍等人提出了一種新的描述方法來(lái)簡(jiǎn)化3-PRS的伴隨運(yùn)動(dòng)，然而該描述方法僅適用于分支對(duì)稱分布的情況下，對(duì)于其它非對(duì)稱的情況，并未做近一步研究。 在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的研究中，Li Yangmin等人通過(guò)改變輸出移動(dòng)副的傾斜角，研究工作空間和靈巧性等運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并通過(guò)螺旋理論分析其可操作度。Jaime Gallard等人提出一種基于3-RPS的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并利用螺旋理論及虛功原理對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并建立運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程，提出全部可行的256組解。然后再利用反螺旋對(duì)其速度、加速度以及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。 在工作空間的研究中，Geffrey Pond等通過(guò)分析機(jī)構(gòu)的任意一組結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別對(duì)3-PRS、3-RPS、Tricept并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間進(jìn)行比較，最后得出了三類機(jī)構(gòu)的最大工作空間取決于機(jī)構(gòu)雅可比條件數(shù)和奇異點(diǎn)所引起的限制。Li Yangming在對(duì)3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究中，指出了可達(dá)工作空間的變化趨勢(shì)，并且給出驅(qū)動(dòng)副相對(duì)定平臺(tái)擺放角度隨工作空間的變化情況。 在動(dòng)力學(xué)的研究中，Lee和Shah采用拉格朗日法，建立3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，分析提供了機(jī)械手為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌道，驅(qū)動(dòng)連桿上所需要的力，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。Farhat等人在確定3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的摩擦力及慣性力的前提下，利用Gibbs-Appell方程以及高斯原理，得出了線性以及非線性的動(dòng)力學(xué)模型。 本項(xiàng)作品發(fā)明了無(wú)伴隨運(yùn)動(dòng)的3-PRRU并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可用于并聯(lián)機(jī)床或并聯(lián)主軸頭，目前未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。
