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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 高定位性能五軸并聯(lián)機(jī)床
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 項(xiàng)目研究的是新一代的五軸并聯(lián)機(jī)床，該機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比具有造價(jià)低，加工速度快，精度高，可實(shí)現(xiàn)五面加工等顯著特點(diǎn)，尤其適用于加工具有復(fù)雜曲面和超大型零件。項(xiàng)目的研究和設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性。項(xiàng)目設(shè)計(jì)了新型的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)，使得機(jī)床只需五點(diǎn)定位即可，而且消除了冗余自由度，使得控制模型簡(jiǎn)化。另外還自主開(kāi)發(fā)了五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的數(shù)控模型，使得機(jī)床的插補(bǔ)點(diǎn)直接在所加工的工件曲線上，大大提高了加工精度。項(xiàng)目的研究對(duì)于提升我國(guó)制造業(yè)水平，提高加工效率和質(zhì)量，發(fā)展我國(guó)高科技技術(shù)水平具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和作用。
- 詳細(xì)介紹：
- 項(xiàng)目研究的是新一代的五軸并聯(lián)機(jī)床，本作品具有以下優(yōu)勢(shì)： 1）相比串聯(lián)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)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(duì)于大型零件，本作品的功能類(lèi)似串聯(lián)機(jī)床中的雙擺頭加工中心，相比之下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，重組性好。 2）并聯(lián)機(jī)床自問(wèn)世以來(lái)有一些缺點(diǎn)沒(méi)有解決，其中很重要的缺點(diǎn)是由于受鉸鏈工作范圍的限制，回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)范圍小，雖具備了多個(gè)自由度但仍不能順暢地實(shí)現(xiàn)多自由度加工。相比其它構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)床，本作品主軸傾角可達(dá)到90o，做到五面加工。 首先通過(guò)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析，建立數(shù)學(xué)逆解模型；運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)建立機(jī)床的數(shù)字模型；并且應(yīng)用分析軟件對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)進(jìn)行分析，不斷對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，完成實(shí)物樣機(jī)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(diǎn)為設(shè)計(jì)新型的五軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)和自主開(kāi)發(fā)五軸并聯(lián)機(jī)床的數(shù)控模型。 作品定位性能高，減少了制造成本，無(wú)機(jī)床誤差累計(jì)，提高了加工精度，活動(dòng)范圍大，控制模型簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快。 作品適應(yīng)范圍類(lèi)似傳統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的加工范圍，更適應(yīng)需要工件固定，刀頭運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，功能類(lèi)似串聯(lián)機(jī)床中的雙擺頭加工中心。非常適于在航空、航天、汽車(chē)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(dòng)機(jī)箱體等。并聯(lián)機(jī)床由于省略了傳統(tǒng)機(jī)床導(dǎo)軌、箱體、立柱等大型構(gòu)件，機(jī)械結(jié)構(gòu)的造價(jià)只有同類(lèi)傳統(tǒng)機(jī)床的三分之一，具有很好的經(jīng)濟(jì)推廣前景。
作品圖片
作品專(zhuān)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)
- 研究目的： 傳統(tǒng)型的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的，但串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床存在無(wú)法避免的缺點(diǎn)，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(jī)床代表了數(shù)控機(jī)床的一個(gè)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(jī)床也存在著許多問(wèn)題，很重要的缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)范圍小。本作品的主軸傾角可達(dá)到90度，做到五面加工，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快。 基本思路： 本作品首先通過(guò)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析，建立數(shù)學(xué)逆解模型；運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)建立機(jī)床的數(shù)字模型；并且應(yīng)用分析軟件對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)進(jìn)行分析，不斷對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，完成實(shí)物樣機(jī)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(diǎn)： 1)設(shè)計(jì)新型的五軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)。 2)自主開(kāi)發(fā)五軸并聯(lián)機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工實(shí)現(xiàn)。 2)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)控模型。 3)實(shí)物樣機(jī)的標(biāo)定。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1)主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)為銑削用電主軸，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為500W； 2)機(jī)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(jī)床寬度小于或等于1500mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品科學(xué)性先進(jìn)性： 1)定位性能高，減少了制造成本，無(wú)機(jī)床誤差累計(jì)，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(gè)萬(wàn)向鉸的中心，這五點(diǎn)位置精度對(duì)機(jī)床的加工精度影響很大，而床身其余幾何參數(shù)幾乎對(duì)加工精度無(wú)影響，因此機(jī)床的制造成本大大降低。另外本作品相比傳統(tǒng)機(jī)床沒(méi)有各部件誤差累積和傳遞的過(guò)程，精度保持性大大提高。 2)加工范圍大 本作品機(jī)構(gòu)所具備的優(yōu)點(diǎn)是，其它并聯(lián)機(jī)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(dòng)的環(huán)，活動(dòng)范圍加大，主軸部件偏轉(zhuǎn)角可以達(dá)到90度，真正實(shí)現(xiàn)工件五面加工。 3)獨(dú)特的逆解算法控制模型，運(yùn)算速度快 本作品將逆解算法建立在瞬時(shí)平面上，桿長(zhǎng)矢量的求解由空間交錯(cuò)矢量的求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面矢量的求解問(wèn)題。所以控制模型的運(yùn)算速度比起其他同類(lèi)機(jī)床速度更快。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 科技查新報(bào)告 報(bào)告編號(hào)：200921C0702136 科技項(xiàng)目咨詢報(bào)告 報(bào)告編號(hào)： 200902136 中國(guó)科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍冎行?
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段，已完成實(shí)物樣機(jī)制作并能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，正在進(jìn)行工作性能測(cè)試。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物，現(xiàn)場(chǎng)演示，錄像
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)
- 使用說(shuō)明： 本作品為五軸并聯(lián)機(jī)床，在自主開(kāi)發(fā)人機(jī)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1)定位性能高2)重組性能好3)實(shí)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(lèi)似傳統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的加工范圍，更適應(yīng)需要工件固定，刀頭運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，功能類(lèi)似串聯(lián)機(jī)床中的雙擺頭加工中心，但本作品的控制模型簡(jiǎn)單，加工效率更高。 作品的經(jīng)濟(jì)、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(chē)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(dòng)機(jī)箱體等，相比傳統(tǒng)機(jī)床，加工效率可提高一倍左右。并聯(lián)機(jī)床由于省略了傳統(tǒng)機(jī)床導(dǎo)軌、箱體、立柱等大型構(gòu)件，機(jī)械結(jié)構(gòu)的造價(jià)只有同類(lèi)傳統(tǒng)機(jī)床的三分之一，具有很好的經(jīng)濟(jì)推廣前景。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 1．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機(jī)床自問(wèn)世以來(lái)經(jīng)過(guò)了十多年的發(fā)展研究，現(xiàn)仍有一些缺點(diǎn)沒(méi)有根本解決，以致并聯(lián)機(jī)床的很多優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮，其中很重要的缺點(diǎn)是由于受鉸鏈工作范圍的限制，回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)范圍小，雖具備了多個(gè)自由度但仍不能順暢地實(shí)現(xiàn)多自由度加工，和串聯(lián)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床還不能做到五面加工，盡管有的機(jī)床采用柔性鉸鏈以擴(kuò)大鉸鏈工作范圍，但和增強(qiáng)機(jī)床剛度形成矛盾。另一很重要的缺點(diǎn)是并聯(lián)機(jī)床的剛度是隨形位變化而變化的，奇異點(diǎn)的存在對(duì)剛度的影響極大。 在國(guó)內(nèi)外十幾年來(lái)研究成果中，絕大部分的樣機(jī)與理論研究是以第一代基于Stewart 平臺(tái)六自由度的并聯(lián)機(jī)床為主的，美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)等國(guó)都有基于Stewart 平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)床出現(xiàn)。國(guó)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(yáng)自動(dòng)化研究所等科研院所都建成基于Stewart平臺(tái)六自由度的并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)。其次是以第二代三自由度的三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主的并聯(lián)機(jī)床研究，三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)范圍增大，正逆解最簡(jiǎn)單，尤其能獲取正解。但三桿并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)復(fù)合才能進(jìn)行五軸加工。這種構(gòu)型的缺點(diǎn)是三個(gè)共耦自由度和二個(gè)串聯(lián)自由度要形成五軸聯(lián)動(dòng)，覆蓋任意加工曲面的控制算法難度很大。德國(guó)人Michael Schwaar在2000年提出的五自由度五桿五環(huán)純并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)用5個(gè)可任意三百六十度轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)環(huán)替代了常規(guī)情況下固定安裝在動(dòng)平臺(tái)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(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)活動(dòng)范圍的制約，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(shì)。國(guó)內(nèi)有河北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的五自由度五軸并聯(lián)加工中心樣機(jī)，它由二自由度純平動(dòng)桿加上虎克鉸和移動(dòng)副組合構(gòu)成一個(gè)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(kāi)發(fā)了一種五自由度五軸并聯(lián)樣機(jī)，由五桿驅(qū)動(dòng)，另外有一根非驅(qū)動(dòng)桿約束住動(dòng)平臺(tái)沿軸心線的旋轉(zhuǎn)。與以上并聯(lián)機(jī)床相比，本作品由于采用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，計(jì)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(jī)床，相比國(guó)內(nèi)外其它同類(lèi)并聯(lián)機(jī)床，它的運(yùn)動(dòng)范圍大，可實(shí)現(xiàn)五面加工。由中國(guó)科學(xué)院上海科技查新咨詢中心出具的科技查新咨詢報(bào)告結(jié)論得出，本作品在國(guó)內(nèi)國(guó)外已達(dá)到先進(jìn)水平。
