基本信息
- 項目名稱：
- 無伴隨運動3-PRRU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：
- 本項目面向實現(xiàn)航空結構件先進制造裝備的自主創(chuàng)新的重大需求，基于國家發(fā)明專利，研發(fā)出一種無伴隨運動的3-PRRU并聯(lián)機構，可以克服傳統(tǒng)的和現(xiàn)有的基于并聯(lián)機構的航空結構件加工設備主軸頭部件的缺陷，且控制算法較為簡單，為進一步研發(fā)具有自主知識產權，可實用的并聯(lián)機床和主軸頭奠定基礎。
- 詳細介紹：
- 航空制造業(yè)是國家戰(zhàn)略產業(yè)，具有自主核心技術的高端航空結構件加工裝備是航空制造業(yè)發(fā)展的關鍵。目前，德國DS公司基于3-PRS并聯(lián)機構開發(fā)了三自由度Z3主軸頭，再加上X、Y兩自由度的移動，組成Ecospeed五軸加工中心，具有高效、高速和可靠性好的優(yōu)點，已成為西方發(fā)達國家用于大型航空結構件加工的事實上的標準裝備。而目前國內航空制造企業(yè)多采用五軸龍門立式機床完成航空結構件加工,其缺點是不能實現(xiàn)大型航空結構件所需的高速高效加工，并且現(xiàn)有裝備開工率趨近飽和，不能滿足國產新型民/軍機量產的需要。 Z3 主軸頭屬于高端制造裝備，歐美國家對我國實行裝備禁運以及核心技術封鎖。此外，Z3主軸頭的主機構3-PRS并聯(lián)機構存在伴隨運動，國內研究單位對3-PRS并聯(lián)機構伴隨運動的本質、規(guī)律、標定技術和補償方法缺乏研究，難以研制出Z3類主軸頭。因此，發(fā)明具有無伴隨運動的3自由度并聯(lián)機構，為進一步研發(fā)具有自主知識產權，可實用的并聯(lián)機床和主軸頭奠定基礎。 本項目面向實現(xiàn)航空結構件先進制造裝備的自主創(chuàng)新的重大需求，在機構學基礎研究層面針對以下幾個問題開展深入研究：(1)構型創(chuàng)新設計，發(fā)明出既有自主知識產權又具工程實用價值的無伴隨運動3-PRRU并聯(lián)機構；(2) 運動學分析與性能評價，掌握無伴隨運動3-PRS類并聯(lián)機構的設計方法；(2) 動力學分析與性能評價，確定機構驅動力與其末端執(zhí)行器速度、加速度之間的關系，為研究控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化奠定基礎；（3）數(shù)字化設計平臺的構建，縮短3-PRS類并聯(lián)機構的研發(fā)周期，為該類機構產業(yè)化生產提高了競爭力；（4）樣機試驗驗證，驗證理論方法的正確性和有效性。 項目研究成果不僅豐富、發(fā)展了并聯(lián)機器人機構學基礎理論，同時為其實際工程應用夯實技術基礎，對推動我國航空結構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
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品發(fā)明目的： 德國DS公司基于3-PRS并聯(lián)機構開發(fā)的Z3主軸頭屬于高端航空結構件制造裝備，歐美國家對我國實行裝備禁運以及核心技術封鎖。該主軸頭的主機構3-PRS并聯(lián)機構存在伴隨運動，國內對該機構的伴隨運動本質、標定技術缺乏研究。因此發(fā)明無伴隨運動的3自由度并聯(lián)機構，為進一步研發(fā)具有自主知識產權，可實用的并聯(lián)機床和主軸頭奠定基礎。 基本思路： (1)構型創(chuàng)新設計，發(fā)明出無伴隨運動3-PRRU類并聯(lián)機構； (2)運動學分析與性能評價，掌握無伴隨運動3-PRRU類并聯(lián)機構的設計方法； (3)動力學分析與性能評價，建立動力學模型及動力學仿真分析； (4)構建數(shù)字化設計平臺，研發(fā)3-PRRU并聯(lián)機床樣機； (5)樣機試驗驗證，驗證理論方法的正確性，并提出改進方案。 創(chuàng)新點： 1)發(fā)明出無伴隨運動3-PRRU并聯(lián)機床； 2)構建3-PRRU并聯(lián)機床數(shù)字化設計平臺； 技術關鍵和技術指標： 1)通過對一般的[PP]S類并聯(lián)機構分析，揭示出伴隨運動與其機構結構的幾何內在聯(lián)系，證明[PP]S類并聯(lián)機構無伴隨運動所必須滿足的結構幾何條件的充要條件； 2)對3-PRRU并聯(lián)機床進行運動學分析，建立并聯(lián)機床輸入與輸出之間的映射關系。分析機床刀具末端工作空間和靈巧度； 3)建立3-PRRU機床的動力學模型，求解在不同運動規(guī)律下滿足系統(tǒng)承載的驅動力； 4)控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對虛擬樣機和物理樣機的聯(lián)合仿真控制，同時開發(fā)硬件平臺，設計出開放式控制系統(tǒng)。
科學性、先進性
- 目前國際上最先進的航空結構件加工設備是由德國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)機構，具有一移兩轉三個自由度，充分發(fā)揮了并聯(lián)機構高速、高剛度的特性，克服了傳統(tǒng)的擺叉式和萬能式主軸頭結構的缺點。但是該類主軸頭結構具有無法避免的伴隨運動，導致運動學復雜，需要機床實時補償其伴隨運動，從而使得編程計算以及控制算法的難度非常大。另外，該伴隨運動也大大地增加了標定的難度。由于該類主軸頭結構的驅動和刀具位姿之間的非線性和強耦合特征使得標定較難實現(xiàn)，尤其是在我國現(xiàn)有的標定設備和技術水平的現(xiàn)階段，這類主軸頭的標定極其困難，從而給裝備精度水平的提高帶來了難度。 本項目團隊基于一般的[PP]S類并聯(lián)機構分析，揭示出伴隨運動與其機構結構的幾何內在聯(lián)系，進而證明[PP]S類并聯(lián)機構無伴隨運動所必須滿足的結構幾何條件的充要條件。據此發(fā)明出無伴隨運動3-PRRU并聯(lián)機構。
獲獎情況及鑒定結果
- 省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽 一等獎 校第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術作品競賽 二等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、樣機、圖片、視頻
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢： 1)該機床無伴隨運動，能夠克服傳統(tǒng)的和現(xiàn)有基于并聯(lián)機構的航空結構件加工設備主軸頭部件的缺陷，且控制算法較為簡單，以我國現(xiàn)有的設備及技術可以完成對該機床運動學標定，符合中國制造水平國情。 2)該機床在增加x,y兩個自由度后可用于加工葉輪、航空構件等復雜的空間曲面，可有效地增強機床制造復雜零件的能力、提高加工零件精度和質量和減少刀具、夾具的數(shù)量，降低零件加工成本，適應數(shù)字化生產。 經濟效益： 目前進口高端的數(shù)控加工設備整機價格昂貴，并且國內的部分專用刀具不符合標準的制造工藝水平，大部分依賴進口，成本較高。采用具有自主知識產權的3-PRRU并聯(lián)機床不僅可以加工復雜的空間曲面，而且能夠有效減少專用刀具的數(shù)量，降低零件加工成本，使得在市場競爭中獲得相當?shù)睦麧櫋?/dd>
同類課題研究水平概述
- 近十年來少自由度并聯(lián)機構成為國際并聯(lián)機構學術界和工業(yè)界關注的熱點，3-PRS類機構可以實現(xiàn)兩轉一移3自由度，目前已應用于航空零件制造裝配、汽車制造、食品醫(yī)藥自動化生產線等領域。 伴隨運動是3-PRS類并聯(lián)機構實際應用的最大障礙。Carretero等首先引入了3-PRS并聯(lián)機構中伴隨運動的概念，認為伴隨運動是3-PRS并聯(lián)機構被約束的自由度，即非獨立的自由度上發(fā)生的小幅值運動。并指出3-PRS并聯(lián)機構擁有3個伴隨運動：在固定坐標系中，一個繞Z軸的轉動和兩個分別沿著X軸和Y軸的移動。盡管在一般情況下，伴隨運動的數(shù)值比較小，但在實際應用中，它卻不能夠被忽略。Carretero等人采用了優(yōu)化機構的方法來減少伴隨運動；劉辛軍等人提出了一種新的描述方法來簡化3-PRS的伴隨運動，然而該描述方法僅適用于分支對稱分布的情況下，對于其它非對稱的情況，并未做近一步研究。 在運動學分析的研究中，Li Yangmin等人通過改變輸出移動副的傾斜角，研究工作空間和靈巧性等運動學特性，并通過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)機構，并利用螺旋理論及虛功原理對其進行運動學分析，并建立運動學正解方程，提出全部可行的256組解。然后再利用反螺旋對其速度、加速度以及動力學進行分析。 在工作空間的研究中，Geffrey Pond等通過分析機構的任意一組結構參數(shù)，分別對3-PRS、3-RPS、Tricept并聯(lián)機構的工作空間進行比較，最后得出了三類機構的最大工作空間取決于機構雅可比條件數(shù)和奇異點所引起的限制。Li Yangming在對3-PRS并聯(lián)機構的研究中，指出了可達工作空間的變化趨勢，并且給出驅動副相對定平臺擺放角度隨工作空間的變化情況。 在動力學的研究中，Lee和Shah采用拉格朗日法，建立3-RPS并聯(lián)機構的運動方程，分析提供了機械手為了實現(xiàn)預定的軌道，驅動連桿上所需要的力，并進行動力學仿真。Farhat等人在確定3-RPS并聯(lián)機構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力學模型。 本項作品發(fā)明了無伴隨運動的3-PRRU并聯(lián)機構，可用于并聯(lián)機床或并聯(lián)主軸頭，目前未見國內外文獻報道，已申請國家發(fā)明專利。
