基本信息
- 项目名称：
- 高定位性能五轴并联机床
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 项目研究的是新一代的五轴并联机床，该机床与传统机床相比具有造价低，加工速度快，精度高，可实现五面加工等显著特点，尤其适用于加工具有复杂曲面和超大型零件。项目的研究和设计具有先进性和创新性。项目设计了新型的五轴联动机床结构，使得机床只需五点定位即可，而且消除了冗余自由度，使得控制模型简化。另外还自主开发了五轴联动机床的数控模型，使得机床的插补点直接在所加工的工件曲线上，大大提高了加工精度。项目的研究对于提升我国制造业水平，提高加工效率和质量，发展我国高科技技术水平具有很大的现实意义和作用。
- 详细介绍：
- 项目研究的是新一代的五轴并联机床，本作品具有以下优势： 1）相比串联的五轴联动机床，本作品的数控算法更适合加工复杂曲面零件，特别对于大型零件，本作品的功能类似串联机床中的双摆头加工中心，相比之下结构简单，造价低廉，重组性好。 2）并联机床自问世以来有一些缺点没有解决，其中很重要的缺点是由于受铰链工作范围的限制，回转轴运动范围小，虽具备了多个自由度但仍不能顺畅地实现多自由度加工。相比其它构型的并联机床，本作品主轴倾角可达到90º，做到五面加工。 首先通过对并联机构构型分析，建立数学逆解模型；运用三维数字化设计建立机床的数字模型；并且应用分析软件对机床的运动学和力学进行分析，不断对机床结构进行优化，完成实物样机的制作；最后建立数控模型，使刀具走出预定的加工轨迹。 作品的创新点为设计新型的五轴并联机床结构和自主开发五轴并联机床的数控模型。 作品定位性能高，减少了制造成本，无机床误差累计，提高了加工精度，活动范围大，控制模型简单，运算速度快。 作品适应范围类似传统五轴联动机床的加工范围，更适应需要工件固定，刀头运动的场合，功能类似串联机床中的双摆头加工中心。非常适于在航空、航天、汽车等领域完成复杂自由曲面的加工，如叶轮、叶片、潜艇螺旋桨、模具、发动机箱体等。并联机床由于省略了传统机床导轨、箱体、立柱等大型构件，机械结构的造价只有同类传统机床的三分之一，具有很好的经济推广前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究目的： 传统型的五轴联动机床都是串联结构的，但串联结构机床存在无法避免的缺点，其控制算法复杂，加工复杂曲面相当困难。而并联机床代表了数控机床的一个发展方向，它很好的解决了加工复杂曲面的难题。但是并联机床也存在着许多问题，很重要的缺点是回转轴运动范围小。本作品的主轴倾角可达到90度，做到五面加工，很好的解决了这个问题，并且机械结构简单，计算速度快。 基本思路： 本作品首先通过对并联机构构型分析，建立数学逆解模型；运用三维数字化设计建立机床的数字模型；并且应用分析软件对机床的运动学和力学进行分析，不断对机床结构进行优化，完成实物样机的制作；最后建立数控模型，使刀具走出预定的加工轨迹。 创新点： 1)设计新型的五轴并联机床结构。 2)自主开发五轴并联机床的数控模型。 技术关键： 1)建立结构优化模型以及机械结构的设计与加工实现。 2)开发设计数控模型。 3)实物样机的标定。 主要技术指标： 1)主轴驱动电机为铣削用电主轴，额定转速为1500r/min，额定功率为500W； 2)机床的加工范围（工作空间）为400×400×300mm，加工工艺为3～5坐标铣削和钻削； 3)机床宽度小于或等于1500mm。
科学性、先进性
- 作品科学性先进性： 1)定位性能高，减少了制造成本，无机床误差累计，加工精度更高 本作品定位性能很高，和床身的联接只有五个万向铰的中心，这五点位置精度对机床的加工精度影响很大，而床身其余几何参数几乎对加工精度无影响，因此机床的制造成本大大降低。另外本作品相比传统机床没有各部件误差累积和传递的过程，精度保持性大大提高。 2)加工范围大 本作品机构所具备的优点是，其它并联机床的约束铰链是固定的，本作品主轴部件约束铰链是转动的环，活动范围加大，主轴部件偏转角可以达到90度，真正实现工件五面加工。 3)独特的逆解算法控制模型，运算速度快 本作品将逆解算法建立在瞬时平面上，杆长矢量的求解由空间交错矢量的求解问题转化为平面矢量的求解问题。所以控制模型的运算速度比起其他同类机床速度更快。
获奖情况及鉴定结果
- 科技查新报告 报告编号：200921C0702136 科技项目咨询报告 报告编号： 200902136 中国科学院上海科技查新咨询中心
作品所处阶段
- 实验室阶段，已完成实物样机制作并能实现预定功能，正在进行工作性能测试。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，现场演示，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 本作品为五轴并联机床，在自主开发人机控制界面中，输入需要加工的参数，电脑就能控制刀具加工出相应的形状。 技术特点和优势： 1)定位性能高2)重组性能好3)实现五面加工4)便于模块化和标准化 作品的适应范围： 本作品适应范围类似传统五轴联动机床的加工范围，更适应需要工件固定，刀头运动的场合，功能类似串联机床中的双摆头加工中心，但本作品的控制模型简单，加工效率更高。 作品的经济、环境效益分析和推广前景： 本作品非常适于在航空、航天、汽车等领域完成复杂自由曲面的加工，如叶轮、叶片、潜艇螺旋桨、模具、发动机箱体等，相比传统机床，加工效率可提高一倍左右。并联机床由于省略了传统机床导轨、箱体、立柱等大型构件，机械结构的造价只有同类传统机床的三分之一，具有很好的经济推广前景。
同类课题研究水平概述
- 1．国内外研究现状 并联机床自问世以来经过了十多年的发展研究，现仍有一些缺点没有根本解决，以致并联机床的很多优势不能充分发挥，其中很重要的缺点是由于受铰链工作范围的限制，回转轴运动范围小，虽具备了多个自由度但仍不能顺畅地实现多自由度加工，和串联的五轴联动机床相比，并联机床还不能做到五面加工，尽管有的机床采用柔性铰链以扩大铰链工作范围，但和增强机床刚度形成矛盾。另一很重要的缺点是并联机床的刚度是随形位变化而变化的，奇异点的存在对刚度的影响极大。 在国内外十几年来研究成果中，绝大部分的样机与理论研究是以第一代基于Stewart 平台六自由度的并联机床为主的，美国、英国、韩国、德国等国都有基于Stewart 平台的并联机床出现。国内清华大学、天津大学、燕山大学、哈尔滨工业大学等院校和中科院沈阳自动化研究所等科研院所都建成基于Stewart平台六自由度的并联机床样机。其次是以第二代三自由度的三杆并联机构为主的并联机床研究，三杆并联机构的优点是运动范围增大，正逆解最简单，尤其能获取正解。但三杆并联机构只有三自由度，必须和传统结构组成混联结构，或采用二组三杆并联机构复合才能进行五轴加工。这种构型的缺点是三个共耦自由度和二个串联自由度要形成五轴联动，覆盖任意加工曲面的控制算法难度很大。德国人Michael Schwaar在2000年提出的五自由度五杆五环纯并联机构，这种并联机构用5个可任意三百六十度转动的转环替代了常规情况下固定安装在动平台的约束铰链, 解除了由于固定约束铰链工作角度范围的局限对并联机构动平台活动范围的制约，实现了机床主轴部件的偏转角大于90度，具有可五面加工的优势。国内有河北工业大学开发的五自由度五轴并联加工中心样机，它由二自由度纯平动杆加上虎克铰和移动副组合构成一个五自由度支链，在此基础上构造出五自由度五轴并联铣床。燕山大学开发了一种五自由度五轴并联样机，由五杆驱动，另外有一根非驱动杆约束住动平台沿轴心线的旋转。与以上并联机床相比，本作品由于采用新型机械结构，计算速度更快。 2.结论 本作品的构型属于最新一代的五自由度五轴并联机床，相比国内外其它同类并联机床，它的运动范围大，可实现五面加工。由中国科学院上海科技查新咨询中心出具的科技查新咨询报告结论得出，本作品在国内国外已达到先进水平。
