天津大学下属的研究所

制造装备与系统研究所 方向一：并联构型装备 (Parallel Kinematic Machines)是以并联机构为全部或部分进给机构的机器人或机床系统。 设计理论与关键技术设计理论与关键技术 在并联机构的拓扑结构创新设计，运动学分析与尺度综合，精度设计与运动学标定，静、动态刚度分析 与动态设计，轨迹规划，开放式数控系统开发以及装备的可重构布局设计等方面做了大量研究工作，取得 一批理论成果。 样机建造与产业化样机建造与产业化 StewartStewart 型并联机床型并联机床 受到国家863高技术发展计划和国家自然科学基金资助，与清华大学合作，于1997年在国内率先开展 Stewart 型并联机床设计理论、关键技术和原型样机建造工作，内容涉及工作空间分析与综合等方面，为 原型样机的设计提供了理论依据。该项目通过国家教育部鉴定，发表高水平论文多篇，1999年获中国高校 科技进步2等奖。 三平动自由度并联机床三平动自由度并联机床 3-HSS 并联机床是在天津市科技攻关和天津大学211工程项目资助下研制成功的我国首台商品化三坐标并 联机床，该机床采用平行四边形原理，具有刚度和精度高等特点。该项目后得到天津市重大科技攻关项目 支持，开发基于主模块的5坐标加工中心，目前已开发出立式和卧式两种机型并出售2台。 球面并联机构球面并联机构 三自由度球面并联机构是在国家“863”计划资助下研制成功的新型数控装置，能够实现绕三个正交轴的转 动，可作成各种高速跟踪装置。 高速轻型并联机械手高速轻型并联机械手 Diamond 机构是国家“863”计划资助下，由天津大学发明的2平动自由度并联机构，是国际著名 Delta 并联 机械手的一种2维形式，具有速度高、制造成本低等优点，特别适合在完成电子、轻工、食品和医药行业 中的高速抓取操作，目前已出售4台，并在电池制造企业得到应用。 5 5坐标可重构混联机械手坐标可重构混联机械手 TriVariant 机械手是在国家自然基金资助下，由天津大学发明的5坐标混联机械手，其结构突破了国际著名 的 Tricept 机械手的知识产权，具有速度高、结构简单、操作空间体积比大、可重构性强等优点，可广泛 应用于汽车、航空、建筑等行业的焊接、切割、喷涂、高速加工和装配等操作。最近，在 TriVariant 机械 手的基础上，黄田教授发明了一种球坐标机械手。 方向二：精密制造技术 多自由度纳米进给平台多自由度纳米进给平台 基于动态设计理论，研制了一种具有姿态调整能力的纳米级磨 削辅助微定位平台（技术指标：动平台直径120毫米，最大进给量12 微米，进给分辨率5纳米，最大动态响应频率766赫兹） ，该微定位平 台采用多压电陶瓷驱动器并联直接驱动方式，有效地提高了进给方 向上的静、动态刚度，且通过三个压电陶瓷驱动器的闭环控制，能 够实现对动平台姿态误差的补偿。 意义与目的：意义与目的：通过开展多作动器纳米级微进给平台的结构动态设计和复合控制技术的研究工 作，开发既可作为精密机床辅助工作台、也可作为精密测量进给机构的微进给平台。研究 一类多作动器微进给平台动力学建模、动态误差建模和在线误差补偿方法，探索精密机床 动态加工误差的在线补偿策略，进而有效地提高精密机床的加工精度。该项研究对提高国 内纳米制造技术水平具有重要意义和理论价值。 研究内容：研究内容： (1) 一类多自由度纳米级微定位平台结构动态设计理论与关键技术； (2) 多自由度纳米微进给系统闭环控制方法； (3) 基于微定位辅助平台的超精密磨床系统动力学建模与仿真技术； (4) 精密磨削过程微进给平台与工件热场在线测试、热变形误差建模和在线补偿技术； (5) 一类多自由度纳米级微定位平台制造工艺与试验。 面向面向 ICIC 封装装备的多自由高速精密定位封装装备的多自由高速精密定位 平台平台 基于高性能音圈电机，研制了一种新型二自由度笛卡坐标型高 速高精度定位系统，( 意义与目的：意义与目的：瞄准高技术 IC 制造装备领域中的国际前沿课题，研究面向 IC 封装装备的高速 精密定位系统设计理论与关键技术，开发基于音圈电机直驱的新型高速精密定位系统样机， 并将其用于实际生产。高速精密定位系统设计理论和关键技术是发展具有自主知识产权的 IC 制造装备的重要基础，属国家和天津市中长期科技战略发展规划范畴，具有重要研究意 义和工程实用价值。 研究内容：研究内容： (1) 针对 IC 芯片封装装备的功能要求，研究基于音圈电机直驱的一类运动坐标解偶的高速 精密定位系统的总体布局、结构动态设计理论方法、系统结构动力学建模与动态特性分析、 运动误差建模与补偿方法、定位系统性能预估技术、高速运动状态下定位系统的精密反馈 控制算法与实施策略等一系列关键技术理论； (2) 建立高速精密定位系统性能指标测试和技术开发平台； (3) 研究高速精密定位系统关键零部件制造与整机装配技术，建造三自由度平动高速精密 定位系统样机； (4) 通过实际 IC 芯片封装试验，演示系统的有效性，为进一步推广应用奠定基础。 3 3/12 理论研究理论研究 (1) 微进给系统结构创新设计 (2) 微铣削过程建模与物理仿真 (3) 微小型超精密机床的设计理论与方法 (4) 高速精密切削理论方法 (5) IC 电子芯片引线键合机的机构设计与控制 方向三：生物制造技术 1齿科陶瓷口腔磨削修复物理仿真及机理研究 项目研究目的：项目研究目的： 利用高速牙科手机进行口腔修复齿科陶瓷是口腔修复医学中的关键技术难题，问题的难点包括：口腔环境 的复杂性，陶瓷材料的去除困难，极易产生磨削微裂纹和微破坏而导致陶瓷牙齿的早期微观破坏和突发性 宏观破坏，动态磨削力、振动及金刚石磨具的磨损难于控制等。本项目针对上述问题，拟通过对口腔磨削 修复过程的物理仿真，研究利用高速牙科手机及金刚石磨料磨具修复齿科陶瓷材料的若干关键技术，目的 旨在为训练和指导牙科医生进行口腔临床齿科陶瓷的快速精准修复提供理论依据。 项目研究主要内容：项目研究主要内容： (1) 模拟口腔环境下的高速牙科手机磨削修复物理仿真 (2) 高速牙科手机磨削力和磨削振动特性研究 (3) 牙用金刚石磨具磨损机制的研究 (4) 口腔修复中冷却液的化学辅助机制研究 (5) 齿科陶瓷口腔修复培训平台的建立 在（1） 、 （2） 、 （3）和（4）的研究基础上，建立具有多感知信息测试与监控功能的模拟口腔修 复的培训平台，用以训练和指导牙科医生利用牙科手机和金刚石磨具对齿科陶瓷进行快速 精准修复；并以此为依据，指导牙科医生的临床实践 义齿 CAD/CAM 技术研究与系统开发 项目研究目的：项目研究目的： 据调查，我国口腔疾病患病率94.8，有近30亿颗龋齿需要修复。另一方面，我国口腔医 生与人群的比例约为1：36000，与国际相差近20倍。因此用高科技手段提高临床医疗效率 和质量是一个重大现实问题。义齿 CAD/CAM 系统的出现为此提供了很好的解决方案。国 内目前还没有达到临床应用阶段的义齿 CAD/CAM 系统，引进国外系统价格昂贵（160万 元） 。本项目研究目的旨在探索义齿 CAD/CAM 的关键技术，开发具有我国自主知识产权 的固定义齿 CAD/CAM 系统。打破国外系统对中国市场的垄断，用高技术造福人民，提高 国人生存质量。 项目研究主要内容：项目研究主要内容： 1）建立标准牙数据库 2）单冠设计理论与技术 3）三（四）单位冠桥设计理论与技术 4）生物陶瓷固定义齿加工机床研制 5）医学临床验证 缺损颅骨个体化 CAD/CAM 技术研究 项目研究目的：项目研究目的： 颅骨缺损修补手术是脑外科比较常见的手术。以前临床上施行这类手术通常是采用有机玻璃、聚四氟乙稀、 硅胶等型材，医生在手术过程中根据患者颅骨缺损形状剪取。这类手术方法有一些明显的缺点，比如强度 低、与头颅接合部难处理、头形复原精度差等等。 相比之下，钛合金被公认是较理想的植入人体材料。国内一些医院在上世纪90年代初曾经 尝试用0.5mm 厚的钛板修补破损颅骨，但是由于成型功能差、强度弱等缺点，未能在临床 上推广。随着人们生活水平的不断提高，人类对自身的生存质量要求越来越高，对于缺损 颅骨修补手术质量的要求也就越来越高，不仅对功能的恢复有所要求，而且对头形的复原 程度也有很高的要求。90年代末，国外个别公司推出了更高层次概念的钛金属个体化制造 的颅骨。这种颅骨制造技术不仅克服了上述缺点，同时可以根据患者的个体情况，对颅骨 进行计算机辅助设计，达到理想的功能恢复效果和视觉效果。然而引进国外产品一是价格 昂贵，二是周期长。本项目研究目的是立足国内技术，研究开发钛金属个体化颅骨瓣的设 计制造技术，填补国内空白，造福于国人。 项目研究主要内容：项目研究主要内容： 1）在自有医学影象三维重构的工作基础上，研究由颅骨 CT 信息向工程 CAD 数据转换的 更准确、更有效方法； 2）研究开发缺失钛质颅骨瓣的理论设计方法和设计技术，初步形成规范化设计流程； 3）研究钛质颅骨瓣产品的成型工艺，适应人体生物特性、满足手术要求； 4）结合临床手术，研究钛质颅骨嵌入头颅的优化方法。 5）医学临床验证 方向四：机械动力学 高速流体雾化与覆盖件自动涂装技术 意义与目的：意义与目的： 该研究方向集机械系统动力学、流体力学、现代控制理论和机械结构设计方法为一体，以 建造国产化的具有高技术附加值的自动静电喷涂装备，为国内汽车、家电等制造业提供先 进的喷涂装备和单元技术支持为科研目标，着重开展流体物质高速离心雾化机理、自动静 电涂装与关键单元技术、软仿形和硬仿形自动喷涂机和6自由度防爆喷涂机器人的研究工作， 其研究成果具有很好的工程背景和应用价值。 研究内容：研究内容： (1) 流体物质高速离心雾化机理，气浮和磁浮离心涡轮转子系统结构动态设计理论与关键 技术； (2) 气浮和磁浮离心涡轮系统单元制造和装备技术，综合性能检测与预估技术； (3) 6自由度防爆喷涂机器人结构设计、控制与制造技术； (4) 软仿形和硬仿形自动喷涂机结构设计与制造技术； (5) 汽车覆盖件自动喷涂生产线设计与制造技术。 5 5/12 机械结构动态设计与实验模态分析 目的与意义：目的与意义：借助于结构动力学建模与仿真理论、有限元和结构动力学分析软件工具，将结 构动态设计与实验分析的理念融入机电产品结构设计与开发的整个过程，通过结构动力优 化和修改，提高机电产品的动态性能和品质。机械结构动态设计与实验模态分析在现代机 电产品设计与制造中占有重要地位，具有非常重要理论和应用价值。 研究内容：研究内容： 1. 复杂系统动力学建模与仿真方法； 2. 机械结构动力优化与修改技术； 4. 机电产品的结构试验模态分析技术； 5. 机械结构有限元建模和结构动力学分析方法； 6. 高频带大推力激振系统与关键技术 7. 振动环境模拟技术。 切削过程动力学 目的与意义：目的与意义：通过数控切削过程切削力建模、加工工艺系统整机动力学建模、几何和物理仿 真技术的研究，优化数控加工切削参数和刀具路径，以达到提高加工效率和质量的目的， 研究成果具有重要理论和应用价值。 研究内容：研究内容： 1. 常规数控铣削过程动力学建模与高效仿真技术； 2. 能够抑制切削过程颤振现象发生的新型刀具路径规划技术； 3. 基于子结构综合理论的加工工艺系统整机动力学建模方法； 5. 以加工效率和加工表面质量为优化目标的切削参数物理仿真技术； 6. 数控铣削过程刀具路径和切削参数几何和物理仿真方法； 7. 针对特殊加工材料的高速数控铣削过程铣削力建模与仿真方法； 8. 纳米切削过程分子动力学仿真技术； 9. 考虑干切削与微量润滑因素的高速数控铣削过程铣削力建模与仿真方法。 10. 介观尺寸下的微铣削过程铣削力建模与仿真方法 方向五：自行车创新设计 高端自行车关键技术研发高端自行车关键技术研发 天津大学于2003年在国内率先开展了自行车设计理论及关键技术的研究工作。承担天津市科技 发展计划项目、天津市科技创新专项资金项目，及企业委托的自行车关键零部件设计及性能分析等项目。 在人车建模、系统动力学仿真、自行车动态设计及性能评价、基于人体生物力学的自行车量身定做设计 方法等方面做了大量的工作，发表研究论文10余篇，在自行车行业有一定的声誉。 产品设计与制造研究所 机械动态分析与设计 机械动态设计 (Mechanical Dynamic Design) 是有限元法与模态试验法结合，以提高机 器动态性能为目标的现代设计方法。天津大学在国内较早开展了这类设计理论和关键技术 研究工作。承担国家自然科学基金、天津市重点基金和重大科技攻关等项目，先后开展了 数控磨床、加工中心、大型液压机等等多种装备动态设计与研究。 一、理论、方法与技术一、理论、方法与技术 *整机结构分析与优化 *结合面接触参数识别 *实验模态分析（运动模态分析） *数控伺服系统动特性研究 *数控伺服系统机电藕合特性研究 *实验模态分析（运动模态分析） 二、成果转化与产业化二、成果转化与产业化 *日发龙门式加工中心结构优化 *日发轴承沟槽磨削振动波纹去除 *日发轴承精研机连杆机构动平衡 *螺旋搅拌桨五轴加工振动消除 *齿轮加工机床的结构优化与切削加工实验 *机车运动模态分析与货车车厢结构 静动态设计 可适应设计与制造信息化技术 可适应设计与制造（Adaptable Design and Manufacturing of Mechatronic Product)是面向 产品生命周期的可持续产品开发方法。制造企业面临经济、资源和环境的挑战，需要发展 一种新型的设计模式来解决这些挑战。可适应设计是这样一种方法，它通过适应设计和和 产品满足新的需要，来获得经济和环境效益：新技术、新的顾客需要、新的市场机会、新 的政府法规、新的挑战和竞争。制造业信息化是泛指企业在产品市场调研、产品设计、开 发、生产和营销的全生命周期中，利用计算机软、硬件技术，网络和数据库技术，采集、 利用和控制产品生产活动中的各种数字化信息，实现企业的最佳经营。 可适应设计与制造信息化技术研究得到国家自然科学基金、天津市自然科学基金重点基 金、天津市自然科学基金重大项目等支持。 7 7/12 一、理论、方法和技术一、理论、方法和技术 由于典型机电产品的创新设计是一个产品族体系的适应性设计，故模块化设计是其有力 的工具，天津大学在模块化创新设计基础上经过当年的努力，发展了广义模块化设计技术。 对加工中心、大型组合框架式液压机，利用模块化设计技术、知识工程（ KBE ）建模、 5CP （ CAI 、 CAD 、 CAE 、 CAPP 、 CAM 、 PDM ）技术，实现产品快速响应 用户的概念设计。 *机械产品广义模块化设计 受到国家自然科学基金资助，内容涉及：基于模块矩阵的产品规划方法；基于变量化的 用户化产品定制技术；广义产品平台和产品族设计；设计工具开发。 *机电产品可适应设计 受到国家自然科学青年基金资助，内容涉及：先进的产品构架体系；基于超图的产品构 造建模；机电产品平台与机电总线设计；基于可适应产品构造的产品布局与定制技术；设 计工具开发。 *计算机辅助创新技术 以 TRIZ 为核心原理，以计算机辅助创新软件为工具支持。天津大学于 1998 年率先引 入美国 IM 公司的 计算机辅助创新软件 TechOptimizer 开展 TRIZ 理论的 研究 和 教学，并 在产品创新中进行应用。 2001 年，与 ANSYS 合作，建立了 IM 软件产品技 术支持与培训中心。 *CAD/CAPP/CAM 受到天津市自然科学基金及制造信息化项目资助， 内容涉及典型机电产品快速响应设 计与制造系统开发；典型 CAD/CAE 系统二次开发技术，CAD/CAPP/CAM/PDM 集成技 术；复杂曲面加工技术。 二、成果转化与产业化二、成果转化与产业化 *加工中心模块化快速设计系统 *大型液压机快速设计与制造系统 *汽车覆盖件模具快速设计 / 制造系统 *结晶反应釜用搅拌桨的参数 化设计、分析与加工 *大型龙门式模具加工中心产品的开发 *粗纺机模块化设计系统 *液压集成块三维设计系统开发 *数控机床整机 CAD 技术研究 工程陶瓷加工技术 用现代制造技术把先进陶瓷材料开发成满足国民经济等部门日益增长的需求产品；研 究先进陶瓷产品设计、加工中的新理论、新方法、新工艺，把 “ 加工技术 ” 建设成集机 械制造工程学、材料科学和计算机科学等高水平的交叉学科； 以高水平科研培养高层次研究型人才。国家 “ 九五 ” 攻关 1 项；国家自然科学基金 1 项。 一、理论、方法和技术一、理论、方法和技术 *陶瓷及脆硬材料加工基础理论和实现技术 高效、精密加工机理；低粗糙度镜面加工技术；加工表面完整性和磨擦学特性；陶瓷磨 削动力学。 *高效、精密、低成本加工方法、工具和装备 高效磨削加工技术、工具与装备；镜面加工技术、工具和 装备；孔类零件加工技术、工 具和装备；特种加工技术、工具和装备。 *可加工陶瓷材料 可加工陶瓷材料的加工与切削加工性评价的研究，得到国家自然科学基金、教育部重点 项目的资助。对制备的稀土氧化物可加工陶瓷材料进行切削加工，并应用模糊理论、层次 分析法等多目标决策方法，综合考虑各种可加工性影响因素，评价各类陶瓷材料的可加工 性。研究结果可应用于陶瓷材料的制备与加工技术 。 二、成果转化与产业化二、成果转化与产业化 *先进陶瓷产品量产化技术 *产业化质量保证体系研究 随着现代科学技术的发展，以玻璃、高技术陶瓷、单晶硅和磁性材料为代表的 硬脆材料在 机械物理性能以及其他功能特性等方面均取得显著进展，这一类材料的 发展已经成为推动 当代科学技术发展的源动力。 硬脆材料加工理论与现代制造技术硬脆材料加工理论与现代制造技术是一门集机械制造工艺学、 材料科学、物理学以及计算机科学为一体的交叉学科， 这门学科是硬脆材料能否大量应用 于现实生活的工艺保证。追踪并赶上发达国家的 先进技术水平，提升我国、我校在这个领 域的研究地位；推动国家产业结构的调 整，使实验室成为国家在这个领域的领跑人；促进 机械专业与材料、力学、热物 理、信息、光学、生命、自动化以及新能源等专业的交叉结 合，开拓出一批新的学 科增长点等，是本实验室的建设目标。为此，本实验室未来将致力 于多个研究平台的建设：建立超精密加工技术开发平台，进行以弹性发射加工（EEM）为 代表的非接 触抛光技术研究及装备的研制工作，开展以磁流体磨削技术为代表的进行式机 械化 学抛光技术（P-MAC）的研究及装备的研制工作，开展超精密及纳米加工技术的实 验 研究；建立超高速、多功能、精密磨削平台；建设品质检测和质量保证技术研究平台； 建设现代陶瓷制备科学中的新技术研究平台。争取在已有的基础上，将实验室建成国内领 9 9/12 先的工程陶瓷精密加工理论、方法和应用研究基地；造就34名国内著 名的年轻学科带头 人；成为国内著名的工程陶瓷材料制品的研发基地；形成产学研 结合良性循环机制。 过程控制与大型装备开发 机电一体化技术发展，机械系统、液压系统与电气控制系统得到有机的融合，使得单 领域很难解决的问题变得简单易控，特别采用了如 PLC 、 DCS 技术，系统的可靠性得 到大幅度的提高。天津大学机械学院在该方面取得了几十项科研成果，及时转化为生产力， 取得巨大的经济效益，并与大型企业（如中国海洋石油公司等）建立了长期的合作关系。 获部委科技奖励 8 项，在国内外重要学术刊物上发表论文几十篇，申请或授权国家专利 5 项。 1.大型中央控制系统 大型中央控制系统通过集散控制系统和分布式 PLC 网络控制系统实现，具有多总线传 输、双机或多机冗余控制、双网络热备等特点，通过上位机监控（ HMI ）实现现场实时 监控和和实时数据库信息记录。设备层采用 CONTROLNET 、 DEVICENET 连接，监控 层工作站常用 ETHERNET 连接，系统等级高、可靠性强，操作方便等，目前广泛应用于 石油平台中央控制系统。 2.PLC 过程控制系统 设备级 PLC 控制用于局部过程控制， 可靠性高、维护性强、平均无故障时间达 6 10 万小时。 由天津大学机械学院开发的设备控制系统所采用的 PLC 有美国 AB 、 通用电气 GE ；德国 SCHNEIDER 、 SIEMENS ；日本三菱、欧姆龙、富士、日立等， 有几十套系统应用于不同设备控制。 3.大型机电一体化装备 大型机电一体化设备 融合了机械系统、液压气动系统与电气控制系统技术，设计、建 造、安装及调试技术难度大，目前机械学院具有该方面交钥匙工程开发能力。典型装备有： （1）海洋平台灌浆机 2）大型结构物同步顶升系统 4.大规模楼宇智能控制 目前常规的 楼宇智能控制等级较低，利用 PLC 技术， 将现场探头烟、热、 UV/IR 、手报站、可燃气体、 H 2 S 浓度检测以及输出控制如风机、风门、 HALON 气体、 CO 2 释放系统，通过 PLC 构成高等级的大规模 楼宇智能控制系统，实现严格的因果逻 辑，并与中央控制系统联网。该技术在多个石油平台（埕北 B 平台、锦州 JZ20 2 平 台、绥中 SZ36 1A 平台、明珠号大型油轮等）得到应用和中国