开题报告-大空间冗余驱动平面5R并联机构的虚拟样机设计

本科生毕业设计说明书学 院 专 业 年 级 姓 名 指导教师 年 月 日本科生毕业设计任务书题目：大空间冗余驱动平面 5R 并联机构的虚拟样机设计学生姓名学院名称专 业学 号指导教师职 称一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。 ）1. 工作基础本设计拟开展的工作为教育部博士点基金“并联机构广义性能评价指标构建及奇异性分析研究”(项目编号：？)的部分研究内容。以传统平面 5R 并联机构为研究对象，通过改进其驱动方式，将被动关节变为主动关节，使之转化为冗余驱动，扩大其任务工作空间。目前，针对该机构的运动学和刚体动力学的模型验证工作已基本完成。为配合后续研究，亟待开发相关物理样机，为更加深入的理论和实验研究做准备。2. 研究条件天津大学机械工程学院制造装备与系统研究所长期从事并/混联构型装备的设计理论与关键技术的研究，取得了一系列标志性成果，先后发明了 3-HSS、Diamond 、Delta-S、TriVariant-B 及 TJU-A3 等并/混联操作手，积累了丰富的工程实践经验，其研究水平在国内居于领先地位，并在国际上具有较高的知名度。综上，该研究所具备优良的人力、物力条件，软硬件设施完善。因此，本毕业设计可以在已有成果的相关理论基础上进行展开，研究条件良好。3. 应用环境冗余驱动平面 5R 并联机构是一种新型的并联操作手。其冗余驱动方式可以突破传统并联机构难以克服的奇异位置，实现大工作空间的无奇异运动，在轻工业生产中具有重要的工程应用价值，如电子封装、食品包装等大范围的抓取作业。4. 工作目的本设计拟完成一种新型含冗余驱动的平面 5R 并联操作手的虚拟样机设计与原型样机工程图纸绘制，为上述操作手的建造以及后续的相关理论和实验研究奠定基础。二、参考文献1张曙，Heisel U并联运动机床M北京：机械工业出版社，2003，25502Week M, Staimer D. Parallel kinematic machine tools - current state future potentialsJ. Annals of the CIRP as production systems, 2002, 15(2): 671-681.3Neumann KE. Tricept applicationsA. In: Proceedings of the 3rd Chemnitz Parallel Kinematics SeminarC. Zwickau, Germany: 2002. 547-551.4Neumann KE. Next generation Tricept - a true revolution in parallel kinematicsA. In: Proceedings of the 3rd Chemnitz Parallel Kinematic SeminarC. Zwickau, Germany: 2002. 591-594.5王友渔. 一类球坐标型混联机器人静刚度建模理论与方法研究D.天津: 天津大学, 2008.6Sun T, Song YM, Li YG, et al. Workspace Decomposition Based Dimensional Synthesis of a Novel Hybrid Reconfigurable RobotJ. Journal of Mechanisms and Robtics, Transactions of ASME, 2010, 2(3): 031009.7孙涛. 少自由度并联机构性能评价指标体系研究D. 天津: 天津大学, 2011.8Grsel Alici, An inverse position analysis of ve-bar planar parallel manipulatorsJ. Robotica, 2002, 20: 195201.9彭利平, 訾斌. 混合驱动平面五杆并联机构的工作空间研究J. 机械传动, 2010, 34(4): 20-23.10张立勋, 路敦民, 董玉红等. 五杆式人机合作机器人运动学分析及仿真J. 哈尔滨工程大学学报, 2005(4): 184-188.11田汉民, 张策, 张新华. 二自由度平面五杆机构的双曲柄存在条件J. 机械设计, 2001, 3: 23-25.12杨辉，赵恒华，付红栓. 并联机构虚拟样机的构建与仿真J. 工程设计学报, 2012, 19(6): 445-448.13H. Giberti, S. Cinquemani, S. Ambrosetti5R 2dof parallel kinematic manipulator A multidisciplinary test case in mechatronicsJ. Mechatronics, 2013, 23(8): 949-959.三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。 ）本毕业设计主要借助 Solidworks、AutoCAD 等商用三维、二维制图软件，完成新型冗余驱动平面 5R 并联操作手的虚拟样机设计与原型样机工程图纸绘制工作。为此，本毕业设计的主要内容如下：1确定冗余驱动支链适宜的机械结构，实现原型样机的总体布局设计；2根据运动学分析（奇异性分析） ，并结合工程实践经验，实现原型样机的初步机械结构设计；3借助 Solidworks 软件，实现 冗余驱动平面 5R 并联操作手的虚拟 样机设计；4借助 AutoCAD 绘制原型样机的工程图纸。具体要求：1阅读相关科技文献，了解并联机构的研究内容和最新研究动态，并完成外文资料翻译任务（5,000 字）；2了解样机设计开发流程，并熟练使用相关设计软件（Solidworks 、AutoCAD ）；3撰写开题报告 1 份；4绘制原型样机工程图纸 1 套（机构装配图和零件图）；5撰写设计说明书 1 份。指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学本科生毕业设计开题报告课题名称 大空间冗余驱动平面 5R 并联机构的虚拟样机设计学院名称 机械工程学院 专业名称 机械设计制造及其自动化学生姓名 郝虹斐 指导教师 宋轶民Comment g1: 此处文字不要这样介绍，改成介绍串并联机器人各自优缺点。介绍并联限制并联机构功能发挥的主要因素（奇异） ，从而引出介绍本毕业设计要解决的问题（见任务书）。本操作手主要的应用领域为轻工业，比如电子封装，分拣，包装等作业。（内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。 ）一、课题来源及意义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能操作器1。一般来说，机器人是一种能代替人从事多种工作的高度自动化机械，可分为串联机器人和并联机器人。串联机器人具有工作空间大、响应快、操作性能较灵活等优点，在工业中得到了广泛的应用，但它具有承载能力小、位置精度低、动力学性能差、误差累计放大等缺点。为了克服串联机器人的上述缺点，并联机器人应运而生。并联机构是指具有多个运动自由度，其动平台或者末端执行器至少通过两个独立的运动链相连接，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构。相对于串联机器人，并联机器人具有以下优点2：1）刚度大，结构稳定；2）承载能力强；3）精度高；4）运动惯性小，运动积累误差小；5）在位置求解上，并联机构逆解运算较容易。本课题采用平面铰链五杆机构来实现。五杆机构有可用常速电机驱动、混合驱动及双可调速电机驱动，可精确地实现各种复杂的平面轨迹。但由于五杆机构存在奇异性，给其设计与应用带来极大不便。当机构处于奇异位置时，机构会失去控制，因此在设计和应用五杆机构时应避开奇异位形。飞机制造业是拉动国民经济快速增长，保持国家军事威慑力与国际影响力的战略性产业。我国已将大飞机研制列入国家科技发展重大专项。飞机制造技术包括零件制造技术与部件装配/连接技术 1，而零件制造质量与效率将直接影响飞机综合性能与市场竞争力。飞机机体结构用材多以铝合金为主，其中大型铝合金结构件(如壁板、整体框、翼梁、翼肋等)具有结构复杂、薄壁、易变形、金属切除率高等特点，必须采用大型五轴联动高速加工装备制造 2-3。目前，国内航空制造企业所采用的大型铝合金结构件加工装备多为龙门立式机床，该类机床存在体积重量大、不宜实现高速运动、排屑困难及刀具空间定向速度低等局限。为克服传统龙门立式机床的不足，一类基于多坐标并/混联动力头的大型铝合金结构件高速加工装备现已受到飞机制造业的广泛关注。其中，最具代表性的当属五坐标混联动力头Tricept与三坐标并联动力头 Sprint Z34-5。然而，由于飞机制造业涉及国家安全，且为全球高技术产业竞争的焦点，故工业发达国家对我国引进相关装备的用途严加控制，而国产装备在结构技术、工件规格和加工效率等方面均与国际先进水平存在阶段性差距。因此，开发具有自主知识产权、适合大型铝合金结构件高效加工的核心装备，已成为我国飞机制造业的迫切需求。本课题密切结合国家飞机制造业对铝合金整体结构件高效加工装备的重大需求，依托“新型五坐标混联动力头设计理论与关键技术研究”国家自然科学基金项目，拟以具有我国自主知识产权的新型五坐标可重构混联动力头 Tricept-Comment g2: 基金项目名称见任务书。Comment g3: （1）重点介绍并联机构研究的主要内容（运动学正逆解、工作空间、奇异性分析，给你的文献中有相关介绍，可以参考） （2）查阅相关平面 5R并联机构的相关文献，说明学者们针对该机构都做了哪些研究（主要是运动学方面） ，概括一下。（3）再介绍一下并联机构虚拟样机开发方面的一些成果（给你的文章中有） 。IV为典型范例，开展相关虚拟样机设计与原型机工程图纸绘制等工作。该项工作对促进原创技术的工程应用，支撑国家飞机制造业发展，具有重要意义。二、国内外研究现状：调研表明，以 Tricept、Sprint Z3为代表的一类少自由度并/ 混联构型装备已在飞机壁板、翼梁等大型整体铝合金结构件高效加工作业中得到了成功应用 6-7。该类装备具有刚度高、精密及姿态能力强等特点，且其外联结合部较小，便于与长行程导轨单元串联集成实现大范围作业。Tricept 并混联机构最初由 Neumann 提出。Tricept 动力头采用 3UPS-UP-2R 型拓扑结构，具有工作空间/机座体积比大、刚度高、静/ 动态特性优良及可重构能力强等诸多优点。以其为核心功能部件，通过串联 1-2个自由度或采用多机联合方式，可构建五坐标高速加工中心或具有优势方向的高速加工单元/系统 8-10。Tricept 600作为该系列最早的机器人，起初主要用于激光焊接和轻负荷高速机械加工。随着其可重构等优点逐渐被人们发现，SMT 公司开发出了 Tricept 805 模块，并应用于高速切削加工。与 Tricept 600系列相比，Tricept 805具有更高的刚度、精度及主轴功率，已经达到传统数控机床的性能指标，并在此基础上开发出了可与传统机床相媲美的 Tricept 845 加工中心。SMT 公司又开发出 Tricept 9000 系列，其精度、刚度以及主轴功率均优于 Tricept 600和 800系列，可以满足钢或钛合金等材料的加工需求。目前，借助于其可重构性强、刚度高、静动态特性好等优点，Tricept 系列在航空航天及汽车工业中得到了成功应用 11。在国内，天津大学率先开展了对多坐标可重构混联构型装备设计理论、样机建造/性能检测关键技术及工程示范应用研究，并发明了 TriVariant 系列 5-DOF 混联模块。其中，TriVariant-B 已被企业购置并用于大型火炬塔/ 通信塔的钢管相贯线切割作业，而 TriVariant-A 则成功应用于上海世博会“阳光谷工程”建设 12。密切结合国家飞机制造业的重大需求，黄田教授提出了一种新型五坐标混联动力头 Tricept-IV，现已授权国家发明专利，突破了并/混联动力头的国际知识产权壁垒 13-16。三、研究目标及内容：本项目密切结合国家飞机制造业对铝合金整体结构件高效加工装备的重大需求，立足于原始创新，拟借助 SolidWorks、AutoCAD 等商用软件，完成新型五坐标可重构混联动力头 Tricept-IV的虚拟样机设计与原型样机工程图纸绘制等工作。主要内容：1确定 UPP 支链适宜的机械结构，实现原型样机的总体布局设计；2根据运动学设计（项目组其他成员完成），并结合工程实践经验，实现原型样机的初步机械结构设计；3借助 SolidWorks软件，实现 Tricept-IV机构的虚拟样机设计；Comment g4: 参考设计任务书Comment g5: Comment g6: 参考文献自己再整理一下，继续扩展，注意文献标号跟文中上标一致，15 篇左右即可4借助 AutoCAD软件，绘制原型样机的工程图纸。四、研究方法及手段：为了顺利完成本课题的研究目标，首先，查阅新型五坐标可重构混联动力头 Tricept-IV的相关资料，在此基础上实现原型样机的初步机械结构设计。其次，借助 SolidWorks、AutoCAD 等商用软件，进行虚拟样机设计与绘制工程图纸。此外，还需与项目组其他成员密切配合，协调工作，使设计成果符合整体项目要求。五、进度安排：2013.01.02 2013.03.08 查阅相关资料，准备开题2013.03.05 2013.04.05 样机初步造型2013.04.06 2013.05.06 优化模型2013.05.07 2013.05.31 绘制工程图2013.06.01 2013.06.30 撰写毕业论文，准备答辩六、参考文献： 1 郭恩明. 国外飞机柔性装配技术, 航空制造技术, 9: 28-32, 2005.2 张曙, Heisel U. 并联运动机床M. 北京:机械工业出版社, 2003, 25503 Week M, Staimer D. Parallel kinematic machine tools - current state future potentialsJ. Annals of the CIRP as production systems, 2002, 15(2):671-681.4 Neumann KE. Tricept applicationsA. In: Proceedings of the 3rd Chemnitz Parallel Kinematics SeminarC. Zwickau, Germany: 2002. 547-551.5 Neumann KE. Next generation Tricept - a true revolution in parallel kinematicsA. In: Proceedings of the 3rd Chemnitz Parallel Kinematic SeminarC. Zwickau, Germany: 2002.591-594.6 Gosselin C, Angeles J. The Optimum Kinematic Design of a Planar Three-degree-of- freedom Parallel ManipulatorJ. Mech Transactions Automation Dsign, 1988, 110(1): 35-41.7 Bonev I A, Ryu J. A New Method for Solving the Direct Kinematics of General 6-6 Stewart Platform Using Three Linear Extra SensorsJ.Mechanism and Machine Theory, 2000, 35(1): 423-436.8 Sun H. Motion Synchronization of Multi-cylinder Electro-hydraulic Lift SystemD. West Lafa-yette, Indiana: Purdue University, 2001.9 Qinchuan Li, Zhen Huang, Herve J.M. Type synthesis of 3R2T 5-DOF parallel mechanisms using the Lie group of displacementsJ. IEEE Transactions Robotics and Automation, 2004, 20(2): 173-180.10 黄真, 刘婧芳 , 曾达幸. 基于约束螺旋理论的机构自由度分析的普遍方法J . 中国科学, 2009, 39(1): 84-93 .11 Su