新型四自由度并联机构物理样机数控系统开发开题报告

本科生毕业论文学 院 专 业 年 级 姓 名 指导教师 年 月 日本科生毕业论文任务书题目：新型四自由度并联机构物理样机数控系统开发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. 工作基础本论文拟开展的工作为国家自然科学基金项目“面向飞机部件级对接的全对称四自由度并联机构设计理论与关键技术研究”(项目编号：51205278)的部分研究内容。该项目面向飞机制造业对部件级对接装备的实际需求，将具有位姿能力的并联机构应用于飞机部件级对接装备的研发，拟以具有我国自主知识产权的高刚度全对称四自由度并联机构 R4 为典型对象，研究该类机构的优化设计理论与关键技术。目前，R4 机构的概念设计、运动学分析与综合等研究工作已基本完成，该机构的虚拟样机设计及综合性能预估正在研究中。为配合物理样机研制与性能测试，急需开发相应的数控系统。2. 研究条件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研究，先后发明了 3-HSS 并联机床、 Diamond/Delta-S 高速并联机械手、TriVariant 系列五坐标混联机械手等，已积累了丰富的工程实践经验。该研究所具有良好的人力、物力条件，软硬件设施完善，上述并(混)联构型装备的数控系统对本论文拟开展的研究工作具有良好的借鉴意义。3. 应用环境R4 机构是一种新型四自由度高刚度并联机构，具有较强位姿能力，可搭建零部件对接装备，在航空制造业中实现飞机部件级对接装配作业。4. 工作目的本论文拟研制一种基于 PC 机运动控制器的开放式数控系统，以实现对R4 机构的运动控制，为上述飞机部件级对接装备的开发奠定技术基础。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): 671-681.3Neugebauer R, Harzbecker C, Drosset W G, et al. Parallel kinematic structure in manufacturingA. In: Proceeding of 2002 Parallel Kinematic Machines International ConferenceC. Chemnitz, Germany: 2002, 17-38.4李亚，王洋，倪雁冰3-HSS 型并联机床数控系统的开放式设计J机床与液压，2001，5(1) ：7173.5王洋并联机床开放式数控系统开发D 天津：天津大学，20026刘武发，刘德平.机床数控技术M.北京：化学工业出版社，2004，1012.7赵宝亚.基于 PMAC 开放式数控系统及其应用J.煤矿机械，2007，28(5)：123125.8牛志刚，张建民.PRS-XY 混联机床数控系统软件设计方法J .制造技术与机床，2006(7)：5357.9倪田荣，范守文.新型并联机床数控系统插补算法的研究J.工具技术，2003，37(5)： 16-19.10陈修龙，赵永生 .并联机床数控代码的虚实映射计算J.计算机集成制造系统，2004，10(10) ：12691272.11Frederick M, James S. Open-architecture controllersJ. IEEE Spectrum, 1997, 34(6): 60-64.12Wang F C, Wright P K. Open architecture controllers for machine tools, part 1: Design PrinciplesJ. ASME Journal of Engineering for Industry, 1998, 120(5): 417-424.13Rober S J, Shin Y C. Modeling and control of CNC using a PC-based open architecture controllerJ. Mechatronics, 1995, 5(4): 401-420.14刘君华，郭会军基于 LABVIEW 的虚拟仪器设计M北京：电子工业出版社，2003，103515程学庆，房晓溪，韩薪莘LABVIEW 图形化编程与实例应用M北京：中国铁道出版社，2005，150三、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。 ）1. 研究内容拟研制一种开放式数控系统，以实现对 R4 并联机构的运动控制，为飞机部件级对接装备的开发奠定技术基础。具体内容包括：R4 机构运动学分析、基于 PC 机运动控制器的数控系统硬件平台搭建、数控软件系统开发，以及伺服电机调试实验等。2. 主要指标与技术参数R4 并联机构的主要技术指标为：工作空间：Z 轴行程 500 mm, A/B 轴40 度,C 轴 360 度；快速进给能力：30 m/min；体积精度：0.05 mm；各轴定位精度：0.02 mm。3. 具体要求掌握 R4 机构的运动学分析方法；完成基于 PCPMAC 运动控制卡的控制系统设计；开展伺服电机调试实验；提交毕业论文 1 份，要求条理清晰、符合科技论文写作规范；完成相关科技文献的翻译，不少于 5000 汉字。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论文开题报告课题名称 新型四自由度并联机构物理样机数控系统开发学院名称 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 田润 指导教师 宋轶民（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：航空制造业是保持国家军事威慑力和国际影响力、拉动国民经济快速增长的战略性产业，我国已将研制大型飞机列入国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年) 。据中国航空工业集团公司预测，未来 20 年中国将成为世界第二大民用航空市场。飞机装配是飞机制造中最为关键的环节，其成本约为产品总成本的 40%，而其工作量为直接制造（不含生产准备、工装制造）工作量的 50%70%，包括组件级装配、部件级装配及飞机总装三个主要工作流程 1-5，涉及测量、对接、连接三项关键技术。近年来，我国已在飞机部件级装配的测量技术与连接技术方面积累了宝贵经验，但现有部件对接技术及装备相对落后，与国外水平存在阶段性差距。因技术壁垒及军事、政治等影响因素，我国飞机制造企业不能期望从国外购买先进的部件对接技术/装备，必须自主研发。因此，提升飞机部件装配质量与装配效率具有极为重要的科学意义与工程应用意义。调研表明，现代飞机装配技术/装备正沿着数字化、自动化、柔性化、模块化方向高速发展。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，且因其外联结合部较小，便于与长行程导轨单元串联集成实现大范围作业，故可作为飞机部件装配所需数字化柔性对接装备的优势解决方案。结合国家航空制造业发展重大需求，天津大学提出一种新型全对称四自由度并联机构(R4) 8，并以该机构为核心功能模块深入开展飞机部件装配级先进对接设备的设计理论和和关键技术研究。目前，该机构的概念设计、运动学分析与综合等研究工作已基本完成。为配合物理样机研制与性能测试，急需开发相应的数控系统。二、国内外研究状况：鉴于本课题主要研究 R4 机构的位置分析和控制系统的设计，故在此仅介绍相关领域研究现状。机构的位置分析包括两类问题，即位置正解和位置逆解 9，常用方法有矢量法、D-H 矩阵法、旋量法、指数积法等。位置逆解，即已知机构的末端位姿参数求解机构的驱动参数。并联机构位置逆解较为简单，通过建立机构输入、输出构件的位姿关系，易得到解析解。2005 年，于晖 10利用位置逆解分析了新型 6-HTRT 并联机器人的工作空间及研究参数；同年，于艳秋 11将有理数最佳逼近实数和三角函数的方法引入到 6R机器人的位置逆运算中，提出了一种基于有理数运算的 6R 机器人位置逆解算法；2008 年，倪振松等 12提出运用四元数求解 6 自由度串联机械手的新方法。位置正解，即已知机构的驱动参数求解机构的末端位姿，通常有解析解和数值解。解析解能求得位置方程的全部解，但难度较大。1980 年，Duffy 13系统总结了单环空间机构的封闭求解；1988 年，梁崇高和他的博士生导出了空间7R 闭环机构 14的 16 次方程,解决了 Fredenstein 在 1973 年称之为珠穆朗玛峰的问题 15。在对并联机构的研究中，Innocenti 和 Parenti-Castel-Li16 1990 年用封闭解法分析了 3/6-Stewart 机构的位置正解。数值解省去了繁琐的数学推导，常采用 Newton 法等求解，易于获得一组位置解，且计算精度和效率可满足控制系统的需求。数控系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统。1952 年美国麻省理工学院研制出第一台实验性数控系统。1987 年美国提出了下一代控制器计划 NGC 和开放式系统体系机构标准 SOSAS，首次提出了开放式体系结构的概念。1992 年，欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放系统体系结构计划 OSACA17-18。在国际市场，德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统，主要的制造商有西门子、发那克、三菱电机。纳米插补与控制技术已走向实用阶段，西门子公司的 828D所独有的 80bit 浮点计算精度，可使插补达到很高的轮廓控制精度，从而获得很好的工件精度；机器人的应用领域延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量及装配领域，典型的有法那克公司的 M-LiA、M-20000iA、M-710ic 。近年来，国内数控系统迅速发展。华中“世纪星”数控在功能和配置方面远优于国外普及数控系统，特别是在多轴（9 轴）联动、三维图形显示、动态仿真、大容量程序内存、开放式体系结构等方面；北京航天数控系统公司推出的 CAS-NUC2100E 数控系统是一个将 PC104 板嵌入到控制系统中的一体化的车、铣床闭环数控系统，该系统是将控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装，具有功能全面、性能可靠、性价比高等特点；广州数控生产的 GSK983M 系统是中高档数控系统产品，该系统最多可实现 5 周 4 联动，可实现高速高精闭环加工，最高移动速度达 24m/min，精度达 1m 。其加工稳定性在国内占有一定的优势，被国内绝大多数机床厂家认可。 三、研究目标及内容：拟研制一种开放式数控系统，以实现对 R4 并联机构的运动控制，为飞机部件级对接装备的开发奠定技术基础。具体内容包括：R4 机构运动学分析；基于 PC 机运动控制器的数控系统硬件平台搭建；数控软件系统开发；伺服电机调试实验。四、研究方法及研究手段：在运动学分析方面，拟利用闭环矢量法建立机构运动学分析模型，求解位置逆解，并通过数值法获得机构的位置正解。在数控系统开发方面，拟采用 PCPMAC 运动控制卡搭建控制系统硬件平台。通过 PC 机实现人机交互、系统管理、参数设定等功能，通过 PMAC 运动控制卡实现对伺服电机的实时控制功能。拟基于 PeWin 软件开发控制系统运动控制模块、I/O 控制模块，并借助 Labiew 软件开发人机界面、参数设定等功能模块。在此基础上进行机电调试，整定伺服电机 PID 参数，确定控制系统各功能参数，完成数控系统的开发。五、进度安排：2013.01.02 2013.03.10 查阅相关资料，准备开题2013.03.11 2013.03.30 运动学分析2013.04.01 2013.04.20 数控系统硬件平台搭建2013.04.21 2013.05.21 数控系统软件系统开发2013.05.22 2013.05.31 机电调试实验2013.06.01 2013.06.20 撰写毕业论文，准备答辩主要参考文献：1 郭恩明. 国外飞机柔性装配技术J. 航空制造技术, 9: 28-32, 2005.2 范玉青. 现代飞机制造技术 (修订本)M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2001.3 任晓华. 新型飞机自动化装配技术J. 航空制造技术, 12: 32-35, 2005.4 Hartmann J. Automated wing panel assembly for the A340-600J, Society of Automotive Engineers, 7(1): 44-47, 2000.5 徐国康. 大型飞机自动化技术J. 航空学报, 29(3): 734-740, 2008.6 Available at: .7 Available at: http:/www.ds-technologie.de8 宋轶民, 孙涛, 董罡等. 新型四自由度并联机械手P. 国家发明专利, 申请号: 201110415578.X, 2011.9 黄真, 赵永生 , 赵铁石. 高等空间机构学M. 北京: 高等教育出版社, 2006.10 于晖, 孙立宁 , 刘品宽等. 新型 6-HTRT 并联机器人工作空间和参数研究J.Robot, 24 (4): 293-298, 313, 2002.11 于艳秋, 廖启征. 基于有理数运算的一般 6R 机器人位置逆解算法J. 机械工程学报, 41(3): 229-233, 2005.12 倪振松，廖启征，魏世民等. 空间 6R 机器人位置反解的对偶