新型五坐标可重构混联动力头虚拟样机设计开题报告

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：新型五坐标可重构混联动力头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国家自然科学基金项目“新型五坐标混联动力头设计理论与关键技术研究”(项目编号：51075295)的部分研究内容。该项目将研发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-IV，以满足飞机制造业等对高档数控加工装备的重大需求。目前，Tricept-IV 的概念设计、运动学分析与综合等研究工作已基本完成。2. 研究条件1997 年以来，天津大学机械工程学院制造装备与系统研究所已对并/混联构型装备的设计理论与关键技术进行了深入研究，在样机建造、性能检测及工程示范应用等方面积累了丰富经验，取得了一批标志性成果，研究水平居于国内领先地位，并享有较高的国际学术声誉。除可提供必要的理论指导、商用软件与计算设备外，该研究所还拥有多台具有我国自主知识产权的并/混联构型装备物理样机，如 Diamond、Delta-S 、TriVariant-B 及 TJU-A3 等。因此，本毕业设计研究条件良好。3. 应用环境Tricept-IV 是一种新型五坐标混联动力头，可重构能力极强，可借以搭建专机或需优势方向的制造系统，在航空、汽车制造业中具有良好的工程应用前景，如实现飞机机翼等大型铝合金结构件的高效切削加工。4. 工作目的本设计拟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，为上述动力头的建造及相关实验研究奠定基础。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, 2008.6Fang YF, Tsai LW. Structure synthesis of a class of 3-DOF rotational parallel manipulatorsJ. Transactions on Robotics and Automation, 2004, 20(1): 117-121.7Sun 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。 ）本毕业设计需借助 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工作。为此，本毕业设计的主要内容如下：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；4绘制原型样机的工程图纸。具体要求：1阅读相关科技文献，了解少自由度并/混联机构研究动态，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（3 张 A0 图纸）；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 新型五坐标可重构混联动力头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 指导教师 （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：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-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；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2013.03.09 2013.04.10 样机初步造型2013.04.11 2013.05.10 优化模型2013.05.11 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 Sun T, Song YM, Yan K. Kineto-static analysis of a novel high-speed parallel manipulator with rigid-flexible coupledlinksJ. Journa