機床結合面跨尺度非線性耦合技術及應用_1120修改版課件

1、機床結合面跨尺度非線性耦合技術及應用西安理工大學秦川機床工具集團股份有限公司2015年12月4日匯報人：黃玉美一研究背景及總體思路二主要技術發(fā)明三客觀評價四應用情況、經(jīng)濟和社會效益五曾獲獎勵及知識產(chǎn)權情況 六主要完成人情況匯報提綱一、背景與意義機床結合面跨尺度非線性耦合技術及應用一機床的重要性 高端數(shù)控機床是航空、航天、軍工、國民經(jīng)濟等高端裝備制造領域精密復雜零件的核心加工設備。高端數(shù)控機床設計制造技術依然受西方發(fā)達國家制約。飛機葉片飛機機匣渦輪機葉片大型水輪機葉片高端數(shù)控機床研究背景一結合面的重要性 機器人含有大量關節(jié)結合面關節(jié)結合面 在機床中也存在大量結合面研究背景一 機床由零部件通過固定

2、和運動結合面裝配而成。機床由零部件通過固定和運動結合面裝配而成。 結合面是機床結構中的薄弱環(huán)節(jié) 機床整機剛度的55%以上、阻尼的70%-90%源于結合面 結合面特性是制約高端數(shù)控機床自主研發(fā)的瓶頸之一刀柄結合面圓柱結合面導軌結合面螺栓結合面滾珠絲杠結合面軸承結合面結合面的重要性研究背景一研究背景結合面難度大結合面影響因素 表面層固有因素 零件結構因素表面形貌、材質加工方法及其配對，材質、載荷、激振頻率。表面形貌、結合面的類型，形狀、規(guī)格化尺寸多因素非線性耦合 特性不能按比例縮放 耦合解析實驗難接觸表面層數(shù)據(jù)海量難度大實施困難結合面結合面結構件結構件結構件結構件7070年代德、英、日、美、荷五國

3、在年代德、英、日、美、荷五國在CIRPCIRP組織下對相同機組織下對相同機床對象采用不同解析處理方法床對象采用不同解析處理方法，其計算差別高達幾倍，其計算差別高達幾倍! !結合面特性研究成為一項國際難題！一研究背景研究歷程1985200919911999201519821985-1990 國家七五攻關 國家自然科學基金 機械工業(yè)發(fā)展基金 建立結合面數(shù)據(jù)庫200種 88年機電部二等獎“導軌結合部靜態(tài)特性解析方法及其在CAD中的應用” 89年機電部二等獎“考慮結合部的機床結構設計解析方法在機床上應用” 應用：濟南第一機床廠 結合面基礎理論研究，導軌結合部1982-1984第一發(fā)明人在日本從事導軌結

4、合部研究1991-1998 國家八五攻關 國家九五推廣 機械工業(yè)發(fā)展基金 建立結合面數(shù)據(jù)庫800種 95年陜西省二等獎“結合面基礎特性參數(shù)” 98年教育部二等獎“機械結合技術與整機性能預測控制技術” 應用：長征機床廠，中信機電公司 結合面基礎理論研究，三參量公式1999-2008 國家技術創(chuàng)新 國家自然科學基金 總裝備部預研委托 中信機電國家技術創(chuàng)新委托 國際合作項目 建立結合面數(shù)據(jù)庫1200種 99年陜西省一等獎“加工中心整機結構特性預測和補償技術” 美國機床學會“創(chuàng)新貢獻獎” 應用：寶雞機床廠、秦川機床廠、長征機床廠、星火機床廠 新原理裝置開發(fā)、機床創(chuàng)新開發(fā)2009-2015 國家973課

5、題 數(shù)控機床國家科技重大專項 國家自然科學基金 國家863（在研） 建立結合面數(shù)據(jù)庫5963種 12年陜西省一等獎“結合技術及其機電一體化產(chǎn)品原始創(chuàng)新開發(fā)” 應用：寶雞機床廠、秦川機床廠 新原理裝置開發(fā)、機床創(chuàng)新開發(fā)特征分層表征 多變量表征數(shù)學模型 基礎數(shù)據(jù)實驗獲取 單元結合部耦合解析 實驗驗證裝置 整機特性耦合解析 整機誤差耦合解析 實驗獲取及驗證裝置一研究背景結合面難度大特征分層表征單元結合部數(shù)據(jù)結合面基礎數(shù)據(jù)機床整機因素分層處理固有影響因素結合面的表面形貌、材質、加工方法，介質、載荷、激振頻率等。規(guī)格化結構因素結合部的類型，形狀、規(guī)格化尺寸。自由結構因素結構、工況及尺度解決通用性問題發(fā)明

6、新原理結合部結合面特性數(shù)據(jù)整機結構方案評價、修改、補償技術提升整機設計性能提高整機工作性能結合面難題按“結合面-結合部-整機”三層處理?？傮w研究方案二、主要技術發(fā)明機床結合面跨尺度非線性耦合技術及應用二發(fā)明點 一發(fā)明點一： 發(fā)明了單位面積結合面及單元結合部的數(shù)據(jù)獲取方法，建立了結合面特性數(shù)據(jù)庫。主要技術發(fā)明結合面特性數(shù)據(jù)單元結合部特性結合面基礎特性數(shù)據(jù)的通用化單位面積結合面特性結合部特性數(shù)據(jù)通用化二發(fā)明點 一（1）發(fā)明了結合面基礎特性數(shù)據(jù)實驗獲取方法與實驗裝置。主要技術發(fā)明難1：結合面為兩零件接觸面，看不見、摸不著！ 從實驗系統(tǒng)分離結合面特性很難！難2：裝置保證避免邊界效應和結構件影響二發(fā)明點

7、 一（2）提出了單位面積結合面動剛度和阻尼特性數(shù)據(jù)的三參量表征公式。主要技術發(fā)明法向靜態(tài)試驗切向靜態(tài)試驗法向動態(tài)試驗切向動態(tài)試驗mdndndbcndndndkapwnXcccbcncnndCa p wnXdddbcddndka pwnXcccbccndCa pwnX法向剛度、阻尼法向剛度、阻尼切向剛度、阻尼二發(fā)明點 一（3）建立了基于結合面基礎特性數(shù)據(jù)的規(guī)格化單元結合部特性解析模型，揭示了包含規(guī)格化結構因素和固有因素對結合部特性的影響規(guī)律 。主要技術發(fā)明單位面積結合面基礎特性數(shù)據(jù)單元結合部特性模型規(guī)格化單元結合部特性數(shù)據(jù)庫解析mdndndbcndndndkapwnxdddbcddndkapwn

8、xnbnnnka pbnka p法向動剛度、阻尼切向動剛度、阻尼實驗二發(fā)明點 一（4）發(fā)明了包含多平面、曲面結合面的單元結合部試驗裝置。主要技術發(fā)明刀柄單元結合部特性試驗裝置軸承單元結合部特性試驗裝置回轉導軌剛度試驗裝置螺栓單元結合部試驗裝置二發(fā)明點 一（5）創(chuàng)建了可供創(chuàng)新設計應用的含5936種結合面特性數(shù)據(jù)庫。 開發(fā)了數(shù)據(jù)庫應用軟件系統(tǒng)。主要技術發(fā)明國內(nèi)外還尚未見有這樣的數(shù)據(jù)庫公開報道。結合面特性數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫應用軟件系統(tǒng)第三方檢測報告基礎數(shù)據(jù)2746種；單元結合部數(shù)據(jù)3190種二發(fā)明點 二主要技術發(fā)明發(fā)明點二： 提出了考慮結合面非線性耦合特性的機床整機特性預測及結構修改技術。考慮結合面非線性

9、特性機床整機性能解析模型機床整機性能計算軟件系統(tǒng)機床整機性能考核試驗裝置機床整機結構設計修改二發(fā)明點 二主要技術發(fā)明（1）提出了考慮結合部非線性耦合特性的機床整機特性解析方法 結合部特性數(shù)據(jù)庫非線性結合面特性耦合技術非線性結合面特性耦合技術有限元整機計算模型邊界元整機解析模型二發(fā)明點 二主要技術發(fā)明（2）開發(fā)了機床整機性能預測軟件系統(tǒng)。二發(fā)明點 二主要技術發(fā)明（3）發(fā)明了機床整機性能試驗測試裝置。 國際ISO標準：采用弓形架，單向、固定位置加載，無法檢測整機剛度分布！二發(fā)明點 三主要技術發(fā)明發(fā)明點三： 發(fā)明了基于結合部誤差傳遞理論的機床空間綜合誤差補償控制技術。構構件件綜合誤差傳遞解析：幾何誤

10、差載荷產(chǎn)生的變形誤差誤差耦合處理直線運動結合部：回轉運動結合部：固定結合部：二發(fā)明點 三主要技術發(fā)明（1）提出了加工時變化載荷作用下的結合部誤差和構件誤差的耦合方法，開發(fā)了整機綜合誤差解析軟件 。綜合誤差結果解析軟件邏輯框圖整機綜合誤差解析軟件機床拓撲結構二發(fā)明點 三主要技術發(fā)明（2）發(fā)明了數(shù)控機床整機綜合誤差解析方法驗證裝置。磨齒機綜合誤差驗證磨齒機綜合誤差驗證模擬切削載荷恒值變位置加工點處刀具和工件相對位移整機綜合誤差 各測點位移值二發(fā)明點 三主要技術發(fā)明（3）發(fā)明了機床整機綜合誤差在機檢測與補償技術。參數(shù)輸入?yún)^(qū)誤差權重顯示區(qū)誤差補償結果顯示區(qū)誤差綜合結果顯示區(qū)在機檢測大規(guī)格成形磨齒機產(chǎn)品

11、的必備測量系統(tǒng) ，使齒輪加工誤差減少85%整機誤差綜合模型分析軟件整機誤差綜合模型分析軟件二發(fā)明點 三主要技術發(fā)明（4）發(fā)明了交點外露和交點內(nèi)置的空間軸線共面度、滾擺角檢測方法與裝置。二發(fā)明點 四主要技術發(fā)明發(fā)明點四： 將結合面的接觸特性、連接部位的機構特性及機電技術相結合，提出了考慮結合部非線性耦合特性的機床產(chǎn)品部件創(chuàng)新開發(fā)方法。結合面的接觸特性構件連接部位的機構特性機電結合技術考慮結合部非線性耦合特性的新型機床產(chǎn)品部件開發(fā)花崗石與金屬熱態(tài)特性解決了機床中的機構約束和熱特性匹配難題（1）發(fā)明了過約束滾滑復合回轉關節(jié)，解決了并聯(lián)機床中關節(jié)剛度與阻尼的合理匹配問題； 發(fā)明了熱位移約束復合滑座，解

12、決了花崗巖和金屬結構件間的熱變形協(xié)調(diào)問題。二發(fā)明點 四主要技術發(fā)明為高端數(shù)控機床精度提升到納米量級奠定了基礎（2）發(fā)明了直線微驅動機構、回轉微動機構、宏微驅動機構，解決了在精密、超精密機床中難以定量考慮結合部特性影響問題。二發(fā)明點 四主要技術發(fā)明從提升機床模塊結合部性能出發(fā)，（4）發(fā)明了可重構機床模塊群結構，為機床整機功能靈活配置提供了新方法，創(chuàng)新了機床集成制造途徑二發(fā)明點 四主要技術發(fā)明（3）發(fā)明了立臥轉換三軸并聯(lián)機構、滾滑回轉結合部并聯(lián)主軸頭、三軸混聯(lián)機構，解決了并聯(lián)機床中速度、結構、剛度的匹配難題。二發(fā)明點 四主要技術發(fā)明三、客觀評價機床結合面跨尺度非線性耦合技術及應用三一 技術比較客觀

13、評價三二 檢測報告客觀評價三三 技術鑒定客觀評價（1）2011年工信部委托陜西省科技廳組織對由本單位負責的國家數(shù)控機床科技重大專項課題“結合面特性數(shù)據(jù)庫和考慮結合部耦合特性的機床整機性能預測集成軟件系統(tǒng)”項目鑒定會認為：“課題研究成果具有創(chuàng)新性，總體水平國際先進，主要成果在國際上具有原創(chuàng)性”（2）1996年由原機械工業(yè)部基礎裝備司組織對國家“八五”科技攻關項目“仿形立柱移動加工中心整機結構性能預測及補償技術”鑒定會認為：“總體水平為國際先進水平，其中用解析方法建立柔性結合部子結構特性方程式、解析確定機械系統(tǒng)中零部件邊界條件，綜合加工誤差預測建模方法三項技術居國際領先水平”三三 技術鑒定客觀評價

14、（3）1990年由原機電部機床工具司組織對國家“七五”科技攻關項目“結合面特性參數(shù)及計算公式”鑒定會認為：“該課題難度很高，工作量很大。在國內(nèi)外處領先地位，為發(fā)展機床CAD進行整機靜動態(tài)性能定量預測和評價，解決了一項關鍵的技術難題”（4）1989年由原機電部機床工具司組織對機械工業(yè)技術發(fā)展基金項目“考慮結合部的機床結構設計解析方法”鑒定會認為：“結合部理論解析與處理方法的研究方面在國內(nèi)處于領先地位，達到國際先進水平” 三四 國內(nèi)國外同行評價客觀評價世界上結合部研究權威、日本著名機床專家伊東誼教授在1988年出版的日本機械學會論文集（C編）（54卷500號p807-815）所撰寫的論文“機床結合

15、部問題新進展”列出了國際上研究機床結合部的主要研究機構，陜西機械學院（西安理工大學前身）是中國唯一一個被列入其中的研究機構。”三五 重要科技獎勵客觀評價四、應用情況、經(jīng)濟效益 和社會效益機床結合面跨尺度非線性耦合技術及應用四一 應用情況應用情況、經(jīng)濟效益 和社會效益寶雞忠誠機床股份有限公司設計預測與修改樣機性能測試寶雞機床廠車窗靜剛度檢測兩種方案對比提高34倍四一 應用情況應用情況、經(jīng)濟效益 和社會效益寶雞忠誠機床股份有限公司 解決了國產(chǎn)高精車床中精密進給機構的瓶頸問題，提升了創(chuàng)新產(chǎn)品自主開發(fā)能力。四一 應用情況應用情況、經(jīng)濟效益 和社會效益陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司 導軌布局修改 滑板結構修改 立柱結構修改 B軸結構修改四一 應用情況應用情況、經(jīng)濟效益 和社會效益其他機床企業(yè)應用：在軍工產(chǎn)品上應用：坦克工程車，牽引車本成果已在10家企業(yè)應用，取得經(jīng)濟效益8.98億元，直接經(jīng)濟效益3.12億元。四二 社會效益應用情況、經(jīng)濟效益 和社會效益（1） 突破了結合部特性研究中若干重大問題，標志我國在該領域研究走在世界前列。（2）發(fā)明了多種新原理結合部，建立了考慮結合部耦合的整機性能預測技術及整機設計方案評價、修改技術，創(chuàng)新了高檔數(shù)控機床開發(fā)途徑，推動了行業(yè)技術進步（3）解決了國際標準ISO中沒