華僑大學先進制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃

1、華僑大學先進制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展state-of-the-art and future development of amt in huaqiao university劉雄偉，鄭海波，陳勇，鄭亞青，吳寒華僑大學先進制造技術(shù)研究所摘要華僑大學先進制造技術(shù)研究所成立于1997年，是一個集教學、科研與開發(fā)、技術(shù) 服務(wù)為一體的先進制造技術(shù)實驗基地，所屈機械制造及其自動化學科為華僑大學首 批博士點學科，現(xiàn)任所長：劉雄偉教授，副所長黃宜堅教授、江開勇教授，帶領(lǐng)一支由青年教師、博士研究生和碩士研究生組成的研究隊伍，在下列研究領(lǐng)域進行深入 的研究和開發(fā)：計算機數(shù)控（cnc）系統(tǒng)與機床；cnc雕銃機；cad/

2、cam基礎(chǔ)理論與雕刻加工cad/cam系統(tǒng)；基于繩牽引的并聯(lián)機構(gòu)；精密高速加工動力學與加工過程控制；模具設(shè)計為制造；特種加工與快速原型制造（rpm）技術(shù)；機電系統(tǒng)與虛擬儀器技術(shù)：電磁流變技術(shù)及其在機電系統(tǒng)屮的應(yīng)用。本文主要介紹在數(shù)控系統(tǒng)與機床、cad/cam技術(shù)與系統(tǒng)、高速加工動力學和基于繩牽引的并聯(lián)機構(gòu)等領(lǐng)域開展先進制造技術(shù)研究的現(xiàn)狀少發(fā)展規(guī)劃。一、計算機數(shù)控（cnc）系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，但“開放式數(shù)控系統(tǒng)”的統(tǒng)一的、 明確的定義就未形成。簡單地說，要發(fā)展開放式數(shù)控系統(tǒng)，首先要搞清楚什么叫“開放”， 為什么要“開放”以及怎樣“開放”。首先，何謂“開放”,為何“開

3、放”。我們認為，“開放式數(shù)控”首先是-種思想，一 種指導數(shù)控產(chǎn)業(yè)開發(fā)和生產(chǎn)模式的思想，其次才表現(xiàn)為具體的技術(shù)規(guī)范?！伴_放”的實質(zhì)思 想，是把數(shù)控系統(tǒng)細分為更小的模塊（包括硬件和軟件），開放并規(guī)范模塊間的接口標準。 這樣，數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)可以從“單參為模式”轉(zhuǎn)化為“多參與模式”，即從單一廠商 開發(fā)生產(chǎn)整套的數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多廠商（甚至是用戶）參與數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)。不同廠 商分別開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的某一部分，并可通過統(tǒng)一的接口規(guī)范連成整體，就彖組裝pc機一樣, 并可根據(jù)盂要在其中安裝各種不同的數(shù)控軟件或軟件模塊。通過這樣的開發(fā)和生產(chǎn)模式，可 以提高數(shù)控技術(shù)的發(fā)展速度，提高數(shù)控系統(tǒng)的性能（包括可擴展

4、性和適應(yīng)性），并人幅度降 低系統(tǒng)的成本。然后，怎樣“開放”。既然開放的根木1=1的在于提高系統(tǒng)的性能和降低系統(tǒng)的成本，那 么，在進行開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)時，應(yīng)該以這兩點為原則和標準。系統(tǒng)的開放性, 是由其所采用的技術(shù)體系所決定的，而系統(tǒng)的技術(shù)體系在很人程度上取決于系統(tǒng)的硬件平臺 和軟件平臺。pc做為一種已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的硬件平臺，在開放性、通用性、性能和成木上 都有非常明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為公認的現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)的理想碩件平臺。軟件平臺方而, 山于microsoft公司在通用操作系統(tǒng)領(lǐng)域的壟斷地位，其dos/windows操作系統(tǒng)是目前大 多數(shù)開放式數(shù)控系統(tǒng)所采用的軟件平臺。應(yīng)該說，基于這

5、兩種操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都有各自 的優(yōu)勢，但也都存在曹明顯的不足。dos提供的系統(tǒng)接口過于簡單，可利用的軟件資源很 少，基于dos的數(shù)控系統(tǒng)，其軟件規(guī)模很難提高；而windows雖然軟件資源豐富，但實時 性不足，冃前主要靠引入下位機的方法解決這個問題，增加了系統(tǒng)的成木，而rdsp等下 位機的關(guān)鍵技術(shù)被國外壟斷，這意味著數(shù)控系統(tǒng)在核心技術(shù)上受制于人。數(shù)控系統(tǒng)的理想軟件平臺，既不是dos這樣的單任務(wù)操作系統(tǒng)，也不是windows這樣 的非實時操作系統(tǒng)，而應(yīng)該是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)?；趯﹂_放式數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨 勢的分析，我們提出了棊于rtlinux操作系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的方案。經(jīng)過兩年多的開發(fā)，

6、冃前已成功開發(fā)出一個功能較為齊備，性能較為優(yōu)秀的數(shù)控系統(tǒng)，我們給該系統(tǒng)命名為 wedocncortlinux是正處于迅速發(fā)展中的linux操作系統(tǒng)的一個實時版本，屬口由軟件，其源碼 是開放的，可免費下載。因此，基于rtlinux開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)，不僅可以大大節(jié)省系統(tǒng)成本, 而且從理論上不存在任何“暗箱”。rtlinux是性能優(yōu)秀的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，借助于 rtlinux提供的實時多任務(wù)調(diào)度機制，可以簡便、清晰地完成數(shù)控系統(tǒng)的總體時序架構(gòu)，這 使得數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)者可以把更多的時間、精力投入實時口適應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)遠程控制等數(shù)控系 統(tǒng)高級功能的開發(fā)上ortlinux的主要不足是其開發(fā)環(huán)境還比較簡陋，一些相

7、關(guān)軟件資源（如 圖形函數(shù)庫）述比較不成熟。根據(jù)我們的實際開發(fā)經(jīng)驗，這些困難是對以克服的，iflj.r rtlinux木身止處于迅速發(fā)展中，相信這些問題會逐步得到改善。由于基于rt-linux的數(shù)控系統(tǒng)正處于起步階段，因此，無論在理論層面還是在技術(shù)層 面，都冇許多問題值得探索和研究。本項目的主要研究內(nèi)容冇：1）開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的框架。開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)比傳統(tǒng)專機數(shù)控系統(tǒng)有更好的可擴 展性和可維護性，在系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)、模塊組織上與專機數(shù)控系統(tǒng)有一定區(qū)別。由于 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于起步階段，關(guān)于開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件構(gòu)架策略、模塊 組織原則等基本問題還沒有形成較成熟的理論。本項n從理論分析和實踐驗證

8、兩個 方面，對開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)的合理方案進行了深入的研究和探索，提出了基 于rt-linux的開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的架構(gòu)方案，并在實踐中取得了成功。2）數(shù)控系統(tǒng)軟件各功能模塊的實現(xiàn)。本項目開發(fā)的wedo cnc數(shù)控系統(tǒng)，其軟件劃分 為若干模塊。主要包括總控模塊、輸入模塊、譯碼模塊、刀補模塊、插補預(yù)處理模 塊、插補模塊、位置控制模塊、速度控制模塊、界面模塊等功能模塊。各軟件模塊 的實現(xiàn)需耍一定的工作量。由于數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵問題：插補、位置控制、速度控制 以及譯碼和刀補等在理論上都已經(jīng)比較成熟，因此各模塊的具體實現(xiàn)基木上是技術(shù) 層面的問題，但在各模塊的具體編碼實現(xiàn)過程屮，我們采用了一些創(chuàng)新的技術(shù)

9、手段。3）rt-linux和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的接口技術(shù)。山于rt-linux的誕生歷史不長，還未獲得接 口設(shè)備廠商的廣泛支持。因此基于rt-linux的數(shù)控系統(tǒng)，與伺服系統(tǒng)的接口驅(qū)動程 序需要口行開發(fā)。4）現(xiàn)代信息技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。木項冃開發(fā)了數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫接 m,使得數(shù)控系統(tǒng)具備了遠程控制能力和從遠程數(shù)據(jù)庫（如刀具資料庫、零件資料 庫）中獲取信息的能力。該系統(tǒng)能夠方便地與上層的信息管理系統(tǒng)聯(lián)系，實現(xiàn)信息 整合，協(xié)同加工，有效提高制造的信息化水平。在實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段上，沒有采 用傳統(tǒng)的串口，而是采用了以太網(wǎng)（ethernet）接口，使得信息傳輸率提高了 1000 倍以上。這些工

10、作也是較有創(chuàng)新意義的，目前，我們開發(fā)的wedo cnc數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)在樣機上進行了大量加工實驗，實驗表明該系統(tǒng)軟件功能強大，整體性能較為優(yōu)秀。除具備標準數(shù)控系統(tǒng)的所冇基本功能外，木系統(tǒng) 還初步具備了 3d圖形界面、網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)據(jù)庫功能等現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的先進特征，并且具有 明顯的成本優(yōu)勢：所有功能兒乎全部采用軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)硬件只需普通的pc機和接口板卡, 硬件總價格（不含伺服系統(tǒng)）可控制在5000元以內(nèi)。我們相信，先進的軟件技術(shù)可以在低 成本的硬件平臺上實現(xiàn)高性能的數(shù)控系統(tǒng)，實踐證明這個判斷是正確的。本系統(tǒng)的伺服控制 周期町以達到微秒級，若與鬲性能的伺服系統(tǒng)配套，可實現(xiàn)高速高精度控制。另外，本系統(tǒng)

11、可以在進行加工控制的同時，進行網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫操作，因此具備了發(fā)展成為先進的網(wǎng)絡(luò)化智 能化數(shù)控系統(tǒng)的潛力。wcdo cnc數(shù)控系統(tǒng)目前達到的主要技術(shù)指標：工作方式：手動方式（對刀、回參考點和測量）和自動方式（nc代碼控制）譯碼支持：常用iso標準代碼插補：三坐標直線插補及兩坐標平面圓弧插補伺服控制周期：<lms （可選）驅(qū)動系統(tǒng)支持：步進伺服或交流伺服plc支持：采用口行開發(fā)的軟plc,兼容siemens s7-200常用指令網(wǎng)絡(luò)功能：遠程控制，遠程文件傳輸數(shù)據(jù)庫功能：訪問本地或遠端mysql> oracle數(shù)據(jù)庫仿真功能：在線或離線仿真，三維顯示我們正在努力推進該項目的產(chǎn)業(yè)化，準備按

12、照商業(yè)運作的模式，不斷地發(fā)展和完善 wedo cnc,使z成為真正成為具備市場競爭力的產(chǎn)品，希望得到各位專家、同仁的支持。參考文獻：1. xiong-wei liu, kai cheng, "3d extension of bresenham's algorithm and its application in straight-line interpolation,journal of engineering manufacture, vol.216, 2002, pp4594632. 吳寒，劉雄偉，“rtlinux平臺實時軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究”，微型機與應(yīng)用，2001

13、年 no.9, ppl3-193. 郭晉峰，吳寒，劉雄偉，“基于rtlinux smp功能的數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)”，制造技術(shù)與機 床,2001年12月,ppl4154. 吳寒，劉雄偉，“基于rtlinux的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)策略和關(guān)鍵技術(shù)”，制造技術(shù)與機床（已 接受，待發(fā)表）5. 陳建春，吳寒，劉雄偉，“基于rtlinux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)與應(yīng)用”，已投微型 機與應(yīng)用二、數(shù)控雕銃系列機床在國家計委、福建省科技廳和福建省經(jīng)委的支持下，我們與福州機床廠合作，聯(lián)合開發(fā) 了不同系列的多處標數(shù)控雕銃機床。目前開發(fā)成功的有：1.大型龍門三坐標數(shù)控雕銃機主要技術(shù)指標：1200 x 800 x 380mm 360&#

14、176;1200 x 800mm (|>400mm 洛陽電主軸 5.5/7.5 千瓦100 6000rpmbt40x、y、z行程a軸工作臺面尺寸轉(zhuǎn)盤直徑主軸型號主軸功率主軸轉(zhuǎn)速主軸刀柄進給電機丄作臺最大移動速度 最大加工速度 數(shù)控系統(tǒng)分辨率 垂復(fù)定位精度定位精度主軸冷卻系統(tǒng) 切削液系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)總重2.外形尺寸主要技術(shù)指標：x、y、z行程a軸工作臺面尺寸轉(zhuǎn)盤直徑主軸型號主軸功率主軸轉(zhuǎn)速 主軸彈簧夾頭進給電機工作臺最大移動速度最大加工速度 數(shù)控系統(tǒng)分辨率 重復(fù)定位精度 定位精度 主軸冷卻系統(tǒng) 切削液系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng) 總重 外形尺寸西門了 llnm, 2000rpm10m/

15、min6m/min0.001mm0.005mm0.01mm水冷雙噴頭自動潤滑系統(tǒng)西門子802d5t3300 x 2800x 2800mm大型龍門四坐標數(shù)控雕銃機1200 x 800 x 380mm360°1200 x 800mm（|>400itim瑞士 fischer 高粹密電主軸hn803.0千瓦3000 15000rpmer40,（|）3 26mm西門子 1 inm, 2000rpm10m/min6m/min0.001mm0.005inm0.01mm電機頂部風冷 雙噴頭口動潤滑系統(tǒng)西門子802d5t3300 x 2800 x 2800mm 3.大型龍門五坐標數(shù)控雕銃機主要技

16、術(shù)指標：x、y、z行程a軸b軸丁作臺面積轉(zhuǎn)盤直徑主軸型號主軸功率主軸轉(zhuǎn)速主軸彈簧夾頭進給電機工作臺最大移動速度1200 x 800 x 380mm土45。360°1200 x 800mmgoomm瑞士 fischer高精密電主軸hn803.0瓦3000 15000rpmer40,（|）326mm西門子 6nm, 3000rpm10m/min最大加工速度 數(shù)控系統(tǒng)分辨率 重復(fù)定位精度 定位精度 主軸冷卻系統(tǒng) 切削液系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng) 總重外形尺寸6m/min0.001mm0.005min0.01mm電機頂部風冷 雙噴頭自動潤滑系統(tǒng)西門子840d5t3300 x 2800 x 28

17、00mm三、cad/cam技術(shù)與系統(tǒng)在cad/cam系統(tǒng)開發(fā)方向，主要研究與開發(fā)“三維雕刻cad/cam系統(tǒng)”。該系統(tǒng) 的主要組成部分為：三維浮雕cad/cam子系統(tǒng)，三維浮水印雕刻cad/cam子系統(tǒng)，影 雕cad/cam 了系統(tǒng)。下面簡單介紹三維雕塑cad/cam系統(tǒng)的功能。（一）基本圖元系統(tǒng)可定義和操作的基本圖元包括：二維圖形有直線、圓、圓弧、長方形、橢圓、正多 邊形、bezier曲線、nurbs曲線。三維圖形有長方體、球、棱臺、圓臺、圓柱、圓環(huán)、bezier 曲面、nurbs曲面。（二）編輯修改該系統(tǒng)中包含了一些簡單的編輯修改功能，可以對直線的起點，終點進行修改；對圓的 半徑進行修改；

18、對圓弧的半徑，圓弧起點、終點進行修改；對橢圓的大徑、小徑進行修改； 對長方形的四個頂點進行修改；對正多邊形的各頂點進行修改；對bezier |11|線的控制多邊 行進行修改；對nurbs曲線的型值點進行修改。同時對部分圖元還冇刪除、縮放、移動、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)的功能。（三）浮水印雕刻在一種半透明的有色介質(zhì)上，根據(jù)數(shù)字圖像中各像素的灰度，設(shè)定雕刻的深淺，然后透 過介質(zhì)從背面進行觀察，即可看到一副有灰度的逼真二維像片。加于三維圖形的cad/camo 它最近才出現(xiàn)的影像處理技術(shù)。其中需要解決的問題是：a）刀具干涉與碰撞對藝術(shù)效果的影響；b）同時如何規(guī)劃刀具軌跡以解決藝術(shù)效果和加工效率z間的矛盾；c）不同雕

19、刻介質(zhì)對藝術(shù)效果的影響。本系統(tǒng)就是根據(jù)像索的灰度值來確定浮雕的深度，一個像索就是一個加工點，每個加工 點根據(jù)像素的灰度值可以得到対應(yīng)的深度，行掃描這些像素點得到対應(yīng)位置的點的深度，然 后在程序中通過寫文件的方式可以得到加工所需要的nc代碼，接著就町以川雕刻機加工 to卜圖是仿真刀具加工吋的刀具路徑軌跡:(mmmw <() mq9a> ml* “ m«' > "xo m t> u »0 r r / qqq0mb&o42hhvw（四）影像雕刻影像雕刻亦稱影雕，在一種雙色介質(zhì)或表層與內(nèi)部顏色不一樣的介質(zhì)上以灰度圖的形式 重現(xiàn)數(shù)字圖

20、像信息。它很早就出現(xiàn)在石制手工藝品屮。但在數(shù)控雕刻機上實現(xiàn)的時間卻不長。 其關(guān)鍵技術(shù)是如何根據(jù)圖像灰度直方圖、圖像大小（像索數(shù)）、所盂要的工藝品的大小以及 刀具半徑等確定工藝品的灰度等級和刀具軌跡。為了有逼真的藝術(shù)效果就必須有合適灰度等 級，為了有高的加工效率就必須有合理的刀貝軌跡規(guī)劃。主要也是通過相素的灰度值來確定。把256中灰度值分為10個等級，灰度值越高所打 的點的密度也越高，并且密度同樣也是分成10個等級。使用兩把刀具，一個刀尖半徑較人, 一個刀尖半徑較小，由此組合使用來得到不同等級的密度。在操作中使用了無模式的對話框 可以對生成的結(jié)果進行動態(tài)的修改，修改完畢后同樣也可以生成nc代碼。

21、下圖是影像雕刻的效果圖。貝 i n»d 丄 < .哼11 ，i !caoeazn rvo uf e4 +o x;0廠 prp «nenham<xma> u«h : 4jjjj（五）浮雕從數(shù)字圖像信息中獲取二維輪廓信息，經(jīng)過再造型設(shè)計后生成三維的浮雕cad?？?， 然后牛成nc代碼。屬于三維圖形的cad/camo其屮的造型設(shè)計涉及到計算機輔助設(shè)計， 而目前的計算機輔助設(shè)計述很不適應(yīng)雕教造型，要構(gòu)造一個滿意的浮雕cad模型，工作暈 很大，而且需要設(shè)計者冇很好美術(shù)功底。本系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)完成部分功能，實現(xiàn)方法是通過數(shù)字圖像，然后對圖像進行描輪廓，接 曹対輪廓

22、區(qū)域進行某種方式的拔起（現(xiàn)在有直線拔起、梯形拔起、圓弧拔起）。拔起牛成三維浮雕造型后再生成nc代碼就可以拿到雕刻機上進行加工。下面就這一部分的功能和操作過程做簡單的介紹。首先，是要確定一個區(qū)域，定義浮雕就在該區(qū)域完成，可以通過對話框輸入?yún)?shù)確定浮 雕顯示用的網(wǎng)格的人小密度等。浮*冋格參數(shù)設(shè)蒼浮她大小 長度：to 寬度：io根據(jù)上面所提浜 的參數(shù)來生成網(wǎng)格, 生成的網(wǎng)格不會影響 到浮施的質(zhì)鈕和加工 精度.2s1顯示tea列數(shù)：ioi3行數(shù)：ioi3網(wǎng)格閭距長度方向:0.100000寬度方向：0.100000cancel調(diào)整長度、寬度、行列數(shù)，就可以得到網(wǎng)格間距，點陣上每個點的高度都預(yù)定義為0,卜

23、而的工作就是要根據(jù)需耍使一些點右高度，從而產(chǎn)牛一種浮雕的效果，點陣圖如卜所示。xrc mo om m*«x 4bs 血*4ww mu "xg voqd <«»o 0 < 0 o 6 o 9 o go工h" .; * + »o t da r r?«/ ；，/ o ® 0 r e o b o o：11!i：1：! !：!：- :二 : ju3s：；pillai二aw 3jo ooot然后，選擇菜單圖像處理中打開圖像，打開一個圖像文件（該圖像文件是六個字：國立 華僑人學，要做的就是使這六個字以某種方式浮起）。

24、然后對該圖像的輪廓川封閉的illi線描, 我們用倫廓的拾取得到小段肓線或是nurbs 111線的擬合倫廓。用如下圖的方而得到倫廓：經(jīng)過修改和調(diào)整后可以得到滿足要求的輪廓如下。n、0 0-060 zero 4疋oeoooef 0 q o 6 0 dc /orooo zeroa<iojrm-工下面對輪廓區(qū)域進行某種方式的拔起，這里采川圓弧方式的拔起，拔起之后牛成浮雕的 三維造型，經(jīng)過渲染就可以得到下血的顯示效果口置y <wno段二3 f g® "0 3odf 筆傀.工h z（六）自然紋理的反求圖像牛成的基本流程為:（七）其他功能此外，該軟件系統(tǒng)還具有其他的一些功能，

25、圖像處理功能，讀取多種圖像文件格式的功 能，分隔視窗的功能，等等。四、高速加工動力學與加工過程控制隨著機床與刀具技術(shù)的迅速發(fā)展，高速加工的應(yīng)川將越來越廣泛，其加工理論與工程技 術(shù)問題已引起國際和國內(nèi)學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，其中最重要h授基本的問題是：高速 加工的動力學問題。隨著切削速度和進給速度以及切削深度等加工參數(shù)的捉高，加工過程中振動問題將變得 非常突出。系統(tǒng)地研究高速加工中的動力學問題，包括動態(tài)切削力的理論建模、仿真與實驗 研究，切削過程動力學模型及其實驗?zāi)B(tài)分析，加工過程中的顫振和不穩(wěn)定性分析與預(yù)報等, 對于在提高加工效率的同時，有效地預(yù)報和控制加工過程屮的振動，提高加工表面質(zhì)量和精

26、 度貝有十分重要的意義。本項h是我們參與的一個國際合作研究項冃，參與該項冃研究的學術(shù)機構(gòu)還有英國 huddersfield大學的超精密工程研究中心和英國leeds城市大學工學院的先進制造技術(shù)研究 小組，參與該項冃研究的企業(yè)有美國cincinnati機床公司,德國siemens公司，英國renishaw 公司,英國kistler公司和德國widia刀具公司。本項冃的主要研究內(nèi)容包括：1. 高速銃削（圓周銃削）加工動態(tài)切削力模型1, 2冃前已完成理論建模、實驗標定和實驗驗證。該模型不僅綜合考慮了刀具前角、刀刃圓 角半徑、立銃刀螺旋角等幾何參數(shù)對切削力系數(shù)的影響，還考慮了刀具偏心對動態(tài)切削 力的影響

27、，分別給出了近似的理論解析模型和相對精確的數(shù)值解模型。通過實驗研究， 我們發(fā)現(xiàn)，刀貝偏心対動態(tài)切削力的影響很大，而且高速加工過程根本無法完全避免振 動。因此，采用所謂的靜態(tài)實驗測量方法，即不考慮刀具振動的影響，不大可能得到準 確的動態(tài)切削力模型。另外，傳統(tǒng)的切削力理論公式也在實驗中受到質(zhì)疑。2. 高速銃削（圓周銃削）加工動力學模型以及加工不穩(wěn)定性分析與預(yù)報3建立了高速錐削加工的刀具一工件系統(tǒng)多自由度振動系統(tǒng)模型及其計算機仿真模型，對 切削過程的動態(tài)特性進行頻域特性研究；將時序分析與系統(tǒng)辯識相結(jié)合，進行銃削系統(tǒng)動態(tài)特性的辯識與分析。通過在線測量動 態(tài)銃削力和相對振動位移信號，建立arma（3,

28、2）模型，由此辯識系統(tǒng)的模態(tài)固有頻率 和阻尼率，最終得到加工過程振型。對銃削顫振的預(yù)防和控制的研究，主耍通過調(diào)整錐削加工參數(shù)（包括主軸轉(zhuǎn)速、進給量、 刀貝兒何角度、切削深度），使得切削過程產(chǎn)牛的刀貝一工件的和對振動位移最小，通過 人量頻域仿真結(jié)果的顫振穩(wěn)定性分析，以改進工件表面加工精度為目標，實現(xiàn)銃削參數(shù) 的合理化設(shè)計，為避免和消除顫振，保證加工質(zhì)量和加工效率，延長刀具使用壽命提供 了可靠的依據(jù)。3. 高速銃削（i員i周銃削）加工表面三維形態(tài)仿真與加工誤差分析在高速銃削加工動力學模型的基礎(chǔ)上，建立加工過程中的刀具包絡(luò)面計算機仿真模型， 仿真加工表面，分析加工誤差。未來擬將開展的研究工作還有：4

29、. 以刀貝的兒何模型及切削過程的運動學和動力學模型為基礎(chǔ)，通過測収銃削工件表血粗 糙度數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的時序模型，研究銃削參數(shù)、加工條件與表面粗糙度的關(guān)系，對銃 削工件的表面形貌進行準確的描述。5. 完成加工表面幾何形狀誤差的預(yù)報補償控制，即在線或離線測取加工表面幾何形狀誤差 信號，建立信號的時序模型，再根據(jù)模型進行外推預(yù)報，從而實現(xiàn)幾何形狀謀差的補償 控制。6. 錐削過程顫振的在線監(jiān)視與控制。通過在線監(jiān)視鐵削過程的動態(tài)信號（如振動信號、切削 力信號等），提取顫振預(yù)兆作為特征量，對顫振進行早期預(yù)報參考文獻：1. xiong-wei liu, kai cheng, dave webb and xi

30、-chun luo, "prediction of cutting force distribution and its influe nee on dimensional accuracy in peripheral milling. internationaljournal of machine tools and manufacture, vbl.42 （2002）, pp791-8002. xiong-wei liu, kai cheng, dave webb and xi-chun luo, "improved dynamic cutting force mode

31、l in peripheral milling - part 1: theoretical model and simulation. international journal of advanced manufacturing technology. vol. 18 （2002）3. xiong-wei liu, kai cheng, dave webb, "prediction and simulation on the machining dynamics and instability in peripheral milling： aspe annual meeting 2

32、002, st. louis, usa, october 2002, pp581-584五、基于繩牽引的并聯(lián)機構(gòu)本課題提出工作空間大、力傳遞性能髙、整體剛度好、由七根（或七根以上）繩牽引的適 合于高速運動的六口由度并聯(lián)機構(gòu)。其成果將成為繩牽引并聯(lián)機構(gòu)在機器人領(lǐng)域（如大型飛 行訓練器、虛擬現(xiàn)實的力反饋裝置和人機交互裝置、風洞試驗等）的進一步研究與開發(fā)捉供 理論與實驗依據(jù)。（一）已取得的研究成果1. 構(gòu)型設(shè)計11從理論上分析，僅存在1、2、3個純平動口由度的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)以及2個平動口由度 和1個轉(zhuǎn)動自由度（2t1r）； 3個平動自由度和2個轉(zhuǎn)動自由度（3t2r）,和3個平動自由 度和3個轉(zhuǎn)動自由

33、度的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)（3t3r）。我們側(cè)重研究六口由度（3t3r）繩牽引并聯(lián) 機構(gòu)。1）機構(gòu)的構(gòu)型：釆用細的方向可改變的并聯(lián)機構(gòu)（即理論上繩的兩端由理想的球較鏈連接）。2）繩、機架和動平臺的幾何布置，如圖1所示：（1）至少采用7根或以上的繩牽引；每根繩由伺服電機通過驅(qū)動器、滑輪和絞盤驅(qū)動；（2）由于繩具有足夠的強度，可直接在動平臺打孔止繩穿過。（3）繩的分布問題是核心問題，我們先后設(shè)計過兒種構(gòu)型的機構(gòu)，經(jīng)理論檢驗，都不是 很理想，如圖2所示?，F(xiàn)在我們正在構(gòu)思設(shè)計一種由9根繩牽引的并聯(lián)機構(gòu)。3）材料：繩的材料采用dyneema = sk60 （超高強度聚乙烯纖維）；機架和動平臺將采 用焊接結(jié)構(gòu)件；

34、掛輪（滑輪）和絞盤自行設(shè)計制造；用于減速的齒輪副（減速比為4： 1） 采用標準件：若干個小功能的直流伺服電機（功率為60瓦特）均為外購。圖1：繩牽引并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型圖示圖2：繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的cad模型2. 工作空間分析由于繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的工作空間無法解析表達（無封閉解），一般可采川兒何造型理論 和數(shù)值方法相結(jié)合來求解。我們的研究工作主要側(cè)重于數(shù)值方法。1）基于力傳遞性能的工作空間分析|2在takeda研究工作的棊礎(chǔ)上，我們詳細分析了力傳遞性能系數(shù)的求解過程，并在此基 礎(chǔ)上分析了一種新型的由7根繩牽引的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間分析。我們已在 asme2002detc ±就此工作和其他同行

35、做了交流。2)可達工作空間分析、具冇拉力條件的工作空間分析和具冇剛度條件的工作空間分析 35我們總結(jié)了 verhoeven在可達工作空間、具有拉力條件的工作空間和具冇剛度條件的工 作空間方面的理論研究結(jié)果，分析了 2種新型由7根繩牽引的六自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間。verhoeven利用幾何造型理論提岀一種估計只考慮力平衡的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的可達工作 空間的算法。在其研究的基礎(chǔ)上，我們已想出一種方法，同時考慮力平衡和力矩平衡，該方 法適用于一般類型的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)可達工作空間的求解。3. 剛度分析6為了研究任一繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的剛度的普適性，我們采用統(tǒng)一剛度矩陣來分析機構(gòu)處于 某一位姿的剛度，指出如

36、果繩的材料具有足夠人的彈性模量，則rti于繩的預(yù)緊力引起的機構(gòu) 剛度變化可忽略不計(一般小于0.5%),并分析統(tǒng)一剛度矩陣屮3種剛度了陣的含義，并提 出統(tǒng)一剛度矩陣的條件數(shù)概念用于衡量機構(gòu)的剛度變化，還提出統(tǒng)一剛度矩陣的兒何平均剛 度概念用于衡量機構(gòu)某一位姿的剛度平均值。并用以上的理論結(jié)果對sasco-9進行剛度分 析，驗證該構(gòu)型的機構(gòu)具有足夠的剛度，可用于立式風洞的模型。4. 冗余性分析由于繩牽引并聯(lián)機構(gòu)必須采用冗余驅(qū)動方案。我們通過研究繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的 jacobian矩陣a和其零空間n(a),指出繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的驅(qū)動冗余能消除機構(gòu)的運動 學正解奇異，但必須優(yōu)化冗余驅(qū)動才能改善機構(gòu)在奇異流

37、形處的總體缺陷。利用 verhoeven提出的剛度矩陣的二維范數(shù)分析了二種不同繩牽引方式的六自由度并聯(lián)機構(gòu) 在工作空間內(nèi)的剛度分布；結(jié)果表明：如果繩的材料采用一種超高強度的纖維，則繩預(yù) 緊力對動平臺剛度的影響町忽略不計；則通過機構(gòu)的尺度綜合來達到工作空間內(nèi)的更均 勻的剛度分布。我們通過引入機構(gòu)的力傳遞系數(shù)，分析了這二種機構(gòu)在工作內(nèi)輸岀力的 分布，結(jié)果表明：可通過優(yōu)化兀余驅(qū)動來達到輸出力的均勻分布。(二)待研究的內(nèi)容：基于任務(wù)空間的運動控制方案研究及其魯棒性分析1. 理論研究：前提：雖然繩、掛倫和齒輪本身存在非線性彈性，但對機構(gòu)運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行 研究時，可忽略不計；機構(gòu)系統(tǒng)滿足矢量閉合的條件(1) 機構(gòu)的系統(tǒng)動力學研究(2) 基于任務(wù)空間的運動控制方案研究(3) 基j' layapunov函數(shù)的運動控制方案的魯棒性分析2. 實驗研究實驗設(shè)計:定位實驗和力控制實驗。定位實驗：設(shè)置3個期望的位置，預(yù)先給定一組位置誤差值，運用pd和pid反饋控制規(guī)律，研究 控制系統(tǒng)的位置誤差和軌跡規(guī)劃。力控制實驗：實驗采用前反饋的力控制規(guī)律實驗實驗2：同時采用反饋和前反饋的力控制規(guī)律實驗關(guān)鍵技術(shù)：繩的預(yù)緊