高灵活度虚拟中心并联机构设计理论与应用

虚拟中心机构是输出构件可以绕空间内某一固定点转动的机构，在多个应用领域有着很广的应用裕度，尤其是在高性能加工制造装备中具有潜在的应用。基于并联式主轴头的五轴联动加工中心是近年来各国机床行业研究的一个新方向。目前的此类主轴头存在不可避免的伴随运动特性，使其在控制、制造和应用上均具有一定的缺陷和难点，与我国目前的制造技术水平相悖而驰，是制约我国在该类核心功能部件上取得突破的主要因素。高灵活度虚拟中心并联机构由于其本身的运动学优点，将成为并联主轴头的发展趋势，也是未来几年领域内最为关注的研究内容之一。本项目首先研究高灵活度虚拟中心并联机构的创新原理，从力传递角度对机构进行分析与设计，并完成机构的动态特性及精度和刚度研究，最后进行试验验证，建立一套高灵活度虚拟中心并联机构设计理论。项目选题具有明显的理论和应用需求，研究结果将克服现有技术难点，为提升我国在先进关键制造装备方面的自主研发能力做出贡献。

本课题对现有并联机构在机床主轴头部件方面的应用进行详细调研并收集相关资料，完成新型高灵活度虚拟中心并联机构的构型综合；完成了对新型并联机构的运动学分析、力学特性分析和设计，对关键部件进行多物理场耦合的拓扑优化设计；对新型并联机构进行了精度分析和精度综合，建立了与新型并联机构对应的虚拟样机，并基于Solidworks软件完成了新型并联机构的刚度分析及频率特性分析；在上述理论分析的基础上，提出了新型并联机构的运动学外部标定和自标定技术方案和相应算法；基于新型虚拟中心并联机构设计了卧式五轴联动混联机床原理构型，开展了样机的机械设计工作，并开发了试验样机，完成了控制系统的搭建和整机调试工作。针对复杂自由曲面零件进行了铣削加工应用实验，实验效果良好。在本课题开展过程中，撰写了相关学术论文，并参加了国际学术会议。. 综上所述，本课题已经按计划顺利完成所有研究内容，没有做调整和变动。. 在该课题项目资助下，研制卧式五轴联动混联加工中心试验样机1台套；发表论文18篇，其中SCI收录8篇， EI收录6篇，国际会议论文5篇；参加5次国际会议，其中出境3次，境内2次；有3名博士生和1名硕士生参加了本项目的研究工作，效果良好，其中2名博士生和1名硕士生毕业，1名博士论文获得上银优秀博士论文优秀奖。获得国家自然科学二等奖1项目(项目负责人排名第2)。协助主办“中国机构学发展中青年学者论坛”，参会人数80人。