研究领域与方向

2.装备关键技术

发布时间:2015年12月23日 作者: 浏览次数:5151

复杂曲面类零件五轴数控加工动力学与主动控制研究(赵欢、丁汉)

     复杂曲面类零件五轴数控加工动力学与主动控制研究(张海涛、赵欢、丁汉)
     本研究依托于国家自然科学基金重大国际合作项目(编号:51120155001)。
复杂曲面类零件在航空、航天、能源、汽车等行业应用广泛,这类零件通常具有薄壁、结构复杂以及加工区域狭窄等特点,在大切深、高转速工况下极易出现变形和振动,严重影响加工质量与效率。这些问题对五轴数控加工的动力学分析、控制和精确轮廓跟踪提出了新的挑战。本项目以此为背景,在五轴加工动力学分析、主动控制、高精度轮廓控制以及平台搭建等方面展开了系统的研究,取得如下4个主要进展:
    (1) 提出了五轴数控加工动力学分析方法,建立了能适应时变工况的铣削力预测模型,提出了快速计算铣削负载的矢量分解法和预测铣削稳定性的线性加速度法,解决了五轴加工切削力预测困难、稳定性预报效率低、精度差以及参数不确定性引起的稳定性计算偏差等问题,稳定性预报计算效率提高20%以上。
    (2) 设计了用于五轴数控加工的非线性输出调节控制器,显著拓展了Lobe图中的铣削稳定区域;提出了输出调节振动抑制主动控制器,薄壁件表面加工粗糙度降低40%以上。
    (3) 提出了复杂曲面加工高精度轮廓控制方法,突破了伺服系统非对称模型辨识、多轴刚度匹配的控制参数一键式自动调谐、轮廓误差建模、交叉耦合控制等关键技术,解决了控制参数人工调试耗时耗力、多轴协同运动等问题,精密跟踪精度提高约50%。
    (4) 研制了五轴加工主动控制平台,研发了磁悬浮轴承智能电主轴控制系统,开发了相应的五轴数控加工中心原型机,实现了铝合金零件大闭环加工原理验证。
    项目团队出版英文专著1部,签订英文专著出版合同1部;在IEEE、 ASME汇刊和International Journal of Machine Tools & Manufacture 等国际期刊发表SCI论文54篇;发表国际会议论文22篇;申请国家发明专利21项,其中授权14项;授权国家实用新型专利2项;登记软件著作权6项。在学术交流方面,组织大型学术活动12项(国际性10项、全国性2项),作大会特邀报告12人次。项目执行期内项目组成员当选中科院院士1人,长江讲座教授、长江青年学者、青年拔尖人才、优秀青年基金、新世纪人才计划、楚天学者、启明星计划各1人次。所培养的博士生获得上银优秀机械博士论文银奖1人,佳作奖3人,上海市优秀博士论文1人。项目共培养博士后4人,博士生10人,硕士生19人。

图(a)磁悬浮轴承铣削电主轴                  (b)集成智能主轴的五轴铣削加工机床

 

深冷加工下铣削稳定性研究(张小明、丁汉)

     深冷加工技术由于良好的冷却效果并且没有冷却液循环及污染问题成为极具工业前景的一种冷却技术。项目研究中针对液氮冷却下的铣削加工开展了一系列的实验研究,从切削力及铣削工艺系统的动力学特性两个方面分析深冷加工工艺对铣削稳定性的影响,并通过建立铣削动力学模型实现了深冷加工条件下的稳定域预测。对斜坡工件进行变切深铣削实验,发现低温冷却条件下斜坡工件上振纹出现得更晚,临界切深增大,切削力波形平滑,稳定域边界显著提升。

     根据低温冷却下的切削力及工艺系统的动力学特性构建两自由度铣削动力学方程,采用零阶平均法及数值积分法对低温加工下的铣削稳定域进行预测。两种方法的预测结果一致表明,在低温加工下由于切削力系数大幅降低使得稳定性边界上升,而主模态频率降低使稳定域向低速区有一定的平移。为验证低温加工下铣削稳定域的预测结果,在干切削及低温冷却条件下分别采用不同转速及切深参数进行大量的切削试验,通过切削力及声压信号及其刀通周期采样进行颤振监测以获得实际加工的铣削稳定域。实验表明稳定性域预测结果在高速区与实验结果基本符合,干切工况下部分发生颤振的参数点在低温冷却加工时转变为稳定点,稳定域提升幅度在50%~100%。成果发表于J. Mater. Process. Technol.、中国科学。论文发表后旋即被国际同行引用,认为深冷加工可以处理机加工中的动态切厚、热载荷及残余应力等问题。Mechanical properties and phase transition of biomedical titanium alloy strips with initial quasi-single phase state under high-energy electropulses, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., Volume 42, February 2015, Pages 100–115.

qq图片20151223143853

图 变切深立铣表面的振纹及切削力对比(a)干切;(b)低温切削

 

高性能流体静压支承相关基础理论研究(黄禹、邵新宇)

     流体静压支承系统是制造装备的重要基础部件,随着制造装备向重型/超重型和精密/超精密方向发展,其设计与控制的理论方法面临着严峻挑战。面向我国发展精密重型/超重型加工机床、超精密制造装备的重大需求,急需从理论、方法、关键技术、实验与应用等层面,展开多学科交叉基础研究,建立流体静压支承在高速、重载、多源强扰动工况下的动力学模型,揭示流-固-热耦合动力学本构关系,提出系统响应能力增强机制和结构创新方法,并建立相应的支承性能高精度检测与主动控制理论。

     围绕静压支承中的发展需求,提出了考虑粗糙度的滑块轴承形貌优化设计方法,并且区别于传统高斯分布理论,探讨了非高斯分布的粗糙度对滑块轴承性能的影响,为高精度和高性能滑块轴承微观表面形貌的设计提供了依据;探讨了加工误差引起的轴承转子系统油膜间隙不相等对系统支撑性能造成的影响,根据分析结果提出了偏载情况下的轴承转子系统两边油膜厚度的定量设计方法;研究了静压轴承的非线性稳定性边界,为不同工况下的静压轴承在工作过程中保持稳定性提出了初始条件的计算方法;分析了热弹塑效应对轴承性能的影响,建立了热-流-固耦合的微分方程模型,为保证支承性能提出了加工参数调整措施。相关研究成果发表在摩擦学研究的主流期刊(Tribol. Trans.、Tribol. Int.)上,并申请发明专利3项。

                  qq图片20151223144038qq图片20151223144048

图(a)粗糙度型态和分布对滑块轴承性能影响     (b)不等油膜间隙对轴承转子系统性能影响研究

 

机床时变结构特性基础研究(李斌)

     针对机床时变结构特性展开基础理论和基础实验研究,提出了一种数控机床运行速度相关的“自激励”机床结构动力学特性的研究理论和方法,突破已有机床结构分析技术对机床静态、结构时不变等各种强制条件的缺陷,研究高速运动下数控机床模态参数动态变化的位置、速度影响机制,提出运行过程中数控机床弱刚性工艺系统速度相关的动力学特性参数辨识方法,构建机床工艺与装备交互作用信息的速度谱表征方法,并基于系统运行模态交互作用机制建立机床结构复杂响应与机床运行参数的映射关系,实现高速运行下的数控机床动态结构动力学特性的辨识,揭示出机床结构动力学特性的速度相关演变规律,给出运行状态下机床结构复杂响应作用机理,对现代高档数控机床基于结构动力学特性的机床设计优化、机床结构振动伺服控制、加工稳定性和加工表面质量控制具有重要意义。

                qq图片20151223144650qq图片20151223144700

(a)x方向频响函数                  (b)y方向频响函数

图 基于响应分析的自激励模态分析结果:运行状态下机床立柱位置频响函数对比

 

高速图像匹配与识别算法研究(杨华、熊有伦)

     针对高端电子制造装备IC芯片实时高精度视觉定位需求,开展了基于图像匹配的视觉定位算法研究与应用工作:IC封装设备中存在一类特殊的视觉匹配问题,此种匹配面临的是形状规则、图片中具有大量重复模板,同时为了设备的工作效率,对算法的时间的要求行很高(通常是ms级)。为此,研究小组提出了一种快速的基于区域的形状自适应的IC芯片检测技术,该方法具有算法复杂度低、鲁棒性强、算法效率高等显著优势,相关理论成果在LED、RFID等电子制造装备得到了实际应用,并在IEEE Trans. Semicond. Manuf.国际期刊发表论文一篇。

qq图片20151223144940

图 基于区域的模板匹配算法原理示意图

 

PET系统前端检测器开发与精密制造(许剑锋)

     采用液体作为分光法探测器的光导,设计了一体化框架结构简化探测器的组装工艺。完成了基于液体光导的分光法探测器制造与封装。所制探测器的解码图峰谷比均值3.95,解码斑点间距均值21.46(像素),方差5.67(像素),能量分辨率均值14.4%,方差1.2%。提出了基于解码位置的γ光子反应深度定位算法,采用边界法和区域法两种思路,实现了伽马光子反应深度定位计算,判别准确率分别为82.70%和85.79%。提出了多面体PET结构,并研究了多边形分光法探测器的解码性能。提出的正十二面体PET结构具有比传统环形结构更高的空间立体角,有助于提升PET系统灵敏度;所提出的多边形分光法探测器,实现了多边形晶体阵列的解码,为多面体PET系统的设计提供了基础。相关论文发表在 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.和 Technol. Health Care等期刊,并申请发明专利十余项。

qq图片20151223145157

图 基于液体光导的分光法探测器

 

陶瓷-金属间化合物复合材料切削工具的制备及性能研究(许剑锋)

     在高速干式切削加工时,刀具刃口温度超过了800℃,在切削一些难加工材料时,甚至近1000℃,因此在这类情况下刀具材料耐高温能力显得尤为重要。由于传统WC-Co硬质合金刀具在高温红硬性、抗氧化性和高温强度方面的不足,无法在高温环境中应用。研究提出了一种新型刀具材料TiC-Ni3Al复合材料及其制备方法,将TiC陶瓷的高硬度、高耐磨性和Ni3Al金属间化合物优异的高温强度、高温抗氧化性结合,从而应用于高温切削中。研究采用一种机械化学工艺使生成TiC与Ni3Al之间有着良好的界面润湿性和界面结合状态,从而使得烧结后的TiC-Ni3Al复合材料具有较高的抗弯强度和断裂韧性。通过对淬火钢(HRC 60~61)进行切削试验表明,相比于涂层硬质合金刀具,TiC-Ni3Al刀具在加工过程中具有更低的切削力、更优异的耐磨性和抗粘附能力,从而具有更长的使用寿命并能够获得更优异的加工表面质量。相关研究成果发表在Mater. Des.、Int. J. Refract. Met. Hard Mat.等期刊,并申请发明专利一项(201510204916.3)。

 

qq图片20151223145552

图 TiC-Ni3Al刀具与涂层硬质合金刀具前刀面磨损形貌比较

 

激光焊接工艺与方法(邵新宇、段正澄)

     与电弧焊相比较,激光焊接具有焊接效率高、热输入小、变形小等显著优势,已广泛应用到航空航天、海洋船舶、汽车制造等领域。然而,激光焊接局部的急剧热循环过程直接影响了焊接质量与接头完整性。因此,课题组围绕工艺参数对焊接质量影响和多场耦合数学模型揭示焊接熔池成型机理开展了相关研究工作。

     课题组研究了40mm厚不锈钢多层多道窄间隙激光焊接方法,基于金相组织、硬度、抗拉强度等多个角度,揭示了离焦量、坡口大小与激光清洗速度对焊接缺陷的影响;针对激光焊接工艺参数对焊接质量与接头完整性影响的高度非线性,研究了激光功率、焊接速度、离焦量、搭接间隙对接头完整性的影响,并建立了多目标优化数学模型,获取了最优焊接参数;建立了激光深熔焊固、液、气三场耦合的三维瞬态模型,提出“双时间步长+虚拟流”的跨时间尺度多相流求解算法,揭示了激光焊接过程中的熔池、匙孔、金属蒸汽耦合行为。相关成果发表在Mater Des、Opt Lasers Eng、Int J Adv Manuf Technol、Opt. Laser Technol等国际期刊上。        

                                           qq图片20151223150227qq图片20151223150238

(a) 多层多道焊焊缝   (b)多场耦合模型

图 激光焊接工艺与模型

 

数控机床多轴轮廓误差建模与控制(张代林、陈幼平)

     多轴轮廓误差控制是提高轮廓加工精度的一种非常重要的途径,国内外学者对此做出了非常多的研究,也涌现出大量的研究成果。现有的研究存在许多缺点,如五轴轮廓误差控制模型依赖于具体的机床结构,无法形成统一的轮廓误差模型;误差建模和补偿没有考虑实际的机床耦合情况;五轴机床几何误差辨识模型通用性差等。

     陈幼平课题组和加拿大UBC大学交流合作,在该方向进行了系统研究,包括多轴轮廓加工的轨迹生成、轮廓误差的建模和补偿策略以及机床几何误差的补偿等。在轮廓误差建模方面,推导了五轴数控机床的通用雅可比矩阵,提出了四轴、五轴机床通用的轮廓误差估算模型,并进行轮廓误差的在线补偿,相关成果发表在《Int. J. Mach. Tools Manuf.》(2015, 88,9-23),《Mechatronics》(2015)等杂志上。在误差补偿方面提出了层次化建模和补偿方法,把轮廓误差根据实际情况进行分层建模和补偿,控制器设计更加灵活,可以在保证整体轮廓精度的情况下,同时保证某一设定平面内的轮廓精度,相关成果发表在《Int. J. Mach. Tools Manuf.》(2015, 98,12-20),《J. Cent. South Univ.》(2015, 22, 141-149)等杂志上。在机床几何误差方面,所提出的机床几何误差校正模型采用考虑几何误差的实际运动学反解模型实现了误差的直接、准确校正,避免了线性近似计算或迭代计算,相关科研成果发表在《Int. J. Mach. Tools Manuf.》(2015, 95, 52-66)上。上述研究解决了多轴轮廓误差模型建模和控制中的许多实际问题,可以在不改变机床本体精度的基础上,大幅度提高加工机床轮廓控制精度。

 

                      qq图片20151223150538

图 多轴运动控制实验平台(左:UBC的5轴实验平台  右:自制4轴实验平台)

 

面向飞机起落架的车铣复合加工工艺机理研究与应用(彭芳瑜、李斌)

     针对车铣超强异形轴类零件几何特征复杂、加工不稳定和加工表面烧蚀等问题,开展了装备、工艺、加工过程的交互机理研究。提出了研究机床工作模态的数控机床空运行及切削状态下“自激励”分析方法;考虑车铣复合加工变切厚变切深的特点,针对不同工况建立了单阶和多阶模态加工动力学方程,分析了车铣复合加工稳定性lobe图极限切深与主轴转速比之间的非线性关系;采用瞬时矩形热源法建立了螺旋立铣刀正交车铣轴类零件温度场模型,预测工件温度分布,分析工件表面烧蚀对表面完整性的影响;在加工稳定、避免表面烧蚀的条件下,基于加工稳定性和工件温度场预测模型,对加工参数进行优选,可实现高效加工。 

     结合以上研究内容,联合中航飞机起落架公司和山特维克刀具厂商,针对起落架的加工,进行了刀具选择和轨迹优化,制定了系统的工艺流程,开展了综合考虑加工稳定性和零件表面质量的车铣加工工艺优化实验。通过对起落架模拟件加工刀具路径的几何优化和基于稳定性分析的加工参数优化,加工效率相对于传统加工工艺提高了30%,为中航起落架探索和制定高效高质的C919起落架加工工艺提供了理论指导。

     近两年,受理发明专利8件,发表SCI论文14篇(其中见刊7篇,在线7篇;Int. J. Mach. Tools Manuf.上3篇、J. Manuf. Sci. Eng.-Trans. ASME上2篇)。

                                     qq图片20151223150828    qq图片20151223150837

图 飞机起落架车铣加工工艺与装备

 

精密电火花加工机理研究与工艺优化(张国军)

     电火花加工技术(Electric Discharge Machining, EDM)是特种加工技术的一种,其利用工具电极和工件之间因放电作用产生的大量热能实现材料的蚀除,该技术适用于难加工材料和微细零件的加工上,广泛应用在航空航天产业、模具制造业、汽车制造业等产业。然而由于精密电火花加工过程存在极大的随机性和复杂性,涉及到传热学、电化学、流体动力学、电磁学等多个物理、化学过程,加之有效观测手段的缺乏,学界至今也未能对精密电火花加工机理进行完整解释。同时,由于电火花加工涉及到脉宽、脉间、电压、电介质等十几个加工参数,得到理想加工效果十分困难。因此,电加工机理的研究与工艺优化是电加工研究的重点与难点。

     本人带领的课题组立足于国际电加工领域科研与工业应用的前沿,对电加工机理与工艺优化进行了系统的研究。在电加工机理研究方面,建立了基于双温模型-分子动力学模型混合的微细电火花加工仿真模型,实现了对加工过程中熔化、蚀除、凝固、微观结构变化等现象的分析与模拟,进一步揭示了精密电火花加工机理;在电加工参数优化方面,针对材料去除率和表面粗糙度,通过信噪比分析、建立高斯数学回归模型的方法,提高加工速度230%,降低粗糙度70%,为工业生产提供有价值的参考;在电火花线切割方面,针对电极丝的振动,建立了高精度的电极丝振动耦合模型,该模型实现了对电极丝振动幅值的准确预测,同时可以分析影响电极丝振动的主要原因,对降低电极丝的振动起到了重要作用。相关成果在Int. J. Mach. Tools Manuf.等国际顶级期刊上发表了一系列文章。

qq图片20151223151013

图 电加工过程中铜电极的压力变化

 

工业机器人控制器研究(唐小琦)

     工业机器人控制系统由机器人控制器、示教器、全数字交流伺服电机和驱动器以及运行在这些设备上的软件组成。机器人示教器通过工业以太网与控制器进行通讯,机器人控制器和交流伺服驱动器之间采用高速现场总线连接,支持自主的NCUC-Bus现场总线及国际流行的EtherCAT现场总线。可控制传统的6轴关节式、平面多关节、转臂、并联等10多种结构的工业机器人;支持示教编程、单步/回放运行、动态视觉跟踪等,操作方便灵活。

1. 主要性能参数为:

Ø   最大控制轴数:16轴

Ø   最大控制组数:2组

Ø   每组最大控制轴数:9轴

2. 主要控制功能包括:

Ø   手动控制机器人运动

Ø   机器人程序示教编程

Ø   机器人程序自动运行

Ø   机器人运行状态监视

Ø   机器人控制参数设置                 

     工业机器人是国家当前重点支持方向,也是制造业转型升级、实现工业自动化的关键,2014年国内工业机器人市场5.65万台,预计2015年国内市场将超过8万台,具有非常好的市场潜力及发展前景。

 

 

 

 

上一主题: 1.基础理论

下一主题: 3.装备原型开发与系统集成

鄂ICP备05052060  版权所有@数字制造装备与技术国家重点实验室  地址:武汉市珞喻路1037号华中科技大学东三楼 邮政:430074 电话:86-27-87543676