机床结合面跨尺度非线性耦合技术与应用课件

机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用2 2 0 0 1 1 6 62 2 0 0 1 1 6 6年年 度度 国国 家家 技技 术术年年 度度 国国 家家 技技 术术发发明明奖奖申申报报资资格格会会评评汇汇报报发发明明奖奖申申报报资资格格会会评评汇汇报报2015年12月4日汇报人：黄玉美一研究背景及总体思路二主要技术发明三客观评价四应用情况、经济和社会效益五曾获奖励及知识产权情况 六主要完成人情况汇报提纲一、背景与意义机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用一机床的重要性高端数控机床是航空、航天、军工、国民经济等高端装备制造领域精密复杂零件的核心加工设备。高端数控机床设计制造技术依然受西方发达国家制约。飞机叶片飞机机匣涡轮机叶片大型水轮机叶片高端数控机床研究背景一结合面的重要性 机器人含有大量关节结合面关节结合面 在机床中也存在大量结合面研究背景一机床由零部件通过固定和运动结合面装配而成。机床由零部件通过固定和运动结合面装配而成。结合面是机床结构中的薄弱环节机床整机刚度的55%以上、阻尼的70%-90%源于结合面结合面特性是制约高端数控机床自主研发的瓶颈之一刀柄结合面圆柱结合面导轨结合面螺栓结合面滚珠丝杠结合面轴承结合面结合面的重要性研究背景一研究背景结合面难度大结合面影响因素表面层固有因素零件结构因素表面形貌、材质加工方法及其配对，材质、载荷、激振频率。表面形貌、结合面的类型，形状、规格化尺寸多因素非线性耦合特性不能按比例缩放耦合解析实验难接触表面层数据海量难度大实施困难结合面结合面结构件结构件结构件结构件7070年代德、英、日、美、荷五国在年代德、英、日、美、荷五国在CIRPCIRP组织下对相同机组织下对相同机床对象采用不同解析处理方法床对象采用不同解析处理方法，其计算差别高达几倍，其计算差别高达几倍!结合面特性研究成为一项国际难题！一研究背景研究历程1985200919911999201519821985-1990国家七五攻关国家自然科学基金机械工业发展基金建立结合面数据库200种88年机电部二等奖“导轨结合部静态特性解析方法及其在CAD中的应用”89年机电部二等奖“考虑结合部的机床结构设计解析方法在机床上应用”应用：济南第一机床厂结合面基础理论研究，导轨结合部1982-1984第一发明人在日本从事导轨结合部研究1991-1998国家八五攻关国家九五推广机械工业发展基金建立结合面数据库800种95年陕西省二等奖“结合面基础特性参数”98年教育部二等奖“机械结合技术与整机性能预测控制技术”应用：长征机床厂，中信机电公司结合面基础理论研究，三参量公式1999-2008国家技术创新国家自然科学基金总装备部预研委托中信机电国家技术创新委托国际合作项目建立结合面数据库1200种99年陕西省一等奖“加工中心整机结构特性预测和补偿技术”美国机床学会“创新贡献奖”应用：宝鸡机床厂、秦川机床厂、长征机床厂、星火机床厂新原理装置开发、机床创新开发2009-2015国家973课题数控机床国家科技重大专项国家自然科学基金国家863（在研）建立结合面数据库5963种12年陕西省一等奖“结合技术及其机电一体化产品原始创新开发”应用：宝鸡机床厂、秦川机床厂新原理装置开发、机床创新开发特征分层表征 多变量表征数学模型 基础数据实验获取 单元结合部耦合解析 实验验证装置 整机特性耦合解析 整机误差耦合解析 实验获取及验证装置一研究背景结合面难度大特征分层表征单元结合部数据结合面基础数据机床整机因素分层处理固有影响因素结合面的表面形貌、材质、加工方法，介质、载荷、激振频率等。规格化结构因素结合部的类型，形状、规格化尺寸。自由结构因素结构、工况及尺度解决通用性问题发明新原理结合部结合面特性数据整机结构方案评价、修改、补偿技术提升整机设计性能提高整机工作性能结合面难题按“结合面-结合部-整机”三层处理。总体研究方案二、主要技术发明机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用二发明点 一发明点一：发明了单位面积结合面及单元结合部的数据获取方法，建立了结合面特性数据库。解决了结合部特性多因素非线性与创新设计对数据通用性要求的矛盾，解决了结合部特性多因素非线性与创新设计对数据通用性要求的矛盾，开辟了结合部特性研究的新理论体系开辟了结合部特性研究的新理论体系。主要技术发明结合面特性数据单元结合部特性结合面基础特性数据的通用化单位面积结合面特性结合部特性数据通用化二发明点 一（1）发明了结合面基础特性数据实验获取方法与实验装置。主要技术发明难1：结合面为两零件接触面，看不见、摸不着！从实验系统分离结合面特性很难！难2：装置保证避免边界效应和结构件影响解决了真实结合面特性数据的获取问题。解决了真实结合面特性数据的获取问题。二发明点 一（2）提出了单位面积结合面动刚度和阻尼特性数据的三参量表征公式。主要技术发明法向静态试验切向静态试验法向动态试验切向动态试验法向刚度、阻尼法向刚度、阻尼切向刚度、阻尼减少了实验工作量，解决了结合面特性数据海量获取的难题。减少了实验工作量，解决了结合面特性数据海量获取的难题。实现了结合面特性数据通用化。实现了结合面特性数据通用化。二发明点 一（3）建立了基于结合面基础特性数据的规格化单元结合部特性解析模型，揭示了包含规格化结构因素和固有因素对结合部特性的影响规律。主要技术发明单位面积结合面基础特性数据单元结合部特性模型规格化单元结合部特性数据库解析法向动刚度、阻尼切向动刚度、阻尼实验获取了具有通用性的单元结合部特性数据，为结合部特性数据应用奠定基础获取了具有通用性的单元结合部特性数据，为结合部特性数据应用奠定基础。二发明点 一（4）发明了包含多平面、曲面结合面的单元结合部试验装置。主要技术发明为单元结合部特性数据考核验证提供实验依据。为单元结合部特性数据考核验证提供实验依据。刀柄单元结合部特性试验装置轴承单元结合部特性试验装置回转导轨刚度试验装置螺栓单元结合部试验装置二发明点 一（5）创建了可供创新设计应用的含5936种结合面特性数据库。开发了数据库应用软件系统。主要技术发明解决了直接由试验识别得到的整机特性数据无通用性的问题解决了直接由试验识别得到的整机特性数据无通用性的问题-国内外还尚未见有这样的数据库公开报道。结合面特性数据库数据库应用软件系统第三方检测报告基础数据2746种；单元结合部数据3190种二发明点 二主要技术发明解决了方案设计阶段无法准确预估机床性能难题，提高设计质量与效率解决了方案设计阶段无法准确预估机床性能难题，提高设计质量与效率发明点二：提出了考虑结合面非线性耦合特性的机床整机特性预测及结构修改技术。考虑结合面非线性特性机床整机性能解析模型机床整机性能计算软件系统机床整机性能考核试验装置机床整机结构设计修改二发明点 二主要技术发明解决了机床方案设计阶段整机性能解析建模难题。解决了机床方案设计阶段整机性能解析建模难题。（1）提出了考虑结合部非线性耦合特性的机床整机特性解析方法结合部特性数据库非线性结合面特性耦合技术非线性结合面特性耦合技术有限元整机计算模型边界元整机解析模型二发明点 二主要技术发明解决了机床方案设计阶段整机性能解析建模难题。解决了机床方案设计阶段整机性能解析建模难题。（2）开发了机床整机性能预测软件系统。二发明点 二主要技术发明考核整机性能解析模型和预测软件系统，解决了国际考核整机性能解析模型和预测软件系统，解决了国际ISOISO标准中没有关于模标准中没有关于模拟加工的多载荷作用下、多轴联动运动中整机直接刚度检测标准问题拟加工的多载荷作用下、多轴联动运动中整机直接刚度检测标准问题。（3）发明了机床整机性能试验测试装置。国际ISO标准：采用弓形架，单向、固定位置加载，无法检测整机刚度分布！二发明点 三主要技术发明突破了基于实测数据的传统补偿理念，解决了变工况下机器特性补偿控制的突破了基于实测数据的传统补偿理念，解决了变工况下机器特性补偿控制的技术难题，显著提高了机器工作性能。技术难题，显著提高了机器工作性能。发明点三：发明了基于结合部误差传递理论的机床空间综合误差补偿控制技术。构构件件综合误差传递解析：几何误差载荷产生的变形误差误差耦合处理直线运动结合部：回转运动结合部：固定结合部：二发明点 三主要技术发明揭示了误差通过结合部在机床结构中的传递规律，揭示了误差通过结合部在机床结构中的传递规律，揭示了误差通过结合部在机床结构中的传递规律，揭示了误差通过结合部在机床结构中的传递规律，实现整机加工精度的有效预测实现整机加工精度的有效预测实现整机加工精度的有效预测实现整机加工精度的有效预测 。（1）提出了加工时变化载荷作用下的结合部误差和构件误差的耦合方法，开发了整机综合误差解析软件。综合误差结果解析软件逻辑框图整机综合误差解析软件机床拓扑结构二发明点 三主要技术发明模拟实际各向切削载荷比例进行加载，考核验证整机综合误差解析方法的正确模拟实际各向切削载荷比例进行加载，考核验证整机综合误差解析方法的正确性，为机床整机工作性能提升提供了科学依据性，为机床整机工作性能提升提供了科学依据。（2）发明了数控机床整机综合误差解析方法验证装置。磨齿机综合误差验证磨齿机综合误差验证模拟切削载荷恒值变位置加工点处刀具和工件相对位移整机综合误差 各测点位移值二发明点 三主要技术发明通过结合部传递整机工作性能补偿技术，为整机确定性误差模型建立提供支撑。通过结合部传递整机工作性能补偿技术，为整机确定性误差模型建立提供支撑。通过结合部传递整机工作性能补偿技术，为整机确定性误差模型建立提供支撑。通过结合部传递整机工作性能补偿技术，为整机确定性误差模型建立提供支撑。（3）发明了机床整机综合误差在机检测与补偿技术。参数输入区误差权重显示区误差补偿结果显示区误差综合结果显示区在机检测大规格成形磨齿机产品的必备测量系统，使齿轮加工误差减少85%整机误差综合模型分析软件整机误差综合模型分析软件二发明点 三主要技术发明填补了国际填补了国际ISOISO标准中共面度、滚摆角检测的空白。标准中共面度、滚摆角检测的空白。（4）发明了交点外露和交点内置的空间轴线共面度、滚摆角检测方法与装置。二发明点 四主要技术发明发明了新原理结合部，创新了高档数控机床开发途径。发明了新原理结合部，创新了高档数控机床开发途径。发明点四：将结合面的接触特性、连接部位的机构特性及机电技术相结合，提出了考虑结合部非线性耦合特性的机床产品部件创新开发方法。结合面的接触特性构件连接部位的机构特性机电结合技术考虑结合部非线性耦合特性的新型机床产品部件开发花岗石与金属热态特性解决了机床中的机构约束和热特性匹配难题（1）发明了过约束滚滑复合回转关节，解决了并联机床中关节刚度与阻尼的合理匹配问题；发明了热位移约束复合滑座，解决了花岗岩和金属结构件间的热变形协调问题。二发明点 四主要技术发明为高端数控机床精度提升到纳米量级奠定了基础（2）发明了直线微驱动机构、回转微动机构、宏微驱动机构，解决了在精密、超精密机床中难以定量考虑结合部特性影响问题。二发明点 四主要技术发明从提升机床模块结合部性能出发，创新了机床结构配置的灵活性创新了机床结构配置的灵活性。（4）发明了可重构机床模块群结构，为机床整机功能灵活配置提供了新方法，创新了机床集成制造途径二发明点 四主要技术发明解决了并联机构与机床整机结构合理匹配设计问题解决了并联机构与机床整机结构合理匹配设计问题（3）发明了立卧转换三轴并联机构、滚滑回转结合部并联主轴头、三轴混联机构，解决了并联机床中速度、结构、刚度的匹配难题。二发明点 四主要技术发明三、客观评价机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用三一 技术比较客观评价三二 检测报告客观评价三三 技术鉴定客观评价（1）2011年工信部委托陕西省科技厅组织对由本单位负责的国家数控机床科技重大专项课题“结合面特性数据库和考虑结合部耦合特性的机床整机性能预测集成软件系统”项目鉴定会认为：“课题研究成果具有创新性，总体水平国际先进，主要成果在国际上具有原创性”（2）1996年由原机械工业部基础装备司组织对国家“八五”科技攻关项目“仿形立柱移动加工中心整机结构性能预测及补偿技术”鉴定会认为：“总体水平为国际先进水平，其中用解析方法建立柔性结合部子结构特性方程式、解析确定机械系统中零部件边界条件，综合加工误差预测建模方法三项技术居国际领先水平”三三 技术鉴定客观评价（3）1990年由原机电部机床工具司组织对国家“七五”科技攻关项目“结合面特性参数及计算公式”鉴定会认为：“该课题难度很高，工作量很大。在国内外处领先地位，为发展机床CAD进行整机静动态性能定量预测和评价，解决了一项关键的技术难题”（4）1989年由原机电部机床工具司组织对机械工业技术发展基金项目“考虑结合部的机床结构设计解析方法”鉴定会认为：“结合部理论解析与处理方法的研究方面在国内处于领先地位，达到国际先进水平”三四 国内国外同行评价客观评价世界上结合部研究权威、日本著名机床专家伊东谊教授在1988年出版的日本机械学会论文集（C编）（54卷500号p807-815）所撰写的论文“机床结合部问题新进展”列出了国际上研究机床结合部的主要研究机构，陕西机械学院（西安理工大学前身）是中国唯一一个被列入其中的研究机构。”三五 重要科技奖励客观评价四、应用情况、经济效益 和社会效益机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用四一 应用情况应用情况、经济效益 和社会效益宝鸡忠诚机床股份有限公司设计预测与修改样机性能测试宝鸡机床厂车窗静刚度检测两种方案对比提高34倍四一 应用情况应用情况、经济效益 和社会效益宝鸡忠诚机床股份有限公司 解决了国产高精车床中精密进给机构的瓶颈问题，提升了创新产品自主开发能力。四一 应用情况应用情况、经济效益 和社会效益陕西秦川机械发展股份有限公司陕西秦川机械发展股份有限公司导轨布局修改滑板结构修改立柱结构修改B轴结构修改四一 应用情况应用情况、经济效益 和社会效益其他机床企业应用：企业名称 长征机床股份有限公司陕西机床厂天水星火机床有限责任公司济南第一机床厂 汉江机床厂 新乡机床厂等企业进行了应用在军工产品上应用：坦克工程车，牵引车本成果已在10家企业应用，取得经济效益8.98亿元，直接经济效益3.12亿元。四二 社会效益应用情况、经济效益 和社会效益（1）突破了结合部特性研究中若干重大问题，标志我国在该领域研究走在世界前列。（2）发明了多种新原理结合部，建立了考虑结合部耦合的整机性能预测技术及整机设计方案评价、修改技术，创新了高档数控机床开发途径，推动了行业技术进步（3）解决了国际标准ISO中没有关于数控机床多载荷作用下、多轴联动运动中整机直接刚度试验方法及装置的问题；填补了国际标准ISO中关于两相邻回转轴的共面度检测、Z轴滚摆角检测方法及装置的空白，提升了国际影响力。（4）校企联合进行创新开发，有力地推动了双方人才培养。本成果在企业创新产品中发挥了巨大社会效益，主要表现在：五、曾获奖励及知识产权情况机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用五发明专利曾获奖励及知识产权情况序号专利申报人专利名称申请日申请号批准年份专利号1黄玉美，刘耀，杨新刚，韩旭炤，曾德飞具有热位移约束结合部的精密进给系统的复合滑座2009.1.202.32010.07.14ZL2.32黄玉美，杨新刚，惠烨，赵锐加工中心多轴联动变位加载装置及静刚度分布检测方法2.62011.12.14ZL2.63张广鹏，谢永康，韩华刚，段耀东，黄玉美一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置2.62011.11.16ZL2.64黄玉美，刘鸿雁，杨新刚，杨勇滚珠丝杠副压电致动器串联宏微驱动及导轨装置2.42012.06ZL2.45黄玉美，杨新刚，吕维刚，张龙飞，刘同庆一种交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置及检测方法2011.10.312.X2013.10.23ZL2.X6黄玉美，惠烨,杨新刚,尤艳接合面全荷重静特性试验装置及试验方法2014.03.14特許第5496421号7高峰张成新李艳武鹏飞杨新刚一种数控机床热误差建模与补偿的方法2014.11.26201210574.88.78黄玉美刘耀高峰，张莉Translocation-simulatingloadingapparatusgeargrindingwheelanddetectionmethodforstiffnessdistribution2015-04-28US9,016,986B29黄玉美，刘耀，张隆义，球面-回转面结合面接触特性装置2015.05.22特許第5750193号10黄玉美，刘鸿雁，杨新刚杨勇Biaxiallinearmotionmicrodriveapparatus2015.09.02通知,授权证书在北京US五发明专利曾获奖励及知识产权情况六、主要完成人情况机床结合面跨尺度非线性耦合技术及应用六主要完成人情况发明人发明人主要贡献黄玉美本项目研究约占本人工作量85%技术发明1：提出了理论解决非线性与通用性矛盾的思想及实施路线，软件1、2的设计者技术发明2：提出了结合面基础特性参数获取模型及表征方法，发明专利4的主要发明人技术发明3和4中，发明专利1、2、7、20、21、24的主要发明人。张广鹏本项目研究约占本人工作量80%技术发明3中，发明专利5、6、17的主要发明人；技术发明4中，软件4、5的主要开发者技术发明6中，发明专利28、30、31的主要发明人高峰本项目研究约占本人工作量80%技术发明3、18中的主要发明人；技术发明1、4和5中，软件3、6、8的主要发明人技术发明6、29、33中的主要发明人六主要完成人情况发明人发明人主要贡献杨新刚本项目研究约占本人工作量70%技术发明3中，发明专利13、15、16的主要发明人；技术发明5中，软件7的主要开发者技术发明6中，发明专利23、32的主要发明人刘鸿雁本项目研究约占本人工作量70%技术发明3中，发明专利8、9的主要发明人；技术发明6中，发明专利26、27的主要发明人技术发明6中，发明专利8、9在数控机床重大专项精密车床开发应用的实施者田沙本项目研究约占本人工作量70%技术发明3中，发明专利19的主要发明人技术发明5中，发明专利25的主要发明人，应用于863产品测量仪方案的主要设计者技术发明6中，发明专利3、22应用于数控机床重大专项精密磨齿机、车铣复合中心和发明专利10、11、12应用于国家重点技术创新产品的组织者及实施者