啄木鸟仿生学制造装备机构创新设计及关键技术研究

Currently, in some key technical fields, such as: the processing of heavy duty gas turbine’s large-scale structural parts and the remote maintenance of large equipment, there are urgent needs for portable or mobile high performance multi axis CNC equipment. Based on the woodpecker bionics principle, this project focuses on the mechanism innovation and high-energy-efficiency design of this kind of manufacturing equipment in the levels of both structure and function bionics, novel mechanisms integrated with bionics will be put forward, the structure of woodpecker’s head will be further studied to guide and realize the light-weight design of the whole machine, methods to evaluate the power transmission efficiency will be proposed and the optimal design on this basis will be carried out sequentially, an inertia matching method for parallel kinematic machines will be established to guide the input power’s matching and optimization, consequently, the dynamic performance will be optimized and the efficiency will be improved, and the high efficiency from the aspect of function bionics will be achieved. A prototype will be developed to carry out experiment and application test, this will lay an important theoretical and technical foundation for the development and application of this kind of equipment..This research will be of great significance in enriching and developing the theory of modern mechanisms, in guiding the innovative design and application of parallel mechanisms, and in promoting the development of portable and modular high performance processing equipment.

当前，在一些重大技术领域，如：重型燃气轮机中的大型结构件加工和大型设备异地维修等，对便携式或可移动式高性能多轴联动数控装备需求迫切，本项目结合啄木鸟仿生学原理，研究此类制造装备的机构创新设计以及结构仿生和功能仿生层面的高能效设计技术，提出具有自主知识产权的新型仿生学原理构型，开展啄木鸟“头部结构”仿生研究以指导和实现装备整机轻量化设计，建立功率传递效率评价指标体系并开展优化设计，建立适用于并联装备的惯量匹配方法以指导装备输入动力源的优化匹配，实现整机动力学性能优化和效率提升，在高效率层面实现功能仿生，开发一台物理样机进行实验及应用测试，为此类设备开发及工程化应用奠定重要的理论和技术基础。.项目研究成果对丰富和完善现代机构学理论，指导并联机构的创新设计及工程应用，促进高性能便携式模块化加工制造装备的发展具有积极意义。

面向航空结构件、涡轮叶片、含异形孔的复杂构件等对高效灵巧加工、复合角度加工需求，本课题开展啄木鸟仿生学制造装备机构创新设计及关键技术研究，建立了基于Grassmann线几何和线图法的并联机构构型综合新方法，完成了具有姿态耦合大摆角输出特色的五自由度并联机构创新设计；揭示了并联机构广义传递力、约束力以及运动之间的相互作用机理，基于能效系数概念，提出并建立了运动/力传递和约束特性评价体系，完成了机器人的尺寸参数优化设计；建立了机器人功率传递性和刚度评价方法及指标体系，提出了分层递阶的机器人高刚度高能效设计方法，实现了机器人结构参数优化；提出了面向复杂曲面加工的并联机器人高速高精运动控制方法，解决了复杂工作环境及非线性动力学耦合作用下机器人高动态特性控制难题，提升了加工效率和加工质量；建立了并联机器人刚柔耦合误差建模方法和加权正则化参数辨识方法，解决了位姿误差各向异性影响参数收敛准确性的问题，实现了机器人结构误差和刚度参数误差的准确辨识和补偿，提升了机器人的位姿精度。.在这些理论成果的基础上，开发了一台五自由度并联加工机器人DiaRoM，其移动工作空间为600×600×400mm3、绕x轴摆角范围大于110°、RTCP联动范围大于20°、位置重复性为0.0118mm、位置准确度为0.0182mm、姿态重复性为0.003°、姿态准确度为0.009°。该机器人目前已经在成都飞机工业（集团）有限责任公司应用，进行飞机框架类薄壁件的加工，2mm壁厚零件上67个测点的平均误差为0.0224mm，最大误差为0.0629mm，加工精度远高于该类航空框架结构件±0.15mm的精度要求，解决了航空工业结构件制造过程中面临的高效高质量加工难题，对我国高端航空装备制造技术自主可控意义重大。