项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

陈维山

项目受资助机构

哈尔滨工业大学

项目编号

51975144

立项年度

2019

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

60.00万元

学科

工程与材料科学-机械设计与制造-机械动力学

学科代码

E-E05-E0503

基金类别

面上项目

关键词

轴系回转精度 ; 压电致动装置 ; 动态误差补偿 ; 动态响应 ; 动力学分析 ;

参与者

陈硕；唐心田；伍广彬；贺少鹏；高祥；李京；刘生辉

参与机构

未公开

项目标书摘要：轴系回转精度及综合性能提升虽属传统工业技术，但通过传统的工艺技术手段来提升这种工业装备核心部件的回转精度及其他综合性能指标已越来越困难，成本也愈加高昂，而这种核心部件的性能又体现着一个国家在工业装备主战场的综合竞争力。基于国家大力推动《中国制造2025》的新形势，本项目提出基于压电致动的轴系综合误差补偿及状态主动控制原理及关键技术研究，目的是提高轴系的回转精度、抑制振动、保持轴承的最佳游隙状态、改善其环境适应性、提高轴系的综合性能指标。主要研究内容包括：静/动组合工作模式的一体化压电致动装置的静动力学及构型规划；轴系待补偿和矫正误差的逆运动学模型建立与解算；轴系待补偿和矫正参数的检测与辨识；静/动复合压电致动器跟踪补偿动态误差轨迹的协调控制策略；相关理论研究的实验验证等。本项目的研究成果将有助于通过新的科技途径全面提升精密轴系的综合性能指标，为提高我国机电产品主战场的竞争力做出贡献。

Application Abstract: Although the accuracy and comprehensive performance of shafting rotation are the most traditional industrial technology,it becomes more and more difficult to improve the rotary accuracy and other comprehensive performance indicators for the core components of industrial equipment through traditional technological means,which will extremely increase the costs as well.While,the performance of these core components reflect the comprehensive competitiveness of a country in the main battlefield of industrial equipment.Based on the vigorously promoted national policy of"Made in China 2025",the principle and key technology of integrated error compensation and active state control of shafting system based on piezoelectric actuation will be explored in this project to improve the rotational accuracy of shafting,restrain vibration,maintain the best clearance state of bearing,improve its environmental adaptability and increase the comprehensive performance index of shafting.The main research contents include:mechanical and configuration planning of integrated piezoelectric actuator with static/dynamic combined working mode;the establishment and solution of inverse kinematics model for shaft system error to be compensated and corrected;detection and identification of shaft system parameters to be compensated and corrected;coordination control strategy of tracking and compensating dynamic error trajectory of static/dynamic composite piezoelectric actuator and experiments to verify relevant theories,etc.The research findings of this project will be helpful to comprehensively improve the comprehensive performance index of precision shafting through new scientific and technological ways,and make a contribution to improve the competitiveness of the main battlefield of mechanical and electrical products for our country.

项目受资助省

黑龙江省

项目结题报告(全文)

针对航空航天和机械加工等领域对一体化轴系回转误差补偿技术的实际需求，基于压电致动和振动主动控制的基本思想，提出了基于压电致动的轴系综合误差补偿及状态主动控制技术，提高轴系回转精度，实现传统机械轴系难以达到和保持的性能指标。深入研究了典型长径比轴系的回转误差，基于集中质量法建立了回转轴的动力学模型，结合振动叠加原理建立了轴系回转误差运动学模型，提出了基于力控和基于力矩控制两种轴系回转误差补偿方案；进一步基于力矩控制振动补偿方案规划了集致动/传感为一体的轴系误差补偿装置构型，设计了一种基于压电陶瓷弯曲模式的一体化压电致动回转误差补偿装置；提出了基于压电自传感的轴系振动自传感方法，开展了自传感信号处理参数优化研究，实现了回转误差实时反馈；建立了压电补偿装置的有限元解析模型，提出了基于系统模型的内模控制策略，设计了内模控制器和滤波器，实现了宽频扰动补偿，在0~600Hz的频率范围内可减少90%以上的扰动，在1000Hz时，仍可减少69%的扰动，补偿扰动的幅值与同类产品处于同一量级(微米级);此外，开展了不同压电致动装置研究，规划了多种构型方案，实现了小型化和多维振动输出特性，进一步研制了一体化压电补偿装置，实现了稳定运动输出。将本项目所提出的一体化压电致动回转误差补偿技术成功用于超精密压电超声加工刀具和压电机械手等精密装置，实验结果充分证明了该技术已经具备了在各类高端装备领域获得广泛应用的潜力。在本项目资助下，发表学术论文13篇(全部为SCI期刊论文，中科院一区TOP期刊论文7篇),获黑龙江省技术发明一等奖1项，培养已毕业博士3人，另有2名博士研究生和3名硕士研究生正在本项目的资助下开展课题研究。本项目的研究成果可为一体化压电致动回转误差补偿装置设计与分析提供基础的理论指导，对拓宽基于压电致动的轴系回转误差补偿技术的应用领域有十分积极的意义。