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科研力量 | 燕山大学并联装备基础与机电集成技术团队
新闻来源:东莞三原机械生产厂家 发布时间:2019-07-20

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燕山大学并联装备基础与机电集成技术团队依托于燕山大学一级学科国家重点学科“机械工程学科”和二级学科国家重点学科“机械电子工程学科”,建有中国机械工业“并联机构及装备基础”重点实验室和河北省“并联机器人与机电系统”重点实验室,是“极端条件下机械结构和材料科学”国防重点学科实验室和“先进制造成形技术及装备”国家地方联合工程研究中心的主要组成部分。

  团队负责人简介

赵永生,教授、博士生导师,全国优秀教师,现任燕山大学副校长、河北省并联机器人与机电系统重点实验室主任,燕山大学国家重点学科——机械电子工程学科学术带头人。

 

赵永生教授自1987年在燕山大学机器人研究中心工作起,一直致力于机器人机构理论及工程应用、机器人装备设计与研发等方面的研究,在并联机构学基础理论、多维力传感技术、过约束机构受力分析与航天可展机构等方面做了许多开创性的工作,取得了较为丰硕的研究成果。出版专著2部,发表学术论文230余篇,其中被科学索引SCI收录近80余篇,被工程索引EI收录150余篇,获国家发明专利40余项,主持完成国家科技重大专项、国家和省部级自然科学基金项目以及大型企业科技攻关项目近30项,科研成果曾荣获教育部提名国家自然科学奖一等奖、原国家教委科技进步一等奖、国家教育部科技进步二等奖、中国机械工业集团科学技术奖特等奖、河北省科技进步一等奖、二等奖。主持国家级创业人才培养模式创新试验区、国家级精品课和精品资源共享课、国家级实验教学示范中心等本科教学质量工程项目10余项。教学成果曾荣获国家教学成果二等奖1项、河北省教学成果一等奖2项。


赵永生教授及其团队成员对并联机构理论与应用开展了深入研究,密切与大型企业和科研院所合作,在机构原始创新、机电一体化集成、大型高端装备研制等方面开展了一系列工作。承担完成上海65米射电望远镜副反射面调整系统、参与研发成功世界上最大的单口径射电望远镜“FAST”的核心部件馈源舱与北斗三号高轨首发星“吉星”两幅大型构架式可展开天线,参与国际合作项目VLBI国际大科学工程SKA平方公里阵项目多冗余并联调姿平台的研发,为中国第一重型机械集团成功研发具有自主知识产权的集大型重载高精度变位机、超声波自动探伤装备、大型 180 度翻转机于一体的核电关键零部件加工制造成套辅助装备,与中电十四所项目组联合攻关,研发成功广角域雷达连续调姿系统,亮相第十二届珠海航展,得到了国内外同行的一致认可。


团队其他成员


标志性科研成果


近年来团队在机器人机构学基础理论、并联加工机器人与多维力测量技术、天线可展与调姿机构创新设计及分析、重型机器人与机电集成技术、航空航天辅助装备研发等领域展开了一系列研究工作。


1. 机器人机构学基础理论

(1)过约束机构受力分析与协调控制

建立了较为系统的过约束并联机构(包括主动过约束、被动过约束和被动输入过约束)受力分析理论体系,揭示了该类机构受力的内部机理,提出了基于力/位混合的冗余驱动机器人控制策略,解决了相应的工程应用技术难题。发表SCI检索论文近20篇。

驱动力协调分配统一简洁的一般表达式


力/位混合控制策略


(2)多环耦合机器人机构型综合

基于螺旋理论阐释了航天可展天线、锻造操作机、多轴混联机器人等空间多环耦合机构的运动机理,建立了较为系统的空间多环耦合机构自由度分析与型综合方法,获得了一系列空间多环耦合机构新构型。发表SCI检索论文、机械工程学报、航空学报等高水平论文20余篇。


三个3RR-3URU单元组成的球面机构简图



2. 并联加工机器人与多维力测量技术

(1)五轴联动并联机床

提出了一种具有自主知识产权的含有约束支链的并联机床机构,可实现三维移动和二维转动,中间分支的位置正反解简单,易于实现闭环控制,在复杂曲面精细加工上具有较为明显的优势,应用前景较为广阔。


五轴联动并联机床



(2)五轴混联加工机器人

提出具有连续转轴的五轴混联加工机器人机构,机器人所有转动均存在连续转轴,易于运动学正反解解析表达,便于实现标定与运动控制,为研发我国具有自主知识产权的混联加工机器人提供了重要的理论基础与技术支撑。


具有完全连续转轴的五轴串并混联机器人


具有顺次连续转轴的少运动副五轴串并混联机器人


(3)并联六维力传感器技术

将冗余、容错理念引入六维测力技术,提出并建立了容错高可靠并联六维测力理论及技术体系,为高可靠六维力感知技术提供了新思路、新方法和新途径。提出了可实现故障诊断、识别和模型重构的智能容错算法,并应用到面向曲面跟踪、复杂装配模式的六维力柔顺控制模型,为高可靠六维力传感器应用提供了核心技术。


大量程大测力板并联六维力传感器


高可靠容错型并联六维力传感器


基于六维力传感器的柔性伺服控制技术


3.  天线可展与调姿机构创新设计

(1)65米射电望远镜天线副反射面调整系统

承担完成“上海65米射电望远镜天线副反射面调整系统”,在副反射面调整机构方案确定、机构分析、结构设计、力学建模、特性仿真、控制算法等方面进行了大量研究,提出了利用调整机构绕其轴线转动冗余自由度实现机构容错的控制策略,提高了射电望远镜的容错能力,满足了高运动精度、恶劣环境适应性及工作可靠性要求。

 


65米射电望远镜天线系统


(2)FAST500米口径球面射电望远镜馈源舱系统

参与研发成功世界上最大的单口径射电望远镜“FAST”的核心部件馈源舱,馈源舱最大直径13米、高7.6米、重30吨,是集结构、机构、测量、控制等多种技术于一体的光机电复杂系统。项目团队为馈源舱系统的方案确定、机构分析、结构设计、力学建模、特性仿真等方向提供了强有力的理论指导和技术支撑。


FAST500米口径球面射电望远镜


(3)航天可展天线

深入开展航天可展天线的机构创新设计、自由度分析以及多柔体展开动力学等理论研究,相关理论成果为北斗三号高轨首发星“吉星”在轨可展开天线的成功研制与在轨展开提供了强有力的理论指导和技术支撑。,拓展了构型综合理论在一般空间多环耦合机构的应用。


在轨成功展开的航天可展天线


4. 重型机器人与机电集成技术

团队近年来在重型机器人领域承担了多项重型装备的研发任务,涵盖了核岛蒸汽发生器水室封头用重载自动变位机、大型核电锻件全自动翻转设备、核电加氢大型直筒节自动化超声波探伤装备、大型锻造操作机等项目和技术,提升了我国核电产品的制造能力。


(1)研制成功国内第一台核岛蒸汽发生器水室封头用高档重载变位机,已在中国一重成功应用,大大提高了生产效率,可用于大型、重载工件的高精度姿态变换。


核岛蒸汽发生器水室封头用重载自动变位机



(2)大型核电锻件全自动翻转设备

提出一种将90、180度翻转功能集成为一体、能够适应多种类形状、多规格产品的,工作台具备大载荷约束可变性的,工件安装定位不需借助辅件、重力自封闭的翻转设备。


大型核电锻件全自动翻转设备


(3)核电加氢大型直筒节自动化超声波探伤装备

提出一种基于双螺旋线轨迹探测的探伤设备设计方案,填补了大型直筒节自动化超声波探伤的技术空白。


核电加氢大型直筒节自动化超声波探伤装备



(4)锻造操作机

参与了世界上承载能力最大的3000kN/7500kNm锻造操作机器人的研制,提出了“并联型运动解耦吊挂机构”,解决了超大承载情况下多自由度运动性能协调匹配的难题。提出了一种从结构上保证各操作动作完全解耦的锻造操作机机构,水平缓冲部分引入Hoekens近似直线输出机构,实现了操作机升降运动与水平运动之间的解耦。


合作研制的3000kN/7500kNm锻造操作机


2t/5tm完全解耦式锻造操作机器人



5.  航空航天辅助装备研发

(1)研制成功可实现自主登离飞机的大型可变形态装卸机器人,为我国大型飞机的运输应急提供了重要装备,成功制定了适应高原气候、满足高低温环境的系统解决方案。


(2)合作研发成功“机载有源相控阵广角域火控雷达”,解决了机内空间狭小、运动复杂、机电集成等技术难题,亮相第12届珠海航展,受到广泛关注。


机载有源相控阵广角域火控雷达


(3)与航天部门合作,研制了集卫星大范围转运、宏动三自由度调姿、微动六自由度调姿于一体的大型过约束重载自动化调姿平台,为改善卫星总装工艺技术水平、提高卫星装配质量提供了新的设计方案。


卫星对接用重载自动化调姿机器人


(4)承担“大型包装箱装机平台关键技术研究”项目,开展了可适应多机型、复杂工况下的大型包装箱装卸平台的可变形态构型设计和机械结构设计,为远距离航空运输保障装备提供了新的设计方案和理论依据。


卫星包装箱装机平台

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