并联变胞切割机构的构型综合与性能优化研究.doc

并联变胞切割机构的构型综合与性能优化研究面向现代舰船制造的工程背景,在船体空间复杂曲面上切割形状各异的大尺寸工艺孔是加工过程中的关键项目。由于船体结构的变化和船用材料的更新换代,现有切割装备已经不能满足“高性能”制造需求,也无法保障孔型任务的加工精度与性能指标等。因此,研究能够解决舰船复杂曲面切割难题的新型加工方法—数字化敏捷切割技术,并研制具有高效率、高精度和高质量加工特性的切割机构与数控切割设备,对舰船制造中需要解决的重要问题,具有重要的理论意义和工程价值。本文将空间复杂曲面零件测量—再设计—数控加工一体化和数控切割设备的机构设计与性能优化视为数字化敏捷切割技术领域中的两个核心要素,开展了空间复杂曲面孔型轮廓及其切割轨迹的参数化建模方法、并联变胞机构的构型综合方法、全构态运动性能分析与综合评价优化方法研究,也进行了并联变胞切割机构的运动优化设计和虚拟仿真研究。一方面建立了复杂曲面曲线数控加工一体化以及并联变胞机构构型综合与优化的理论方法,另一方面为解决复杂曲面加工难题提供了新型切割机构。本文主要研究内容包括:构建了空间复杂曲面孔型轮廓及其切割轨迹的参数化模型。根据空间曲面的数字化敏捷切割需求,构造了由一般参数转化为特殊参数表示的弧长参数化模型,建立了规则曲线切割轮廓的隐参数模型以及自由曲线切割轮廓的B样条参数模型。再推导出坡口向量的通用表达式之后,完整地给出了孔型轮廓的参数表达。在此基础上,结合火焰切割工艺和空间曲线轮廓偏置理论,构建了火焰加工轨迹的几何参数模型,表明了火焰切割介质在连续加工时需要具有变轨迹和变姿态运动特性。采用自适应速度控制理论和预估校正计算方法,生成了火焰加工轨迹的数控参数插补模型。提出了适用于并联变胞切割机构的构型综合方法研究。首先,明确了并联变胞机构的主要结构组成和综合要素。然后,给出了其构型综合设计过程的变约束旋量原理。最后在构造出三类无约束初等支链单元和变胞运动副的实用形式之后,建立了动态约束综合流程与通用步骤。针对空间复杂曲面加工需求,结合数控装备制造服役环境综合出了“2种”可行的并联变胞切割机构。优选出了3URS-PPPS运动链作为并联变胞构型,并对其工作机理进行了分析。对并联变胞切割机构进行了全构态运动性能研究。从一般性并联变胞机构出发,在全构态运动性能分析框架下,给出了拓扑结构层面变胞态的瞬时约束变化模型;构建了一阶运动层面内稳态和全构态运动的工作空间获取流程、速度传递模型、精度传递模型,变胞态运动的瞬时功率变化模型。建立了二阶运动层面内加速度传递模型,瞬时加速度变化及其瞬时冲量变化模型。面向优选并联变胞切割机构,将通用模型结合于切割加工需求,系统构造出它的全构态性能解析模型。不仅验证了所建并联变胞机构的全构态性能模型的有效性,也为并联变胞切割机构的结构尺度参数设计提供了理论依据。构造了适用于一般性并联变胞机构稳态运动的连续度量性能指标、变胞态运动的瞬时突变性能指标,给出了全构态运动性能指标评价体系与架构。然后以所建单一运动性能指标为基础,采用模糊主成分分析方法建立了全构态运动性能的综合评价指标,也采用自适应遗传算法给出了运动性能的优化流程。最后对于3URS-PPPS型并联变胞切割机构,在切割服役环境下顺序演绎了8项指标的局域/全域数值仿真、模糊综合评价仿真。同时分别开展了基于全构态指标和基于常规综合灵巧度指标的优化仿真,并通过再对两组并联变胞切割机构的优化结构参数进行对比仿真,验证了所建全构态性能指标的有效性以及所建运动性能评价与优化的实用性。最后,开展了并联变胞切割机构的虚拟样机设计与关键技术仿真研究。首先对于3URS-PPPS变胞构型,根据其运动优化设计参数构造了并联变胞切割机构的机械系统结构组成,得出了虚拟样机的可行形式。然后,再以大型空间复杂曲面上的变角度坡口孔型为对象,进行了切割任务轨迹生成仿真。同时结合免奇异与奇异规避路径规划方法,也生成了并联变胞切割机构虚拟样机的直口、姿态调整与坡口三个工作阶段的连续运行路径,并对直口与坡口加工路径进行了自适应速度插补仿真。最后,以ADAMS动力学仿真得出所建并联变胞切割机构在虚拟火焰加工时的驱动特性,为工程样机的选型制造以及后续动力学闭环控制技术研究提供依据。