一種三自由度并聯(lián)動(dòng)力頭輕量化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、本文密切結(jié)合航空航天大型鋁合金結(jié)構(gòu)件高速銑削加工的需求，系統(tǒng)研究一種新型三自由度并聯(lián)動(dòng)力頭——A3頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)、剛度建模與快速預(yù)估以及基于靜剛度約束的輕量化設(shè)計(jì)方法，將研究成果應(yīng)用于A3頭樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。全文得到成果如下：
　　在運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)方面，構(gòu)造出主動(dòng)和被動(dòng)關(guān)節(jié)變量位置逆解模型，可用于揭示主動(dòng)與被動(dòng)關(guān)節(jié)變量隨尺度參數(shù)和位形的變化規(guī)律；建立了一種評(píng)價(jià)A3頭這類位姿耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的無(wú)量綱指標(biāo)，揭示出歸一化尺度參數(shù)對(duì)該

2、指標(biāo)的影響規(guī)律。上述工作為在輕量化設(shè)計(jì)中正確設(shè)置幾何約束和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能約束提供了重要依據(jù)。
　　在靜剛度半解析建模方法研究方面，構(gòu)造出考慮全部運(yùn)動(dòng)部件重力的關(guān)節(jié)力與操作力映射模型，得到支鏈重力可等效為作用在動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的外力旋量的重要結(jié)論；建立了關(guān)節(jié)變形與末端變形間的映射模型，其將末端變形分解為由作用在動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)等效外力旋量引起的變形和由支鏈分布重力在約束方向上引起的變形兩部分。在此基礎(chǔ)上，建立了各子裝配體在局部坐標(biāo)系下的柔度與界

3、面柔度間的映射模型，并借助線性疊加原理構(gòu)造出A3頭靜剛度半解析模型。所建模型計(jì)及了重力場(chǎng)的影響，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全域靜剛度，以及由切削載荷和重力場(chǎng)引起變形的快速預(yù)估。
　　在界面柔度快速精確預(yù)估方法研究方面，提出一種具有分層遞階格式的界面柔度預(yù)估策略和單自由度運(yùn)動(dòng)副有限元精細(xì)建模方法，可有效提高界面柔度計(jì)算精度與效率。在此基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)算支鏈中各零部件柔度的計(jì)算流程，僅需一次有限元建模便可計(jì)算出支鏈中全部零部件的局部柔度。該方法的有效

4、性已通過(guò)靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。利用所提出的剛度半解析建模方法，揭示出影響A3頭末端剛度的薄弱環(huán)節(jié)，以及不同構(gòu)件重力對(duì)末端變形的貢獻(xiàn)，為樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。
　　在輕量化設(shè)計(jì)方法研究方面，針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工需求，提出一種基于靜剛度約束的輕量化設(shè)計(jì)思想，并構(gòu)造出相應(yīng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和具有分層遞階格式的優(yōu)化流程。利用界面剛度可分解為驅(qū)動(dòng)和約束剛度的特點(diǎn)以及串聯(lián)彈簧系統(tǒng)剛度取決于其中剛度最低者的力學(xué)原理，分別提出界

5、面驅(qū)動(dòng)應(yīng)與約束剛度應(yīng)相互匹配，支鏈中各子裝配體剛度應(yīng)相互匹配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在構(gòu)造相應(yīng)幾何約束和剛度約束基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析和多島遺傳算法實(shí)現(xiàn)了A3頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)仿真表明，在整機(jī)質(zhì)量幾乎不變的前提下，末端剛度提高1倍以上，低階固有頻率提高36％，進(jìn)而驗(yàn)證了所提出輕量化設(shè)計(jì)思想、方法和流程的可行性和有效性。
　　本文研究成果已用于一臺(tái)A3頭數(shù)字樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)豐富和發(fā)展這類高速加工裝備的設(shè)計(jì)理論與方法，推進(jìn)其在航空制造領(lǐng)域中的