一種三自由度并聯(lián)動力頭輕量化設計方法研究.pdf

1、本文密切結合航空航天大型鋁合金結構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)動力頭——A3頭的運動學性能評價、剛度建模與快速預估以及基于靜剛度約束的輕量化設計方法，將研究成果應用于A3頭樣機的改進設計。全文得到成果如下：
　　在運動學性能評價方面，構造出主動和被動關節(jié)變量位置逆解模型，可用于揭示主動與被動關節(jié)變量隨尺度參數(shù)和位形的變化規(guī)律；建立了一種評價A3頭這類位姿耦合機構運動學性能的無量綱指標，揭示出歸一化尺度參數(shù)對該

2、指標的影響規(guī)律。上述工作為在輕量化設計中正確設置幾何約束和運動學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，構造出考慮全部運動部件重力的關節(jié)力與操作力映射模型，得到支鏈重力可等效為作用在動平臺參考點的外力旋量的重要結論；建立了關節(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平臺參考點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。在此基礎上，建立了各子裝配體在局部坐標系下的柔度與界

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

4、性已通過靜、動態(tài)試驗得到了驗證。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)，以及不同構件重力對末端變形的貢獻，為樣機的改進設計提供了重要的依據(jù)。
　　在輕量化設計方法研究方面，針對航空結構件5軸聯(lián)動數(shù)控加工需求，提出一種基于靜剛度約束的輕量化設計思想，并構造出相應的優(yōu)化數(shù)學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動和約束剛度的特點以及串聯(lián)彈簧系統(tǒng)剛度取決于其中剛度最低者的力學原理，分別提出界

5、面驅動應與約束剛度應相互匹配，支鏈中各子裝配體剛度應相互匹配的設計準則。在構造相應幾何約束和剛度約束基礎上，利用響應面分析和多島遺傳算法實現(xiàn)了A3頭的優(yōu)化設計。計算機仿真表明，在整機質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％，進而驗證了所提出輕量化設計思想、方法和流程的可行性和有效性。
　　本文研究成果已用于一臺A3頭數(shù)字樣機的改進設計，對豐富和發(fā)展這類高速加工裝備的設計理論與方法，推進其在航空制造領域中的