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原文传递空间曲面火焰切割变胞机构的构型综合与精度控制方法研究

论文题名：	空间曲面火焰切割变胞机构的构型综合与精度控制方法研究
关键词：	舰船制造;火焰切割;变胞机构;构型设计;精度控制
摘要：	船体大型空间复杂曲面上切割多种形式的孔型是舰船制造过程中的重要工作和技术难题，它们的加工质量直接影响舰船的装备性能，其加工效率也关系到舰船的制造周期。随着大型空间曲面孔型的高性能加工需求的不断提高，以人工手动切割为主的传统加工方式已经很难适应现代舰船制造环境。因此，进行空间复杂曲面数字化敏捷切割技术的基础理论研究，并研制出加工效率高、加工精度和加工质量优异的数控切割装备，具有重要的理论意义和工程价值。　　面向大型空间复杂曲面加工情形，本文将变胞机构和火焰切割工艺视为空间曲面数字化敏捷切割技术的关键要素，以构型设计和精度控制理论为基础，开展了空间曲面火焰切割变胞机构的构型综合方法、运动精度分析方法、位姿精度设计方法和加工精度补偿方法研究，同时也进行了应用试验验证。在理论层面上，建立了以切割变胞机构构型设计和精度控制理论为基础的数字化敏捷切割技术理论体系。在物理环境中提供了新型数字化敏捷切割装备，解决了舰船制造中的工程难题。本文研究虽然依据但并不局限于船体空间复杂曲面的加工制造环境，提升了数字化敏捷切割技术在现代制造业中的竞争力。主要研究内容包括: 　　提出了适用于空间曲面火焰切割变胞机构构型综合的组合再生方法。在确定出变胞机构的构态变换特征之后，将多工况任务作为设计变量环境，给出了组合再生方法的内涵与综合架构。对于设计工具层，构建了面向任务空间的组合设计步骤，通过作业功能分解、变胞子构态构型综合、子构态序列筛选、变胞方式设计和变胞源构态构型综合，以“从无到有”的直觉方式得出变胞构型。构建了面向拓扑空间的再生设计步骤，通过建立扩展低序体矩阵模型、分步数学方程和矩阵扩张模型细化变胞机构构态特征的演变与进化性质，以“从已有到更新”的逻辑方式得出变胞构型。给出了变胞源/子构态的运动性能指标、变胞态的约束和加速度变化率性能指标，构建了变胞构型的评价优选准则。结合数控切割装备服役环境和空间曲面工况任务，利用所提组合再生方法综合出了12种串并联式切割变胞机构。优选出了RPP-PRRRR变胞构型作为执行运动链，研制了其对应的原理样机“数控火焰变胞切割机”。既验证了所提综合方法的有效性，也为数字化敏捷切割技术提供了切实可行的加工装备。　　提出了适用于空间曲面火焰切割变胞机构精度分析的全构态四元数矩阵方法。采用罗德里格斯—哈密顿参数分别建立了变胞子构态中平面、球面和空间构型的运动学模型，再结合变胞特性推导出的相邻子构态广义运动变量的邻接模型，构造了变胞机构的全构态运动四元数模型。构建了变胞机构内运动变量误差、结构参数误差以及运动副间隙的扰动四元数，并计及三类误差因素的综合作用，推导出了全构态运动误差四元数模型。通过得出六面体型空间变胞机构运动精度的数值与实体仿真结果，验证了所建四元数模型的正确性和避免数学奇异的能力，表明了它们能够定性或定量地描述变胞机构的全构态运动精度变化规律。同时也对空间曲面火焰切割变胞机构进行了运动精度仿真分析，得出的误差影响系数进一步说明了所提精度分析方法以及所建全构态模型的合理性与工程实用性。　　提出了适用于空间曲面火焰切割变胞机构精度设计的优化分配方法。首先，利用误差因果关系确定了变胞机构精度设计时的主要精度项目是零部件位形公差、配合公差和控制系统传动链公差。其次，基于旋量理论建立了变胞机构任意构态的理想位姿模型、精度项目的分量描述数学模型、实际位姿模型以及位姿误差模型，确定了精度设计时的误差映射关系。再次，构造了精度项目在变胞子构态和全构态构型中的误差敏感度模型，确定了精度设计时的关键因素。最后，分别构建了基于误差敏感度和基于精度成本的精度优化分配模型，完成了变胞机构的整机精度设计。对空间曲面火焰切割变胞机构相应的数控火焰变胞切割机进行了精度设计应用仿真，得出的优化分配模型和数值结果验证了所提精度设计方法的有效性，表明了它们能够实现切割变胞机构及其切割装备在预设目标内的最优精度分配。　　给出了适用于空间曲面火焰切割变胞机构精度补偿的误差预测与实时修正方法。将数控火焰切割机作为切割变胞机构的稳态工作母机，明确了火焰切割加工坐标系分别是参考系、机床系、工具系、检测系和工件系。利用齐次变换矩阵方法构建了数控火焰切割机的加工误差预测模型，包含了切割机和工件中18项几何误差、6项热误差及15项复合误差元素的综合作用。基于标定理论建立了几何元素的定位模型、指数积辨识模型、自标定检测和优选流程，同时基于有限元技术建立了热/复合元素的离线检测流程、关键温度测点优选流程和热弹性动态模型。指出了误差元素获取方式，也在数控火焰切割机中完成了有效性检验。在商用数控系统和快速控制原型内，分别构造了基于原点偏移原理以及基于输入运动规划原理的加工误差实时补偿系统，并建立了偏最小二乘误差补偿算法。对切割变胞机构相应的数控火焰变胞切割机进行了加工误差补偿仿真，获得的结果验证了所建补偿系统的实时性与精度控制特性，确保了数字化敏捷切割技术中空间曲面火焰切割变胞机构及其切割装备的精度性能。　　最后，进行了空间曲面火焰切割变胞机构的应用试验验证。通过综合应用切割变胞机构的理论模型，得出了它对应的数控火焰变胞切割机的系统环境。再以大型空间曲面上的偏心孔型为对象，进行了数控火焰变胞切割机的应用试验。获得的结果表明了切割变胞机构及其切割装备能够实现孔型任务的连续切割成形，验证了其具有较高的空间曲面加工效率。同时在分别完成数控火焰变胞切割机的几何标定试验和热结构仿真之后，进行了实时补偿加工应用试验。通过与示教再现方法的对比分析，表明了所建精度补偿方法能够将火焰切割工件的加工质量改善40％左右，验证了切割变胞机构和数控火焰变胞切割机具有较高的空间曲面加工精度和加工质量。展示了变胞机构研究成果的实用性，为解决空间复杂曲面加工难题提供了有效的数字化敏捷切割技术和高性能数控切割装备。
作者：	张满慧
专业：	机械工程
导师：	胡胜海
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文