【摘要】：船體大型空間復雜曲面上切割多種形式的孔型是艦船制造過程中的重要工作和技術難題,它們的加工質(zhì)量直接影響艦船的裝備性能,其加工效率也關系到艦船的制造周期。隨著大型空間曲面孔型的高性能加工需求的不斷提高,以人工手動切割為主的傳統(tǒng)加工方式已經(jīng)很難適應現(xiàn)代艦船制造環(huán)境。因此,進行空間復雜曲面數(shù)字化敏捷切割技術的基礎理論研究,并研制出加工效率高、加工精度和加工質(zhì)量優(yōu)異的數(shù)控切割裝備,具有重要的理論意義和工程價值。面向大型空間復雜曲面加工情形,本文將變胞機構和火焰切割工藝視為空間曲面數(shù)字化敏捷切割技術的關鍵要素,以構型設計和精度控制理論為基礎,開展了空間曲面火焰切割變胞機構的構型綜合方法、運動精度分析方法、位姿精度設計方法和加工精度補償方法研究,同時也進行了應用試驗驗證。在理論層面上,建立了以切割變胞機構構型設計和精度控制理論為基礎的數(shù)字化敏捷切割技術理論體系。在物理環(huán)境中提供了新型數(shù)字化敏捷切割裝備,解決了艦船制造中的工程難題。本文研究雖然依據(jù)但并不局限于船體空間復雜曲面的加工制造環(huán)境,提升了數(shù)字化敏捷切割技術在現(xiàn)代制造業(yè)中的競爭力。主要研究內(nèi)容包括:提出了適用于空間曲面火焰切割變胞機構構型綜合的組合再生方法。在確定出變胞機構的構態(tài)變換特征之后,將多工況任務作為設計變量環(huán)境,給出了組合再生方法的內(nèi)涵與綜合架構。對于設計工具層,構建了面向任務空間的組合設計步驟,通過作業(yè)功能分解、變胞子構態(tài)構型綜合、子構態(tài)序列篩選、變胞方式設計和變胞源構態(tài)構型綜合,以“從無到有”的直覺方式得出變胞構型。構建了面向拓撲空間的再生設計步驟,通過建立擴展低序體矩陣模型、分步數(shù)學方程和矩陣擴張模型細化變胞機構構態(tài)特征的演變與進化性質(zhì),以“從已有到更新”的邏輯方式得出變胞構型。給出了變胞源/子構態(tài)的運動性能指標、變胞態(tài)的約束和加速度變化率性能指標,構建了變胞構型的評價優(yōu)選準則。結(jié)合數(shù)控切割裝備服役環(huán)境和空間曲面工況任務,利用所提組合再生方法綜合出了12種串并聯(lián)式切割變胞機構。優(yōu)選出了RPP-PRRRR變胞構型作為執(zhí)行運動鏈,研制了其對應的原理樣機“數(shù)控火焰變胞切割機”。既驗證了所提綜合方法的有效性,也為數(shù)字化敏捷切割技術提供了切實可行的加工裝備。提出了適用于空間曲面火焰切割變胞機構精度分析的全構態(tài)四元數(shù)矩陣方法。采用羅德里格斯—哈密頓參數(shù)分別建立了變胞子構態(tài)中平面、球面和空間構型的運動學模型,再結(jié)合變胞特性推導出的相鄰子構態(tài)廣義運動變量的鄰接模型,構造了變胞機構的全構態(tài)運動四元數(shù)模型。構建了變胞機構內(nèi)運動變量誤差、結(jié)構參數(shù)誤差以及運動副間隙的擾動四元數(shù),并計及三類誤差因素的綜合作用,推導出了全構態(tài)運動誤差四元數(shù)模型。通過得出六面體型空間變胞機構運動精度的數(shù)值與實體仿真結(jié)果,驗證了所建四元數(shù)模型的正確性和避免數(shù)學奇異的能力,表明了它們能夠定性或定量地描述變胞機構的全構態(tài)運動精度變化規(guī)律。同時也對空間曲面火焰切割變胞機構進行了運動精度仿真分析,得出的誤差影響系數(shù)進一步說明了所提精度分析方法以及所建全構態(tài)模型的合理性與工程實用性。提出了適用于空間曲面火焰切割變胞機構精度設計的優(yōu)化分配方法。首先,利用誤差因果關系確定了變胞機構精度設計時的主要精度項目是零部件位形公差、配合公差和控制系統(tǒng)傳動鏈公差。其次,基于旋量理論建立了變胞機構任意構態(tài)的理想位姿模型、精度項目的分量描述數(shù)學模型、實際位姿模型以及位姿誤差模型,確定了精度設計時的誤差映射關系。再次,構造了精度項目在變胞子構態(tài)和全構態(tài)構型中的誤差敏感度模型,確定了精度設計時的關鍵因素。最后,分別構建了基于誤差敏感度和基于精度成本的精度優(yōu)化分配模型,完成了變胞機構的整機精度設計。對空間曲面火焰切割變胞機構相應的數(shù)控火焰變胞切割機進行了精度設計應用仿真,得出的優(yōu)化分配模型和數(shù)值結(jié)果驗證了所提精度設計方法的有效性,表明了它們能夠?qū)崿F(xiàn)切割變胞機構及其切割裝備在預設目標內(nèi)的最優(yōu)精度分配。給出了適用于空間曲面火焰切割變胞機構精度補償?shù)恼`差預測與實時修正方法。將數(shù)控火焰切割機作為切割變胞機構的穩(wěn)態(tài)工作母機,明確了火焰切割加工坐標系分別是參考系、機床系、工具系、檢測系和工件系。利用齊次變換矩陣方法構建了數(shù)控火焰切割機的加工誤差預測模型,包含了切割機和工件中18項幾何誤差、6項熱誤差及15項復合誤差元素的綜合作用。基于標定理論建立了幾何元素的定位模型、指數(shù)積辨識模型、自標定檢測和優(yōu)選流程,同時基于有限元技術建立了熱/復合元素的離線檢測流程、關鍵溫度測點優(yōu)選流程和熱彈性動態(tài)模型。指出了誤差元素獲取方式,也在數(shù)控火焰切割機中完成了有效性檢驗。在商用數(shù)控系統(tǒng)和快速控制原型內(nèi),分別構造了基于原點偏移原理以及基于輸入運動規(guī)劃原理的加工誤差實時補償系統(tǒng),并建立了偏最小二乘誤差補償算法。對切割變胞機構相應的數(shù)控火焰變胞切割機進行了加工誤差補償仿真,獲得的結(jié)果驗證了所建補償系統(tǒng)的實時性與精度控制特性,確保了數(shù)字化敏捷切割技術中空間曲面火焰切割變胞機構及其切割裝備的精度性能。最后,進行了空間曲面火焰切割變胞機構的應用試驗驗證。通過綜合應用切割變胞機構的理論模型,得出了它對應的數(shù)控火焰變胞切割機的系統(tǒng)環(huán)境。再以大型空間曲面上的偏心孔型為對象,進行了數(shù)控火焰變胞切割機的應用試驗。獲得的結(jié)果表明了切割變胞機構及其切割裝備能夠?qū)崿F(xiàn)孔型任務的連續(xù)切割成形,驗證了其具有較高的空間曲面加工效率。同時在分別完成數(shù)控火焰變胞切割機的幾何標定試驗和熱結(jié)構仿真之后,進行了實時補償加工應用試驗。通過與示教再現(xiàn)方法的對比分析,表明了所建精度補償方法能夠?qū)⒒鹧媲懈罟ぜ募庸べ|(zhì)量改善40%左右,驗證了切割變胞機構和數(shù)控火焰變胞切割機具有較高的空間曲面加工精度和加工質(zhì)量。展示了變胞機構研究成果的實用性,為解決空間復雜曲面加工難題提供了有效的數(shù)字化敏捷切割技術和高性能數(shù)控切割裝備。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U671
【圖文】：

伊薩公司[13]研制了多種形式的數(shù)控火焰切割機，它們的典型單元是火焰切割介質(zhì)無限回轉(zhuǎn)裝置，結(jié)合龍門移動臺能夠切割加工任意孔輪廓，但卻僅適合簡單曲面上，如圖1.3 所示。美國林德公司[11]研制的數(shù)控火焰切割機旨在提高簡便操作性能，與梅塞爾裝備構型相似，也多用于小尺寸板材、簡單曲面的切割加工。

伊薩公司[13]研制了多種形式的數(shù)控火焰切割機，它們的典型單元是火焰切割介質(zhì)無限回轉(zhuǎn)裝置，結(jié)合龍門移動臺能夠切割加工任意孔輪廓，但卻僅適合簡單曲面上，如圖1.3 所示。美國林德公司[11]研制的數(shù)控火焰切割機旨在提高簡便操作性能，與梅塞爾裝備構型相似，也多用于小尺寸板材、簡單曲面的切割加工。

本文編號：2740509