并联变胞切割机构性能分析与尺寸参数优化设计

摘要

各类舰船制造过程中，复杂曲面船体上孔的切割加工一直是一项关键技术，而目前的切割装备都是基于串联机构的，其具有刚度差、累积误差大、动态性能差等固有缺陷。因此，探索研究将并联机构用于复杂曲面孔切割，将对现有的切割装备形成有益的补充，具有重要的研究和应用价值。
　　本文以一种面向复杂曲面切割的并联变胞切割机构为研究对象，围绕着机构性能评价与尺度综合问题，进行了工作空间、运动学模型、常用性能评价指标等方面的研究工作，并在建立的性能评价指标基础上进行尺寸参数优化设计。
　　本文首先针对曲面船体上直口孔和变角度坡口切割任务要求，设计了一种并联变胞切割机构；用 POC集理论分析源、子构态构型的自由度，并研究驱动输入合理性，验证了机构满足不同坡口切割任务对机构自由度的要求。根据机构几何特点建立运动约束方程，得到了两种构型显式表达的位置逆解模型。最后利用 Matlab分别求得了两种构态的工作空间，并根据分析结果确定了初始设计尺寸。
　　针对机构的运动学建模问题，以旋量理论为数学工具，求得了两种构态广义雅可比矩阵和Lie括号表达的显示形式海塞矩阵，进而建立了速度和加速度模型。然后用运动学模型、微分法、ADAMS软件进行逆运动学仿真验证，三种方法得到的驱动关节角速度和角加速度随时间变化曲线完全吻合，从而验证了运动学模型的正确性。
　　为对并联变胞切割机构进行性能分析，首先构造了源构态齐次量纲雅可比矩阵，以及子构态只包含驱动信息的速度雅可比矩阵和海塞矩阵。然后以其代数特征为数学基础，用 Matlab软件计算得到了灵巧度、力与力矩传递性能、加速度和惯性力局域性能指标在工作空间中的分布情况，并绘制了各性能指标的全域性能图谱。
　　为了得到性能优良的尺寸参数，可将并联变胞切割机构尺寸参数设计分为两步。第一步以全构态全域灵巧度、加速度、惯性力性能指标为目标函数，用改进的MOPSO算法对目标函数寻优，得到了兼顾多种目标性能的多组优化解。第二步是针对低速、高精度切割加工特点，将表征运动精度的灵巧度指标作为关注的性能目标，从多组优化解中，选择灵巧度指标最大的一组解作为最终解。与优化前相比，优化后尺寸参数对应的两种构态灵巧度性能指标都得到改善，验证了优化结果的正确性和本文优化方法的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的背景及研究的目的和意义

1.2国内外数控切割装置研究现状

1.3国内外并联机构研究现状

1.4并联机构相关理论研究现状

1.5本课题的主要研究内容

第2章 并联变胞切割机构自由度分析与工作空间研究

2.1 引言

2.2 并联变胞切割机构原理结构设计

2.3基于POC集的并联变胞切割机构自由度分析

2.4并联变胞切割机构源构态工作空间分析

2.5并联变胞切割机构子构态工作空间分析

2.6本章小结

第3章 基于旋量理论的并联变胞切割机构运动学建模

3.1 引言

3.2基于旋量理论的并联机构运动学建模基础

3.3并联变胞切割机构源构态运动学建模

3.4并联变胞切割机构子构态运动学建模

3.5并联变胞切割机构运动学模型仿真验证

3.6本章小结

第4章 并联变胞切割机构常用性能指标分析

4.1 引言

4.2并联机构常用的性能评价指标

4.3并联变胞切割机构雅可比矩阵和海塞矩阵处理

4.4并联变胞切割机构源构态性能指标分析

4.5并联变胞切割机构子构态性能指标分析

4.6本章小结

第5章 并联变胞切割机构尺寸参数优化设计

5.1 引言

5.2 并联机构尺寸参数优化方法

5.3多目标粒子群优化算法

5.4并联变胞切割机构单一构态尺寸参数优化

5.5并联变胞切割机构全构态尺寸参数优化设计

5.6本章小结

结论

参考文献

致谢