智能刀架柔性结构优化及系统研究

摘要

本文针对航空零件加工，设计出了一套快速刀具伺服(FTS)系统。柔性机构由于具有高精度，无摩擦和无回退空程等优点，因此常被用作FTS的导向机构。压电驱动器因为其高带宽高精度的特点，常常被用作FTS系统的驱动器。本文首先基于弹性理论建立了快速伺服刀架轴向刚度、垂直刚度、竖直刚度和自然频率的解析模型，提出一种基于遗传算法的柔性铰链多目标优化设计求解方法，得到优化的设计参数并建立三维模型进行有限元仿真，将解析结果与有限元分析结果进行了比较。结果表明，经过优化后的伺服刀架满足轴向刚度、垂直、竖直刚度和自然频率等的设计目标。同时，为了探究所设计FTS系统的动静态性能，设计了一系列实验：包括测量铰链实际轴向刚度、一阶自然频率，探究FTS系统位移输入输出模型，同时还建立在有外载荷的情况下的输入控制电压和输出位移之间关系的数学模型。最后针对所设计柔性刀架，运用前馈控制器和反馈控制器结合的方法作为所设计刀架的控制策略，进行了控制仿真实验和在车床上切削加工试验。

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第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究背景及其意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容和章节安排

第二章 快速刀具伺服系统整体方案设计

2.1基于柔性铰链的快刀伺服系统

2.2 FTS系统压电驱动器选取

2.3 FTS系统控制器设计

2.4 FTS系统整体结构

2.5本章小结

第三章 基于遗传算法的柔性机构优化设计

3.1柔性机构力学模型分析

3.2基于遗传算法的柔性铰链参数设计

3.3柔性铰链有限元分析

3.4本章小结

第四章 快速刀具伺服系统实验设计和性能测试

4.1压电陶瓷驱动器性能测试

4.2柔性铰链性能测试

4.3空载状态下FTS系统输入和输出位移之间关系实验探究

4.4带载状态下 FTS 系统输出位移、力和输入电压之间的关系实验探究

4.5基于BP神经网络的FTS系统输出位移、力和输入电压的关系模型

4.6本章小结

第五章 快速刀具伺服控制系统及加工实验研究

5.1引言

5.2基于零相位误差跟踪控制器的动态逆模型

5.3位置反馈控制器

5.4控制器试验结果与分析

5.5 FTS车削实验

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1主要工作与创新点

6.2后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文