自由曲面四坐标精密研抛的适应性柔顺控制研究

论文摘要

目前以数控加工为代表的柔性加工手段日趋完善,已经基本实现了自由曲面的自动化形状加工。由于诸多加工技术本身的局限性,其研磨、抛光等光整加工工序,仍主要依赖手工操作完成,这一过程费时费力,效率低下,并且难以获得高质量工件表面。因此,研究开发新的自由曲面自动化研抛设备与方法,代替传统的手工作业,具有显著的意义。本文通过研究自由曲面四坐标柔顺精密研抛的成型过程与机理,建立了一套新型的、以数控铣床为载体的自由曲面四坐标柔顺研抛工具系统。该工具系统可以在不干涉数控铣床正常工作的前提下,将研抛压力与工具位姿进行空间解耦,分解成研抛压力和工具位姿两个子空间进行分别控制,实现了对研抛过程中的力/位同步混合控制。同时,腕关节机构的设计,使得工具系统可以适应自由曲面曲率的变化。文章中详细分析了工具系统的工作原理,建立了工具系统的ADAMS虚拟样机,在三种不同的曲面工件模型(正弦曲面、椭球面以及普通自由曲面)上,对工具系统的曲面自适应性进行了仿真分析研究。根据工件表面的形状对加工过程中刀具轨迹进行了求解,对加工轨迹进行了具体规划,同时利用Mastercam软件生成加工过程的数控代码。通过工具系统与机床集成搭建了曲面研抛的数控实验系统平台,利用LabVIEW软件编制了数据采集和研抛压力控制程序。对不同轮廓形状的自由曲面工件(平面与凸面)进行数控研抛实验,验证了工具系统对自由曲面工件具有良好的自适应性,加工过程中研抛压力具有较好的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 研抛加工技术现状
• 1.2.2 自由曲面研抛设备研究与发展现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 柔顺研抛工具系统的设计
• 2.1 环形工具空间位姿变化研究
• 2.2 工具系统工作原理
• 2.2.1 磁流变液力矩伺服子原理
• 2.2.2 工具系统工作原理
• 2.3 腕关节机构空间运动问题分析
• 2.4 工具系统的三维建模
• 2.4.1 力矩伺服子系统建模
• 2.4.2 研抛执行子系统的建模
• 2.4.3 工具系统总装配
• 2.5 本章小结
• 3 工具系统运动学仿真分析
• 3.1 虚拟样机的建立
• 3.2 工具系统自适应性问题研究
• 3.2.1 正弦曲面工件的运动学仿真
• 3.2.2 椭球面工件的运动学仿真
• 3.2.3 自由曲面工件的运动学仿真
• 3.3 本章小结
• 4 轨迹规划与实验系统建立
• 4.1 轨迹规划
• 4.1.1 运动轨迹求解
• 4.1.2 自由曲面研抛轨迹规划
• 4.1.3 数控代码的生成
• 4.2 数控研抛实验系统构成
• 4.2.1 驱动电机与传感器
• 4.2.2 实验系统的硬件构成
• 4.3 实验系统控制软件编制
• 4.4 模糊控制器的设计
• 4.5 本章小结
• 5 工具系统适应性实验研究
• 5.1 MRF 力矩伺服装置性能测试
• 5.1.1 MRF 力矩伺服装置性能测试
• 5.1.2 MRF 力矩伺服装置稳定性测试
• 5.2 工具系统适应性实验与分析
• 5.2.1 平面工件适应性实验
• 5.2.2 凸面工件适应性实验
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢