大型板壳类薄壁件加工用柔性夹具动态自重构关键理论与技术研究

In view of the current status, flexibility of flexible fixture of large plate and shell type of thin-walled parts is insufficient, on the basis of this application in the leg type mobile robot to replace traditional fixture element, a fixture layout can change with following a moving cutting load and a the dynamic reconfiguration of fixture design theory and method is presented. The main content of the research include: on basis of the nature plant root morphology forming mechanism and the shape of mechanical mechanism, introducing plant roots adaptive growth mechanism into the fixture design, A fixture configuration design reproducing biological mechanics mechanism of branch network is presented, and develop new optimization principle of fixture layout for machining thin-walled parts . On this basis, screw theory and the theory of Lie Groups are utilized to synthetically and derived design method of parallel mechanism, therefore, to realize creative design of mobile support of linkage mechanism, By introducing fuzzy control theory and combining the characteristics of orthogonal structure control into control unit design method, a strong robust control unit based on dynamic equation is built. Based on the above research, aimed at improving the flexible fixture dynamic self-reconfiguration capability and automation capabilities, thus suppressing machining vibration and deformation of thin-walled parts, improve the dynamic machinability of plate and shell type of thin-walled parts.

针对当前大型板壳类薄壁件工装夹具的柔性不足，本申请在以腿式移动机器人替代传统夹具元件的基础上，提出一种夹具布局随切削载荷移动而动态改变的自重构夹具设计的理论与方法。研究的主要内容包括：通过对自然界叶脉系分支网形态构筑机理研究，将植物叶脉分支自适应成长机制融入到夹具布设计中，提出夹具构型设计复现生物分支网及其形态力学机理的薄壁件加工用夹具布局优化新原理。在此基础上，提出基于螺旋理论与李群理论的并联机构构型综合及衍生设计方法，据此，实现移动支撑联动机构的创新设计。进而引入模糊控制理论与正交特征结构控制相结合的控制单元设计方法，构建基于动力学方程的强鲁棒控制单元。通过对以上内容开展研究，旨在提高柔性夹具动态自重构能力和自动化能力，从而抑制薄壁件在加工过程中的变形和振动，提高板壳类薄壁件的动态可加工性。

针对当前大型板壳类薄壁件加工制造中工装夹具的柔性不足，开展了如下研究工作:在夹具机构设计方面，将夹紧元件安装在并联机构上，该并联机构类似于stwart平台，具有两种运动模式，在行走的时候是腿式移动机器人，固定位置是并联机构，具有高刚性可行走的特点，用来替代传统固定支撑夹具，可随着工作场地的改变而移动，实现支撑夹具动态重构能力，具体如下，运用螺旋理论及Kutzbach-Grubler公式分析了机构自由度；建立了机构逆运动学映射模型，在以运动灵巧、可操作性指标及表征运动一致性的全局条件数指标作为目标函数，采用极径搜索法求解了机构灵巧性工作空间，结合粒子群算法优化算法，获取最优机构参数。为了进一步提升机构的动态性能，在采用能量法建立并联机构多体动力学模型的基础上，构建动态灵巧性指标，并与运动学灵巧指标、可操作性性指标和工作空间体积最大化，构造多目标优化，采用改进的遗传算法对机构进行了优化，获取更为全面合理的机构几何参数。继而为了提高机构的动态特性，即抗振动能力，提升机构的一阶固有频率和二阶固有频率，采用多体动力建立机构动力学模型的基础上，以固有频率为目标主要函数，结合上述运动性能指标，构建了综合性能指标，采用改进的遗传算法，进一步优化并联机构的几何参数。进而，为了实现并联机构与伺服电机之间优化配置及驱动解耦，建立驱动空间到操作空间的映射模型，在建立支腿之间的惯性解耦指标和惯性匹配指标，并作为目标函数，进行了机构的深层次优化和电机选型匹配。在夹具布局方面，采用夹具布局矩阵条件数推导并定义了误差椭球、误差放大系数、相对误差系数和稳定指标，并作为目标函数，优化夹具布局。在控制方面，采用PID与模糊组合控制策略。软硬集成，搭建了夹具单元平台。旨在实现移动支撑夹具机构能够提升大型板壳的支撑刚度。