基于正交结构控制的多框体结构件加工最优夹具布局理论方法

由于多框体结构件的弱刚性，夹具元件的布局不仅影响工件的装夹变形，而且影响工件在加工过程中的动力学响应。然而，目前，多框体结构件的夹具布局主要是以静态的装夹变形最小化作为夹具布局优化准则，优化夹具的布局，致使夹具布局效能没有得到充分地发挥。为此，本申请拟以多框体结构件的夹具布局为研究对象，以提高多框体结构件的可加工性为目标，以Mindlin板和弹簧结构模型替代多框体结构件模型，利用板壳力学建立以侧板和相邻框体尺寸作为变量的弹簧的数学物理方程，建立"工件-夹具-刀具"系统的加工多体动力学模型。在此基础上，构建多输入-多输出动力学系统，以零极相消理论选取铣削工艺参数、计算铣削力，将切削力作为扰动输入，将夹具元件布局的作用点视为控制输入，引入"正交特征结构振动控制"优化夹具元件位置和数目，实现最优夹具布局。

依据本项“基于正交结构控制的多框体结构件加工最优夹具布局理论方法”项目任务书的要求，针对多框体结构件在加工中装夹变形和振动问题，开展三年的研究工作，提出了采用伪单元框体替代多框体结构件，采用平移和扭转弹簧替代框体耦合部位，根据加工振动的主导方向，略去弱振动响应方向，将框体结构展开为多跨度支撑板，从而建立基于切削力激励的加工动力学模型，经过艰辛的努力，取得了如下研究成果：根据控制理论中的零极点理论，建立薄壁件刚柔耦合加工动力学模型，优选零点和极点布置位置，从而优化夹紧点和支撑点的位置，使薄壁件加工过程中刀具的激励产生的动力学响应最小化；建立了基于频率敏度信息的薄壁框体结构件加工夹具布局优化的振动控制方法研究；建立了基于伪板簧结构离散化的夹具约束下的多框体结构件的加工动力学响应预报的预报方法研究；建立了框体结构件铣削表面形貌预测方法；同时开发了一套将框体结构件铣削稳定性和铣削表面形貌同时预测的软件。以上研究成果已发表在国际主流制造期刊上，依托本申请项目，发表学术论文6，其中在国际顶级制造类期刊（Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME和International Journal of Machine Tools and Manufacture）上发表4篇SCI论文，1篇一般类SCI，国际会议1篇，申请专利1项。