基于表面织构效应的并联机构典型结合面及整机动态特性与实验研究

Most joints of parallel mechanism are spherical hinge, Hooke joint and moving pair with low stiffness and small damping of contact surface, which results in the local low stiffness and poor dynamic property of parallel mechanism. In view of the surface texture has a significant effect on dynamic characteristic of contact surface, the effects of surface texture on dynamic characteristics of typical joint surface and parallel mechanism are researched and conducted by using theoretical modeling and experimental analysis in this project. The project focuses on the typical interface forms of joint contacts of parallel mechanism, including rigid plane contact interface, the ball-plane interface and sliding contact interface. The effect way and mechanism of surface texturing form and geometrical parameters on dynamic characteristic of typical joint surface for revealing their vibration characteristics are researched by dynamics model with texture characteristic parameters in each interface contact; then the dynamic equations of parallel mechanism with parameters of vibration characteristics of typical joint surfaces are established to analyze the influence of contact vibration characteristics of typical joint surface with texture on whole parallel mechanism, and experiment are conducted to validate the effectiveness of key mathematic models and the accuracy of calculation. Experimental methods of dynamic characteristics of joint surface with texture are studied for analyzing the influence rules of texture form based on theory study. The effects of geometric parameters on contact stiffness and damping of joint surface and dynamic characteristics of parallel mechanism are analyzed by using surface texture technology to explore a new method for improving the dynamic characteristics of parallel mechanism.

并联机构的关节多数为球铰、虎克铰和移动副，其结合面的接触刚度低、阻尼小，导致并联机构局部刚度低，整机动态特性差。鉴于表面织构对结合面的接触刚度和阻尼有明显影响，本项目拟采用理论研究和实验分析方法，研究表面织构对并联机构典型关节结合面及整机动态特性的影响。重点围绕并联机构典型关节结合面的基础形式，包括刚性平面接触界面、球-平面接触界面和滑动接触界面，通过建立各界面含织构特征参数的动力学模型，研究织构的特征参数对结合面动态特性的影响方式及机理，揭示其振动特性；进而建立含结合面动态特性参数的并联机构整机动力学方程，研究织构结合面对整机动态特性的影响，并通过实验验证关键模型和计算结果的有效性和准确性。在此基础上研究基于表面织构效应的结合面动态特性的实验方法，分析织构的形式、几何参数等对关节结合面的接触刚度、接触阻尼及整机动态特性的影响规律，探寻一种可以通过表面织构技术改善并联机构动态特性的新方法。

并联机构由于关节多，关节结合面的动态特性差，导致的动态特性变差，严重影响和制约其加工使用性能。鉴于目前已有研究表明在机械零件摩擦副表面进行合适的规则织构造型，可显著改善摩擦副表面的摩擦学性能，从而影响其结合面的动态特性。为了改善机构结合面的动态特性，本项目主要的研究内容和所得结果如下：.1）建立了具有微织构形貌的结合面表面特征方程.建立具有织构形貌的表面特征方程；得出方程中不同数量的独立参数，对织构在表面的分布以及织构的形状特征的影响规律。.2）建立了具有微织构形貌特征的结合面刚度及阻尼理论模型.通过建立具有微织构形貌的粗糙结合面间的法向静、动态接触刚度以及法向接触阻尼的理论计算模型，得出织构参数对于结合面间的法向静、动态接触刚度与法向接触阻尼的影响规律。.3）分析与研究受载机械结合面接触特性.建立了考虑表面微凸体相互作用影响的分形接触模型，得出结合面法向载荷和微凸体接触面积的变化关系。并建立了综合考虑域扩展因子与微凸体相互作用影响的接触模型，对理论预测结果与实验测试辨识结果进行了对比分析。.4）研究了含油机械结合面接触特性.从固体接触部分和液体接触部分的角度对含油机械结合部的动态特性进行了理论与实验分析。得出了含油结合部的接触刚度、接触阻尼表达式。基于仿真计算讨论了含油结合部动态特性的影响因素。.5）设计并研制具有表面微织构的结合面动态特性试验装置及测量方法.研制出表面织构对结合面动态特性影响效应的试验装置，利用试验装置测试并分析研究表面织构形式、织构的几何参数等对典型接触界面的接触刚度和接触阻尼这两个动力学参数的影响规律。.项目通过理论研究与实验分析相结合的方法，研究表面织构技术对机械结合面的动态特性的影响，分析织构的几何参数对结合面接触刚度和阻尼的影响方式和机理，从而探索通过表面织构技术来控制结合面接触刚度和阻尼的可行性。