高速重型混联加工装备机电耦合机理及相似律特性研究

Heavy duty hybrid machine tools are very important in the national economy and national defense. However, the coupling vibration affects the machining accuracy and it is difficult to do experimental study on a heavy duty machine tool. Considering these problems, this project studies the electromechanical coupling characteristics and similitude theory of heavy duty hybrid machine tools. By taking the interaction among the driving system, control system and mechanical system, the electromechanical coupling modeling method is studied. The solution of the electromechanical coupling model is found and electromechanical coupling law is discussed..Based on the electromechanical coupling model, the reason of electromechanical coupling vibration is investigated and the parameters of mechanical system and control system are optimized. The vibration control method of heavy duty hybrid machine tools is proposed to improve the tracking accuracy and suppress vibration. The similitude theory of the heavy duty hybrid machine tool is investigated and the similitude method in multi-energy domain is presented. Based on structural similitude and dynamic similitude, a scale prototype of the 5-axis hybrid machine tool is developed to carry out experiments to validate the above study. Finally, the theory is validated on the full-size prototype. This project can provide guidance to overcome the key problems occurring in the application of heavy duty machine tools and is helpful to improve the level of heavy duty machine tools developed in China.

重型混联加工装备在国民经济和国防建设重大工程中有巨大需求，但是应用中存在耦合振动、实验研究困难等问题，项目针对重型混联加工装备实用化过程中的具体技术瓶颈，开展机电耦合特性及相似特性研究。综合考虑驱动系统、控制系统和机械系统的相互作用，研究重型混联加工装备的机电耦合建模理论；分析耦合模型求解方法，从全局耦合的角度揭示其机电耦合机理；基于机电耦合数学模型，分析耦合振动原因，研究机电参数优化匹配的设计方法，并以提高跟踪精度和抑制振动为目标，提出振动抑制方法；研究重型混联加工装备机电耦合系统相似原理及相似条件，提出多能域相似性分析方法。开发五轴重型混联加工装备的缩尺模型样机，完成以上各项试验研究，最后在重型混联加工装备原型上进行实验，进一步验证以上理论和方法。通过本项目的研究力争为解决重型混联加工装备应用中的关键技术问题提供科学依据和技术基础，提升我国重型加工装备自主研发能力和整体水平。

重型混联加工装备在国民经济和国防建设重大工程中有巨大需求，但是应用中存在耦合振动、实验研究困难等问题，项目针对重型混联加工装备实用化过程中的具体技术瓶颈，开展机电耦合特性及相似特性研究。考虑重型混联加工装备连杆的横向振动与铰链弹性，建立重型加工装备的刚柔耦合动力学模型，并对不同位姿下的动态响应特性展开分析；综合考虑驱动系统、控制系统和机械系统的相互作用，利用键合图方法研究重型混联加工装备的机电耦合建模理论；分析耦合模型求解方法，从全局耦合的角度揭示其机电耦合机理。. 基于机电耦合数学模型，研究了不同控制算法与不同机电参数下机电系统的动态响应，进而分析在机电耦合作用下重型加工装备的自由振动、受迫振动、自激振动三种振动形式的成因，完成机电参数匹配与优化；以提高跟踪精度和抑制振动为目标，基于输入整形法对自由振动和运动轨迹输入引起的强迫振动进行抑振控制方法研究，提出了适用于机电耦合振动抑制的控制方法。. 建立了铰链关节的离散化刚度模型，并基于结构动力学与量纲分析法，研究重型混联加工装备全系统动力学相似原理及相似条件；采用按空间集积效应放宽相似准则的方法对铰链结构进行等效设计，以此解决相似准则冲突的问题；开发五轴重型混联加工装备的缩尺模型，完成相关实验研究。本项目为解决重型混联加工装备应用中的关键技术问题提供了科学依据和技术基础，有助于提升我国重型加工装备自主研发能力和整体水平。