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《哈尔滨工业大学》 2010年
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超大构件分区自适应定位加工及其可移动机床的研制

武加锋  
【摘要】:重大科技装备中,高品质超大构件的应用越来越多,对质量和性能的要求也越来越高,但通常这类装备中的超大构件尺寸大、重量大、生产批量小、更新快、难以移动,其加工制造是很大的难题。目前,针对超大构件加工的研究开展的较少,缺少对加工方法及加工误差理论方面的系统分析。因此,开展超大构件加工方法、加工误差等关键技术的研究,对于提高超大构件加工精度、加工效率、降低制造成本具有很重要的现实意义。 本文根据重大科技工程中超大构件的特点,提出了可移动小机床分区自适应加工超大构件的方法,给出了该方法的方案原理、系统结构,并根据该方法给出了可移动机床的可重构设计方案,机床采用轮式移动结构,可以沿工件加工面移动,将超大构件分为若干个小区域进行加工时,利用大空间测量技术实现机床精确定位,采用并联加工头实现自适应加工。该机床具有可移动性、可重构性与加工灵活性,可以提高超大构件加工柔性和加工效率,同时也能降低加工成本。 要实现超大构件的精确加工,首先要解决的问题是工件和机床间相对位置的精确定位。文中结合刚体运动矩阵及李代数等原理方法,系统地研究了超大构件自适应定位的相关理论。通过对超大构件加工过程中涉及的多坐标系间关系的分析,建立了超大构件自适应定位一般模型。为了保证自适应定位矩阵的唯一性,提出了基于工件完全约束的测量定位方法,建立了求解自适应定位矩阵的非线性优化目标函数,给出了基于欧氏群切向量法的超大构件自适应定位优化模型的求解方法,仿真分析了算法的精度、收敛速度与收敛条件,并通过仿真实例验证了自适应定位方法的正确性与可靠性。 文中根据超大构件分区自适应加工原理,给出了超大构件加工区域分割方法与分割规则,根据被加工几何特征的分类,提出了加工特征分割原则,建立了分割树状模型;并给出了超大构件规则几何特征的区域分割方法与基于机床工作空间的区域分割优化法。阐述了面向区域分割加工的刀具路径规划方法,并以最短加工路径为优化目标提出了基于遗传算法的刀具路径加工次序的优化方法,并仿真验证了其正确性,最后根据分割后的理论刀具路径及自适应定位模型,阐述了实际加工路径及数控程序的生成方法。 为了保证超大构件加工的可靠性,文中给出分区自适应定位加工的精度评价与控制方法,从理论上分析了超大构件加工误差因素的影响,并结合螺旋理论建立了超大构件自适应定位加工中总体位姿误差模型、平面度误差预测模型、空间直线度误差预测模型和平面内圆度误差预测模型,分别从自适应定位误差、机床几何误差、机床刚度三个角度详细分析了误差的影响。给出了基于统计分析的工件定位误差预测方法,并仿真验证了工件定位误差预测模型的正确性;分析了可移动小机床几何误差的影响,建立了机床误差模型,并结合多元线性插值与卡尔曼滤波离线标定法,预测不可校准误差,并给出补偿方法。最后结合蒙特卡罗法将上述几种误差整合,给出超大构件加工误差的预测方法,并完成了其仿真验证。 在以上理论分析的基础上,研制出一种加工超大法兰的可移动小机床,并进行了超大构件的加工实验。实验结果表明采用可移动小机床实现分区自适应定位加工超大构件的方法是可行的,同时也验证了超大构件分区自适应定位加工误差预测方法的正确性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG659

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