第三屆上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文摘要選登

論文名稱：高靈活度五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)銑床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

論文作者：清華大學(xué) / 謝福貴

指導(dǎo)教師：汪勁松《研究領(lǐng)域：先進(jìn)制造裝備及技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)、現(xiàn)代集成制造、特種移動(dòng)機(jī)器人等》

劉辛軍《研究領(lǐng)域：機(jī)構(gòu)學(xué)、先進(jìn)制造裝備、機(jī)器人學(xué)等》

在具有典型復(fù)雜空間自由曲面零部件的加工領(lǐng)域中，五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)銑床因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性而占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。本文以該類銑床為研究對(duì)象，總結(jié)了混聯(lián)銑床并聯(lián)模塊的自由度形式需求，針對(duì)原理構(gòu)型綜合和設(shè)計(jì)、冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能分析與評(píng)價(jià)、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題展開深入理論研究，將構(gòu)型綜合所得新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于五軸混聯(lián)構(gòu)型的設(shè)計(jì)中，進(jìn)而開發(fā)了試驗(yàn)樣機(jī)，并將銑床樣機(jī)應(yīng)用于銑削加工之中。旨在通過理論研究及應(yīng)用試驗(yàn)促進(jìn)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)銑床的發(fā)展。主要內(nèi)容如下：

通過工藝分析，現(xiàn)代復(fù)雜曲面零部件對(duì)加工設(shè)備的需求可概括為：五軸聯(lián)動(dòng)定位銑削和五軸聯(lián)動(dòng)可變軸輪廓銑削。對(duì)刀具轉(zhuǎn)角要求苛刻的工況可重點(diǎn)概括為：一次裝夾五面加工?；贕rassmann線幾何和圖譜法對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型綜合，提出了三種靈活度高且結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五軸混聯(lián)新構(gòu)型，首次提出了2T1R+1T1R型混聯(lián)銑床原理構(gòu)型。

從運(yùn)動(dòng)/力傳遞性能角度出發(fā)，建立了冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能分析和評(píng)價(jià)方法，針對(duì)驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)，分別定義了局部最小化傳遞指標(biāo)和局部最優(yōu)傳遞指標(biāo)，為冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能評(píng)估和尺度綜合以及運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解的確定提供理論依據(jù)。

分別針對(duì)上述原理構(gòu)型并結(jié)合性能指標(biāo)進(jìn)行面向高靈活度的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而開發(fā)了試驗(yàn)樣機(jī)。其中，重點(diǎn)針對(duì)樣機(jī)SPKM165和RASPET150開展剛度測(cè)量試驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)，并將這兩臺(tái)銑床樣機(jī)應(yīng)用于典型自由曲面零件的銑削加工中。這兩臺(tái)樣機(jī)均能夠?qū)崿F(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換，可進(jìn)行一次裝夾五面加工，解決了現(xiàn)有混聯(lián)設(shè)備很少能夠滿足刀具轉(zhuǎn)角大于90°加工工況需求的問題。經(jīng)檢測(cè)，加工的試驗(yàn)樣件表面質(zhì)量良好，表明上述樣機(jī)具有很好的銑削性能以及良好的剛度、精度、靈活度等綜合性能，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

論文名稱：超磁致伸縮材料力傳感執(zhí)行器關(guān)鍵技術(shù)研究

論文作者：大連理工大學(xué) / 劉慧芳

指導(dǎo)教師：賈振元《研究領(lǐng)域：精密加工、復(fù)合材料加工、功能材料傳感器與執(zhí)行器等》

超磁致伸縮材料以其大磁致伸縮系數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)、快速響應(yīng)能力、易于驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)而備受關(guān)注。該材料具有強(qiáng)磁致伸縮正效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng)，在工作過程中表現(xiàn)出雙向能量轉(zhuǎn)換特性。利用磁致伸縮正效應(yīng)可制作驅(qū)動(dòng)裝置，利用磁致伸縮逆效應(yīng)可制作傳感器。當(dāng)該材料工作在機(jī)械約束條件下，磁致伸縮正效應(yīng)和逆效應(yīng)會(huì)發(fā)生耦合。如果研究磁致伸縮正逆效應(yīng)耦合特性，可利用正逆耦合效應(yīng)開發(fā)兼具執(zhí)行和傳感功能的磁致伸縮器件。開發(fā)單體微位移驅(qū)動(dòng)設(shè)備使之兼具執(zhí)行和傳感等多種用途，是微位移驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域理論研究與工程應(yīng)用的趨勢(shì)所在；并且，在精密、超精密加工領(lǐng)域，例如精密機(jī)械拋光加工中的壓力控制，需要一種具有恒定輸出力或輸出力可控的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮正逆效應(yīng)，開發(fā)具有力測(cè)量、輸出力感知、輸出力可控功能的微位移執(zhí)行器具有一定的應(yīng)用前景。但是，目前的研究主要集中在單一磁致伸縮正效應(yīng)特性或逆效應(yīng)特性和以單一效應(yīng)作用為基礎(chǔ)研發(fā)各種執(zhí)行器或傳感器。關(guān)于磁致伸縮正逆效應(yīng)耦合特性及輸出力可控原理的研究偏少，利用正逆耦合效應(yīng)開發(fā)的具有多種功能的磁致伸縮器件未見報(bào)道。

本文針對(duì)關(guān)于磁致伸縮正逆效應(yīng)耦合特性及輸出力可控原理研究不足的問題，立足于集執(zhí)行、力測(cè)量、輸出力感知、輸出力可控等多種功能于一體的新型磁致伸縮器件在精密、超精密加工領(lǐng)域中的應(yīng)用，對(duì)具有多種功能的超磁致伸縮材料力傳感執(zhí)行器的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。分析了磁致伸縮正效應(yīng)、逆效應(yīng)與法拉第效應(yīng)之間的映射傳遞過程的物理學(xué)原理，深入研究了磁致伸縮正效應(yīng)與逆效應(yīng)的耦合特性；建立了輸出位移與力和磁化強(qiáng)度的關(guān)系，提出了兩種硬軟件相結(jié)合進(jìn)行解耦感知輸出力的方法及輸出力可控過程中控制電流的求解方法；分析研究了輸出位移（力）、力測(cè)量、輸出力感知和輸出力可控等功能的實(shí)現(xiàn)原理方法及其集成技術(shù)；設(shè)計(jì)研制了具有執(zhí)行器功能、力傳感器功能、執(zhí)行傳感功能及輸出力可控功能的超磁致伸縮力傳感執(zhí)行器；提出一種利用磁致伸縮正逆耦合效應(yīng)映射關(guān)系求解控制電流與PID結(jié)合的控制方法，開發(fā)了輸出力控制系統(tǒng)。