第三屆上銀優秀機械博士論文摘要選登

第三屆上銀優秀機械博士論文摘要選登

論文名稱：高靈活度五軸聯動混聯銑床的機構設計方法及應用

論文作者：清華大學 / 謝福貴

指導教師：汪勁松《研究領域：先進制造裝備及技術、數控系統、現代集成制造、特種移動機器人等》

劉辛軍《研究領域：機構學、先進制造裝備、機器人學等》

在具有典型復雜空間自由曲面零部件的加工領域中，五軸聯動混聯銑床因其獨特的結構形式和運動學特性而占據一定優勢。本文以該類銑床為研究對象，總結了混聯銑床并聯模塊的自由度形式需求，針對原理構型綜合和設計、冗余并聯機構的性能分析與評價、參數優化設計等問題展開深入理論研究，將構型綜合所得新型并聯機構應用于五軸混聯構型的設計中，進而開發了試驗樣機，并將銑床樣機應用于銑削加工之中。旨在通過理論研究及應用試驗促進少自由度并聯機構的應用和五軸聯動混聯銑床的發展。主要內容如下：

通過工藝分析，現代復雜曲面零部件對加工設備的需求可概括為：五軸聯動定位銑削和五軸聯動可變軸輪廓銑削。對刀具轉角要求苛刻的工況可重點概括為：一次裝夾五面加工。基于Grassmann線幾何和圖譜法對并聯機構進行構型綜合，提出了三種靈活度高且結構獨特的五軸混聯新構型，首次提出了2T1R+1T1R型混聯銑床原理構型。

從運動/力傳遞性能角度出發，建立了冗余并聯機構的性能分析和評價方法，針對驅動冗余并聯機構和運動學冗余并聯機構，分別定義了局部最小化傳遞指標和局部最優傳遞指標，為冗余并聯機構的性能評估和尺度綜合以及運動學冗余并聯機構逆解的確定提供理論依據。

分別針對上述原理構型并結合性能指標進行面向高靈活度的參數優化設計，進而開發了試驗樣機。其中，重點針對樣機SPKM165和RASPET150開展剛度測量試驗和運動學標定試驗，并將這兩臺銑床樣機應用于典型自由曲面零件的銑削加工中。這兩臺樣機均能夠實現立臥轉換，可進行一次裝夾五面加工，解決了現有混聯設備很少能夠滿足刀具轉角大于90°加工工況需求的問題。經檢測，加工的試驗樣件表面質量良好，表明上述樣機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，可進一步推廣應用。

論文名稱：超磁致伸縮材料力傳感執行器關鍵技術研究

論文作者：大連理工大學 / 劉慧芳

指導教師：賈振元《研究領域：精密加工、復合材料加工、功能材料傳感器與執行器等》

超磁致伸縮材料以其大磁致伸縮系數、高機電耦合系數、快速響應能力、易于驅動等特點而備受關注。該材料具有強磁致伸縮正效應和磁致伸縮逆效應，在工作過程中表現出雙向能量轉換特性。利用磁致伸縮正效應可制作驅動裝置，利用磁致伸縮逆效應可制作傳感器。當該材料工作在機械約束條件下，磁致伸縮正效應和逆效應會發生耦合。如果研究磁致伸縮正逆效應耦合特性，可利用正逆耦合效應開發兼具執行和傳感功能的磁致伸縮器件。開發單體微位移驅動設備使之兼具執行和傳感等多種用途，是微位移驅動領域理論研究與工程應用的趨勢所在；并且，在精密、超精密加工領域，例如精密機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動機構。因此，利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮正逆效應，開發具有力測量、輸出力感知、輸出力可控功能的微位移執行器具有一定的應用前景。但是，目前的研究主要集中在單一磁致伸縮正效應特性或逆效應特性和以單一效應作用為基礎研發各種執行器或傳感器。關于磁致伸縮正逆效應耦合特性及輸出力可控原理的研究偏少，利用正逆耦合效應開發的具有多種功能的磁致伸縮器件未見報道。

本文針對關于磁致伸縮正逆效應耦合特性及輸出力可控原理研究不足的問題，立足于集執行、力測量、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、超精密加工領域中的應用，對具有多種功能的超磁致伸縮材料力傳感執行器的關鍵技術展開了研究。分析了磁致伸縮正效應、逆效應與法拉第效應之間的映射傳遞過程的物理學原理，深入研究了磁致伸縮正效應與逆效應的耦合特性；建立了輸出位移與力和磁化強度的關系，提出了兩種硬軟件相結合進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）、力測量、輸出力感知和輸出力可控等功能的實現原理方法及其集成技術；設計研制了具有執行器功能、力傳感器功能、執行傳感功能及輸出力可控功能的超磁致伸縮力傳感執行器；提出一種利用磁致伸縮正逆耦合效應映射關系求解控制電流與PID結合的控制方法，開發了輸出力控制系統。