多功能铣削末端执行器结构设计与优化研究
随着材料科学与航空制造业的快速发展，碳纤维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）与钛合金的应用越来越广，在带来装备性能飞速发展的同时也对制孔技术提出了新的挑战。螺旋铣孔与倾角铣孔作为新型制孔技术，能有效提高制孔质量与刀具寿命。为实现CFRP/钛合金叠层材料高质高效制孔，本文设计了一种集螺旋铣孔与倾角铣孔功能于一体的末端执行器，并开展末端执行器力学性能研究。研究内容主要包括以下几个方面： 首先，对多功能铣削末端执行器的机械结构进行设计，确定了以前后两对偏心套筒为功能实现结构的主轴机构。建立碳纤维螺旋铣削切削力模型并对执行器关节轴承进行受力分析，并结合加工工况对执行器关键运动零部件进行选型计算。 其次，建立了多功能铣削末端执行器中直线滚动导轨结合面与滚动轴承结合面的静力学模型。基于赫兹接触力学与分形理论，建立导轨结合面虚拟材料物理参数的解析解模型。在此基础上对导轨结合面虚拟材料模型与滚动轴承结合面弹簧-阻尼模型进行有限元分析，获得两种结合面的前六阶模态、固有频率以及动态刚度特性。 再次，开展了多功能铣削末端执行器整机有限元仿真研究，将导轨结合面虚拟材料模型、轴承结合面弹簧-阻尼模型与执行器剩余结构进行组装，建立了执行器整机有限元仿真模型；获得了执行器整机的静、动态性能参数，为后续的执行器结构改进提供数据支持。 最后，以提高执行器刚度与减轻执行器重量为目的，开展了执行器机架结构优化研究。基于拓扑优化变密度法，以最大化机架刚度为目标，减重比为约束，综合三种工况对机架进行结构优化，获得了机架的优化总成模型，并开展了机架优化总成模型性能分析，结果显示执行器机架在质量减少34%的条件下整体刚度仍满足要求。
铣削末端执行器;结构设计;动态性能;有限元仿真
哈尔滨理工大学
硕士
机械制造及其自动化
陈涛
2022
中文
TG54;TG502
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）