第三届上银优秀机械博士论文摘要选登

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论文名称：高灵活度五轴联动混联铣床的机构设计方法及应用

论文作者：清华大学 / 谢福贵

指导教师：汪劲松《研究领域：先进制造装备及技术、数控系统、现代集成制造、特种移动机器人等》

刘辛军《研究领域：机构学、先进制造装备、机器人学等》

在具有典型复杂空间自由曲面零部件的加工领域中，五轴联动混联铣床因其独特的结构形式和运动学特性而占据一定优势。本文以该类铣床为研究对象，总结了混联铣床并联模块的自由度形式需求，针对原理构型综合和设计、冗余并联机构的性能分析与评价、参数优化设计等问题展开深入理论研究，将构型综合所得新型并联机构应用于五轴混联构型的设计中，进而开发了试验样机，并将铣床样机应用于铣削加工之中。旨在通过理论研究及应用试验促进少自由度并联机构的应用和五轴联动混联铣床的发展。主要内容如下：

通过工艺分析，现代复杂曲面零部件对加工设备的需求可概括为：五轴联动定位铣削和五轴联动可变轴轮廓铣削。对刀具转角要求苛刻的工况可重点概括为：一次装夹五面加工。基于Grassmann线几何和图谱法对并联机构进行构型综合，提出了三种灵活度高且结构独特的五轴混联新构型，首次提出了2T1R+1T1R型混联铣床原理构型。

从运动/力传递性能角度出发，建立了冗余并联机构的性能分析和评价方法，针对驱动冗余并联机构和运动学冗余并联机构，分别定义了局部最小化传递指标和局部最优传递指标，为冗余并联机构的性能评估和尺度综合以及运动学冗余并联机构逆解的确定提供理论依据。

分别针对上述原理构型并结合性能指标进行面向高灵活度的参数优化设计，进而开发了试验样机。其中，重点针对样机SPKM165和RASPET150开展刚度测量试验和运动学标定试验，并将这两台铣床样机应用于典型自由曲面零件的铣削加工中。这两台样机均能够实现立卧转换，可进行一次装夹五面加工，解决了现有混联设备很少能够满足刀具转角大于90°加工工况需求的问题。经检测，加工的试验样件表面质量良好，表明上述样机具有很好的铣削性能以及良好的刚度、精度、灵活度等综合性能，可进一步推广应用。

论文名称：超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究

论文作者：大连理工大学 / 刘慧芳

指导教师：贾振元《研究领域：精密加工、复合材料加工、功能材料传感器与执行器等》

超磁致伸缩材料以其大磁致伸缩系数、高机电耦合系数、快速响应能力、易于驱动等特点而备受关注。该材料具有强磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应，在工作过程中表现出双向能量转换特性。利用磁致伸缩正效应可制作驱动装置，利用磁致伸缩逆效应可制作传感器。当该材料工作在机械约束条件下，磁致伸缩正效应和逆效应会发生耦合。如果研究磁致伸缩正逆效应耦合特性，可利用正逆耦合效应开发兼具执行和传感功能的磁致伸缩器件。开发单体微位移驱动设备使之兼具执行和传感等多种用途，是微位移驱动领域理论研究与工程应用的趋势所在；并且，在精密、超精密加工领域，例如精密机械抛光加工中的压力控制，需要一种具有恒定输出力或输出力可控的驱动机构。因此，利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆效应，开发具有力测量、输出力感知、输出力可控功能的微位移执行器具有一定的应用前景。但是，目前的研究主要集中在单一磁致伸缩正效应特性或逆效应特性和以单一效应作用为基础研发各种执行器或传感器。关于磁致伸缩正逆效应耦合特性及输出力可控原理的研究偏少，利用正逆耦合效应开发的具有多种功能的磁致伸缩器件未见报道。

本文针对关于磁致伸缩正逆效应耦合特性及输出力可控原理研究不足的问题，立足于集执行、力测量、输出力感知、输出力可控等多种功能于一体的新型磁致伸缩器件在精密、超精密加工领域中的应用，对具有多种功能的超磁致伸缩材料力传感执行器的关键技术展开了研究。分析了磁致伸缩正效应、逆效应与法拉第效应之间的映射传递过程的物理学原理，深入研究了磁致伸缩正效应与逆效应的耦合特性；建立了输出位移与力和磁化强度的关系，提出了两种硬软件相结合进行解耦感知输出力的方法及输出力可控过程中控制电流的求解方法；分析研究了输出位移（力）、力测量、输出力感知和输出力可控等功能的实现原理方法及其集成技术；设计研制了具有执行器功能、力传感器功能、执行传感功能及输出力可控功能的超磁致伸缩力传感执行器；提出一种利用磁致伸缩正逆耦合效应映射关系求解控制电流与PID结合的控制方法，开发了输出力控制系统。