基于混联机构的大型舰船用螺旋桨双刀双面对称加工方法研究

The large-scale marine propeller's size is large, and the processing equipments have such disadvantages as one-surface machining, propeller blade vibration, poor stiffness, repeated clamping and long processing time. The method of double-cutter & double-surface symmetrical machining is proposed for large-scale marine propeller based on the parallel-serial mechanism for the first time. The mechanism kinematics modeling is built firstly. Considering the influence of mechanism structural parameters on the cutter sensitivity, stiffness performance and cutter workspace, the optimum structural parameters are given for the expected performance parameters. Based on the kinematics modeling , The double-surface post processing algorithm is analyzed which includes the normalization of cutter location data file coordinate system, auto pursuit movement of two cutters and the offline generation of NC files. The mapping model is built between the structural parameter errors and the cutter pose errors, and the approach adopting classifiable verification with weight value is introduced to implement the structural parameter error compensation.The method of the double-cutter & double-surface symmetrical machining can clamp the propeller one time, eliminate the cantilever beam effect, weak the flutter,raise the machining efficiency and accuracy.The research will raise the propeller efficiency, reduce power comsumption and improve the submarine safety and stealth.

针对目前大型舰船用螺旋桨尺寸大，加工装备存在单面加工、桨叶易振颤、刚性差、二次装夹、加工工期长的缺点，本项目提出一种基于混联机构的大型螺旋桨双刀双面对称加工方法，并对相关理论和技术进行研究。为此，首先建立大型螺旋桨双刀双面对称加工装备的运动学模型，利用数值法分析装备的结构参数对刀具位姿灵敏度、机构刚度等性能参数的影响，实现结构参数与预期性能参数之间的合理匹配；在此基础上，研究双面后置处理算法，实现刀位文件坐标系的统一、双刀加工点自动跟随、数控加工文件离线生成；最后利用加权分类隔离的标定方法，建立刀具位姿误差向量与结构误差向量之间的映射模型，实现结构参数的误差补偿。利用本项目研究的加工方法，可实现螺旋桨一次装夹，双刀对称加工压力面和吸力面，有利于消除悬臂梁效应，减弱振颤，提高加工效率和加工精度。这对于对提高螺旋桨推进效率，降低舰船动力消耗，保证潜艇的隐蔽性和安全性具有重要的现实意义。

目前大型舰船用螺旋桨尺寸较大，最大直径可达10余米，而现阶段国内的加工装备均为单面加工、桨叶易振颤、刚性差、二次装夹、加工工期长，本项目提出一种基于混联机构的大型螺旋桨双刀双面对称加工方法，并对相关理论和技术进行研究及验证。为此，首先分析双刀双面对称加工技术的核心装备-6轴卧式混联机床的工作原理，并构建其运动学模型，完成了混联机床运动学正逆解分析，进行加工装备结构参数的优化，搭建了螺旋桨加工原型机。在此基础上，研究双面后置处理算法，提出一种基于截面法和等投影步长法的双刀位轨迹规划方法。针对双刀双面跟随加工的特点，对B样条曲线曲面的重构进行深入讨论，同时应用截面法获取工件加工表面的刀触点轨迹，并按照等投影步长的方法离散刀位文件。通过采用设置防撞平面的方法规避主、从刀具的碰撞，采用预留避让距离的方法实现对干涉区域的跟随加工，开发了加工装备的数控系统。考虑装置的串、并联机构运动耦合情况，提出一种将两机构分离标定的方法。针对串联机构执行末端误差无法直接测量的问题，建立执行末端位置与刀头点位置映射关系，在此基础上构建串联机构的误差模型与参数辨识模型，进而构建包含结构参数误差的运动控制模型，实现串联机构的误差补偿；针对并联机构结构特点，研究了利用带有千分表的标准检具标定驱动杆回零长度的方法，通过二次标定的方法标定了铰点的位置误差，建立铰点位置误差模型并采用 Levenberg-Marquardt 算法对此误差进行辨识，构建包含结构参数误差的运动控制模型实现驱动杆回零长度误差与铰点位置误差的共同补偿。最后通过ADAMS 参数化建模与仿真，验证了该标定方法的正确性与有效性。利用本项目研究的加工方法和加工装备，可实现螺旋桨等大型曲面零件的一次装夹，双刀对称加工压力面和吸力面，有利于消除悬臂梁效应，减弱振颤，提高加工效率和加工精度。这对于对提高螺旋桨推进效率，降低舰船动力消耗，保证潜艇的隐蔽性和安全性具有重要的现实意义。