舰船大型空间复杂曲面切割变胞机构及其特性研究

现代国防建设(航母、核潜艇及各类大型舰船)需要高新的造船技术和装备，但在这方面我国与国外的差距较大，尤其是在大型空间复杂曲面切割这一舰船制造的关键技术方面，它制约并影响了我国造船技术水平的提高和发展。因此，如何解决大型空间复杂曲面大开口、变姿态、变轨迹的切割技术问题，对于提高我国舰船制造业的技术水平，提高我国海军作战能力，增强国防实力具有重要学术意义和应用价值。.本项目基于变胞机构基因建模理论，研究舰船大型空间复杂曲面切割变胞机构构型原理与方法；基于旋量理论，建立舰船大型空间复杂曲面切割变胞机构的全构态动力学方程，研究构态切换时的动态特性；基于串并联机构和虚拟运动副原理，研究切割变胞机构的精度理论；研究自适应误差补偿算法，使切割变胞机构具有自适应能力，满足舰船大型空间复杂曲面切割的精度要求。

随着我国海洋开发和海军建设步伐的加快，将越来越需要各类大型舰船。然而我国在造船技术和装备制造方面与国外有很大的差距，尤其在大型空间复杂曲面切割这一舰船制造的关键技术方面，它制约并影响了我国造船技术水平的提高和发展。因此，如何解决大型空间复杂曲面大开口、变姿态、变轨迹的切割问题，对于提高我国舰船制造业的技术水平具有重要学术意义和应用价值。. 本项目以大型空间复杂曲面切割技术为突破口，着力研究适合于舰船制造中船体曲面孔型高效、高精度切割的应用基础理论和加工设备。建立了大型空间复杂曲面曲线切割任务的参数化数学模型，并由切割轨迹生成了切割工具的变姿态、变轨迹加工路径，可满足任意孔型的连续切割需求。基于变胞原理构建出五杆闭环形式和并联形式的切割变胞机构带动切割工具，在综合对比评价其工作特性之后，选择五杆变胞机构为执行构型，并以基因建模理论和扩展低序体矩阵模型研究了其在不同工作阶段的拓扑结构。利用旋量理论和Kane动力学模型，建立了切割变胞机构的全构态动力学方程以分析其动态特性。研究了机构拓扑结构变化对末端的冲击响应，同时由控制主动件运动规律的角度提出了减小冲击的方法以保证切换连续稳定性。以四元数理论和旋量理论为基础，建立了通用形式的变胞机构运动误差研究的全构态四元数模型和旋量误差方程，得出了切割变胞机构的加工精度模型，定量地确定运动副间隙、连杆结构公差和主动关节传动链误差等对末端执行器位姿精度的影响。结合热切割工艺，提出了切割变胞机构加工系统的混合补偿策略和偏最小二乘误差补偿计算方法。构建了独立关节的半闭环前馈控制方式和耦合关节的自适应控制方式实施误差补偿，确使工件的加工精度高于自身母机的运动精度，并具备自适应能力。研制了数控火焰变胞切割机的试验样机，开发了一套数控切割软件，并将其推广至渤海造船厂的潜艇壳体制造过程。. 本项目的研究为大型空间复杂曲面切割技术提供了创新性的解决方案，适应现代制造业数字化敏捷切割的发展趋势，对于提高我国造船业的技术水平有着十分重要的现实和深远的意义。