一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计

大型复杂构件具有尺寸大、结构复杂、局部加工特征多等特点,针对该类构件的高精加工需求,提出了“大范围定位+局部五轴精雕细刻”的原位加工模式,开发了“全向移动平台+高刚度定位机构+高精度五轴并联加工单元”的移动式混联加工机器人。该装备的核心部件是末端的五轴并联加工单元,对整机装备的加工性能影响重大。为了进一步提升五轴并联加工单元的运动/力传递性能以及刚度,开展了基于运动/力传递性能评价方法的结构和尺寸参数分层优化和以提升刚度为导向的结构优化。提出了多参数分层优化方法,实现了多结构和尺寸参数优化,使运动/力传递性能相对于参数优化前提高了48.37%;采用虚拟铰链法和有限元法建立了五轴并联加工单元的刚度模型,揭示了各构件刚度对末端刚度的影响规律,辨识出机架为五轴并联加工单元的刚度薄弱环节。建立了基于刚度贡献率的刚度逐级优化方法,并针对机架进行了结构优化,使五轴并联加工单元的刚度提高了63.83%,刚度质量比提高了52.06%。基于上述优化设计结果,设计了运动/力传递性能以及刚度性能更优的五轴并联加工单元,为研发加工性能更优的新一代移动式加工装备奠定了基础。