[发明专利]包络成形装备全旋量刚柔耦合动力学建模与变形预测方法

说明书

本发明涉及一种包络成形装备全旋量刚柔耦合动力学建模与变形预测方法，通过集中质量法将连杆和滑块简化为双质量弹簧系统，将动平台简化为单中心集中质量‑六圆周分布集中质量十二弹簧并联系统，通过运动旋量表征各连接副的刚体大位移，通过变形运动旋量表征各弹簧的变形位移，最终将质量矩阵和转动惯量耦合建立广义质量矩阵，进而建立装备全旋量表征刚柔耦合动力学方程并实现装备变形预测。本发明可快速实现装备实时变形旋量和空间运动旋量的求解，进而预测装备的变形行为，实现装备精度补偿控制、强度校核和状态监测。

技术领域

本发明涉及包络成形领域，更具体地说，涉及一种包络成形装备全旋量刚柔耦合动力学建模与变形预测方法。

背景技术

包络成形装备是一种新型的多自由度塑性成形装备，特别适合薄壁高筋构件高性能高效率近净成形制造。该装备通过六组伺服电机-行星减速器-滚珠丝杆提供稳定可控的动力源，采用多支链球铰-球头连杆-球铰的并联支撑结构形式，采用多伺服电机协同控制实现模具的任意空间包络成形运动，故而其运动自由度大，运动柔性好。

由于工作时成形载荷大，连杆和动平台的变形较大，严重影响包络成形装备的运动精度，进而影响成形构件的几何精度。由于包络成形装备多支链-多驱动的并联形式，各支链和部件间的变形相互制约、相互协调，故而其动态变形行为十分复杂。因此必须建立包络成形装备动力学模型，提示各关键部件的变形行为，进而用于包络成形装备精度补偿控制、强度校核和状态监测。目前，还没有关于包络成形装备刚柔耦合动力学建模与变形预测方法的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种包络成形装备全旋量刚柔耦合动力学建模与变形预测方法，通过建立的刚柔性耦合动力学模型，可快速实现装备实时变形旋量和空间运动旋量的求解，进而预测装备的变形行为，实现装备精度补偿控制、强度校核和状态监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种包络成形装备全旋量刚柔耦合动力学建模与变形预测方法，包络成形装备为六支链并联运动构型，每个支链包含电机、滑块、上球铰、连杆和下球铰，六支链与动平台相连接，动平台上安装包络模，六支链上电机驱动对应的滑块和连杆协调运动，使包络模做空间包络运动，坯料放入凹模中，凹模带动坯料向上做直线进给运动，动力学建模与变形预测方法通过集中质量法将连杆和滑块简化为双质量弹簧系统，将动平台简化为单中心集中质量-六圆周分布集中质量十二弹簧并联系统，通过运动旋量表征各连接副的刚体大位移，通过变形运动旋量表征各弹簧的变形位移，最终将质量矩阵和转动惯量耦合建立广义质量矩阵，进而建立装备全旋量表征刚柔耦合动力学方程并实现装备变形预测，该方法包括以下步骤：

S1、建立包络成形装备的运动和受力条件；

S2、建立滑块的力-位平衡方程；

S3、建立连杆的力-位平衡方程；

S4、建立动平台的力-位平衡方程；

S5、建立包络成形装备整体刚柔耦合动力学方程。

按上述方案，在所述步骤S1中，包络成形装备各滑块的驱动力用力旋量表示，由于驱动力方向固定，按式(1)表达为：

式中，为驱动力的大小；

包络成形装备动平台所受的外载荷用力旋量W_l表示，对于定点包络成形运动，外载荷按式(2)计算：

式中，F_l为动平台所受的总成形力矢量，T_l为动平台所受的成形力矩矢量，r_l(θ)为成形力等效作用点的位置矢量，r_l为成形力等效作用点的半径，θ为成形力等效作用点的角度，F_l为动平台所受的总成形力的大小，F_l为动平台所受的总成形力矩的大小；