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3-UPS-RCR并联旋压机
学校: 上海交通大学 院系:机械与动力工程学院 作品类别:B、专用技术创新应用
针对传统拼焊成形的成品率和生产效率低以及现有旋压设备旋压过程中易出现径向裂纹、切向裂纹和边缘褶皱等问题,本项目设计了一种新型并联驱动旋压机,研究其电液控制系统,用完成大型薄壁椭圆母线回转体制件的加工。
  • 作品/项目简介
  • 作品成果介绍
  • 应用前景分析
  • 项目团队
  • 一、作品意义 :

          运载火箭不断大型化对火箭中一些零部件的制造产生很大影响。燃料贮箱是运载火箭结构中的主要受重部位,其整体结构的力学性能对运载火箭发射的结果及其安全与稳定性具有至关重要的作用。运载火箭贮箱箱底的加工是典型的超高径厚比曲面构件成形。

          传统的贮箱箱底的加工方式采用先瓜瓣拉型再拼焊的方式。这种加工方式不仅需拼焊的零件数量多、工序复杂、制造效率非常低,而且由于焊接存在显著的内应力,贮箱构件的整体力学性能都将受到影响,导致容易在发射的恶劣环境下出现裂纹、断裂等缺陷,因此火箭贮箱的整体化加工制造方式是大型运载火箭贮箱制造的必然趋势。而旋压成形技术由于具有成形力小、节省材料、生产效率高等特点,将成为航天领域超大型薄壁回转体成形加工的未来发展方向。

          研究超大型曲母线薄壁制件,有助于改善目前我国对航空航天领域超大型薄壁回转体制件研究较少及相应旋压加工工艺不完善等存在的问题,突破超大型薄壁制件旋压加工技术的技术封锁,为我国运载火箭的重载化、大型化、轻量化的发展作为贡献。因此本项目设计了一种用于加工火箭贮箱的新型3-UPS-RCR并联立式旋压机,搭建样机并对其电液控制系统进行了相关研究,主要解决传统拼焊成形的成品率和生产效率低以及现有旋压设备很难加工所需直径的半椭球形零件的问题。


    二、国内外相关技术研究情况、水平和发展趋势 :

          近年来随着旋压成形技术的不断提升,在单件小批量薄壁回转体构件上已得到了广泛的应用,其具有旋压成形力小、节省材料、生产效率高等优点,而且通过多道次旋压成形技术可以提高成形件的力学性能。旋压成形加工已经成为航天领域超大型薄壁回转体成形加工的未来趋势。

          旋压加工工艺是一种逐点金属加工工艺,不同于常见的快速变形过程,但在加工过程中,旋压轮上线速度可达20m/s~30m/s,相较于传统的回转薄壁件加工方式,其具有变形能力强、加工质量高、效率高的特点。但现有旋压设备旋压过程中可能会受到不平衡的扰动作用而产生芯模的跳动,从而降低加工精度,也可能出现径向裂纹、切向裂缝和边缘褶皱等问题。

          旋压设备可分为立式和卧式两种结构,在国外应用最广泛的是卧式旋压设备,但是立式旋压设备的研发更具有应用前景。立式旋压设备的垂直刚度好,工件和设备重心的中心线重合。故生产的产品精度高,且工件和芯模容易拆卸,可以广泛应用于生产线上。

          目前为止,美国、欧洲等国家对旋压工艺及设备进行了大量的探索和试验研究。2010年,美国NASA和洛克希德-马丁公司以及德国MT公司采用经由摩擦搅拌焊接的2195铝锂合金板料,成功的进行整体贮箱箱底构件的加工成形,得到壁厚3mm ~5mm,直径5.6mm,深度1.5m的筒形件;德国MT公司还为日本某型号火箭研制出了直径3.8m,高度0.74m2219铝合金贮箱箱底。而在我国,有哈尔滨工业大学等单位研发的大型封头无胎旋压设备、北京航空航天大学研制的多功能皮带轮旋压设备、华南理工大学夏琴香设计的HGPX系列多功能旋压设备等,但由于旋压成形加工技术在航空航天领域零部件制造的应用起步相对较晚,在旋压成形制件的成形精度、可加工零件的种类、超大型工件的可加工性等方便与国际上航天大国相比存在较大差距。

          针对旋压机大型化、高精度、系列化、多功能、自动化的整体发展趋势,本文提出了一种新型大型立式旋压设备,其由可有效解决褶皱问题的压边装置、对称安装的双并联驱动旋轮进给装置、尾顶压紧装置、芯模驱动系统、上滑动平台系统等子系统组成。研究了各子系统相应的控制算法用以解决旋压过程中受到较大负载干扰的问题而导致的精度降低问题,进而保证整个装置的稳定性及加工质量的高精度。


  • (一) 作品方案

    • 旋压机机械结构设计方案及工作流程

    通常,产品形状尺寸及旋压工艺方案决定旋压机的具体运动形式,同样也决定旋压机的各零部件的位置关系。旋压机各部件的布局除能实现工艺要求外,还应该满足实用性、上下料的方便性、操作的安全性以及实际生产效率等。

    基于运载火箭贮箱外壳的旋压工艺方案,本课题自主研发的旋压机主要功能和实现方式为:板坯随芯模转动,通过马达驱动芯模转动实现;旋轮沿芯模母线移动且同时保持旋轮与曲母线垂直,通过3-UPS-RCR 4自由度并联机构实现对旋轮姿态的控制;对板坯外圈压紧且旋轮沿椭圆轨迹外移时压边装置同时实现两个同步要求:一是压边装置压紧板坯直径同步扩大,二是压边装置的高度同步降低,通过类似三爪卡盘的结构实现压边滚子的径向同步移动,通过液压缸支腿与导向柱实现压边装置高度的随动要求;板坯的可靠装夹,通过尾顶装置压紧;芯模安装与移出,通过上滑动平台实现。

    通过研究国内外现有的旋压设备的结构布局形式,分析现有旋压结构的优缺点,提出自己合理创新的设计方案,并综合考虑旋压工艺过程中板坯会出现的失稳情况、旋轮执行装置的运动灵活性要求、板坯装夹上下料要求、产品尺寸和旋压力的要求,本课题提出了一种全新的立式大型旋压机总体结构布局方案,如图1所示。

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               (a)旋压机主视图                                                                     b)旋压机左视图

        http://cloud0.casicloud.com/image/campus/project/1560484489284.jpg       http://cloud0.casicloud.com/image/campus/project/1560484358580.jpg

                     (c)旋压机俯视图                                                                  d)旋压机轴测图

                            1-外框架;2-并联进给机构;3-旋轮;4-尾顶装置;5-芯模;6-上压边装置;7-下压边装置;8-上压边装置竖直移动控制液压缸;

                     9-下压边装置竖直移动控制液压缸;10-芯模驱动支撑底座;11-上压边装置竖直导向机构;12下压边装置竖直导向机构;13-上滑动平台

                                                                         图1:旋压机总体结构

       由图1旋压机总体结构图中可以看出,本课题研发的用于火箭贮箱的旋压机主要由外框架、并联进给机构、旋轮、尾顶装置、芯模、上下压边装置、上下压边装置竖直移动控制液压缸、芯模驱动支撑底座、上下压边装置竖直导向机构、上滑动平台等组成。该旋压机采用双旋轮立式结构布局,双旋轮对称布置,其可以实现旋轮两个直线轴(横向与纵向)移动移动、一个平面内转动与芯模主轴的四轴联动加工。

       本课题自主设计与研发的用于加工火箭贮箱的旋压机的旋压工艺流程可分为以下四个阶段:

    1)准备阶段。尾顶液压缸控制尾顶装置向上收起,上下压边装置中驱动马达控制两组压边滚子到达合适径向位置,使上下压边装置均处于最低高度位置,对称布置的两组由四自由度并联机构驱动的旋轮向上收起,上滑动平台由液压缸推出到最外侧,由人工通过手动葫芦将特定芯模挂在上滑动平台挂钩上,上滑动平台复位,由人工调节手动葫芦将芯模放置在芯模驱动支撑底座上,上压边装置升起为接下来板坯上料做好准备工作。   

    2)板坯上料阶段。由人工通过叉车将板坯运到上下压边装置之间芯模之上,调整板坯处于芯模中间位置,尾顶液压缸控制尾顶装置下降保持恒定力压住芯模上工件,下压边装置由下压边装置液压缸控制升起至与上压边装置合适的高度差位置。

    3)旋压阶段。保持尾顶装置压紧工件,通过并联机构控制旋压轮到达尾顶装置的外轮廓附近。芯模马达驱动芯模按照一定速度转动,并联机构控制旋轮沿芯模母线移动且同时保持旋轮与母线垂直,上下压边装置高度根据旋轮高度随动且上下压边装置保持恒定高度差,上下压边装置中压边滚子根据旋轮径向移动距离随动,直到旋轮移动到芯模外边缘完成旋压工艺。

    4)取料阶段。并联机构驱动旋轮收起,尾顶装置升起,上压边装置升起到合适位置,下压边装置降低到最低高度位置,人工利用叉车将板坯取出,整个旋压加工过程完成。

    • 旋压机控制系统要求及方案

    为了达到旋压工艺的要求、提高成形制件精度、方便使用者操作,旋压机电控系统需要满足以下要求:

    1)为了使两个旋轮达到较高的位置和姿态控制精度,自由度并联机构驱动液压缸位置反馈应采用数字量形式,以提高控制精度及采集信号的抗干扰程度。

    2)并联机构驱动液压缸的位移反馈信号实时性好,准确度高,采用频率不低于1kHz

    3)易于实现设备上电、断电、启动、停止及整体旋压速度的调整等。

    4 由于传感器数量较多,信号采集方式可以选择布线简单的方式,易于维护。

    Advantech的工业控制计算机与National InstrumentsCompactRIO嵌入式平台,构成分布式控制系统;确保控制系统具有开放的平台架构,模块化连接,方便扩展,借助于NI Labview高效化的图形化开发软件可以更好的构建高效的、灵活的控制及状态监测系统,系统方案如图2所示。

    该控制系统运行过程中底层CompactRIO控制器通过模拟量数字量输入模块来实现液压缸活塞杆位移、液压缸有无杆腔压力及光电开关等传感器的监测,在此基础上利用模拟量数字量输出模块实现对电液比例阀、换向电磁阀的控制,从而实现对液压缸活塞杆位移、液压缸有无杆腔压力、液压马达转速与起停的控制。该系统同时监测系统液压油温度、回油过滤器、主泵吸口蝶阀状态等,实现温度过高时泵站冷却机组自动运行及过滤器阻塞报警等。

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                                图2:电控系统方案



    (二) 攻克的关键技术或关键技术的现实路径

    (1)国内外旋压设备的调研,分析旋压过程中经常出现的失效形式以及各种旋压设备结构设计的优缺点,并对并联机床进行分析研究以利用并联机构的优势来实现旋压机最重要的系统旋轮进给装置的设计。

    2)旋压机设备的整机设计,包括:旋压机的机械结构设计及相关零部件的选型,以完成旋压过程中的工艺动作要求及固定支撑等目标;旋压机液压系统设计,为了提供足够的驱动加载力,采用液压缸与液压马达来驱动执行机构工作,设计合理的液压系统以完成旋压工序及保证系统的可靠运行。旋压机电控系统的设计与选型,为旋压机的运动控制及工序流程的自动化提供硬件基础。

    3)针对旋压过程可能出现的力不平衡及用途多样化要求,设计一种3-UPS-RCR 4自由度并联机构作为旋轮执行机构,并对并联机构进行运动学、动力学分析,研究其支链的受力情况等,进行了液压系统液压缸的选型等工作。

    4针对旋压机的主要的执行元件电液比例阀控液压缸系统,充分考虑其工况常受到外负载扰动的情况,建立带有负载扰动的电液比例位置控制系统数学模型,考虑到电液比例阀控缸系统非线性、存在不确定项、未建模项、建模存在误差及工作中存在较大非线性扰动的情况,设计一种基于扰动观测器的改进型滑模控制器。为了保证其控制效果,基于电液比例位置控制系统的状态空间表达式建立该系统的仿真模型并进行控制策略仿真。

    5)针对旋压过程可能出现的“褶皱”等失效问题,设计了一种压边直径可调的随动上下压边系统。

    (6)针对整机运行过程中出现的局部外负载及复杂非线性扰动可能带来的加工精度降低,设计了针对整体控制系统的协同控制策略。用以保证整个系统的协同工作的高效稳定。

    (三) 主要技术指标

    该立式旋压机用于特定尺寸规格的火箭贮箱的旋压成形,其主要技术性能参数如下:

    1)外形尺寸:3.4m×5.25m×4.31m

    2)芯模转速范围:20~100r/min

    3)芯模直径:1380mm

    4)芯模高度:190mm

    5)旋压机定位精度:0.05mm

    6)机床重复定位精度:0.025mm


    (四) 主要创新点
    • 独立自主设计了一种新型并联驱动旋压机,可旋直径1380mm的大型薄壁曲母线回转体制件。其由可有效解决“褶皱”问题的压边装置、双并联机构驱动旋轮进给装置、尾顶压紧装置、芯模驱动系统、上滑动平台等子系统组成。并制作了大型样机。

    • 设计了一种3-UPS-RCR双并联驱动旋压轮系统,有效解决旋压过程可能出现的力不平衡问题,提高了旋压加工的稳定性和精度。

    • 针对旋压过程中,旋轮因受到较大非线性负载扰动导致很难提升其控制精度的问题,设计了一种基于扰动观测器的滑模控制策略用于电液比例阀控液压缸系统的位置控制,该控制策略通过扰动观测器估计难以测量的扰动负载,并将负载估计值引入到滑模控制器中以提升滑模控制精度。基于并联机构位姿正逆解模型、带有扰动观测器的电液比例阀控液压缸系统滑模控制模型,构建并联机构位姿控制数学模型。

    • 创新性设计了一种压边直径可调的随动上下压边圈系统,可有效解决旋压成形常出现的“褶皱”问题。

    • 针对整体旋压过程各子系统的协同工作模式,设计了一种基于自适应鲁棒交叉耦合控制策略,用于实现上下压边圈与并联机构、调整齿轮液压马达与上下压边圈之间的高精度协同控制,满足系统的快速响应和加工的高精度要求,使得系统在有界非线性扰动下仍然能够高精度完成加工任务。

    • 搭建控制系统,开发了相关控制软件,用以实现旋压机的工作。

  • (一) 应用领域及方向

    大型立式旋压机的研究的对于未来大型薄壁回转体的加工具有重大的意义。在军事,航空航天,民用等多个方面发挥潜在的应用价值。例如:

    航空航天:燃料贮箱相抵,火箭壳体,头罩,整流罩,雷达舱等

    国防:导弹壳体,炮管,药性罩等

    舰艇:鱼雷外壳,潜望镜壳等

    化工:储气罐,高压容易等

    轻工民用:压力锅,大型灯罩等

    (二) 应用研究条件及保障措施

    本项目依托上海交通大学机械与动力学院机电控制与物流装备研究所,上海交通大学流体传动与控制实验室。

    (三) 应用研究经费预测

    整机制造、控制系统搭建及人力成本经费:70万

  • (一) 参研高校/院、系(包括牵头院系和参研院系)

    上海交通大学、机械与动力工程学院

    (二) 研究基础

    课题组积累了大量工程电液控制及机械设计方面的相关理论研究

    新型立式旋压机设计方案及控制算法设计(自行研究开发)

    (三) 项目导师、牵头负责人及项目团队介绍

    项目导师:施光林教授

    牵头负责人:汤澍

    项目团队:林杰克、张啸甫


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