摘要
固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天工程中重要的動(dòng)力裝備，因此，研制固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安全
可靠的生產(chǎn)裝備是機(jī)械工程領(lǐng)域重要的課題。
本文以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜型腔藥柱整形加工機(jī)床為研究對(duì)象，完成了固體火箭
發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱五自由度混聯(lián)整形機(jī)床的方案設(shè)計(jì)，確定了基于PC主機(jī)——多專用CPU
的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并規(guī)劃了數(shù)控系統(tǒng)的主要模塊。采用遠(yuǎn)程控制方法，實(shí)現(xiàn)
操作工人“零暴露”生產(chǎn)。在考慮固體推進(jìn)劑對(duì)沖擊、摩擦、受熱和靜電敏感的基礎(chǔ)
上，用“模擬藥”（即物理性能與固體推進(jìn)劑相似的鈍藥）進(jìn)行切削加工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)
果表明，固體推進(jìn)劑藥柱機(jī)械加工所需切削力很小；刀具的溫度隨切削用量的增大而
增大；最大切削用量時(shí)刀具的溫度和靜電累積都小于固體推進(jìn)劑的安全溫度和安全靜
電累計(jì)量。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了固體推進(jìn)劑藥柱加工的可行性。
為了減少加工中刀具對(duì)藥柱的振動(dòng)和沖擊，保證藥柱整形加工過(guò)程的安全性，論
文對(duì)整型機(jī)床的主要部件并聯(lián)機(jī)構(gòu)和可偏轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)進(jìn)行速度和加速度分析。分析結(jié)
果表明，在給定軌跡下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)中心的速度和加速度變化平穩(wěn)，產(chǎn)生的振動(dòng)
很小，可以完成藥柱整形加工。在主軸系統(tǒng)中，主軸電機(jī)和偏轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高都會(huì)
使刀具的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角加速度波動(dòng)增大，實(shí)際加工時(shí)可能產(chǎn)生振動(dòng)；刀具的偏轉(zhuǎn)
速度和角加速度只與偏轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，并隨偏轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而增大，但幅值
很小。綜合兩個(gè)部件的速度和加速度分析結(jié)果得到：并聯(lián)機(jī)構(gòu)輸出的速度和加速度可
以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制在要求的范圍內(nèi)；而由主軸系統(tǒng)引起的刀具速度和加速度波動(dòng)是
主軸系統(tǒng)固有的特性只能通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使動(dòng)力學(xué)性能達(dá)到規(guī)
定要求。
機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的核心是伺服電機(jī)動(dòng)力學(xué)建模，文中利用伺服電機(jī)參數(shù)，
在建立電路和機(jī)械能量方程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用拉格朗日-麥克斯韋方程,通過(guò)Park變換，
將三相定子參考系的拉格朗日-麥克斯韋方程變換到兩相轉(zhuǎn)子參考系。首次推導(dǎo)了便于
實(shí)施控制的永磁同步伺服電機(jī)兩相轉(zhuǎn)子參考系的機(jī)電耦聯(lián)動(dòng)力學(xué)方程。在對(duì)比伺服電
機(jī)各種電流控制方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選定了本系統(tǒng)伺服電機(jī)的電流控制方案。以刀
具偏轉(zhuǎn)伺服電機(jī)為算例，進(jìn)行了機(jī)電耦聯(lián)動(dòng)力學(xué)仿真。仿真結(jié)果展示了伺服電機(jī)機(jī)電
耦聯(lián)動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)正確，電機(jī)電流控制方案合理有效。
完成了主軸系統(tǒng)機(jī)電耦聯(lián)動(dòng)力學(xué)分析。利用Park變換推導(dǎo)了二自由度、永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主軸系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)微分方程。比較非線性、變系數(shù)常微分方程
組的數(shù)值解法，選用高效Hamming方法實(shí)現(xiàn)了微分方程的快速求解。
以刀具加速度最小為目標(biāo)函數(shù)；以機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)和電機(jī)的電氣參數(shù)為設(shè)計(jì)
變量；以機(jī)電耦聯(lián)動(dòng)力學(xué)微分方程和設(shè)計(jì)變量的取值范圍為約束條件，建立了機(jī)電耦
聯(lián)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化模型。經(jīng)過(guò)多方面的探索，構(gòu)造了可以實(shí)現(xiàn)該工程問(wèn)題可行的優(yōu)化方法
——指數(shù)型自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法。并通過(guò)多個(gè)測(cè)試函數(shù)對(duì)該算法進(jìn)行了檢驗(yàn)。
完成了該算法的收斂性分析。利用該算法完成了以各構(gòu)件的機(jī)械參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電氣
參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了減小刀具加速度幅值和改善刀具偏轉(zhuǎn)
電機(jī)波紋轉(zhuǎn)矩的研究目標(biāo),解決了機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的工程問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱；混聯(lián)機(jī)床；動(dòng)力學(xué)優(yōu)化；機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)；指數(shù)型自適
應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法



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