摘要
固體火箭發(fā)動機是航天工程中重要的動力裝備，因此，研制固體火箭發(fā)動機安全
可靠的生產(chǎn)裝備是機械工程領域重要的課題。
本文以固體火箭發(fā)動機復雜型腔藥柱整形加工機床為研究對象，完成了固體火箭
發(fā)動機藥柱五自由度混聯(lián)整形機床的方案設計，確定了基于PC主機——多專用CPU
的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構，并規(guī)劃了數(shù)控系統(tǒng)的主要模塊。采用遠程控制方法，實現(xiàn)
操作工人“零暴露”生產(chǎn)。在考慮固體推進劑對沖擊、摩擦、受熱和靜電敏感的基礎
上，用“模擬藥”（即物理性能與固體推進劑相似的鈍藥）進行切削加工試驗。試驗結(jié)
果表明，固體推進劑藥柱機械加工所需切削力很?。坏毒叩臏囟入S切削用量的增大而
增大；最大切削用量時刀具的溫度和靜電累積都小于固體推進劑的安全溫度和安全靜
電累計量。試驗結(jié)果證實了固體推進劑藥柱加工的可行性。
為了減少加工中刀具對藥柱的振動和沖擊，保證藥柱整形加工過程的安全性，論
文對整型機床的主要部件并聯(lián)機構和可偏轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)進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)機構動平臺中心的速度和加速度變化平穩(wěn)，產(chǎn)生的振動
很小，可以完成藥柱整形加工。在主軸系統(tǒng)中，主軸電機和偏轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速的升高都會
使刀具的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角加速度波動增大，實際加工時可能產(chǎn)生振動；刀具的偏轉(zhuǎn)
速度和角加速度只與偏轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速有關，并隨偏轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速升高而增大，但幅值
很小。綜合兩個部件的速度和加速度分析結(jié)果得到：并聯(lián)機構輸出的速度和加速度可
以通過數(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是
主軸系統(tǒng)固有的特性只能通過對該系統(tǒng)設計參數(shù)進行優(yōu)化設計，使動力學性能達到規(guī)
定要求。
機電耦聯(lián)系統(tǒng)動力學分析的核心是伺服電機動力學建模，文中利用伺服電機參數(shù)，
在建立電路和機械能量方程的基礎上，應用拉格朗日-麥克斯韋方程,通過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。首次推導了便于
實施控制的永磁同步伺服電機兩相轉(zhuǎn)子參考系的機電耦聯(lián)動力學方程。在對比伺服電
機各種電流控制方案優(yōu)缺點的基礎上，選定了本系統(tǒng)伺服電機的電流控制方案。以刀
具偏轉(zhuǎn)伺服電機為算例，進行了機電耦聯(lián)動力學仿真。仿真結(jié)果展示了伺服電機機電
耦聯(lián)動力學方程推導正確，電機電流控制方案合理有效。
完成了主軸系統(tǒng)機電耦聯(lián)動力學分析。利用Park變換推導了二自由度、永磁同步伺服電機驅(qū)動的主軸系統(tǒng)機電耦合動力學微分方程。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方法實現(xiàn)了微分方程的快速求解。
以刀具加速度最小為目標函數(shù)；以機構的機械設計參數(shù)和電機的電氣參數(shù)為設計
變量；以機電耦聯(lián)動力學微分方程和設計變量的取值范圍為約束條件，建立了機電耦
聯(lián)動力學優(yōu)化模型。經(jīng)過多方面的探索，構造了可以實現(xiàn)該工程問題可行的優(yōu)化方法
——指數(shù)型自適應慣性權重粒子群算法。并通過多個測試函數(shù)對該算法進行了檢驗。
完成了該算法的收斂性分析。利用該算法完成了以各構件的機械參數(shù)和驅(qū)動電機電氣
參數(shù)為設計變量的主軸系統(tǒng)動力學優(yōu)化。實現(xiàn)了減小刀具加速度幅值和改善刀具偏轉(zhuǎn)
電機波紋轉(zhuǎn)矩的研究目標,解決了機電耦聯(lián)系統(tǒng)動力學優(yōu)化的工程問題。
關鍵詞：固體火箭發(fā)動機藥柱；混聯(lián)機床；動力學優(yōu)化；機電耦聯(lián)系統(tǒng)；指數(shù)型自適
應慣性權重粒子群算法



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