大型曲面位姿自适应打磨装置与杯形砂轮磨削温度场研究

摘要

随着风能等清洁能源的提倡，风电装机总量与单机容量得到迅速增长，使得风电叶片制造和修护越来越受到重视。风电叶片作为风电机组的关键部件，因具有尺寸大、形状复杂、易烧伤等特点，使其制造和维护难度较大。另外，传统人工打磨劳动强度大、效率低，作业环境恶劣。因此，风电叶片的自动化打磨研究具有重要意义。 在采用移动机器人等自动化装备替代人工作业过程中，为了获得较好的表面加工精度，机器人的打磨末端执行器通常需要对风电叶片表面进行位姿调整及接触力控制，因此能适应曲面，保持接触力稳定是打磨机器人末端执行器研究的主要问题。 针对这一问题，研制了一种大型曲面位姿自适应打磨装置。通过设计的曲面自适应移动机构和力控制打磨工具模块，实现打磨过程中力和位姿的解耦以及曲面自适应的目的。在此基础上，对杯形砂轮磨削温度场进行研究，为替代砂盘作业提供依据。 首先，对装置中的弹簧部件进行横向特性分析。以装置中弹簧的运动稳定性分析为依据对原有装置进行结构改进，理论上增强了装置的运动稳定性，满足了机构的功能需求。 其次，在ADAMS软件中建立了打磨装置的虚拟样机。通过对平面、圆柱面、球面三种典型工件表面进行加工仿真，验证装置的运动稳定性并测试其对表面的适应性，结果表明装置对这三种典型工件表面都具备较好的适应性，所设计的打磨装置能够满足风电叶片等大型复杂曲面的打磨要求。 最后，在上述对装置研究基础上，针对杯形砂轮磨削区可能存在的烧伤问题进行了温度场研究。推导了环形移动热源模型的温度场解析，通过对静态热源模型的解析计算及实验证实了温度场模型的正确性。根据磨削实例计算的数据，在Mathcad软件和ANSYS软件分别进行了表面温度场数值计算和仿真，结果表明温度场分布的不均匀性，会造成磨削烧伤等问题。针对出现的问题，设计了两种散热砂轮，改善了散热条件，在ANSYS软件上进行温度场仿真，验证了其散热的有效性，提高了杯形砂轮替代砂盘进行作业的可行性。

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