第1章 緒 論

本課題來(lái)源于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院工程機(jī)械系參與的國(guó)家重大科研項(xiàng)目“神光-Ⅲ”。所研制的設(shè)備用于主機(jī)激光裝置項(xiàng)目中物理診斷設(shè)備的裝載及其靶室維護(hù)。如今，能源的獲取得到了各個(gè)國(guó)家的廣泛關(guān)注，其中核聚變的研究得到了重視，因?yàn)橥ㄟ^(guò)核聚變的方式獲得能量的是巨大的。從和平利用能源的角度來(lái)看，通過(guò)可控的核聚變生成能源的方法具有很多的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，世界上許多國(guó)家在可控的核能開(kāi)發(fā)研究上也有重大突破，建成了高功率的激光發(fā)射裝置，例如由美國(guó)自助研制的激光實(shí)驗(yàn)靶場(chǎng) OMEGA[2]，NOVA[3]和 NIF[4]（如圖 1-1 所示）已完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，走在核能研究的前列。法國(guó)在 2008 年也建成了類似的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置[5]，日本研制的 GEKKO-PW 裝置也有很高的技術(shù)水平[6]。目前，由我國(guó)自主研發(fā)的高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)研制到第三代，即神光 SG-III 裝置[7]。由國(guó)內(nèi)外研究的發(fā)展情況可知，發(fā)展可控核聚變以獲取新能源是十分有必要的。
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第2章 折展式重載拆裝機(jī)械總體設(shè)計(jì)及有限元分析

2.1 引言
本課題所研究的重載拆裝機(jī)械主要功能是將光學(xué)組件送達(dá)靶球上指定的安裝孔并完成精細(xì)安裝。在本章節(jié)中給出拆裝機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，闡述折展機(jī)構(gòu)的工作原理，并根據(jù)其原理完成總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最終建立有限元模型，驗(yàn)證其剛度是否滿足要求。

2.2 總體設(shè)計(jì)指標(biāo)
拆裝機(jī)械總體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：（1）能夠?qū)⒔M件送達(dá)靶球北緯 13°、26°以及 90°的指定安裝孔并進(jìn)行拆裝工作，，光學(xué)組件的最大重量為 1400kg；（2）能夠單機(jī)完成組件的裝載；（3）設(shè)備總重不超過(guò) 3000kg，長(zhǎng)度不超過(guò) 2800mm，寬度不超過(guò) 1700mm，高度不超過(guò) 2200mm；（4）具有將組件平移和旋轉(zhuǎn)調(diào)整的功能，調(diào)整精度分別為 0.1mm 和 0.05°；（5）運(yùn)輸及安裝過(guò)程中不能與其他設(shè)備發(fā)生碰撞和干涉；（6）設(shè)備的整潔程度達(dá)到靶場(chǎng)及其周圍環(huán)境要求。復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)設(shè)備的要求十分苛刻，既要求設(shè)備能有很大的工作范圍和高剛度、高強(qiáng)度，又要求整機(jī)的重量和結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小。為了滿足各方面的要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用具有伸縮及折疊功能的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，伸縮臂為二級(jí)伸縮，通過(guò)液壓缸的并聯(lián)布置實(shí)現(xiàn)折疊功能。如圖 2-1 所示，該機(jī)構(gòu)由伸縮臂、伸縮臂液壓缸、動(dòng)臂和動(dòng)臂液壓缸組成，實(shí)線部分為機(jī)構(gòu)展開(kāi)后的姿態(tài)，虛線為機(jī)構(gòu)折疊后的姿態(tài)。當(dāng)該折展機(jī)構(gòu)折疊時(shí)（此時(shí)伸縮臂液壓缸處于最大長(zhǎng)度狀態(tài)，動(dòng)臂液壓缸處于壓縮狀態(tài)），整體高度只有 600mm，但是當(dāng)機(jī)構(gòu)展開(kāi)時(shí)（此時(shí)動(dòng)臂液壓缸最長(zhǎng)狀態(tài)，伸縮臂液壓缸處于壓縮狀態(tài)）最高能到達(dá) 3145mm 的高度，其展開(kāi)高度與折疊高度比達(dá) 5.0 以上。

第 3 章 拆裝機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析..............................15

3.1 引言 .......................15

3.2 拆裝機(jī)械運(yùn)動(dòng)齊次變換矩陣推導(dǎo) .............................5

第 4 章 折展機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模與分析...........................25

4.1 引言 ................ 25

4.2 基于等效元素法的多剛體動(dòng)力學(xué)方程 .................... 25

第 5 章 3RRP 平面并聯(lián)折展機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)........................... 37

5.1 引言 ........................... 37

5.2 多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)述 ............................... 37

第5章 3RRP 平面并聯(lián)折展機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 引言
在很多的實(shí)際工程問(wèn)題中，對(duì)設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)時(shí)，需要進(jìn)行全方位的衡量，要將多個(gè)指標(biāo)納入考察范圍。最終取綜合結(jié)果最為優(yōu)化的一種方案作為最終方案。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往僅憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)直觀判斷,采用試湊法、類比法來(lái)完成設(shè)計(jì)，因而無(wú)法得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方法本章節(jié)在前面章節(jié)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)并聯(lián)折展機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。由第四章的力學(xué)分析可知，伸縮臂液壓缸受力遠(yuǎn)大于動(dòng)臂液壓缸。因此本章中針對(duì)伸縮臂液壓缸的受力進(jìn)行分析，研究目的是獲得折展機(jī)構(gòu)各個(gè)機(jī)構(gòu)尺寸，使得液壓缸額定載荷最小，且能滿足所有的工況要求。因此需要將各個(gè)工況的最大載荷選取出來(lái)，并從中選取能滿足所有極限載荷的最小值，作為液壓缸選型的標(biāo)準(zhǔn)。解決這一問(wèn)題可用多目標(biāo)優(yōu)化的思想來(lái)求解。

5.2 多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)述
該折展機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度，是一種 3RRP 平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其尺寸既要能夠滿足工作空間要求，又要滿足整機(jī)體積要求的限制。由圖 2-7給出了拆裝機(jī)械的三個(gè)極限工況，本章節(jié)中將以伸縮臂液壓缸在其極限工況下的受力分析為起點(diǎn)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，求得折展機(jī)構(gòu)的尺寸及鉸點(diǎn)分布最優(yōu)解。如圖 5-2 所示建立坐標(biāo)系，以動(dòng)臂鉸點(diǎn) O3作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)水平面為X 軸，垂直轉(zhuǎn)臺(tái)方向?yàn)?Y 軸。O4和 O5分別為伸縮臂液壓缸、動(dòng)臂液壓缸的鉸點(diǎn)位置；O1為伸縮臂液壓缸與伸縮臂的交點(diǎn)，O2為動(dòng)臂與伸縮臂的交點(diǎn)；1  為伸縮臂與伸縮臂液壓缸的夾角；2  為動(dòng)臂與動(dòng)臂液壓缸的夾角；3  為動(dòng)臂的水平夾角；L1為伸縮臂長(zhǎng)度；L2為 O1和 O2的距離；L3為動(dòng)臂長(zhǎng)度；L4為伸縮臂液壓缸下鉸點(diǎn)距離原點(diǎn)的距離；L5為動(dòng)臂液壓缸下鉸點(diǎn)距離原點(diǎn)的距離；L6為動(dòng)臂液壓缸在動(dòng)臂上的支撐距離。F1、F2分別為伸縮臂液壓缸、動(dòng)臂液壓缸的受力；G1、G2分別為組件重量、伸縮臂重量。
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結(jié) 論

課題結(jié)合國(guó)家重大項(xiàng)目“神光Ⅲ”而做，為激光裝置主機(jī)物理診斷設(shè)備的裝載和維護(hù)設(shè)計(jì)拆裝機(jī)械。該設(shè)備具有大型重載、多自由度、高精度的特點(diǎn)。在課題的研究?jī)?nèi)容中先后得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型，并給出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方法。具體成果如下：（1）創(chuàng)新性地提出一種收縮體積小，工作范圍大的折展伸縮式并聯(lián)機(jī)構(gòu)，滿足了神光物理組件拆裝的特定工作要求。根據(jù)該創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的原理，完成了整機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過(guò) ANSYS 建立有限元模型，完成了整機(jī)的剛度與強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了拆裝機(jī)械的安全可靠性。該設(shè)備的工作原理、機(jī)構(gòu)形式可為類似機(jī)械的設(shè)計(jì)和研究提供設(shè)計(jì)參考。（2）建立了拆裝機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于齊次變換矩陣推導(dǎo)了組件末端在絕對(duì)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)的顯示表達(dá)式獲取組件末端的有效工作空間，證明了折展機(jī)構(gòu)的空間可達(dá)性；對(duì)動(dòng)臂、伸縮臂及工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，得到其速度、加速度等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，為動(dòng)力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。
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參考文獻(xiàn)（略）