折展式重载拆装机械力学分析和改进设计方法

第1章 绪 论

本课题来源于哈尔滨工业大学机电工程学院工程机械系参与的国家重大科研项目“神光-Ⅲ”。所研制的设备用于主机激光装置项目中物理诊断设备的装载及其靶室维护。如今，能源的获取得到了各个国家的广泛关注，其中核聚变的研究得到了重视，因为通过核聚变的方式获得能量的是巨大的。从和平利用能源的角度来看，通过可控的核聚变生成能源的方法具有很多的优点[1]。目前，世界上许多国家在可控的核能开发研究上也有重大突破，建成了高功率的激光发射装置，例如由美国自助研制的激光实验靶场 OMEGA[2]，NOVA[3]和 NIF[4]（如图 1-1 所示）已完成相关的实验测试，走在核能研究的前列。法国在 2008 年也建成了类似的核聚变实验装置[5]，日本研制的 GEKKO-PW 装置也有很高的技术水平[6]。目前，由我国自主研发的高功率激光实验装置已经研制到第三代，即神光 SG-III 装置[7]。由国内外研究的发展情况可知，发展可控核聚变以获取新能源是十分有必要的。
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第2章 折展式重载拆装机械总体设计及有限元分析

2.1 引言
本课题所研究的重载拆装机械主要功能是将光学组件送达靶球上指定的安装孔并完成精细安装。在本章节中给出拆装机械臂的总体设计指标，阐述折展机构的工作原理，并根据其原理完成总体机械结构的设计。最终建立有限元模型，验证其刚度是否满足要求。

2.2 总体设计指标
拆装机械总体设计指标如下：（1）能够将组件送达靶球北纬 13°、26°以及 90°的指定安装孔并进行拆装工作，，光学组件的最大重量为 1400kg；（2）能够单机完成组件的装载；（3）设备总重不超过 3000kg，长度不超过 2800mm，宽度不超过 1700mm，高度不超过 2200mm；（4）具有将组件平移和旋转调整的功能，调整精度分别为 0.1mm 和 0.05°；（5）运输及安装过程中不能与其他设备发生碰撞和干涉；（6）设备的整洁程度达到靶场及其周围环境要求。复杂的工作环境对设备的要求十分苛刻，既要求设备能有很大的工作范围和高刚度、高强度，又要求整机的重量和结构尺寸尽可能小。为了满足各方面的要求，执行机构采用具有伸缩及折叠功能的形式来实现功能，伸缩臂为二级伸缩，通过液压缸的并联布置实现折叠功能。如图 2-1 所示，该机构由伸缩臂、伸缩臂液压缸、动臂和动臂液压缸组成，实线部分为机构展开后的姿态，虚线为机构折叠后的姿态。当该折展机构折叠时（此时伸缩臂液压缸处于最大长度状态，动臂液压缸处于压缩状态），整体高度只有 600mm，但是当机构展开时（此时动臂液压缸最长状态，伸缩臂液压缸处于压缩状态）最高能到达 3145mm 的高度，其展开高度与折叠高度比达 5.0 以上。

第 3 章 拆装机械运动学建模与分析..............................15

3.1 引言 .......................15

3.2 拆装机械运动齐次变换矩阵推导 .............................5

第 4 章 折展机构动力学建模与分析...........................25

4.1 引言 ................ 25

4.2 基于等效元素法的多刚体动力学方程 .................... 25

第 5 章 3RRP 平面并联折展机构优化设计........................... 37

5.1 引言 ........................... 37

5.2 多目标优化数学模型简述 ............................... 37

第5章 3RRP 平面并联折展机构优化设计

5.1 引言
在很多的实际工程问题中，对设计方案的综合评价时，需要进行全方位的衡量，要将多个指标纳入考察范围。最终取综合结果最为优化的一种方案作为最终方案。在传统的设计过程中，往往仅凭借设计人员的经验直观判断,采用试凑法、类比法来完成设计，因而无法得到最优设计方法本章节在前面章节对运动学、力学分析的基础上，对并联折展机构进行尺寸优化设计。由第四章的力学分析可知，伸缩臂液压缸受力远大于动臂液压缸。因此本章中针对伸缩臂液压缸的受力进行分析，研究目的是获得折展机构各个机构尺寸，使得液压缸额定载荷最小，且能满足所有的工况要求。因此需要将各个工况的最大载荷选取出来，并从中选取能满足所有极限载荷的最小值，作为液压缸选型的标准。解决这一问题可用多目标优化的思想来求解。

5.2 多目标优化数学模型简述
该折展机构具有两个转动自由度和一个移动自由度，是一种 3RRP 平面并联机构，其尺寸既要能够满足工作空间要求，又要满足整机体积要求的限制。由图 2-7给出了拆装机械的三个极限工况，本章节中将以伸缩臂液压缸在其极限工况下的受力分析为起点，建立优化数学模型，求得折展机构的尺寸及铰点分布最优解。如图 5-2 所示建立坐标系，以动臂铰点 O3作为坐标系的原点。转台水平面为X 轴，垂直转台方向为 Y 轴。O4和 O5分别为伸缩臂液压缸、动臂液压缸的铰点位置；O1为伸缩臂液压缸与伸缩臂的交点，O2为动臂与伸缩臂的交点；1  为伸缩臂与伸缩臂液压缸的夹角；2  为动臂与动臂液压缸的夹角；3  为动臂的水平夹角；L1为伸缩臂长度；L2为 O1和 O2的距离；L3为动臂长度；L4为伸缩臂液压缸下铰点距离原点的距离；L5为动臂液压缸下铰点距离原点的距离；L6为动臂液压缸在动臂上的支撑距离。F1、F2分别为伸缩臂液压缸、动臂液压缸的受力；G1、G2分别为组件重量、伸缩臂重量。
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结 论

课题结合国家重大项目“神光Ⅲ”而做，为激光装置主机物理诊断设备的装载和维护设计拆装机械。该设备具有大型重载、多自由度、高精度的特点。在课题的研究内容中先后得到机构运动学模型、动力学模型，并给出机构设计的最优化方法。具体成果如下：（1）创新性地提出一种收缩体积小，工作范围大的折展伸缩式并联机构，满足了神光物理组件拆装的特定工作要求。根据该创新机构的原理，完成了整机结构的详细设计。通过 ANSYS 建立有限元模型，完成了整机的刚度与强度分析，验证了拆装机械的安全可靠性。该设备的工作原理、机构形式可为类似机械的设计和研究提供设计参考。（2）建立了拆装机械的运动学模型，基于齐次变换矩阵推导了组件末端在绝对坐标系中的位置坐标的显示表达式获取组件末端的有效工作空间，证明了折展机构的空间可达性；对动臂、伸缩臂及工作装置进行了运动分析，得到其速度、加速度等机构运动学特性，为动力学分析提供基础。
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参考文献（略）