第1章 緒 論

本課題來源于哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院工程機械系參與的國家重大科研項目“神光-Ⅲ”。所研制的設備用于主機激光裝置項目中物理診斷設備的裝載及其靶室維護。如今，能源的獲取得到了各個國家的廣泛關(guān)注，其中核聚變的研究得到了重視，因為通過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看，通過可控的核聚變生成能源的方法具有很多的優(yōu)點[1]。目前，世界上許多國家在可控的核能開發(fā)研究上也有重大突破，建成了高功率的激光發(fā)射裝置，例如由美國自助研制的激光實驗靶場 OMEGA[2]，NOVA[3]和 NIF[4]（如圖 1-1 所示）已完成相關(guān)的實驗測試，走在核能研究的前列。法國在 2008 年也建成了類似的核聚變實驗裝置[5]，日本研制的 GEKKO-PW 裝置也有很高的技術(shù)水平[6]。目前，由我國自主研發(fā)的高功率激光實驗裝置已經(jīng)研制到第三代，即神光 SG-III 裝置[7]。由國內(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 折展式重載拆裝機械總體設計及有限元分析

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

2.2 總體設計指標
拆裝機械總體設計指標如下：（1）能夠?qū)⒔M件送達靶球北緯 13°、26°以及 90°的指定安裝孔并進行拆裝工作，，光學組件的最大重量為 1400kg；（2）能夠單機完成組件的裝載；（3）設備總重不超過 3000kg，長度不超過 2800mm，寬度不超過 1700mm，高度不超過 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）運輸及安裝過程中不能與其他設備發(fā)生碰撞和干涉；（6）設備的整潔程度達到靶場及其周圍環(huán)境要求。復雜的工作環(huán)境對設備的要求十分苛刻，既要求設備能有很大的工作范圍和高剛度、高強度，又要求整機的重量和結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小。為了滿足各方面的要求，執(zhí)行機構(gòu)采用具有伸縮及折疊功能的形式來實現(xiàn)功能，伸縮臂為二級伸縮，通過液壓缸的并聯(lián)布置實現(xiàn)折疊功能。如圖 2-1 所示，該機構(gòu)由伸縮臂、伸縮臂液壓缸、動臂和動臂液壓缸組成，實線部分為機構(gòu)展開后的姿態(tài)，虛線為機構(gòu)折疊后的姿態(tài)。當該折展機構(gòu)折疊時（此時伸縮臂液壓缸處于最大長度狀態(tài)，動臂液壓缸處于壓縮狀態(tài)），整體高度只有 600mm，但是當機構(gòu)展開時（此時動臂液壓缸最長狀態(tài)，伸縮臂液壓缸處于壓縮狀態(tài)）最高能到達 3145mm 的高度，其展開高度與折疊高度比達 5.0 以上。

第 3 章 拆裝機械運動學建模與分析..............................15

3.1 引言 .......................15

3.2 拆裝機械運動齊次變換矩陣推導 .............................5

第 4 章 折展機構(gòu)動力學建模與分析...........................25

4.1 引言 ................ 25

4.2 基于等效元素法的多剛體動力學方程 .................... 25

第 5 章 3RRP 平面并聯(lián)折展機構(gòu)優(yōu)化設計........................... 37

5.1 引言 ........................... 37

5.2 多目標優(yōu)化數(shù)學模型簡述 ............................... 37

第5章 3RRP 平面并聯(lián)折展機構(gòu)優(yōu)化設計

5.1 引言
在很多的實際工程問題中，對設計方案的綜合評價時，需要進行全方位的衡量，要將多個指標納入考察范圍。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)的設計過程中，往往僅憑借設計人員的經(jīng)驗直觀判斷,采用試湊法、類比法來完成設計，因而無法得到最優(yōu)設計方法本章節(jié)在前面章節(jié)對運動學、力學分析的基礎上，對并聯(lián)折展機構(gòu)進行尺寸優(yōu)化設計。由第四章的力學分析可知，伸縮臂液壓缸受力遠大于動臂液壓缸。因此本章中針對伸縮臂液壓缸的受力進行分析，研究目的是獲得折展機構(gòu)各個機構(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。因此需要將各個工況的最大載荷選取出來，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準。解決這一問題可用多目標優(yōu)化的思想來求解。

5.2 多目標優(yōu)化數(shù)學模型簡述
該折展機構(gòu)具有兩個轉(zhuǎn)動自由度和一個移動自由度，是一種 3RRP 平面并聯(lián)機構(gòu)，其尺寸既要能夠滿足工作空間要求，又要滿足整機體積要求的限制。由圖 2-7給出了拆裝機械的三個極限工況，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，建立優(yōu)化數(shù)學模型，求得折展機構(gòu)的尺寸及鉸點分布最優(yōu)解。如圖 5-2 所示建立坐標系，以動臂鉸點 O3作為坐標系的原點。轉(zhuǎn)臺水平面為X 軸，垂直轉(zhuǎn)臺方向為 Y 軸。O4和 O5分別為伸縮臂液壓缸、動臂液壓缸的鉸點位置；O1為伸縮臂液壓缸與伸縮臂的交點，O2為動臂與伸縮臂的交點；1  為伸縮臂與伸縮臂液壓缸的夾角；2  為動臂與動臂液壓缸的夾角；3  為動臂的水平夾角；L1為伸縮臂長度；L2為 O1和 O2的距離；L3為動臂長度；L4為伸縮臂液壓缸下鉸點距離原點的距離；L5為動臂液壓缸下鉸點距離原點的距離；L6為動臂液壓缸在動臂上的支撐距離。F1、F2分別為伸縮臂液壓缸、動臂液壓缸的受力；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)合國家重大項目“神光Ⅲ”而做，為激光裝置主機物理診斷設備的裝載和維護設計拆裝機械。該設備具有大型重載、多自由度、高精度的特點。在課題的研究內(nèi)容中先后得到機構(gòu)運動學模型、動力學模型，并給出機構(gòu)設計的最優(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)新機構(gòu)的原理，完成了整機結(jié)構(gòu)的詳細設計。通過 ANSYS 建立有限元模型，完成了整機的剛度與強度分析，驗證了拆裝機械的安全可靠性。該設備的工作原理、機構(gòu)形式可為類似機械的設計和研究提供設計參考。（2）建立了拆裝機械的運動學模型，基于齊次變換矩陣推導了組件末端在絕對坐標系中的位置坐標的顯示表達式獲取組件末端的有效工作空間，證明了折展機構(gòu)的空間可達性；對動臂、伸縮臂及工作裝置進行了運動分析，得到其速度、加速度等機構(gòu)運動學特性，為動力學分析提供基礎。
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參考文獻（略）