第1章 緒 論

本課題來源于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)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(shè)備用于主機激光裝置項目中物理診斷設(shè)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(shè)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(xué)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(shè)計指標(biāo)，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(shè)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(shè)計指標(biāo)
拆裝機械總體設(shè)計指標(biāo)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(xué)組件的最大重量為 1400kg；（2）能夠單機完成組件的裝載；（3）設(shè)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(shè)備發(fā)生碰撞和干涉；（6）設(shè)備的整潔程度達到靶場及其周圍環(huán)境要求。復(fù)雜的工作環(huán)境對設(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(dāng)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(dāng)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(xué)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(dǎo) .............................5

第 4 章 折展機構(gòu)動力學(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力學(xué)方程 .................... 25

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

5.1 引言 ........................... 37

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

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

5.1 引言
在很多的實際工程問題中，對設(shè)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(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)計過程中，往往僅憑借設(shè)計人員的經(jīng)驗直觀判斷,采用試湊法、類比法來完成設(shè)計，因而無法得到最優(yōu)設(shè)計方法本章節(jié)在前面章節(jié)對運動學(xué)、力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對并聯(lián)折展機構(gòu)進行尺寸優(yōu)化設(shè)計。由第四章的力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。解決這一問題可用多目標(biāo)優(yōu)化的思想來求解。

5.2 多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)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(xué)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(biāo)系，以動臂鉸點 O3作為坐標(biāo)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(shè)備的裝載和維護設(shè)計拆裝機械。該設(shè)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(xué)模型、動力學(xué)模型，并給出機構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)備的工作原理、機構(gòu)形式可為類似機械的設(shè)計和研究提供設(shè)計參考。（2）建立了拆裝機械的運動學(xué)模型，基于齊次變換矩陣推導(dǎo)了組件末端在絕對坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)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(xué)特性，為動力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。
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參考文獻（略）