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JX17-48 【JX17-48】水压驱动三自由度并联运动平台设计二维+论文

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1 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告（详细版）论文相似性检测报告（详细版） 报告编号：报告编号：c27a6937-cca0-432d-9a8b-a74e015d878e 原文字数：原文字数：11,307 检测日期：检测日期：2017年04月07日 检测范围：检测范围：中国学术期刊数据库（CSPD）、中国学位论文全文数据库（CDDB）、中国学术会议论文数据库（CCPD）、中国学术网页数据库（CSWD） 检测结果：检测结果： 一、总体结论一、总体结论 总相似比：0.00%0.00% (参考文献相似比：0.00%0.00%，排除参考文献相似比：0.00%0.00%) 二、相似片段分布二、相似片段分布 注：绿色区域绿色区域为参考文献相似部分，红色区域红色区域为其它论文相似部分。 三、相似论文作者三、相似论文作者 四、典型相似论文四、典型相似论文 五、相似论文片段五、相似论文片段 查看全文报告请点击 说明： 1.总相似比送检论文与检测范围全部数据相似部分的字数/送检论文总字数 2.参考文献相似比送检论文与其参考文献相似部分的字数/送检论文总字数 3.排除参考文献相似比=总相似比-参考文献相似比 4.剩余相似比总相似比-典型片段总相似比 头部中前部中部中后部尾部 2 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告 5.本报告为检测系统算法自动生成，仅供参考 1 绪论1.1 课题研究背景随着世界各地对海洋关注的加大，陆地资源紧缺，沿海地区不断加大对海洋的开发和探索。越来越多规模越来越大的海洋工程设备被投入使用。但是海洋平台、船舶在海上工作时，会受到海上风、浪、流等环境因素的影响，会产生六个方向上的运动，其中横摇、纵摇、垂荡对工作的印象最大，如图 11。由于海洋环境的影响使得这些载体设备产生的多种运动不仅会使工作人员产生不良的身体反映，降低工作效率，还会影响设备自身的工作情况，影响科研工作、生产活动。本论文将设计一个三自由度运动补偿平台来补偿这些运动的影响，提供一个稳定的工作平台。图 11 扰动示意图1.2 国内外研究并联机构首次提出就得到了世界工程界的广泛认可，目前主要应用在运动模拟器、操作器、并联机床和微动机构等。本文研究的运动补偿平台是一种动基座的平台，该平台的原理是在一套实时检测装置的基础上进行运动补偿来隔离扰动，提供稳定的工作环境。运动补偿平台能隔离载体的扰动，应用广泛。世界对海洋的关注度越来越高，对海洋资源开采的形式也越来越多样化，运动补偿平台能够保障这些设备的工作精度，使其工作环境更加稳定。因此对新型运动补偿平台的研究是提高我国海洋经济发展、科考能力、国防能力的关键。1.2.1 国外发展情况最早对并联机构的研究记载出现在1928年，随着电影行业的发展，人们不再只满足视觉上的享受，当时美国一位叫Gwinnett的学者设计了一种用于娱乐的并联机构如图 12 用于娱乐的空间并联机构1，该机构是为了能够给看电影的观众制造出一种动感，以配合电影情景，使人们从视觉上与身体上感受电影。由于当时制造技术有限，方案并没有形成产品，但是该机构方案是有记载的第一个并联方案。 图 12 用于娱乐的空间并联机构11965年英国一位学者Stewart2设计了一种空间六自由度机构，它由六条支链构成（简称为Stewart平台）图 13，并提出将其应用在飞行器的模拟运动上。并联机构第一次在世界上亮相，并引起了世界工程界和学术界的轰动。图 13 Gough-Stewart机构1988 年，瑞士联邦技术学院的 Clavel 等人首次提出了一种具有三个平动的自由度的机构（DELTA 机构），被视为3自由度并联机构发展史上的一个里程碑3，DELTA机构后来得到了众多学者的研究，得到了广泛的应用。随着并联机构与调平技术的发展，能够实现运动补偿的平台也得到了很大的推广，运动补偿平台能够隔离舰船、海洋平台等多个自由度扰动的影响，提供一个较为稳定的工作环境。目前国外军事应用上的并联机构已经相当成熟如美军的舰载天线稳定系统、Honeywell公司的惯性姿态稳瞄跟踪系统、日本三菱电气公司的90式坦克火控系统、德国的iICSC-OFS平台等等。随着技术的发展，运动补偿平台在民用方面也得到很大的推广，BRAGE MASTER公司生产的舰载三自由运动补偿平台如图 14能够补偿2.5米的海浪高度，能够满足多种多样的施工要求，增加了海上建筑工程的安全性。 图 14 MPT-700 三自由度补偿平台1.2.2 国内发展情况并联机构凭借其负载高、动作反应快的优点在多种领域得到了应用，如并联机床、模拟器、误差补偿器等诸多领域。中科院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、燕山大学和清华大学是国内较早研究并联机构的科研单位，取得了非常不错的成果。虽然我国对运动补偿平台技术的研究起步较晚，但是经过20多年的研究，我国已进入自主研发的阶段，并且取得了较好的成绩。如我国航天北控集团和航天时代电子事务所研制的船载气象卫星云图接收系统，技术已经成型并且在“雪龙”号上应用。此外北京618厂的光电稳定装置、西安应用光学研究所的两级瞄准稳定系统都是较为成熟的研究成果。1.3 课题研究意义对于并联机构的研究和应用已经越来越成熟。其中6自由度机构的研究较多，但是在实际应用中常常不需要这么多的自由度，自由度多它的支链就会多所需要的驱动也会增加，控制更加复杂，需要的经费也多。在满足补偿空间要求的前提下尽可能减少自由度的数量，会使其更具有经济效益。运动补偿平台的研究十分必要，因为对它对国防的建设和经济的发展有着重要的作业。1.4 本章小结本章对并联机构及其在运动补偿方面的应用做了一些简单的介绍，对课题的意义进行了诠释，使读者对并联机构的运动补偿平台有初步的了解。72 并联机构概述并联机构由两个或多个分支机构并联而成，它与串联机构的区别在于，它的分支机构可以同时接受输入，共同决定输出。本文介绍的运动补偿平台是一种三自由度并联机构由动平台、静平台与原动件组成，驱动方式一般为液压、机械等传动方式，平台与原动件之间通过铰链连接，通过选择铰链的类型来实现预期的运动。不同的铰链构成不同的支链类型，从而决定了平台的结构类型。其中铰链的位置关系尺寸决定着这个机构的能动性与工作空间，必要的约束使其自由度得到限制。2.1 三自由度并联机构构型三自由度并联机构的构型有多种，所能实现的功能也不同，根据不同的工作需求我们可以在表 21三自由度并联机构分类 的基础上对机构进行初步的选型。 表 21三自由度并联机构分类3- -（3-） -1- 为了使得结构更加简单，制造更加方便，并联机构运动链的设计一般可遵循对称原则：（1）各个运动支链的自由度应相等；（2）运动支链下端的驱动器数量应相同；（3）驱动器的安装位置应相同。还必须要充分考虑到并联机构的结构本身应该是比较简单、紧凑、合理4。2.2 机构对比并联机构按照支链的驱动方式可分为一下两种形式：图 21“定杆长”三自由度机构图 22 “腿伸缩”三自由度机构图 21“定杆长”三自由度机构该机构中各个分支的杆长是一定的，杆的一端可以滑动，从而改变平台的位姿，滑动的实现方法一般是滑块或者通过丝杆螺母来传动，整个机构的工作占用的空间相对较大。图 22 “腿伸缩”三自由度机构5是比较传统的机构形式，它是通过改变各个分支的杆长来实现平台位姿的改变，这种驱动方式主要是使用液压缸，电动缸。2.3 自由度计算及机构方案确定2.3.1 自由度介绍空间机构自由度的计算可按Kutzbach-Grbler公式，机构的自由度F6： 上式中，各个字母对应参数如下：F机构自由度；n构件数；g运动副数；fi运动副的自由度；d机构公共约束因子；机构公共约束数；本文采用了较多的万向铰，但是由于万向铰的特殊性，其安装角度的变化会使得平台的自由度发生变化。如图 23 一种3-UPU平台自由度按公式计算为3，图 24 另一种3-UPU平台 7按照传统的算法得出的自由度也是3，但是通过观察不难可以看出该机构不仅可以做3个方向的平移，还可以做绕z轴的转动，其实际自由度为4。图 23 一种3-UPU平台 图 24 另一种3-UPU平台2.3.2 方案自由度分析YXZ图 25 3-UPU平台 图 26 平台方案图 27 方案机构简图通过对现有平台的分析比较，参考现有产品及发表的论文，结合舰载平台所需要的一些特质，如需要大的负载能力，快速的动作响应，平台尺寸大，需要具有灵活的安装空间等，本文设计了如图 26的液压驱动平台。本文所要设计的3-UPU方案，万向铰平行布置如图 25，按照公式计算出的自由度为3，但是通过观察，该平台可做3个平移，3个转动的运动，为了限制多余的自由度，中间增加三只连杆结构的防扭臂，左右两侧的防扭臂可限制平台Y方向的平移，后面的防扭臂可限制平台X方向的位移，三只防扭臂共同限制平台绕Z轴的转动8。三只防扭臂能够限制复杂的自由度，结构比较简单，也使整体结构更加紧凑，对运动副的长期工作起到一定的保护作用，机构简图如图 27。机构所用的零部件简洁，加工难度小成本低。对于该平台自由度计算的方法，可用Kutzbach-Grbler的修正公式及反螺旋理论：Kutzbach-Grbler的修正公式： Kutzbach-Grubler 公式修正项，它包含了机构内部存在的局部自由度、消极自由度和冗余的虚约束等。通过螺旋理论分析，该平台包含1个冗余的虚约束，1个消极自由度，3个局部自由度 9。2.4 功能描述基本尺寸确定图 28 铰链分布表 22 预计功能尺寸内容尺度载重1000kgX轴摇摆角度30Y轴摇摆角度30 Z轴位移100mm 本文初定平台载重1000kg，上下平台铰链呈120分布在半径为600mm的圆上，如图 28 铰链分布。预计完成设计任务如表 22。通过杆长变化尺寸可初步选出液压缸整体长度尺寸，以进行分析。3 方案设计表 41平台设计参数表内容尺度载重1000kgX轴摇摆角度30Y轴摇摆角度30 Z轴位移100mm 表 41平台设计参数表给出了平台的一些基本功能尺寸，部分设计尺寸比表 22 预计功能尺寸要大，才能保证平台的补偿范围在理想的范围内。在此基础上进行各零件的设计与校核。3.1 上平台与下平台的设计图 31方形钢管上下平台的设计选择了Q235冷轧方形钢管110*75*7如图 31焊接而成。Q235属于低碳钢，有很多型材的材质都是Q235，因为它的焊接性好，成型能力好，并且具有一定的塑性，价格相对也便宜，整体的性价比高。焊接架需要再焊接几块钢板以实现液压缸、防扭臂的定位，采用焊接的方法比整体铸造所需要的时间更少，整体重量轻，其示意图如图4-3。图 32 下平台示意图b )下平台二维图a ) 下平台三维图3.2 防扭臂设计图 33 防扭臂支撑上平台示意图防扭臂的作用：1. 在系统工作时，起到限制工作平台两个平移及一个转动自由度的同时。2. 在系统停止工作时候，对平台起到了一个支撑作用，同时也限制了液压缸的行程、保护液压缸。它在起支撑作用时，它的受力是最大的，如图 33支撑示意图。系统不工作时，液压缸在平台自身重量，及负载的作用下油杆会收缩，为了保护液压缸，应该有行程限制机构，使液压缸不工作时，不会承受太大的负载。下图机构为平台静态时的一个支撑机构，从图 33中可以看出，当系统不工作时，上平台由各个防扭臂中间的立柱支撑。把防扭臂当作外伸梁进行分析，受力如下图x图 34防扭臂受力分析图及弯矩图其中：L=600mm考虑到系统自身的重量取受力分析： 可得：最大弯矩值： 抗弯截面系数：h=16mm，b=240mm 应力： 计算满足要求公式中：M最大弯矩值。W方钢截面的抗弯模量。s45号钢屈服极限，这里采用45号钢。弯曲许用应力，n为安全系数这里取1.5，。3.3 转动副设计图 35 转动副结构图本文中选用的转动副，采用销轴与石墨套筒配合的形式实现，石墨套筒具有自润滑的效果。上耳板与下耳板采用NM360耐磨钢焊接组成，NM360具有良好耐磨性能、可焊接性等性能，可以保证转动副的长时间工作。3.3.1 销轴弯曲强度计算1 将销轴简化为简支梁分析：图 36 销轴受力图其中：d=18mm，L0=40mm最大弯矩： 抗弯截面系数： 应力： 公式中：M最大弯矩值；W抗弯模量；s45号钢屈服极限，这里采用45号钢n安全系数，这里取2则2销轴按双剪切强度计算图 37销轴受力分析销轴受力如图 37所示，根据受力情况，销轴中段相对于上、下两段，沿两个截面向右错动。所以有两个剪切面，其面积记为A，d=18mm，。由平衡方程容易得出： 横截面上的切应力： 6.88MPa 125MPa公式中： d 销轴直径许用剪切应力， 45号钢 3.3.2 耳板强度校验耳板材料NM360耐磨钢，上下耳板厚度=30mm、=10mm。1耳板孔壁承压应力验算上耳板： 计算满足。2下耳板验算： 计算满足。公式中：N构件传递给耳板的力； 耳板承受压力的面积， 为孔壁承受压力总的厚度。耳板孔壁的许用承压应力，采用NM360钢取值为。3.4 万向铰链设计图 38 现有万向铰结构 图 39万向铰结构图本文万向铰的设计参考了现有产品的结构，采用十字轴承连接两个支座，通过4个卡簧进行固定，可实现大范围的转动。十字轴承型号为GMB JAPAN。本文十字轴主要作为连接件，根据其受力特征，将十字轴简化为简支梁进行分析：图 310十字轴承受力示意图考虑到平台工作时角度的变化与加速度的作用，平台对每根支腿的力取10000N，D=25mm，d=8mm，L0=63mm。1.危险截面分析危险截面是弯矩最大的面，该零件中显然是十字轴承中心处的截面。2.危险截面弯矩： =157.5 Nm3.钢管抗弯截面系数： 4.十字轴的弯曲应力 =57.04MPa满足设计条件。式中： 十字轴受力，即平台通过耳板传给十字轴的力；D 十字轴承的外径；d十字轴承的内径；W钢管抗弯截面系数；本文中十字轴承的材质为42CrMo，查手册得其屈服极限为，一般可取它的安全系数n=3，则有。摘 要海上的漂浮结构物如船舶、FPSO等，在海上作业时会受到海上风、浪、流等多种因素的影响，导致工作平台发生振荡运动，不仅会影响工作人员的身体状况，导致工作效率下降，使设备不能正常工作，还会给海上作业带来安全隐患，造成不必要的损失。一般认为运动海洋浮动平台的横摇、纵摇、垂荡运动的振幅较大，对海上结构物的影响最显著。针对海上平台运动的状况，设计了一种基于三自由度并联机构的海洋平台运动补偿装置，通过控制并联机构各个分支的油缸长度，实现对垂荡、横摇和纵摇运动的补偿。基于并联机构运动理论，建立了三自由度并联运动补偿机构的运动模型，进行了机构设计和机构分析；计算了补偿相关运动时，油缸杆长度和速度的变化状况；通过圆柱坐标的空间搜索法，搜索该机构的所能给出的运动补偿空间；并进行了该装置的机械结构设计、液压系统方案设计、系统主要机械零部件的强度校核和选型计算等。关键词：并联机构；机构分析 ；机构设计；补偿运动空间AbstractMarine floating structures as ship, FPSO and so on suffer from serious sea load like wind, wave and current. Oscillation motions induced by sea load not only affect health condition of crews abroad but also cause some safety problems. For marine floating structures, generously, motions of heave, roll and pitch have larger amplitude and have much effects on structures. According to condition of marine floating structures, a motion compensation equipment based on 3 d.o.f parallel mechanism is conceived and design. It controls the length of cylinder of each branch and implements compensation to motions of heave, pitch and roll. Based on theory of parallel mechanism, the kinematic model of a three d.o.f parallel mechanism is developed and the mechanism design and analysis are carried out. The change of displacement and velocity of cylinders are given based on inverse analysis of parallel mechanism when the motions are compensated and the compensation work-space is calculated, too. The design of mechanical structure and hydraulic system are introduced and the verification of component strength and selection of key parts are presented too.Keywords: Parallel Mechanism; Mechanism Analysis; Mechanism Design; Motion Compensation Workspace目 录1绪论11.1课题研究背景11.2国内外研究11.2.1国外发展情况21.2.2国内发展情况31.3课题研究意义32并联机构概述52.1三自由度并联机构构型52.2机构对比62.3自由度计算及机构方案确定62.3.1自由度介绍62.3.2方案自由度分析72.4功能描述基本尺寸确定83方案设计93.1上平台与下平台的设计93.2防扭臂设计103.3转动副设计123.3.1销轴弯曲强度计算123.3.2耳板强度校验143.4万向铰链设计154运动补偿平台液压系统建立174.1液压缸选型校验184.1.1缸筒设计184.1.2缸径的计算194.1.3缸筒壁厚的计算194.1.4活塞杆的设计204.2液压泵的选择214.2.1确定液压泵的压力和流量214.2.2确定驱动液压泵的功率22结论23参考文献24致谢26III1 绪论1.1 课题研究背景随着世界各地对海洋关注的加大，陆地资源紧缺，沿海地区不断加大对海洋的开发和探索。越来越多规模越来越大的海洋工程设备被投入使用。但是海洋平台、船舶在海上工作时，会受到海上风、浪、流等环境因素的影响，会产生六个方向上的运动，其中横摇、纵摇、垂荡对工作的印象最大，如图 11。由于海洋环境的影响使得这些载体设备产生的多种运动不仅会使工作人员产生不良的身体反映，降低工作效率，还会影响设备自身的工作情况，影响科研工作、生产活动。本论文将设计一个三自由度运动补偿平台来补偿这些运动的影响，提供一个稳定的工作平台。图 11 扰动示意图1.2 国内外研究并联机构首次提出就得到了世界工程界的广泛认可，目前主要应用在运动模拟器、操作器、并联机床和微动机构等。本文研究的运动补偿平台是一种动基座的平台，该平台的原理是在一套实时检测装置的基础上进行运动补偿来隔离扰动，提供稳定的工作环境。运动补偿平台能隔离载体的扰动，应用广泛。世界对海洋的关注度越来越高，对海洋资源开采的形式也越来越多样化，运动补偿平台能够保障这些设备的工作精度，使其工作环境更加稳定。因此对新型运动补偿平台的研究是提高我国海洋经济发展、科考能力、国防能力的关键。1.2.1 国外发展情况最早对并联机构的研究记载出现在1928年，随着电影行业的发展，人们不再只满足视觉上的享受，当时美国一位叫Gwinnett的学者设计了一种用于娱乐的并联机构如图 12 用于娱乐的空间并联机构1，该机构是为了能够给看电影的观众制造出一种动感，以配合电影情景，使人们从视觉上与身体上感受电影。由于当时制造技术有限，方案并没有形成产品，但是该机构方案是有记载的第一个并联方案。 图 12 用于娱乐的空间并联机构11965年英国一位学者Stewart2设计了一种空间六自由度机构，它由六条支链构成（简称为Stewart平台）图 13，并提出将其应用在飞行器的模拟运动上。并联机构第一次在世界上亮相，并引起了世界工程界和学术界的轰动。图 13 Gough-Stewart机构1988 年，瑞士联邦技术学院的 Clavel 等人首次提出了一种具有三个平动的自由度的机构（DELTA 机构），被视为3自由度并联机构发展史上的一个里程碑3，DELTA机构后来得到了众多学者的研究，得到了广泛的应用。随着并联机构与调平技术的发展，能够实现运动补偿的平台也得到了很大的推广，运动补偿平台能够隔离舰船、海洋平台等多个自由度扰动的影响，提供一个较为稳定的工作环境。目前国外军事应用上的并联机构已经相当成熟如美军的舰载天线稳定系统、Honeywell公司的惯性姿态稳瞄跟踪系统、日本三菱电气公司的90式坦克火控系统、德国的iICSC-OFS平台等等。随着技术的发展，运动补偿平台在民用方面也得到很大的推广，BRAGE MASTER公司生产的舰载三自由运动补偿平台如图 14能够补偿2.5米的海浪高度，能够满足多种多样的施工要求，增加了海上建筑工程的安全性。 图 14 MPT-700 三自由度补偿平台1.2.2 国内发展情况并联机构凭借其负载高、动作反应快的优点在多种领域得到了应用，如并联机床、模拟器、误差补偿器等诸多领域。中科院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、燕山大学和清华大学是国内较早研究并联机构的科研单位，取得了非常不错的成果。虽然我国对运动补偿平台技术的研究起步较晚，但是经过20多年的研究，我国已进入自主研发的阶段，并且取得了较好的成绩。如我国航天北控集团和航天时代电子事务所研制的船载气象卫星云图接收系统，技术已经成型并且在“雪龙”号上应用。此外北京618厂的光电稳定装置、西安应用光学研究所的两级瞄准稳定系统都是较为成熟的研究成果。1.3 课题研究意义对于并联机构的研究和应用已经越来越成熟。其中6自由度机构的研究较多，但是在实际应用中常常不需要这么多的自由度，自由度多它的支链就会多所需要的驱动也会增加，控制更加复杂，需要的经费也多。在满足补偿空间要求的前提下尽可能减少自由度的数量，会使其更具有经济效益。运动补偿平台的研究十分必要，因为对它对国防的建设和经济的发展有着重要的作业。252 并联机构概述并联机构由两个或多个分支机构并联而成，它与串联机构的区别在于，它的分支机构可以同时接受输入，共同决定输出。本文介绍的运动补偿平台是一种三自由度并联机构由动平台、静平台与原动件组成，驱动方式一般为液压、机械等传动方式，平台与原动件之间通过铰链连接，通过选择铰链的类型来实现预期的运动。不同的铰链构成不同的支链类型，从而决定了平台的结构类型。其中铰链的位置关系尺寸决定着这个机构的能动性与工作空间，必要的约束使其自由度得到限制。2.1 三自由度并联机构构型三自由度并联机构的构型有多种，所能实现的功能也不同，根据不同的工作需求我们可以在表 21三自由度并联机构分类 的基础上对机构进行初步的选型。 表 21三自由度并联机构分类3- -（3-） -1- 为了使得结构更加简单，制造更加方便，并联机构运动链的设计一般可遵循对称原则：（1）各个运动支链的自由度应相等；（2）运动支链下端的驱动器数量应相同；（3）驱动器的安装位置应相同。还必须要充分考虑到并联机构的结构本身应该是比较简单、紧凑、合理4。2.2 机构对比并联机构按照支链的驱动方式可分为一下两种形式：图 21“定杆长”三自由度机构图 22 “腿伸缩”三自由度机构图 21“定杆长”三自由度机构该机构中各个分支的杆长是一定的，杆的一端可以滑动，从而改变平台的位姿，滑动的实现方法一般是滑块或者通过丝杆螺母来传动，整个机构的工作占用的空间相对较大。图 22 “腿伸缩”三自由度机构5是比较传统的机构形式，它是通过改变各个分支的杆长来实现平台位姿的改变，这种驱动方式主要是使用液压缸，电动缸。2.3 自由度计算及机构方案确定2.3.1 自由度介绍空间机构自由度的计算可按Kutzbach-Grbler公式，机构的自由度F6： 上式中，各个字母对应参数如下：F机构自由度；n构件数；g运动副数；fi运动副的自由度；d机构公共约束因子；机构公共约束数；本文采用了较多的万向铰，但是由于万向铰的特殊性，其安装角度的变化会使得平台的自由度发生变化。如图 23 一种3-UPU平台自由度按公式计算为3，图 24 另一种3-UPU平台 7按照传统的算法得出的自由度也是3，但是通过观察不难可以看出该机构不仅可以做3个方向的平移，还可以做绕z轴的转动，其实际自由度为4。图 23 一种3-UPU平台 图 24 另一种3-UPU平台2.3.2 方案自由度分析YXZ图 25 3-UPU平台 图 26 平台方案图 27 方案机构简图通过对现有平台的分析比较，参考现有产品及发表的论文，结合舰载平台所需要的一些特质，如需要大的负载能力，快速的动作响应，平台尺寸大，需要具有灵活的安装空间等，本文设计了如图 26的液压驱动平台。本文所要设计的3-UPU方案，万向铰平行布置如图 25，按照公式计算出的自由度为3，但是通过观察，该平台可做3个平移，3个转动的运动，为了限制多余的自由度，中间增加三只连杆结构的防扭臂，左右两侧的防扭臂可限制平台Y方向的平移，后面的防扭臂可限制平台X方向的位移，三只防扭臂共同限制平台绕Z轴的转动8。三只防扭臂能够限制复杂的自由度，结构比较简单，也使整体结构更加紧凑，对运动副的长期工作起到一定的保护作用，机构简图如图 27。机构所用的零部件简洁，加工难度小成本低。对于该平台自由度计算的方法，可用Kutzbach-Grbler的修正公式及反螺旋理论：Kutzbach-Grbler的修正公式： Kutzbach-Grubler 公式修正项，它包含了机构内部存在的局部自由度、消极自由度和冗余的虚约束等。通过螺旋理论分析，该平台包含1个冗余的虚约束，1个消极自由度，3个局部自由度 9。2.4 功能描述基本尺寸确定图 28 铰链分布表 22 预计功能尺寸内容尺度载重1000kgX轴摇摆角度30Y轴摇摆角度30 Z轴位移100mm 本文初定平台载重1000kg，上下平台铰链呈120分布在半径为600mm的圆上，如图 28 铰链分布。预计完成设计任务如表 22。通过杆长变化尺寸可初步选出液压缸整体长度尺寸，以进行分析。3 方案设计表 41平台设计参数表内容尺度载重1000kgX轴摇摆角度30Y轴摇摆角度30 Z轴位移100mm 表 41平台设计参数表给出了平台的一些基本功能尺寸，部分设计尺寸比表 22 预计功能尺寸要大，才能保证平台的补偿范围在理想的范围内。在此基础上进行各零件的设计与校核。3.1 上平台与下平台的设计图 31方形钢管上下平台的设计选择了Q235冷轧方形钢管110757如图 31焊接而成。Q235属于低碳钢，有很多型材的材质都是Q235，因为它的焊接性好，成型能力好，并且具有一定的塑性，价格相对也便宜，整体的性价比高。焊接架需要再焊接几块钢板以实现液压缸、防扭臂的定位，采用焊接的方法比整体铸造所需要的时间更少，整体重量轻，其示意图如图4-3。图 32 下平台示意图b )下平台二维图a ) 下平台三维图3.2 防扭臂设计图 33 防扭臂支撑上平台示意图防扭臂的作用：1. 在系统工作时，起到限制工作平台两个平移及一个转动自由度的同时。2. 在系统停止工作时候，对平台起到了一个支撑作用，同时也限制了液压缸的行程、保护液压缸。它在起支撑作用时，它的受力是最大的，如图 33支撑示意图。系统不工作时，液压缸在平台自身重量，及负载的作用下油杆会收缩，为了保护液压缸，应该有行程限制机构，使液压缸不工作时，不会承受太大的负载。下图机构为平台静态时的一个支撑机构，从图 33中可以看出，当系统不工作时，上平台由各个防扭臂中间的立柱支撑。把防扭臂当作外伸梁进行分析，受力如下图x图 34防扭臂受力分析图及弯矩图其中：L=600mm考虑到系统自身的重量取 受力分析： 可得：最大弯矩值： 抗弯截面系数：h=16mm，b=240mm 应力： 计算满足要求公式中：M最大弯矩值。W方钢截面的抗弯模量。s45号钢屈服极限，这里采用45号钢。弯曲许用应力，n为安全系数这里取1.5 ，3.3 转动副设计图 35 转动副结构图本文中选用的转动副，采用销轴与石墨套筒配合的形式实现，石墨套筒具有自润滑的效果。上耳板与下耳板采用NM360耐磨钢焊接组成，NM360具有良好耐磨性能、可焊接性等性能，可以保证转动副的长时间工作。3.3.1 销轴弯曲强度计算1 将销轴简化为简支梁分析：图 36 销轴受力图其中：d=18mm，L0=40mm最大弯矩： 抗弯截面系数： 应力： 公式中：M最大弯矩值；W抗弯模量；s45号钢屈服极限，这里采用45号钢n安全系数，这里取2则 2销轴按双剪切强度计算图 37销轴受力分析销轴受力如图 37所示，根据受力情况，销轴中段相对于上、下两段，沿两个截面向右错动。所以有两个剪切面，其面积记为A，d=18mm，。由平衡方程容易得出： 横截面上的切应力： 6.88MPa 125MPa公式中： d 销轴直径许用剪切应力， 45号钢 3.3.2 耳板强度校验耳板材料NM360耐磨钢，上下耳板厚度=30mm、=10mm。1耳板孔壁承压应力验算上耳板： 计算满足。2下耳板验算： 计算满足。公式中：N构件传递给耳板的力； 耳板承受压力的面积， 为孔壁承受压力总的厚度。耳板孔壁的许用承压应力，采用NM360钢取值为。3.4 万向铰链设计图 38 现有万向铰结构 图 39万向铰结构图本文万向铰的设计参考了现有产品的结构，采用十字轴承连接两个支座，通过4个卡簧进行固定，可实现大范围的转动。十字轴承型号为GMB JAPAN。本文十字轴主要作为连接件，根据其受力特征，将十字轴简化为简支梁进行分析：图 310十字轴承受力示意图考虑到平台工作时角度的变化与加速度的作用，平台对每根支腿的力取10000N，D=25mm，d=8mm，L0=63mm。1.危险截面分析危险截面是弯矩最大的面，该零件中显然是十字轴承中心处的截面。2.危险截面弯矩： =157.5 Nm3.钢管抗弯截面系数： 4.十字轴的弯曲应力 =57.04MPa满足设计条件。式中： 十字轴受力，即平台通过耳板传给十字轴的力；D 十字轴承的外径；d十字轴承的内径；W钢管抗弯截面系数；本文中十字轴承的材质为42CrMo，查手册得其屈服极限为，一般可取它的安全系数n=3，则有。4 运动补偿平台液压系统建立本文中主要对机构进行原理的设计及方案的确定，对控制进行原理上了解，其控制程序本文不再进行设计，本章中将对其液压驱动系统进行简单的设计、选型和液压原理图的绘制。图 41控制原理图该系统控制原理主要基于MIMU惯性测量单元16与并联机构的运动学反解原理，通过MIMU测量单元测量动基座的位姿，将信号传给电脑，通过反解得出杆长变化量，将信号传给伺服阀，控制液压缸的伸缩量，达到运动补偿的效果。同时液压缸上有位移传感器，及时将位移的检测信号传给计算机，以达到准确控制的目的。图 42 三自由度运动补偿平台液压原理图本文中并联机构的三个分支支链的驱动相同的液压系统结构，高性能的伺服比例阀能够较好的控制液压缸行程，液压缸自带位移传感器能够反馈位移信息，其液压原理图如图 42 三自由度运动补偿平台液压原理图所示。4.1 液压缸选型校验平台预计载重1T考虑到平台自身重量及工作时角度的变化等因素，取液压缸的推力为10000N；行程500mm。该选型校验主要参考了文献17机械设计手册单行本液压传动，由于本人缺乏实际经验，如有不足之处，请共同探讨。4.1.1 缸筒设计1)、缸筒的要求缸筒必须要有足够的强度和刚度保证液压缸及活塞长时间工作后不变形， 2)、缸筒材料的选取与强度给定本次设计选取45号钢，材料的屈服强度s=360MPa；抗拉强度b=610MPa；许用应力 。其中n=5是选取的安全系数，来源于下表：表 51液压缸安全系数表 358123)、液压缸效率，这里不再细说，取：m=0.9v=1d=0.9 总效率 取 缸径的计算缸径D可按下式初步计算：负载为推力： 负载为拉力式中 负载率，取=0.6 总效率，取=0.8P 液压缸的供油压力，取5MPad 活塞杆直径。本文液压缸负载形式为推力，根据式可得内径：D=72mm根据标准可以取为80mm。4.1.3 缸筒壁厚的计算缸筒的壁厚可按下式计算： 关于0不同的值，可分为下列情况进行计算：当 时，可用薄壁缸筒的使用计算式： 当时，可用实用公式： 式中： 最高允许压力； 缸筒材料的屈服强度；根据手册预取=10此时/D=10/80=0.125 使用薄壁缸筒计算式来计算： ，所以： 根据式得到壁厚：=4.2mm根据MOB液压缸标准表可查得，内径80的液压缸，壁厚为10所以取壁厚为10mm。4.1.4 活塞杆的设计1、 杆直径的计算活塞杆的直径可由标准表格查得：d=32mm2、杆强度的计算杆端部的负载连接点与 ，如果：成立则有： 式中 材料的屈服强度，45号钢为360MPans安全系数，一般d活塞杆直径。根据式可得：d13.3mmd=32mm强度符合要求。4.2 液压泵的选择4.2.1 确定液压泵的压力和流量由上面可得出液压缸的基本参数：D=80mm，D1=100mm，d=32mm图 43液压缸示意图无杆腔面积： 有杆腔面积： 背压： 压力损失： 最大推力：F=10000N速度：v=300mm/s1、泵压力计算实际工作压力： P=2.3MPa取3MPa按上面计算后的结果是系统的静态压力。液压泵要有一定的压力储备，因为在系统工作时存在动态的压力，动态压力值可能比静态压力要大很多。所以在选泵的额定压力时应选择比系统最高压力大约25%60%。在此选用额定压力： 2、流量计算： 取系统泄漏系数k=1.2综上，所需的液压泵为中低压泵，综合考虑后，选用轴向柱塞泵做为液压站的动力源。该泵压力为5MPa，流量为350L/min。4.2.2 确定驱动液压泵的功率驱动功率： 式中： 液压泵的最大工作压力；液压泵的流量；液压泵的总效率。各类液压泵的总效率可参考表 52液压泵的总效率 中的数值估取，变量泵一般取较小值表 52液压泵的总效率液压泵类型 总效率50.850.70.850.80.9取p=0.8由式可得泵功率P=36KW。结论针对海上平台运动的状况，对垂荡、纵摇和横摇