（机械工程专业论文）精密定位搭载平台的设计与研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在惯性约束聚变( i c f ) 实验中，需要设计一个通用的搭载平台将各种诊断设 备搭载进入实验装置中。搭载平台要求占用有限的空间位置，能提供较大搭载行 程，满足各种诊断设备的高定位精度要求，同时保证实验装置的真空度。本文针 对实验的搭载要求，根据相关的技术指标，设计了一个能满足搭载要求的搭载平 台，此搭载平台机构为一个2 自由度的并联机构与一个移动副的混合，能够满足 诊断设备径向递送与指向调节的需要。 论文首先对并联机构的研究概况进行的了介绍，对搭载平台进行了流程与功 能分析，结合搭载平台的使用条件及设计准则、技术指标，提出了搭载平台的整 体设计方案。将搭载平台分为搭载小车组件、两级伸缩机构、指向调节机构、瞄 准系统四个模块，完成了搭载平台的结构设计。 其次，简要介绍了运动学的相关数学理论，建立的搭载平台的运动学模型， 对搭载平台机构的自由度进行了计算。用解析法解出了机构的运动学正解，并解 出机构的运动学逆解，利用解出的逆解，计算出了两电动推杆的理论长度调整精 度。 一 再次，运用虚拟样机技术，基于指向调整的流程，将搭载平台的p r o e 模型导 入p r o m e c h a n i s m 中进行运动学仿真，得到两个电动推杆的位移、速度、加速度曲 线，确定了两电动推杆的行程。对搭载平台的驱动力进行仿真，得到了出两个电 动推杆的驱动力，为电动推杆的选型提供参考。 最后，对搭载平台的瞄准系统进行了设计，阐述了搭载平台所采用的双c c d 交汇瞄准系统的原理，根据其原理完成了瞄准系统的结构设计，并介绍了瞄准过 程的图像处理方法及软件设计。 关键字：搭载平台，结构设计，运动学分析，仿真，双c c d 交汇瞄准 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t d u r m gt h ee x p e r i m e n to fi n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) ，ac o m m o nd i a g n o s t i c i n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r ( d i m ) i sn e e d e dt ob ed e s i g n e dt oc a r r yv a r i o u sd i a g n o s t i c i n s t r u m e n t si n t ot h e e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y i t i s r e q u i r e dt oo c c u p yl i m i t e ds p a t i a l l o c a t i o n ，b ec a p a b l eo fp r o v i d i n gl a r g e rc a r r y i n gr o u t e ，m e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h p o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fv a r i o u sd i a g n o s t i cf a c i l i t i e sa sw e l la sg u a r a n t e et h ev a c u u mo f t h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lc a r r y i n gr e q u i r e m e n ta n dt h e r e l e v a n tt e c h n o l o g yi n d i c a t o r s ，t h i sp a p e rd e s i g n sad i mw h i c hc a nm e e tt h ec a r r y i n g r e q u i r e m e n t ，w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fap a r a l l e lm e c h a n i s mo ft w od o fa n da t r a n s l a t i o n a la n dc a nm e e tt h en e e do fr a d i a la d j u s ta n d p o i n t i n ga d j u s to f t h ed i a g n o s t i c i n s t r u m e n t s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho v e r v i e w so fp a r a l l e lm e c h a n i s mo f s i xd o fa n dl e s s d o f , a n a l y z e st h ep r o c e d u r e sa n df u n c t i o n so fd i a g n o s t i ci n s t r u m e n t m a n i p u l a t o r , a n dp r o p o s e s t h ew h o l ed e s i g n p r o j e c to fd i a g n o s t i c i n s t r u m e n t m a n i p u l a t o ra c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so fu s a g e ，d e s i g nc r i t e r i aa sw e l la st e c h n o l o g y i n d i c a t o r s i nt h ed e s i g np r o j e c t ，t h ed i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o ri sd i v i d e di n t o f o u rm o d u l e sw h i c hi n c l u d ec a r r yc a r t ，t w o s t a g es t r e t c ho u ta n dd r a wb a c km e c h a n i s m p o i n t i n ga d j u s t e dm e c h a n i s ma n dt a r g e t i n gs y s t e m ，t h e nt h es t r u c t u r ed e s i g n o f d i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r i sf i n i s h e d s e c o n d l y , t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e sr e l e v a n tm a t h e m a t i ct h e o r i e so fk i n e m a t i c s ， b u i l d sk i n e m a t i c a lm o d e lo fd i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r , a n dc a l c u l a t e st h ed o f o fm e c h a n i s mo fd i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r i ts o l v e st h ed i r e c tk i n e m a t i c sa n d i n v e r s ek i n e m a t i c so fm e c h a n i s mb ya p p l y i n ga n a l y s i sm e t h o d ，a n di tc a l c u l a t e s t h e o r e t i c a la d j u s tl e n g t hp r e c i s i o no ft w oe l e c t r o n i ca c t u a t o r ( e a ) b ya p p l y i n gt h e s o l v e di n v e r s ek i n e m a t i c s m o r e o v e r , b ya p p l y i n gv h t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n db a s e do np r o c e s so f p o i n t i n ga d j u s t ，t h i sp a p e rl e a d st h ep r o em o d e lo fd i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r i n t op r o m e c h a n i s mt oc a r r yo nk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ，a i m i n gt og e tt h ed i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc u r v eo ft h et w oe aa n dc o n f i r mt h er o u t eo ft h et w oe a m e a n w h i l e ，b ya p p l y i n gt h es p e e dm o v e m e n tr u l e so ft w oe a ，t h i sp a p e rp r o c e e d st h e s i m u l a t i o no ft h ed r i v i n gf o r c ea n dg e t st h ed r i v i n gf o r c eo ft h et w oe a w h i c hp r o v i d e s t h er e f e r e n e ef o rt h em o d e ls e l e c t i o no fe a t t f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n s t h e t a r g e t i n gs y s t e m o fd i a g n o s t i ci n s t r u m e n t m a n i p u l a t o r , e l a b o r a t e st h ep r i n c i p l eo fd o u b l ec c d i n t e r s e c t i o np o s i t i o n i n gw h i c hi s a p p l i e db yd i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r , f i n i s h e st h es t r u c t u r ed e s i g no ft a r g e t i n g s y s t e ma c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l e ，a n di n t r o d u c e st h ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o da n d s o f t w a r ed e s i g no ft a r g e t i n gp r o c e s s k e y - w o r d s ：d i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r , s t r u c t u r ed e s i g n ，s t r u c t u r ea n a l y s i s ， s i m u l a t i o n ，d o u b l ec c d i n t e r s e c t i o np o s i t i o n i n g i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 随着人类文明的发展，人类从开始的依靠太阳能以及动植物维持生存，到掌 握“钻木取火”，人类学会了利用能源。随着文明的进一步发展，人类对能源的需求 逐步增大，“伐木为薪”被石油、天然气、煤等化石能源所替代。到今天，由于化石 能源的不可再生性，人类已经面临严重的能源危机。寻找新能源，已经成为人类 的迫切需求。现阶段人类所利用的新能源主要有太阳能、风能、地热能、核能等。 其中核能的研究及开发利用已成为最有前景的新能源之一【l j 。 核能主要有裂变能和聚变能两种形式。早在2 0 世纪4 0 年代，人类制造出了 原子弹，原子弹主要是基于重金属元素原子核分裂释放能量的原理。随后又找到 了可控裂变持续释放能量的方法，利用核能发电，实现了核能的和平利用。但是 在地球上核裂变的原料储备极其有限，放射性废料的处理也是个问题。另一种核 能的形式是现在还在实验阶段的聚变能。原子弹爆炸成功后不久，氢弹也获得了 爆炸成功，氢弹的原理就是核聚变。核聚变产生的能量比核裂变要高得多，所以， 核聚变的研究对人类有着特别重要的意义。 一 核聚变能是由较轻的原子核聚变成较重的原子核时释放的能量，较为常见的 是由氢的同位素氚( t ) 和氘( d ) 聚合反应，释放出能量【2 j 。核聚变能具有诸多 的优点，其一是原料储藏丰富，海水中含有丰富的氘，每升海水中大概含有o 0 3 克的氘，据测算在海洋中含有4 5 亿万吨氘。将一升海水所含的氘进行核聚变，其 释放的能量相当于3 0 0 升汽油燃烧释放的能量【3 】。核聚变中需要的氚在自然界是不 存在的，但氚可以依靠中子和锂的作用产生，幸运的是锂在海水中也大量存在。 其二是核聚变能是一种清洁能源，它不会产生放射性物质，不会释放大量的形成 温室效应的气体，同时也没有核废料。其三是核聚变能是一种安全的能源，它可 以持续的在气体中稳定进行，所以它是安全的。 核聚变的诸多优点，让它成为人类研究的热点。人类需要可控的，安全的核 聚变来满足人类日益增长的能源需求。现阶段受控热核聚变能的研究主要有两种 途径，磁约束和惯性约束。磁约束由一个环形密封的磁场将聚变材料约束在其中， 加热聚变材料至几亿摄氏度高温，从而实现核聚变。惯性约束是将聚合材料的混 合气体或固态封装在一个几毫米直径的小球内，依靠外部均匀射入的激光或粒子 束给小球加热，球表面吸收能量向外蒸发，相反的，球内层向内挤压，球内气体 受到挤压后温度急剧升高，从而达到聚变所需温度，实现聚变。 从上个世纪6 0 年代开始，许多国家就对惯性约束聚变( i c f ) 坚持不懈的进 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 行研究。：其中有美国的“国家点火装置”( n i f ) ，见图1 1 所示。n i f 坐落在美国伦 斯利弗奠尔国家实验室，其目的是实现实验室内的i c f 点火，并开展相关的高能 密度物理实验。 图1 1 国家点火装置鸟瞰图 f i g 1 1n i fb u i l d i n ga e r i a lv i e w i c f 的研究需要对许多的物理量进行诊断及检测。随着n i f 实验的发展，与之 相关的激光聚变诊断技术及设备也得到了长足的发展。搭载平台的功能是在不破 坏实验装置的真空环境下，将多种不同的诊断设备载入实验装置中，并提供高精 度的径向、指向调节。图1 2 为美国“国家点火装置”中的搭载平台。 图1 2 n i f 中的搭载平台 f i g 1 2d i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o ri nn i f 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 课题研究的目的及意义 针对惯性约束聚变( i c f ) 实验对诊断设备的搭载要求，本课题以搭载平台为 研究对象，对搭载平台进行理论分析。用运动学的相关理论对其机构进行运动学 正解与逆解，为搭载平台的网络控制提供理论依据。通过运动学仿真，得到机构 驱动件的行程，驱动力等，为机构的选型提供参考。采用了双c c d 交汇瞄准的方 法来实现系统的瞄准。 i c f 诊断设备在实验装置中的位置的精确程度，极大的影响i c f 研究中对许多 的物理量进行诊断及检测的准确度。对搭载平台的设计与研究，为i c f 实验的顺 利进行提供了一个保证。 此外，搭载平台机构采用一个2 自由度的并联机构与一个移动副混合的形式， 并采用了双c c d 交汇瞄准的方法对系统进行瞄准。在现代工业、国防、航空业中， 并联机构的运用越来越广泛。随着科技的发展，工业上精密定位的要求要求越来 越多。所以，搭载平台虽然是对特定装备的需要进行的设计与研究，但其原理可 以推广到工业精密定位平台以及国防航空业中的精密的定位需要。 1 3 并联机构的研究概况 1 3 1 六自由度并联机构的研究概况 通常：悔定平台由2 个或2 个以上支路以并联方式来驱动动平台，使得动平台 具有2 个或2 个以上自由度的机构统称为并联机构，英文名为p a r a l l e lm e c h a n i s m ， 简称p m 。并联机构的发展最早可追溯到2 0 世纪中期，m c g o u g h 研制出了一种并 联机构的：洋机用作轮胎测试平台，如图1 3 所示。 图1 3g o u g h 并联机构 f i g 1 3g o u g hp a r a l l e lm e c h a n i s m 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 9 6 5 年英国工程师s t e w a r t 设计了一种六自由度的并联机构，可用作飞行模拟 器1 4 ，见图1 4 。 图1 4s t e w a r t 提出的飞行模拟器 f i g 1 4f l i g h ts i m u l a t o rd e s i g n e db ys t e w a r t 此种形式的六自由度并联机构后来被统称为s t e w a r t 平台【卯。s t e w a r t 机构由定 平台、动平台及连接两个平台的6 根可以独立伸缩的驱动支路构成，该机构动平 台具有6 个自由度的独立运动。如图1 5 所示。 图1 5 典型的s t e w a r t 平台 f i g 1 5at y p i c a l l ys t e w a r t - p l a t f o r m 随着对这种机构的深入研究，对并联机构的研究也得到了发展。1 9 7 8 年澳大 利亚教授h u n t 提出将s t e w a r t 机构应用到工业机器人中，作为机器人的主机构j 。 次年d t p h a m 和h m e c a l l i o n 真正将s t e w a r t 平台运用在并联机器人上。随着计算 机技术的快速发展，尤其是计算快速、功能强大的工业计算机出现之后，促进了 并联机构的迅速应用和发展【7 1 。到8 0 年代末特别是9 0 年代以来，并联式机器人成 为了新的研究热点。出现了几种基于并联结构的机器人，例如将s t e w a r t 机构应用 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 于装配生产线机器人、自主行走机器人、机器人臂等。1 9 9 4 年，美国芝加哥国际 机床博览会上展出一种s t e w a r t 构型的数控机床，令世人惊叹。许多大型会议也对 s t e w a r t 平台设多个专题讨论，国际上的著名学者w a r l d r o n r o t h 、r o t h 、g o s s e l i n 、 f e n t o n 、m e r l e t 、a n g e l e s 、s u g i m o t o 、l e e 、k u m a r 等均对此作了深入的研究 8 ，9 l 0 1 。 经过数十年的研究与发展，s t e w a r t 平台在科学研究与工业领域得到了广泛的 运用。利用其可承受重载、精度高、响应速度快的优点，s t e w a r t 平台在运动模拟 器上得到运用。如图1 6 所示。 图1 6 运动模拟器 f i g 1 6m o t i o ns i m u l a t o r 在并联机床上s t e w a r t 平台也得到了广泛的运用。并联机床取消了滑块导轨等 装置，用几根驱动杆驱动动平台。由计算机进行轨迹运算，并对机构进行控制。 图1 7 为美国的i n g e r s o l l 公司推出的h o h 6 0 0 。 图1 7h o h6 0 0 成型中心 f i g 1 7v o h 10 0 0m o l d i n gc e n t e r 在航空航天领域，也广泛的运用到s t e w a r t 平台，图1 8 为前苏联对接综合试 验系统。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 8 苏联对接综合试验系统 f i g 1 8t h ed o c k i n gm e c h a n i s mt e s ts y s t e mo f u s s r 1 3 2 少自由度并联机构的研究概况 少自由度并联机构是指自由度在2 到5 之间的并联机构 1 1 1 。与6 自由度并联 机构相比，少自由度并联机构机械结构简单，制造和控制成本相对较低。少自由 度并联机构其动平台的平动与转动受到约束，所以表现出很多的特殊性质，而且 在许多场合也不需要6 自由度。所以2 1 世纪开始前后，少自由度并联机构在国际 上形成新的研究热点。 少自由度并联机构的构型非常丰富，主要是三自由度的并联机构。目前国际 上综合出较好的少自由度并联机构有c l a v e 提出的d e l t a 三自由度移动机构【1 2 1 ，以 及t s a i 提出的一种3 一u p u 平动并联机构【l3 1 。我国学者黄真也提出了一种3 - r r r h 平动并联机构，并综合了一些具有不同自由度性质的3 u p u 并联机构，分析了它 们的运动特性。许多学者都对三平动并联机构进行了深入的研究，d ig r e g o r i o 分 析了3 - u r c 并联机构的运动学，以及3 - u p u 平动机构的自由度问题。c a r r i c a t o 和p a r e n t i c a s t e l l i 提出了一系列具有各向同性的三平动并联机构，并对其进行分 析。孔宪文提出并分析了立方体3 - c r r 平动并联机构的运动学和奇异问题。k a r o u i a m 和h e r v 6 提出了一种能实现三维纯转动的3 - u p u 机构。 少自由度机构的研究一直在继续，也出现了许多新的机型。也逐渐形成了系 统的方法和理论体系。这目前比较成熟的自由度和型分析方案有，h e r v 6 提出的基 于机构的结构公式的构型方法【1 4 】；黄真等提出的基于螺旋理论的综合方法；基于 群论和微分几何的综合方法；杨廷立、高峰等基于单开链的型综合方法以及基于 集合的综合方法。 1 3 3 并联机构的特点 并联机构是相对串联机构来说的。相对串联机构，并联机构有如下特点： 刚度高，承载能力大。串联机构各个部分的弹性是相互叠加的，其杆件受 的一定的弯矩，大大降低其承载能力。而并联机构其各个部件刚性是叠加的，各 重庆大学硕士学位论文1 绪论 个杆件只收到拉力或者压力。 动态性能好，串联机构随杆件尺寸的增大而变化，而并联机构即使杆件尺 寸较大，也具有较好的动态性能。 适合机构的在线实时计算。实时计算需要机构的运动学逆解。而在位置求 解上，串联机构正解容易，逆解则非常困难。并联机器人与之相反，其逆解更为 容易，正解更难。 误差小，精度高。串联机构各组件误差相互叠加、累积、放大：而并联机 构的各组件误差形成平均值。 工作空间小。 1 4 双c c d 交汇瞄准 在国外很早就开始运用c c d 进行测量。从7 0 年代初c c d 出现之后，c c d 测距就广泛的运用于各个领域，特别是航空航天领域。在美国研制的三叉戟m x 运载火箭上就运用了c c d 作为测量设备【1 5 , 1 6 。 在国外广泛运用c c d 测距的同时，中国各科研机构也开始了对这一领域的研 究。比较有代表性的是中科院研制的六自由度柔性喷管实时光电测量系统，这个 系统采用c c d 为探测器【1 7 , 1 8 ，在测量上得到了成功的运用。西安光机所也研制出了 测量某型号导弹位置的c c d 探测器系统。但是，以前国内外应用c c d 测距时有 很大的局限性，大部分的c c d 测距运用中使用了多个c c d 相来获得目标点的准 确深度信息，使得测距系统非常复杂。 双c c d 交汇瞄准在测量时，将两个c c d 相机及被测目标点置于同一直角坐 标系中，两个c c d 相机分别对目标点成像，根据两个c c d 相机中目标点的像在 c c d 中的位置，即可计算出目标点在该直角坐标系中的坐标，双c c d 交汇瞄准的 工作原理如图1 8 所示【憎j 。 双 o o o 图 像 采 集 卡 计 算 机 图 像 预 处 理 图 像 匹 配 图1 8 双c c d 交汇瞄准结构框图 f i g 1 8b l o c kd i a g r a mo fd u a lc c d i n t e r s e c t i o nt a r g e t i n g 显 不 器 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 5 论文研究的内容 本论文主要以搭载平台为研究内容，在对搭载平台的流程与功能进行分析之 后，结合其设计准则及技术指标，完成了总体设计。运用相关的运动学理论对搭 载平台机构进行了自由度计算，以及运动学正逆解，并使用p r o m e c h a n i s m 对机构 进行运动学仿真。最后，运用双c c d 交汇瞄准的原理设计了瞄准系统，并介绍了 相关的图像处理方法。 本文的内容安排如下： 第一章，绪论，说明了课题研究的背景，目的以及意义。针对搭载平台的结 构特点，介绍了并联机构的研究概况，并介绍了双c c d 交汇瞄准的发展与特点。 最后，概述了本文主要的研究内容和主要工作。 第二章，搭载平台的总体方案设计，对搭载平台进行了流程及功能分析，针 对其使用条件，根据设计准则及技术指标，提出了搭载平台的总体方案设计。 第三章，搭载平台运动学分析，运用相关的运动学理论，利用解析法，得出 了搭载平台的位置正解。并求出其位置逆解。利用求出的位置逆解，计算出两电 动推杆的理论长度调整精度。 第四章，运动学仿真分析，介绍了p r o m e c h a n i s m 软件的特点，并运用 p r o m e c h a n i s m 对搭载平台进行运动学仿真，直观的得到两电动推杆的运动规律。 也对机构进行驱动力仿真，得到搭载平台进行指向调整时，两电动推杆所需的驱 动力。 第五章，瞄准系统原理及设计，根据双c c d 交汇瞄准的原理，针对搭载平台 的调整要求，对瞄准系统结构进行了设计，并介绍了c c d 图像的处理方法以及软 件设计流程。 第六章，总结本文的主要研究内容，分析尚未做好的研究，并展望了今后的 研究方向。 重庆大学硕士学位论文2 搭载平台总体方案设计 2 搭载平台总体方案设计 2 1 引言 搭载平台在本课题所提及的实验装置中主要起搭载的作用，它可以安装在实 验装置的多个位置的接口法兰上，提供各个诊断设备的送进和收回的搭载功能以 及定位的功能，本节通过对分析搭载平台的系统功能，技术要求等，介绍了搭载 平台的总体设计方案。 2 2 搭载平台的使用条件 实验装置上有法兰孔，可供搭载平台的安装和调试，提供这些法兰的位置 和安装尺寸列表和图纸； 实验装置提供用于瞄准对中的目标靶球，且有足够亮度的照明系统； 实验装置真空度高于3 x 1 0 3p a ； 在法兰附近离实验装置壁1 0m 的开阔空间内无障碍物，便于设备的安装 调试； 中央控制系统提供搭载平台控制系统管理的接口，联网计算机可对搭载平 台通过网络进行控制。 2 3 流程与功能分析 2 3 1 流程分析 诊断包离线标定：瞄准系统安装至诊断包前端，根据诊断包与验靶球的相 对位置，由双c c d 交汇瞄准原理手动调节瞄准系统确保瞄准系统指向验靶球。 诊断包安装至搭载平台：关闭闸板阀，从搭载平台的后门将诊断包送入伸 缩管中，将诊断包安装在诊断小车上，从侧面法兰连接好诊断包正常工作所需的 各种管线，让其能在伸缩管中运动。关闭搭载平台的后盖和侧窗，检查密封状况。 通过搭载平台抽气口与真空机组相连，启动真空机组，对搭载平台舱室抽真空。 真空计实时监测搭载平台舱室的真空度，达到3 1 0 - 3 p a 后，且实验装置也达到工 作真空后，开闸板阀。 诊断包在线瞄准：两级伸缩机构工作，由各级光栅尺闭环检测，将诊断包 精确定位于径向指定位置。同时，指向调节机构根据瞄准系统的观测结果，调节 诊断系统的指向，使其瞄准靶球。 物理实验：诊断包径向定位和指向调节完成后，诊断设备运行并进行实验 9 重庆大学硕士学位论文 2 搭载平台总体方案设计 测量。 诊断包在线复位：诊断包由两级伸缩机构和指向调节机构将其精确定位于 指定位置。 诊断包更换维护：若需更换诊断设备或对诊断设备进行维护，则收回诊断 小车，再收回伸缩管到外管内，关闸板阀，释放真空，开后盖和侧窗，进行维护 或更换，完成后，重复上面一的步骤即可。 图2 1 搭载平台流程设计 f i g 2 1f l o wd e s i g no fd i m 2 3 2 功能分析 根据系统要求，其功能总结如下： 搭载支撑功能 为诊断包提供安装支撑功能，同时为其他机构的安装提供接口，保证其安装 精度、提供足够的强度和刚度、较高的动力学性能和稳定性。故采用管状结构， 分段连接。 径向递送功能 1 0 重庆大学硕士学位论文2 搭载平台总体方案设计 将诊断包从真空实验装置外递送至靶点处，因为行程较大，搭载平台的总长 有要求，故对其采用两级伸缩机构，由光栅尺检测其位置，实行闭环控制。 指向调节功能 保证搭载的诊断包轴线指向靶点，在靶点位置x 和y 方向任意方向的指向定 位精度好于+ 2 5 1 t m ( 均方根值) ，复位精度好于士1 0 i t m ( 均方根值) ，保证诊断系统指 向角度调节范围不小于士1 0 ，具有指向运动的检测与反馈装置，保证复位精度。故 采用十字万向节和双推杆机构，由控制系统解耦分别实行其x 和y 方向的指向调 节，由推杆光栅尺完成其反馈检测。 真空密封功能 要求真空室气密性设计保证系统真空度优于3 0 x 1 0 p a ，整体漏率小于 1 x 1 0 p a m 3 s 。采用闸板阀隔离搭载平台舱室和实验装置真空，配备无油真空机组 对搭载平台舱室独立抽放真空，并由真空硅管和真空计实时检测，实现不破坏实 验装置真空的情况下安装、调试、更换和维护诊断包。真空室内所有部件按高真 空规格设计与加工，确保其强度刚度和密封性。 在线复位功能 为了将诊断包放置于真空实验装置正确位置，需将诊断包进行离线标定并由 伸缩机构和指向调节机构对其径向和x y 方向在线复位，离线和在线状态的复位 精度由双目成像系统保证。离线时，调节诊断包前端的双目成像系统与靶点的相 对位置并记录，在线时，双目成像系统固化于诊断包上放置于搭载小车，通过检 测成像系统状态与离线记录状态的一致性控制伸缩机构和指向调节机构以确保诊 断包相对于靶点的位置精度。 远程控制功能 系统具有网络操作功能，配备工业级以上的高性能干兆以太网路由和光模转 换器，具有良好的屏蔽性能；系统具有瞄准对中的监视功能；能远距离监视和实 时瞄准；瞄准用c c d 相机输出图像清晰稳定，分辨率高于精度要求；系统的指向、 径向运动调节可通过局域网监视和控制，实现网络化和程控化。控制软件按实际 操作流程设计，界面友好、人机交互良好，具有自动定心、在屏幕上手动和微动、 对光标进行精确定位、图像放大、坐标选取、动态坐标显示等功能，具备有相应 的防冲突管理，具有稳定性与可靠性，硬件方面也应尽量防止冲突的发生，避免 造成重大损失。电控柜配备在线式不间断电源，布线规范，标识清晰，操作方便。 安全功能 系统设计时充分考虑人体操作的方便和系统外形的美观，具有完备的人员和 设备安全防护措施，配备紧急停机功能。实时显示系统状态，具备冲突报警功能， 如小车运动过程中拖链长度限制、小车从内筒中滑落、内筒与闸板阀的撞击、搭 重庆大学硕士学位论文 2 搭载平台总体方案设计 载平台内真空与实验装置真空相差悬殊、开关闸板阀等，硬件方面尽量防止冲突 的发生，对各级伸缩机构设置硬限位和软限位，避免造成重大损失。 辅助转运安装系统 搭载平台内部设计照明系统，考虑安装诊断包人员操作的便利性，外筒窗口 法兰和内筒窗口应设计合理，诊断包在搭载平台的安装、连接和拆卸应方便快捷， 诊断包在搭载平台上安装或拆卸时间小于3 0 分钟，并设计辅助转运安装系统。根 据搭载平台在实验装置各角度法兰的安装位置，设计不同的辅助转运系统，包括 六自由安装平台、作业车、提升机构等。 2 4 设计准则与技术指标 2 4 1 设计准则 依据与甲方的技术开发合同以及甲方的设计要求，在搭载平台方案设计过程中 始终坚持以下原则： 总体原则 流程决定功能，光学要求决定精度； 功能完备性 全面响应系统功能和技术指标，满足系统功能和系统技术指标要求，满足诊 断包搭载平台倾斜位置的送进和收回的搭载功能； 可靠性和稳定性 系统实用可靠、使用方便、经济安全，可靠性较高以及有稳定的性能指标， 能够保证其长期正常运行； 可维护性 尽量减少维护所需的时间，提高设备运行效率，建设高效系统； 标准化 元件选型、工作流程标准化，使实验系统具有低的运行成本，并能长期得到 厂家的产品、附件、技术支持和服务： 安全性 系统有防护装置，保护设备、人员安全； 操作使用方便 提高实验运行效率； 总体性能优良，关键技术先进。 2 4 2 技术指标 搭载平台的技术指标要求如表2 1 所示。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 搭载平台总体方案设计 表2 1 主要技术指标 t l b l e 2 1m a i nt e c h n i c a li n d i c a t o r 性能参数技术指标 整体长度尺寸 从实验装置的法兰接口到最后端长度尺寸 整体外形占用立体角 重量 法兰直径 主体材料 搭载最大截面 最大长度 搭载在小车上最大长度 最大载荷 诊断包灵敏面离实验装置中心最近距离 安装或拆卸时间 径向定位精度 径向复位精度 最小步长 指向定位精度 指向复位精度 保证诊断系统指向角度调节范围 真空度 漏率 抽气时间 = 4 3 0 0 m m = 3 7 0 0m m = 1 3 0 = 1 0 0 0k g 3 8 0 m m 硬a 15 0 8 3 由2 7 0 m m 2 2 0 0i i l l n 1 5 0 0l l l n l 6 0k g 6 0 0m m 小于3 0 分钟 - 土5 0 “m ( 均方根值) - 士2 5 “m ( 均方根值) = 5 9 m - 士2 5p m ( 均方根值) - 士1o “m ( 均方根值) _ 士1 0 = 3 0 x 1 0 。p a 1 1 0 p a m 。s 小于6 0 分钟 2 5 总体方案设计 根据搭载平台的技术要求，以及对搭载平台的流程分析，功能分析，将搭载 平台分为四个模块。即搭载小车组件、两级伸缩机构、指向调节机构、瞄准系统。 机械部分结构要满足搭载平台的技术要求，并符合机械加工工艺、安装、调配 的要求。搭载平台的总体图如图2 2 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 搭载平台总体方案设计 图2 2 搭载平台总体图 f i g 2 2g e n e r a ld r a w i n go fd i m 2 5 1 搭载小车组件 搭载小车组件由小车、夹紧螺栓组合、滑块、水电气管安装板和齿轮箱组成， 见图2 3 。小车为搭载设备固定支撑件。夹紧螺栓组合固定搭载设备，可适应不同 直径变化，且在小车上的安装位置可根据设备的长度、重心进行调整。齿轮箱为 真空步进电机经一对圆锥齿轮、齿轮齿条进行减速、变向传动，并由高精度导轨 导向以实现小车整体的径向( z 向) 运动，采用齿轮齿条的传动方式便于小车组件 可整体从搭载平台取下以装卸搭载设备。 齿 图2 3 搭载小车组件 f i g 2 3c a r r yc a r t 2 5 2 两级伸缩机构 为了满足搭载平台在不破坏真空的条件下完成诊断包的维护和更换及总体尺 寸的要求，将搭载平台径向递送诊断包的动作由两级级伸缩机构实现。两级伸缩 结构可大大降低搭载平台的总体重量和总体长度，并能使诊断包的拆卸方便。 第一级伸缩机构的传动部分由伺服电机、同步带传动机构、磁力联轴器、精 密滚珠螺纹副、导轨副组成。通过伺服电机的转动和传动机构来实现伸缩管沿z 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 搭载平台总体方案设计 向的移动。如图2 4 所示。 观察窗 图2 4 第一级伸缩机构 f i g 2 4t h e f i r s ts t r e t c ho u ta n dd r a wb a c km e c h a n i s m 外管内腔底面安装的一对高精度导和与伸缩管连接的滑块确定其导向精度。 丝杠也安装在外管内腔底面，滚珠螺母与内管连接。外管为诊断包进出实验装置 的腔体，在此安装更换诊断包，为伸缩管的支撑件。外管前端与闸板阀法兰连接， 后端为诊断包进出的后门，其上有观察窗。两侧开的六个侧窗便于安装、检测诊 断包。诊断包所需的水电气管由外管底部引入。外管由外上管、外下管先进行粗 加工，内焊后精加工，不仅提高了外管的密封性，还可提高导轨、丝杠安装面的 精度，避免了前后分体装配时装调费时费工。 当伺服电机工作时，伺服电机带动小带轮转动，通过同步带将动力传递给大 带轮，大带轮带动磁力联轴器旋转，进而驱动滚珠丝杠旋转，通过与伸缩管相连 的螺母来实现伸缩管的移动，螺母安装架上装有光栅读数头。 重庆大学硕士学位论文 2 搭载平台总体方案设计 图2 5 第二级伸缩机构 f i g 2 5t h es e c o n ds t r e t c ho u ta n dd r a wb a c km e c h a n i s m 二级伸缩由安装于搭载小车上的真空电机驱动，经齿轮箱的锥齿轮增扭转向， 将动力传至齿轮，它与安装于伸缩管上的齿条啮合，从而实现搭载小车相对于伸 缩管的二级级径向( z 向) 移动。伸缩管内腔底面安装的一对高精度导轨和与小车 连接的双滑块确定其导向精度。伸缩管的侧窗便于安装和更换诊断包以及观察诊 断包的状态。 伸缩管的侧窗便于安装和更换诊断包以及观察诊断包的状态。搭载小车上装 有光栅尺，光栅读数头装在搭载小车上，可实现闭环检测。为了安全，伸缩管两 侧均加装行程开关和机械限位挡块以防止搭载小车滑脱。此外，对步进电机也加 装抱闸装置，进行失电保护。 2 5 3 指向调节机构 为了实现搭载平台的指向调节，采用十字万向节及并联电动推杆通过伺服电 机驱动，同时调节两根电动推杆的杆长，配合前端瞄准系统实现x y 指向调节， 电动推杆一端与固定于实验装置法兰的固定法兰通过球铰连接、另一端与外管通 过万向节连接，见图2 6 。 1 6 重庆大学硕士学位论文2 搭载平台总体方案设计 图2 6 指向调节机构 f i g 2 6p o i n t i n ga d j u s t e dm e c h a n i s m 十字万向节一端法兰与实验装置接口法兰连接保持固定不动，另一端法兰与 外管连接为活动端。固定法兰与活动法兰分别由一对转轴与中间环连接，从而实 现两端法兰的相对转动，见图2 7 。 f i g 2 7c a r d a nj o i n t 2 ) 口法兰) 2 5 4 瞄准系统 在诊断包上安装两组长、短焦镜头瞄准装置，均配真空光学c c d 相机，实现 可视化，其中一组为大视场瞄准镜头和一组小视场高精度瞄准镜头，见图2 8 。首 先在大视场内寻找目标，完成初步瞄准，当目标进入小视场镜头中后，再进行精 细瞄准。 重庆大学硕士学位论文 2 搭载平台总体方案设计 图2 8 瞄准系统 f i g 2 8t a r g e t i n gs y s t e m 2 6 本章小结 本章根据搭载平台的使用条件，对其流程与功能进行了分析，参照其设计准 则及各项设计指标，将搭载平台分为搭载小车组件、两级伸缩机构、指向调节机 构以及瞄准系统四个模块，并对各个模块进行了介绍。完成了搭载平台的整体方 案设计。 重庆大学硕士学位论文 3 搭载平台运动学分析 3 搭载平台运动学分析 搭载平台主要的功能是将诊断包搭载到需要的位置，其最为主要的技术指标 是保证诊断包的径向及指向调节精度。同时整个系统需要具有网络操作功能，能 远距离监视和实时瞄准。为实现远程控制搭载平台的径向和指向调整功能，对搭 载平台的运动学分析显得尤为重要。 搭载平台的径向调整是依靠搭载小车以及伸缩管的径向移动来实现的，其指 向调整依靠改变尾部两个并联的电动推杆的长度完成。所以搭载平台实际上是一 个2 自由度的并联机构混合一个移动副的混合机构。对搭载平台的运动学分析， 就是分析搭载小车和伸缩管的移动量及两个电动推杆长度的变化量与搭载平台径 向、指向调整的关系。这为后续的控制提供基础。 3 1 理论基础 1 位姿描述 对于刚体在空间的完全定位，需要给定其上某一点的位置及在空间的姿态【2 0 1 。 设有参考坐标系o x y z ，0 为刚体上的某一点，则d 在参考坐标系o x y z 中的坐 标可用列向量r o = p 。z o