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GQ50型钢筋切断机的结构设计与运动仿真【说明书+CAD+仿真】,GQ50,型钢,切断,结构设计,运动,仿真,说明书,CAD

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黄河科技学院本科毕业设计（论文）任务书 工 学院 机 械 系 机械设计制造及其自动化 专业 08 级 1 班学号 080105007 学生 刘 文 超 指导教师 王 良 文 毕业设计（论文）题目 GQ50型钢筋切断机的结构设计与运动仿真 毕业设计（论文）工作内容与基本要求（目标、任务、途径、方法，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等）一、设计技术要求、原始资料（数据）、参考资料（文献）1、设计要求： 1）建立运动分析模型 ，分析曲柄滑块机构的位移、速度、加速度。 2）完成50型钢筋切断机的结构设计。 3）完成传动系统的计算机的仿真分析（采用三维软件建模并仿真）。2、原始资料（数据）： 切断机的电机，4kw；切断次数，28（次/分)；切断行程：40mm。3、参考资料 1）筑路机械工程著作； 2）建筑机械杂志。二、设计目标与任务 设计出满足要求的钢筋切断机，并完成其装配图与部分零件图，查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇。 1、文献综述一篇，不少于3000字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于3000汉字。 2、毕业设计说明书一份，内容与字数都不少于规定的任务量。 3、图纸若干（折合后不少于A1图纸3张，可以用计算机绘图）。 4、包含本次设计的所有内容的光盘一张。毕业设计（论文）撰写规范及有关要求，请查阅黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册。三、时间安排 1-4 周 完成开题报告、文献翻译、文献综述及总体方案设计。 5-11 周 完成总体设计、完成部分机构的装配图及部分零件图并撰写说明书。 12-13 周 修改论文、资格审查等。 14 周 毕业答辩。毕业设计（论文）时间： 年 月 日至 年 月 日计 划 答 辩 时 间： 年 月 日专业（教研室）审批意见：审批人签名：课题名称GQ50型钢筋切断机的结构设计与运动仿真课题来源 教师拟订课题类型AX指导教师王良文学生姓名刘文超专 业机械设计制造及其自动化学 号080105007一、调研资料的准备1. 参观黄河金刚石有限公司的GQ40型和GQ50型钢筋切断机，了解钢筋切断机的工作原理。2. 利用图书馆及网络资源，查阅相关资料。二、设计的目的与要求1. 建立运动分析模型。2. 建立机械的动力学模型。3. 设计整体结构。三、思路与预期成果1、设计思路：（1）首先查询大量的相关资料，并熟悉AUTO CAD及Inventor2011绘图软件，达到能够较为熟练的使用，以提高设计及绘图效率。（2）根据毕业时间的安排，逐步推进设计进程，有不懂之处就尽快与老师进行沟通，得到老师指导并解决问题。2、预期的成果（1）完成文献综述一篇，不少与3000字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于3000字。（2）完成内容与字数都不少于规定量的毕业设计说明书一份，绘制出各主要零件的工程图。（3）建立GQ50型钢筋切断机的三维模型，并进行运动仿真。四、任务完成的阶段内容及时间安排1-4 周 完成开题报告、文献翻译及文献综述。5-11 周 完成总体设计，基本完成机构的装配图及零件图，并撰写说明书。12-13 周 修正并完善论文终稿，进行资格审查。14 周 毕业答辩。五、完成设计（论文）所具备的条件因素 修完机械设计，工程材料等课程，借助图书馆的相关文献资料，以及网络等资源。指导教师签名: 日期: 黄河科技学院毕业设计（论文）开题报告表课题来源：（1）教师拟订；（2）学生建议；（3）企业和社会征集；（4）科研单位提供课题类型：（1）A工程设计（艺术设计）；B技术开发；C软件工程；D理论研究；E调查报告 （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题 要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等目 录1任务书1 2开题报告2 3指导教师评阅表34主审教师评审表4 5毕业设计答辩评审与总成绩评定表5 6毕业设计说明书6 7文献综述588文献翻译64 9光盘 10设计图纸单位代码 02 学号 080105007 分 类 号 TH 密 级 毕业设计 文献综述 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名刘文超 指导教师王良文2012年 03 月 20 黄河科技学院毕业设计(文献综述) 第 8 页钢筋切断机运动仿真综述摘要本文调研了最近几年国内外有关钢筋切断机的专利、论文，以及现在的研发现状。分析研究钢筋切断机的动力学性能是进行钢筋切断机设计、改良的理论基础。为了推动钢筋切断机设计创新，缩短钢筋切断机的设计周期，在产品试制及完成测试之前明确了解钢筋切断机的动力学参数，及时发现并消除设计过程中存在的缺陷，最大程度地节省资金和时间。采用计算机仿真技术结合动力学理论，对钢筋切断机进行零件三维设计、装配，建立钢筋切断机三维仿真分析模型，模拟钢筋切断机运行状况，对钢筋切断机进行仿真分析研究， 以加快产品技术更新。关键词： 钢筋切断机，动力学模型，结构设计，运动仿真 一.引言钢筋切断机是一种各类工程建设领域广泛使用的设备，在近年来的生产、使用中呈现快速增长的趋势。国内各相关厂家先后开发了GQ32型、GQ40型、GQ50型、GQ60型、GQ75型等多个品种的切断机。随着建设工程规模的扩大，建筑质量的要求提高，钢筋切断机的规格有逐渐增大的趋势。各生产厂家为提高自己的生产产品的技术性能、增加产品的竞争优势，不断优化结构，努力降低生产成本，并不断开发新的品种。但由于未见国内外有关钢筋切断机动力学研究的文献，因而在改良产品设计及开发新的产品过程中，在产品试制及完成测试之前尚不能对结构的动力学参数及驱动电机在工作过程中的真实运动情况有比较明确的了解，而电机在工作过程中的速度降是衡量钢筋切断机设计质量的重要指标之一。为此，我们首先建立了一种钢筋切断机的通用动力学计算模型，使我们在产品的改良设计及研发新产品的过程中通过AutoCAD完成产品结构图的设计后，通过联机计算的方法就可以清楚的求得所开发产品的动力学参数及驱动电机的真实运动情况，可以极大的加快产品的开发速度及方便的修改产品的结构参数。相关工作对于提高国内产品技术开发工作的进度，提高产品的竞争力有一定的积极作用。678二.钢筋切断机简介钢筋切断机是一种在工程及建筑领域中广泛使用的设备，由于近年来房地产的迅速发展，钢筋切断机的生产、使用呈现快速增长的趋势，随着建筑工程规模的扩大和对建筑质量要求的提高，对钢筋切断机的性能也提出了更高的要求。9目前，国产钢筋切断机的典型结构下图所示，电机通过一级带传动、三级齿轮传动来驱动曲柄滑块机构带动活动刀做往复运动，固定在活动刀座上的活动刀片和固定在机体上的固定刀片一起作用完成对钢筋的切断。10三.相关专利产品介绍（专利123） 专利1的产品是一种以柴油机为动力的钢筋切断机，其特征在于将钢筋切断机与柴油机相组合、中间用皮带传动相联接构成一柴油钢筋切断机。其优点和积极效果是：不需要电力，使没有电力或者电力不足的地方，也够使用钢筋切断机完成钢筋的切断。右图所示的是专利1产品的结构示意图：1为钢筋切断机机构，2为底架、3为皮带传动、4为柴油机、5 和6分别是柴油机4和切断机1与底架2相连接的连接螺栓。柴油机4和钢筋切断机构1都被连接螺栓5和6固定在底架2上，发动柴油机4通过皮带传动3带动钢筋切断机构1的刀具来完成切断钢筋的工作要求。专利2的产品是一种改进的钢筋切断机。它的箱体由侧面箱板和箱底板组装成封闭型式：其传动系统采用三轴（六齿轮）三级齿轮传动结构；而其曲柄杆与滑块采用钩型连接结构。这种改进，使箱体制造工艺简化。由于是三级齿轮传动节省了一根中间传动轴，故而使整机体积缩小了许多，且降低了成本。而曲柄杆与滑块的钩型连接方式，不仅结构简单，而且提高了机械强度，不易损坏，使整机延长了寿命。专利3的产品是一种改进的钢筋切断机。包括电机、飞轮、第一级至第四级齿轮传动装置、离合器、定动切刀和哈夫式齿轮箱体，第一级齿轮传动装置的传动轴两端分别套装有飞轮；哈夫式齿轮箱体以曲轴中心水平线为依据，由铸成上、下各一半的两块箱体组合而成。本实用新型由于在现有四级齿轮传动钢筋切断机的基础上，采用哈夫式箱体并在第一级齿轮传动装置的传动轴两端分别套装有飞轮，故其故障率低，使用寿命长，阻力大；且安装、维修方便该专利产品是对国内外产品的一种改进，是一种实用新型的钢筋切断机，该产品主要包括电动机，飞轮，第一级至第四级齿轮传动装置、离合器、定动刀片和哈夫式齿轮箱体，起主要特别之处在于：第一级齿轮传动装置的传动轴两端分别装有飞轮。具体结构如上图。四. 钢筋切断机几个主要部件 (1) 刀口装置（专利4）专利4指推动刀口轴杆的偏心轴外围装设有方形滑块，于偏心轴转动时能使方形滑块上下移动，进而使刀片轴杆以平面方式向外推动或拉回，使钢筋的切口平直，并于切断钢筋后，偏心轴拉回轴杆撞击偏心轴的力，形成面的使受力点平均，降低偏心轴的耗损，且该偏心轴与推动齿轮间设有一固定隔板，以避免撞击的同时造成齿轮的偏移而损坏，该刀口轴杆的另一侧设有一活动隔板，能增进维修时的便利性。(2) 离合器组件（专利5）专利5钢筋切断机的曲轴离合器。该器包括曲轴、内齿轮、大齿轮和安装在两轮内接之间的活动销齿机构。该机构又由转销轴、转销齿、拨动挡板、拉簧和伸缩挡销组成。通过操纵转销齿接触于大齿轮的转销齿推槽内而使大齿轮带动内齿轮和曲轴转动。或操纵转销齿接触于内齿轮的转销轴槽内而使内齿轮脱离大齿轮，使大齿轮空转。该离合器可适用于切断机、冲床、剪切机床上，其具有离合平稳、体积小、结构紧凑的优点。五. 钢筋切断机存在的缺点和问题 目前，国内外现有的钢筋切断机，就其传动方式分为两种类型：一种是开式传动，一种是闭式传动。11开式传动的形式，其轴、齿轮等主要传动件都要暴露在外，各传动件均要靠人工加油，极为不方便。闭式传动的形式，主要传动件均安装在机器箱体内，形成整体密封，其机体为整体构件，加工工艺复杂。国内外的钢筋切断机主要存在以下几个问题：(1) 用电动机作原动机的钢筋切断机和用柴油机作原动机的钢筋切断机，所用的原动机不能代换，这给使用带来了一定的不方便。(2) 国内外使用的全封闭结构的钢筋切断机的活动刀处采用上开盖的机体，大都是采用的是减速器结构，用螺栓连接，而这种结构的刚性较差，而且在结合面处加工困难，并且常常漏油。而机体采用整体式结构的钢筋切断机，活动刀处采用的是侧开盖结构，由于切断机工作时所受的侧向力很大，常常损坏。(3) 国内外所使用的钢筋切断机在空套齿轮与轴结合处，常常容易损坏。(4) 国内外所使用的钢筋切断机，其离合器操纵机构只有一种方式，即脚踏式，这不适应于不同习惯的操作者和不利于紧急情况的操作。(5) 国内外所使用的钢筋切断机，大都采用的是小功率的电动机，工作主轴的偏心距也很小，这样在剪切公称直径范围内的不同直径的钢筋时，就要更换刀片或者在刀片的后面加减刀垫，才能完成剪切不同尺寸钢筋的切断要求。(6) 国内外所使用的钢筋切断机，其固定刀片侧隙的调整是靠人工选配尺寸固定的刀垫来实现的。六.钢筋切断机的改良方向真对钢筋切断机存在的这些问题，提出以下改良方向：（1）结构与造型的改良。目前的钢筋切断机有闭式与开式两大类。开式由于体积大，搬移不便、润滑差等，已经很少生产使用。而闭式结构的体积虽较为紧凑，但存在的主要问题是在传动系统出现故障时，维修不太方便。目前在市场上出现了一种在整体闭式结构上的改良设计。1213即将机体一侧的1/21/3设计为可拆卸结构，这种结构虽然在加工上增加了工序，但铸造环节更简单，安装比较方便，尤其是便于售后服务。（2）轻量化设计轻量化设计可节省资源、减少生产、使用、回收等环节中了浪费，而且就机器本身而言，也可以通过轻量化设计，在最低成本下达到机器的使用性能。就目前来说，可通过建立虚拟样机、并对其进行有限元分析实现轻量化设计及制造。1415七. 其他机械动力学的相关内容：机械动力学主要研究的是机械的振动和平衡的问题。目前，我们正在高速发展的阶段，各个部门迫切需要大量的新的高效率，高速度，高精度和高自动化的机械设备。随着机械速度的提高，机械平衡和震动的问题成为机械设计中的一个问题，在设计高精度的机器时，就必然涉及各种动力学的因素，需要精确计算各部件的真实运动情况以及考虑部件的弹性、运动副中的磨察等因素对构件运动的影响，才能使各部件的动作协调，机械运转正常。17181920八. 结束语产品的设计开发过程是一个不断改良完善、技术优化发展的过程。唯有通过长期的市场考验，且有优良的性价比，才能真正占领市场。 钢筋切断机的运动仿真的设计必将更加有利于钢筋切断机产品的开发，可以加快产品的开发速度以及开发出更加高效的产品。参考文献专利1 孟宪民，刘鸿鹰，章友文，郭俊平，付竹祥 柴油钢筋切断机 专利号：91209535.0专利2 陶昆 ， 钢筋切断机 专利号：94217280.9专利3 蒋家善 改进的钢筋切断机 专利号：00240526.1专利4 邱文聪 钢筋切断机刀口装置 专利号：96205392.9专利5 全承浩 钢筋切断机的曲轴离合器 专利号：95214902.86 胡永华；刘中 钢筋切断机参数化设计系统开发 2011年4月7 陶浩；段红杰 钢筋切断机的动力学性能 2008年 5月8 段红杰；陶浩 钢筋切断机动力学仿真设计 2010年4月9 王文良，李长诗 钢筋切断机通用动力学 2008年8月10 张金芳 袁俊华 陈 伟 人机界面型全自动钢筋切断机 2010年8月11 刘瑞东 液压随动切断、液压马达送料钢筋定长切断机 2010年10月12 王良文 国产钢筋切断机的生产现状与改良方向 2009年1月13 樊智慧 钢筋切断机曲轴连杆机构的改进 1995年3月14 孟庆华 钢筋切断机液压系统的设计研究 2010年8月15 贺生华 普通钢筋切断机技术改造 2008年一月16 车仁炜 陆念力 王树春 一种新型钢筋切断机的设计研究 2004年17 唐锡宽机械动力学 高等教育出版社 1984.5 18 张策 机械动力学 北京：高等教育出版社 2001年4月19 Bevefidge R，Bolme D，Teixeira M，et a1The CSU Face Identification Evaluation SystemRUsersGuide Version 50，technical report，Computer Science Dept，Colorado State Univ，May 200320 Huang LL，Shimizu A，and Kobatake HClassificationbased face detection using gabor filter featuresAThe 6th IEEE Internati0nal Conference on Automatic Face and Gesture Recognition(FG2004)C2OO4：397-402单位代码 02 学号 080105007 分 类 号 TH 密 级 毕业设计文献翻译 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名刘文超 指导教师王良文2012 年 3月 20日 黄河科技学院毕业设计(文献翻译) 第 11 页利用离线仿真结果和3D模型变形以实现实时遥控结构变形的方法摘要DTP2，一个为了演示和改进远程操作设备ITER全面的物理测试设备，已经在芬兰建立起来。首个装备有SCEE的RH设备原型CMM已经于2008年10月移交给DTP2。其目的是为了验证CMM/SCEE原型可以被成功的应用于第二个暗盒的RH的运作。在 F4E 授与 DTP2 测试设备运行和升级准备 结束的时候，第二个暗盒的 RH 的运行成功地为F4E代表做了证明。得益于CMM/SCEE机器人的设计，所以当它在3.6米长的控制杆上运载9吨重的第二暗盒时，具有相当大的机械弹性。这也就导致数据不精确，并且用于控制系统的3D模型也不能准确的反映CMM/SCEE机器人的变化状态。 为了提高其精确度，已经发展出了一种在虚拟环境中控制其弹性的方法。加载在CMM/SCEE上载荷的作用大小被测量并且最小化到由控制系统软件执行的载荷补偿模型上。这种优化的方法利用有限元分析，通过3D模型的变形解释了控制系统机器的结果变形。这将促使CMM/SCEE的绝对精度和3D模型的适合性有一个相当大的改进，这对RH应用程序是至关重要的，因为控制装置的视觉信息是受周围环境的限制的。关键词：国际热核实验反应堆 远程控制 偏滤器测试平台2 虚拟工程 弹性变形 虚拟现实1.引言这篇论文展示了系统控制软件执行的负载补偿功能是怎样改进DTP2控制系统的绝对精度和可视化精度的。同时也找到了一种通过3D模型变形来解释DTP2的结构变形的新方法，利用有限元分析来导出变化范围。除此之外，真实的组件变形，2D结构变形会被用于显示每单位结构负荷的运行评估。在第二暗盒安装程序的时候，CMM在电机传动装置的协作下，沿着射线方向行进到维持隧道的顶端。（图1）。在垂直面上的上升和倾斜运动可以用来凭借向上维持隧道来控制暗盒的方位。当热运动到达第二暗盒时，由CRO和HRO回转连接的可以用来改变暗盒的方位。Fig. 1. CMM and SCEE structural representation.2. DTP2的偏差研究目录2.1 CMM/SCEE检验在CMM/SCEE传递到DTP2后，系统综合阶段开始启动，以为实际测试做系统准备。这个测试在工厂启动实施，在RH控制室中结束测试运行。1最初用于暗盒运行的的程序是被用来教学的，这与暗盒有持续性的视觉联系。CMM/SCEE良好的重复精度（3mm）保证了运行程序成功重复。然而，由于CMM/SCEE的完全精度不够准确，导致静态的三维模型不能很好的支持运行。三维模型有时候会出现暗盒与DRM冲突的情况，但实际情况是一切运行良好。很明显，在远程操作之前，系统的绝对精度需要改进。2.2 载荷补偿在运行程序的时候，载荷对CMM-SCEE运动链的影响会被测量。并且知道位于暗盒尖端的定位误差最大接近80mm。这些测量数据被用来生成载荷补偿以改进绝对精度。这种解决方法对于RH维持通道的运行是十分普遍的，但是对于负载补偿模型，确实一个基于CRO莲价值的平台。由于CMM在将来普遍支持其他终端执行器，所以这种方法简单，易用。具体的查表只应用于在特殊的环形SCEE轨道中的操作。补偿功能还可以明显改善设备性能。因此，暗盒尖端的最大误差由80mm下降到了5mm。1载荷补偿的实施价值可以参考图2中的笛卡尔坐标系。根据暗盒是否加载到HRO上，解决的方法也分为两个阶段。“理想设备的笛卡尔参考系”（图2）表达了与轴相连的HRO链的位置坐标。因此，HRO链仅仅被用在改变纵轴周围暗盒的方向，并且，之后CRO链可以应用于y轴参考数据的评估。因此，在热运动时，负载补偿的功能依赖于CRO链。如果在HRO链上没有负载，一个逆运动学解可以直接用于解决联合相应的数值参考。解决方法是使用包括基于签名修正的CMM / SCEE校准的Denavit-Hartenberg参数计算。Fig. 2. Left: load compensation in cartesian space. Right: implementation of load effect to the joint data of the real device.当载荷是连接到HRO关节，在这种情况下，由于笛卡尔参考也会受CMM/SCEE的挠度影响，所以机器人的逆运动学解并不可直接使用。当产生的作用是已知的，正确的评估CRO链的价值可以迭代利用负载补偿或者定义了并列价值与CRO链价值之间的适应性。迭代解和7th多项式都能很好的应用于实践中。CRO价值链被定义后，在x，y，z方向的位置补偿和圆周与径向的定向补偿可以做成笛卡尔参考系。由于CMM/SCEE缺乏在yaw方向上移动的能力，所以无法做运动补偿。Fig. 3. Ansys FEM result (DCM lifted from RH interface).Fig. 4. CATIA FEM result (DCM lifted from RH interface).2.3 改进遥控装置的可视化精度当增加一个链接到CMM/SCEE的三维模型上时，暗盒在yaw方向的倾斜是可视化的。这个链接已经被放置在勾板和暗盒之间。因此，操作者可以看见暗盒倾斜的作用 ，它在垂直方向上最大有效运动距离是10mm。为了增加可视化精度，当暗盒连接DRM通道内部与外部的时候，压力差超过上升油缸提供的载荷，暗盒的重量也转化都勾板或者DRM通道或者其他别的地方。（图2）2.4 偏滤暗盒模型的偏差计算结果在真实的运行环境中，暗盒的三维模型是不能完全反映其模型形状的。当DCM处理终端感应器并停留在环形通道上时，它会倾斜。（图3-5）DCM的形变分别用分析软件和CATIA有限元建模工具来计算。这两种结果会被比较。如果限定条件比较正确、全面，那么两种工具的分析结果是相似的。在下一阶段，有限元分析结果会被分解。然后勾板的水平和垂直偏转会与DTP2实验室中真实的DCM测试结果比较（平台1）。这种测试装置是Sokkia NET05高精度三维调试系统。Fig. 5. Vertical and horizontal deflections in respect to cassette structures.在有限元分析结果和Sokkia NET05测试结果比较后，得出分析结论。2.5 偏滤暗盒的偏差的可视化根据机器的适用性和标准性原则设计了DCM。结果，其压力总是在建筑材料的比例极限之下，并且具有一定的线弹性。初次测是在胡可定律的线弹性假设下进行的。因此，有限元分析结果是可以应用于DCM形变的可视化的。加载装置的形状必然会反映到远程观测系统的数据中。计算变形的远程可视化可以在两种不同的方法下进行。传统的方法是把一个整体分成碎片，并在这些碎片间建立联系4。这种方法需要大量的分析工作。链接的位置和最大链接就是这种分析的结果。基于这种分析结果，它被DCM分为三段链，并用两个回转节链接起来。图6本文提到的方法是运用3D变形3D模型逐渐改变的过程基于有限元分析结果去描述形变。形变，或者是3D变形，是物体从一种形状变为另一种形状的过程2。这种技术可以直接使用有限元分析结果而不用麻烦的求的近似值。另外，这种方法能够运用有限元分析出的每单位范围内的作用结果（图7）。这就提供了一个更高层次的应用能力，以适用于那些接受多个外力影响的复杂系统。Fig. 6. The body of the cassette is divided into three rigid links connected with two rotational joints to approximate mechanical flexibilities.Fig. 7. Simplified example of 3 links deformed by 9 individual morph targets (forces).为了改变模型，我们使用直线切削没变形的三维模型和有限元残缺模型的高点。如果直线切削的精度不足的话，一个更先进的变形算法是应变场插入法。运用达索系统可视化工具5.0来观察变形（图8）。这种虚拟环境是由ITER CATIA与有限元模型连接起来，用于创建变形范围。这种推荐方法的好处有以下几点：运用未加载荷状态和变形状态间的完全弹性变形，来直接使用有限元结果在每单位范围内的最大压力。更容易利用真实系统中离线和在线的变形结果。更加精确的展示复杂系统的各个环节，并且能完全控制连续变形的点，而不粗略的接近。使从复杂系统中分离出单个外力因素引起的变形成为可能。2.6 控制三维模型的变形控制三维模型的变形意味着虚拟环境中的变形必须遵循现实环境中的变形。变形信息可以依据提前测量的运行状态或者运用液压系统的压力来估测外力，因此，运用了现有的传感器信息。考虑到机器人的操作，一个更精确的方法可以通过采用应变规来测量机器人链接的实际变形来达到。在实验室的实验中，应变规将被安装到DCM上。应变规的优势：变形范围方法的互补性，每一个应力都可以通过专用的应变规来单独测量其范围。具有即时测量精确应变的能力，不用依赖于提前测量的静态变形或者不能对每一个应力不能直接使用的液压压力3. 未来工作DTP2的三维虚拟样机组件描述如下。最初，DCM弹性研究集中在解决子系统的弹性问题。然后，研究会包括整个CMM机器结构，并且链接结构接近变形过程。更多复杂的变形途径，如三维领域里的线性插值法将会被使用。这将会联合由真实DCM变形控制的三维样机的弹性变形。我们将进一步分析柔性机器人关节的链接和分离。这将有助于创建更精确的有限元模型。最后，弹性链接的作用和影响会反映到整个系统中。免责声明本文观点不代表欧洲委员会的观点。致谢这项工作是在EURATOM和TEKES的联合契约下，由欧洲委员会支持，在EFDA工作框架下完成的。参考文献1 Internal Reports of Grant “DTP2 test facility operation and upgrade preparation”, 2010.2 J. Gomes, B. Costa, L. Darsa, L. Velho, Graphical objects, Visual Computer 12 (1996) 269282.3 Han-Bing Yan, Shi-Min Hu, Ralph RMartin, 3D morphing using strain field interpolation, Journal of Computer Science and Technology archive 22 (1) (2007) 147155.4 A.D. Luca, W. Book, Robots with flexible elements, in: Siciliano, Khatib (Eds.), Springer Handbook of Robotics, Springer, 2008, pp. 287319.Fusion Engineering and Design 86 (2011) 19581962Contents lists available at ScienceDirectFusion Engineering and Designjournal homepage: /locate/fusengdesA method for enabling real-time structural deformation in remote handlingcontrol system by utilizing offline simulation results and 3D model morphingSauli Kiviranta, Hannu Saarinen, Harri Mkinen, Boris KrassiVTT Technical Research Centre of Finland, P.O. Box 1300, FI-33101 Tampere, Finlanda r t i c l ei n f oArticle history:Available online 30 December 2010Keywords:ITERRemote handlingDivertor Test Platform 2Virtual engineeringFlexibilityDeformationMorphingVirtual realitya b s t r a c tA full scale physical test facility, DTP2 (Divertor Test Platform 2) has been established in Finland fordemonstrating and refining the Remote Handling (RH) equipment designs for ITER. The first prototypeRH equipment at DTP2 is the Cassette Multifunctional Mover (CMM) equipped with Second Cassette EndEffector (SCEE) delivered to DTP2 in October 2008. The purpose is to prove that CMM/SCEE prototype canbe used successfully for the 2nd cassette RH operations. At the end of F4E grant “DTP2 test facility oper-ation and upgrade preparation”, the RH operations of the 2nd cassette were successfully demonstratedto the representatives of Fusion For Energy (F4E).Due to its design, the CMM/SCEE robot has relatively large mechanical flexibilities when the robotcarries the nine-ton-weighting 2nd Cassette on the 3.6-m long lever. This leads into a poor absoluteaccuracy and into the situation where the 3D model, which is used in the control system, does notreflect the actual deformed state of the CMM/SCEE robot. To improve the accuracy, the new method hasbeen developed in order to handle the flexibilities within the control systems virtual environment. Theeffect of the load on the CMM/SCEE has been measured and minimized in the load compensation model,which is implemented in the control system software. The proposed method accounts for the structuraldeformations of the robot in the control system through the 3D model morphing by utilizing the finiteelement method (FEM) analysis for morph targets. This resulted in a considerable improvement of theCMM/SCEE absolute accuracy and the adequacy of the 3D model, which is crucially important in the RHapplications, where the visual information of the controlled device in the surrounding environment islimited. 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.1. IntroductionThe paper presents how the load compensation functions havebeen implemented in the control system software to improvethe absolute accuracy and visualization accuracy of DTP2 controlsystem. It also proposes a new method for accounting structuraldeformations in DTP2 control system through 3D model morph-ing, utilizing the finite element method (FEM) analysis results formorph targets. In addition to the actual component morphing, the2Dtexturemorphingwillbeutilizedforrepresentingthestructuralload per each component for better operator evaluation.During the 2nd cassette installation process, CMM travels intoradial direction, towards the reactor, on top the maintenance tun-nel rails with the aid of an electric motor drive, Fig. 1. The liftingand tilting motions in the vertical plane are used for controlling theposition and orientation of the cassette according to uphill profileof the maintenance tunnel. The SCEE, which consists of the can-Corresponding author. Tel.: +358 504118792.E-mail address: sauli.kivirantavtt.fi(S. Kiviranta).Fig. 1. CMM and SCEE structural representation.tilever (CRO) and the hook-plate (HRO) rotational joints, is devotedto change the position and orientation of the cassette during thetoroidal motion towards the place of the 2nd cassette.0920-3796/$ see front matter 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.doi:10.1016/j.fusengdes.2010.11.015S. Kiviranta et al. / Fusion Engineering and Design 86 (2011) 1958196219592. Content of DTP2 deflection studies2.1. CMM/SCEE trialsAfter delivery of CMM/SCEE to DTP2, the system integrationphasewasstartedinordertopreparethesystemfortheactualtest-ing. This testing was done in two phases starting from the factoryfloor and ending to the RH operated tests from the control room1.The initial motion programs for the cassette operations weredone by teaching, while having a continuous visual contact withthe cassette. Good repetition accuracy (3mm) of the CMM/SCEEguaranteedsuccessfulrepetitionofthemotionprograms.However,static 3D model could not support operations properly, becauseof poor absolute accuracy of CMM/SCEE. On the grounds of 3Dmodel, it seemed that the cassette was colliding with DivertorRegion Mock-up (DRM) structure although in practice everythingwas fine. It was very clear, that absolute accuracy of the sys-tem should be improved before the remote operations could bestarted.2.2. Load compensationThe effect of load to the CMM-SCEE kinematic chain (body,wheels, links and joints) was measured during the motion pro-grams. And it was realized that the positioning error at the tip ofthe cassette was in the worst case close to 80mm. The measure-ment data was utilized for creating load compensation functions toimprove the absolute accuracy. The solution is general for the RHmaintenance tunnel operations, but for the toroidal operations theload compensation model is a look-up table based on the valuesof the CRO joint. The compensation approach is simple and wellreasoned because of generality for CMM to support future CMMoperations with other end effectors. The specific look-up tablesare used only when operating with SCEE for performing a spe-cific toroidal trajectory in and out. The compensation functionshelpedtoimprovetheperformanceoftheequipmentconsiderably.Thus, the positioning error at the furthest point of the cassette wasreduced from almost 80mm to about 5mm 1.Theimplementationofloadcompensationintothecartesianref-erence values can be seen in Fig. 2. The solution is divided into twophases depending on whether the cassette is loaded to the HRO ornot. Cartesian reference for ideal equipment (Fig. 2) is expressingthe location of a coordinate system (Fig. 1) which coincides withthe axis of the HRO joint. Thereby, HRO joint can be used only forchangingtheorientationofthecassettearoundtheverticalaxisandonly the CRO joint can be used to reach a y-coordinate value of thereference data. For this reason, the load compensation functionsduring the toroidal motions depend on the CRO joint.If there is no load in HRO joint, an inverse kinematics solutioncan be used directly to solve corresponding values for the joint ref-erences. The solution is calculated using the DenavitHartenbergparameters, which include corrections based on the signature cal-ibration of the CMM/SCEE 1.When the load is attached to the HRO joint, the inverse kine-matics solution cannot be used directly because in this casethe cartesian reference includes also the components that rep-resent the deflections of CMM/SCEE. When the effect of loadis known, the correct value for CRO joint can be found eitheriteratively utilizing the inverse of the load compensation or bydefining the least-square polynomial fit between the measured y-coordinate values and the corresponding CRO joint values. Bothiterative solution and 7th order polynomial fit are working wellin practice. After the CRO joint value is defined, the positioncompensation in the x-, y- and z-directions and the orientationcompensation in the Roll- (R) and Pitch- (P) directions can bemade with respect to the cartesian reference. The compensationmovement in the Yaw (W) direction cannot be done becauseof lacking the ability to move in the yaw-direction with theCMM/SCEE.Fig. 2. Left: load compensation in cartesian space. Right: implementation of load effect to the joint data of the real device.1960S. Kiviranta et al. / Fusion Engineering and Design 86 (2011) 19581962Fig. 3. Ansys FEM result (DCM lifted from RH interface).Fig. 4. CATIA FEM result (DCM lifted from RH interface).2.3. Improving teleoperator visualization accuracyTilting the cassette in the yaw-direction can be visualized whenan additional joint is added to the 3D model of CMM/SCEE, (Fig. 2).This joint has been placed between the hook plate and cassette.Becauseofthat,theoperatorcanseetheeffectofthecassettetilting,which is 10mm at the end of toroidal movement in the verticaldirection.To increase the visualization accuracy, when the cassette is con-tacting the inner and outer rails of DRM, the pressure differenceover the Lift cylinder provides estimation about the load, as theweight of the cassette is gradually transferred from the hook plateto the DRM rails or the other way around, (Fig. 2).2.4. Calculation of the deflections of the Divertor CassetteMock-upIn the real operation environment, the shape of the DivertorCassette Mock-up (DCM) is never equally represented by the 3D-CAD model. The DCM deflects, when it is handled with the CMMend-effectors and when it rests on the toroidal rails (Figs. 35).The deformations of the DCM were calculated using Ansys soft-ware and CATIA FEM-tools. The results of these two calculationswere compared. In conclusion, both FEM tools provide similarresults if the restraints are specified correctly.In the next phase, the FEM results were divided to components.Then horizontal and vertical deflections of the hook plate handlingand resting on the toroidal rails were compared to measurementsthat had been done for real DCM in the DTP2 laboratory (Table 1).The measurement device is Sokkia NET05 high precision 3D coor-dinate measuring system (theodolite).Fig. 5. Vertical and horizontal deflections in respect to cassette structures.Comparison between the FEM results and the Sokkia measure-ments showed that the real DCM behaves as it was analyzed.2.5. Visualization of the deflections of the Divertor CassetteMock-upDesignoftheDCMhasbeenmadeaccordingtoapplicabledesignrules and standards of the machine design. As a result, the stressesare always below the proportional limit of the construction mate-rial and the behavior of material is linearly elastic. The initial testsin this study were conducted under the Hookes law assumptionfor linear deformations.Hence the results of the FEM analysis can be utilized for thevisualization of the DCM deformations. Problem of loaded deviceshape not being reflected to the teleoperator view makes accuratecontrolofthesystemnearimpossible.Teleoperatorvisualizationbyaccounting deformations can be carried out in two different ways.The traditional method is to divide a body into pieces and to createthelinkmechanismsbetweenthepieces4.Thisapproachrequiresa lot of analysis work. The position of the joints and the maximumjoint values are the result of these analyses. Based on the analyses,it was recommended to divide DCM into three links, which wereconnected with two rotational joints, Fig. 6.Method proposed by this paper is to use the 3D morphing theprocess of gradual transformation between 3D bodies to describethedeformationsofthebodybasedontheFEManalysisresults.Themetamorphosis or the (3D) morphing of the 3D graphical objects,also known as shape interpolation, is the process of transform-ing one shape into another 2. This technique allows utilizationof the FEM analysis results directly without laborious link-jointapproximations. In addition, this method enables the use of sep-Table 1FEM results compared to Sokkia measurements.DCM deflectionsCriteriaHorizontalVerticalUnitTotal deformation based on FEMbetween hook plate handling andresting on toroidal rails7.29.2mmSokkia measurements between hookplate handling and resting on thetoroidal rails6.67.3mmS. Kiviranta et al. / Fusion Engineering and Design 86 (2011) 195819621961Fig. 6. The body of the cassette is divided into three rigid links connected with tworotational joints to approximate mechanical flexibilities.Fig. 7. Simplified example of 3 links deformed by 9 individual morph targets(forces).arate deformation results by utilizing FEM results for each morphtarget per force applicable to the component for a given scenario(Fig. 7). This provides a high degree of adaptation capabilities foraccountingalargevarietyofflexibilitiesincomplexsystemswheremultiple sources of forces can affect each part of the system.For morphing the model, we have used the linear interpola-tion between the vertices in the non-deformed 3D model and thedeformed FEM model. A more advanced morphing algorithm is thestrain field interpolation 3 if the accuracy of the linear interpola-tion is not sufficient for the given application.For visualizing the deformations to the teleoperator, DassaultSystems Virtools 5.0 was used (Fig. 8). The virtual environment isbuilt by directly utilizing ITER CATIA models in conjunction withthe FEM models that are utilized for creating morph targets.The benefits of the proposed method are the following:Applicationofthefullyflexiblemeshmorphingbetweenthecom-ponents unloaded neutral states and the deformed states for agiven maximum force per morph target thus directly utilizingthe FEM results, Fig. 4.Easier reuse of the existing deformation data obtained by theoffline and online analysis of real systems.More accurate representation of each section of the complex sys-tem components and full control over the continuum possibledeformation points, instead of rough estimations gained troughjoint-link approximation.Possibility to combine multiple deformations separated by indi-vidual forces in complex system.Fig. 8. Example of DCM morph targets within virtual environment.2.6. Controlling of the 3D model deformationsControlling the 3D model deformations means