巨型激光装置精密装校平台设计与分析

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随着能源的枯竭,人类加快了核聚变的研究步伐,我国提出巨型激光装置的研制计划,其肩负着开启惯性约束核聚变的重大使命。巨型激光装置研制中的关键一环是大量光机模块的精密装校,本文设计了一种具有六自由度位姿调整的装校平台。鉴于并联机构具备高精度、大比刚度、快响应速度及高承载能力等特点,该平台采用两种少自由度并联机构(3-PSS+PS调节单元与4-PP调节单元)串联构成。本文主要内容如下:  基于对巨型激光装置光机模块装校的需求与功能分析,提出了包含3-PSS+PS调节单元与4-PP调节单元两种少自由度并联机构的新型机构,并对两种少自由度并联机构进行原理分析,同时基于螺旋理论对装校平台进行自由度分析,为其运动学分析奠定基础。  根据封闭矢量法求解 3-PSS+PS 调节单元的位置逆解,采用 Newton-Raphson迭代法对其位置正解进行求解,且迭代结果满足课题需求;针对 4-PP 调节单元,利用解析法分别求解其位置正、逆解。用微分法推导得出了3-PSS+PS调节单元及4-PP调节单元速度、加速度数学模型,结合仿真软件Adams及Matlab对3-PSS+PS调节单元及4-PP调节单元进行位移、速度及加速度的运动仿真及求解,验证了运动学数学模型的正确性,为解决并/混联机构运动学的工程问题提供了理论基础及方法。  基于3-PSS+PS调节单元及4-PP调节单元的机械结构参数分别建立两者的可达工作空间约束不等式,通过数值搜索法—积分法对两者分别进行可达工作空间的求解。得出了3-PSS+PS调节单元单自由度、两自由度、三自由度可达工作空间图谱,给出了其四自由度耦合运动的可达工作空间的求解方法并验证了四自由度耦合运动时其仍能满足本课题需求;对于4-PP调节单元求解了在3-PSS+PS调节单元处于零位时的可达工作空间及光机模块实际装校状况下的可达工作空间的图谱。基于3-PSS+PS调节单元及4-PP调节单元关键指标的可达工作空间体积对两者进行结构参数优化,为并/混联机构的结构参数优化提供了理论依据。  利用速度矢量—螺旋理论法及微分法分别求解了 3-PSS+PS 调节单元及 4-PP调节单元的速度雅克比矩阵,基于两者的速度雅克比矩阵分别求解了两者的奇异性及灵活性。求解得出:3-PSS+PS调节单元逆运动学奇异位形、正运动学奇异位形及混合奇异位形,而4-PP调节单元在其工作空间内无奇异位形。根据速度雅克比矩阵分别对两者的灵活性求解,针对3-PSS+PS调节单元,提出了基于光机模块装校流程的灵活性方法并得到了其在整个装校流程的灵活性;对于4-PP调节单元 求解得出其全域灵活性恒为1,达到了最优。鉴于此提出基于机构全域灵活性的参数优化法对3-PSS+PS调节单元进行结构参数优化,使其全域灵活性得到优化。
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