犐犆犉诊断设备搭载平台结构设计与误差分析

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1、第２２卷第６期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６２０１０年６月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｎ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０６１２５９０６犐犆犉诊断设备搭载平台结构设计与误差分析汪威，史铁林，来五星，王峻峰（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉４３００７４）摘要：设计了一个用于惯性约束核聚变诊断设备定位与对准的搭载平台。该平台采用三自由度混联机构，具有进行两转动一平动的姿态调节能力。给出了平台输出件末端位置的反解及正解的封闭解形式。在此基础上，利用矩阵法结合从运动学方程得到的

2、结论，推导出驱动杆杆长误差、球铰虎克铰间隙误差和球销副间隙定位误差与搭载平台终端位姿误差的映射关系。利用蒙特卡罗方法模拟分析了各几何误差源对搭载平台终端定位能力的影响。球销副的绝对误差较大并处于动平台的支撑点，所以它对搭载平台终端定位精度的影响较大。在不同姿态角相同误差输入条件下，对搭载平台终端误差输出进行了仿真，结果表明：俯仰角变化对输出误差的影响比偏航角变化的影响要大１～２倍。关键词：诊断设备搭载平台；混联机构；误差模型；蒙特卡罗模拟中图分类号：ＴＨ１１２文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０６．１２５９［１］在

3、惯性约束核聚变（ＩＣＦ）装置运行过程中，需要用到Ｘ光相机、晶体谱仪、光学成像系统等诊断设备，因此需要设计一个通用的诊断设备搭载平台（ＤＩＭ），用于将各种不同的诊断设备导入到靶室内部指定位置，并在完成实验后将诊断设备从靶室回收。搭载平台在导入和回收的过程中需要保证靶室真空环境不被破坏，并能［２６］［７］为诊断设备提供水、电、气和通讯等支持。其中，最为关键的技术是诊断设备在靶室内部的精密定位。利用安装在搭载平台前部的双ＣＣＤ相机测量出诊断设备的当前位置与指定位置间的偏差，通过调整搭载平台的偏航角和俯仰角来调节诊断设备与标靶之间的指向偏差，并在

4、稳定指向的基础上调节径向位置偏移量。１搭载平台结构设计与运动学分析１．１结构描述［８９］在工业应用中，尚缺乏把转动和移动结合起来的空间３自由度并联机构。混联机构将一个操作机构的［１０］任务分成定位和定向２个部分，分别承担相应的任务，因此将搭载平台的任务分为指向调整和径向调整２个部分。指向调整任务由一空间两自由度并联机构完成，径向定位任务由一个精密移动副来完成。ＤＩＭ主要由外筒、内伸缩筒、搭载小车、闸板阀和双脚支撑等构成，如图１所示。双脚支撑为２个精密线性驱动器，用于调节搭载平台的指向；外筒前端通过球铰与靶室外壁法兰连接，外筒后端通过万向铰

5、与双脚支撑连接；搭载小车用于固定诊断设备，小车的前部两侧装有两部用于定位测量的相机；内伸Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ缩筒内部装有直线导轨，用于支撑和引导搭载小车；外筒图１诊断设备搭载平台的末端装有一部交流伺服电机，用于内筒沿靶室径向的伸缩控制。搭载平台等效混联机构如图２所示。该机构主要部分由动平台Δ犃犅犗、定平台Δ犃１犅１犗１和连接两平台的支链所构成的空间２自由度并联机构，以及一端固联在动平台上的移动副组成。其中２条对称的ＴＰＳ支链是主动支链。犃，犅分别为上平台两万向铰中心，犃，犅分别为下平台两个

6、球铰中心，犗为球销副（带销的球铰）１１收稿日期：２００９０３３０；修订日期：２００９０８２２基金项目：国家９７３计划项目（２００９ＣＢ７２４２０４）；国家自然科学基金项目（５０８７５１０３）作者简介：汪威（１９７５—），男，博士研究生，主要从事机器人技术及视觉伺服技术方面的研究；ａｌｖｉｎｗａｎｇ＠ｓｍａｉｌ．ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。通信作者：史铁林（１９６４—），男，教授，博士生导师，从事状态监测与故障诊断、信号分析、人工智能、专家系统、远程监控与诊断方面的研究与教学工作；ｔｌｓｈｉ＠ｍａｉｌ．ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。１２６０强

7、激光与粒子束第２２卷中心，犗为球销副中心到下平台平面的垂足。在定平台上建立定坐１标系犗，其中原点位于犗点，犡轴在定平台所在平面内且垂１犡犢犣１直于犃；犢轴平行于犃；犣轴沿着犗方向，犗坐标系１犅１１犅１１犗１犡犢犣符合右手定则。在动平台上建立动坐标系犗狓狔狕，其中原点位于犗点，狓轴垂直并指向犃犅；狔轴平行于犃犅；狕轴垂直于狓狔平面向上，满足右手定则。设动平台上移动副的移动方向在动坐标系狓狕平面内，并与狓轴成角。该机构装配完成后，角便确定下来，在工作过程中不再φφ发生变化。为方便分析建立动平台的次级坐标系犗狓′狔′狕′。狔′与动坐标

8、系狔轴重合；狓′过犘犗并与移动副伸展方向相反；狕′的方向由Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤＩＭｈｙｂｒｉｄｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ右手定则确定。图２ＤＩＭ混联机构原理图上述并联平