0 引言

激光惯性约束聚变(Inertia confinement fusion， ICF)是一种在理论上产生核聚变的方法，人类就此进行了探索。大型激光器装置是产生高能的重要装备，如美国的国家点火装置(National ignition facility， NIF)和中国类似的大型高功率激光发射装置，其所需的大口径光学元件与相应机械件构成的在线可替换单元(Line-replaceable unit， LRU)数目和种类较多、规格不一且质量较大，均为专门定制的洁净、精密且价格昂贵的关键部件[1-3]。在线可替换单元需要在洁净及复杂工况下完成装校，传统的液压、电动及气压机械平衡吊难以满足。

对于“MooN”模型来说，其故障裕度为N-M，故而“1oo2”模型故障裕度为1。即该模型能够容忍一个危险失效。即当系统发生一次危险失效时，不影响其执行安全仪表功能(SIF)。

机械平衡吊在船舶、汽车以及航空航天等领域得到了广泛的应用。二十世纪七八十年代我国引进该技术并进行了研究，其中何全茂等对平行四连杆机构在平衡吊中的应用[4]进行分析；商顺强等对集成块式液压平衡吊进行研究[5]；闫爱和等提出平衡吊的运动分析及平衡方法[6]；张彦等提出1 t电动平衡吊杆件变形分析及解决方法[7]，上述所涉及的平衡吊为我国工业发展提供了宝贵的技术支持，但其仅在水平方向运动时实现机械平衡，在竖直方向运动时无法实现机械平衡，需用动力源进行举升操作，如商顺强所设计的集成块式液压平衡吊(图1)，闫爱和所设计的电动平衡吊(图2)。这样既造成了装置的操作不灵活又造成了能量的损耗，且难以完成复杂环境下的洁净装校。

  

图1 液压提升式

  

图2 电动提升式

本文中我们突破传统机械吊的设计理念，创新地设计了一种适用于多种在线可替换单元装校的新型空间位置全平衡机械吊。该装置可实现水平与竖直方向解耦运动，在空间位置基本可达到全平衡效果，无复杂的控制算法，可完成在线可替换单元在复杂工况下的装校。

该装置与传统平衡吊负载平衡情况对比如表1所示，新型空间位置全平衡机械吊可实现Y向移动、Z向移动及绕Z轴转动时的机械全平衡。减少了带来污染的可能性，如气缸所需的气源、液压缸所需的液压油及电动的传动链等，实现了洁净装校。

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表1 负载平衡情况对比

  

类型Y向移动绕Z轴转动(ϕ)Z向移动传统液压式平衡吊负载平衡情况机械平衡机械平衡液压平衡传统电动式平衡吊负载平衡情况机械平衡机械平衡电动平衡新型空间位置全平衡机械吊负载平衡情况机械平衡机械平衡机械平衡

注：机械平衡即通过装置自身的装配特征实现平衡负载； 电动或液压平衡即通过装置增加电动或液压装置实现平衡负载。

1 新型空间位置全平衡机械吊的结构及工作原理

1.1 新型空间位置全平衡机械吊的结构

G1δS1+G3δS3+G4δS4+G5δS5+G6δS6+G7δS7+G8δS8-pδG2=0

外祖母没有办法，依了她。给她在家里请了一位老先生，就在自己家院子的空房子里边摆上了书桌，还有几个邻居家的姑娘，一齐念书。

其中，多平行四边形机构主要由BC、B′C′、C″D、ADE、CH、DG、EFJ及FG杆等组成，在A、B、B′、C、C′、D、E、F、G及H处用铰链连接，并满足：① AD/DE=EF/FJ=C(常数)；② 四边形ABCD、CDGH、EFGD均为平行四边形。锁紧机构由双轴输出电机、螺旋升降机、正反锁紧螺柱、摩擦片及控制系统等组成，用于制动多平行四边形机构的DG、FG杆；整个锁紧过程可由无线遥控操控完成。旋转台与立柱之间采用摩擦因数小的回转支撑铰接。

对装置进行自由度分析，可采用螺旋理论及经典平面自由度分析[8-9]，本文中运用经典计算公式对其自由度进行分析

  

图3 装置结构图

  

图4 机构简图

1.2 新型空间位置全平衡机械吊的工作原理

新型空间位置全平衡机械吊可实现沿Y轴及Z轴移动以及绕Z轴转动。其机构简图如图4所示。

F=3(N-1)-2PL-PH

式中，N为构件总数；PL为低副数；PH为高副数。

综上所述，当该装置沿Y轴运动时，VA与VJ大小为：VA/VJ=C， VA与VJ方向相反。

(2)第二个障碍是需要穿过靶细胞周围的基质组织和细胞中的靶分子。许多肿瘤组织被凝血衍生的基质凝胶，如纤维蛋白凝胶或基质组织所包围，或者是由成纤维细胞包裹的结节。对于这些肿瘤组织，释放低分子量药物或从聚合物链裂解以及胶束和脂质体的崩解可能是一个基本点。此外，大分子本身可以在基质组织中扩散相当长的距离：例如，IgG(160kDa)可以在1%琼脂凝胶中自由地一夜之间扩散到5mm上。因此，对于将高分子药物输送到肿瘤而言，第二种屏障可能不是这样严重的问题。

新型空间位置全平衡机械吊的关键部件是配重，其对整个装置的空间位置全平衡至关重要，要求配重需满足GP= CGL，其中，GP、GL分别为配重及在线可替换单元的重力，配重可根据在线可替换单元质量的不同而做适当调整。

装校在线可替换单元时，无需复杂的控制算法即可实现其复杂工况下的位置调整。微调在线可替换单元姿态后，通过锁紧机构锁紧多平行四边形机构，便可进行在线可替换单元与激光发射装置的固联。同时锁紧机构可保证在线可替换单元装校完成后，多平行四边形机构不会由于配重的作用而发生倒伏倾翻。

2 新型空间位置全平衡机械吊的运动学分析

机械装置的运动学分析是其性能分析和动力学分析的基础，对于一种新型的机械装置来说，运动学分析是机构综合分析的前提和基础[10]。

新型空间位置全平衡机械吊的运动学分析是得知其关键特性的必要环节，本文中运用速度瞬心法对其运动特性进行分析。

2.1 新型空间位置全平衡机械吊沿Y轴运动特性分析

  

注：图中VA、VB、VD、VE 、VF及VJ分别为点A、B、D、E、F及J处的速度，O及O1为杆ADE及EFJ的速度瞬心，ω1、ω2为杆ADE及EFJ的角速度。图5 沿Y轴运动分析

对该装置沿Y轴(水平方向)运动时进行运动学分析，其分析简图如图5所示。设当手持托板沿Y轴运动时，其速度大小为VA，方向为Y轴正方向。运用速度瞬心法求得关键铰链处的速度及相应杆件的瞬心，分析过程如下:

式中，δS1、δS3、δS4、δS5、δS6、δS7、δS8分别为各杆在竖直方向的虚位移；δG2、δGj分别为在线可替换单元及配重在竖直方向所对应的虚位移。

构建装置关键构件的瞬心见图5，由装置的构件装配几何特征分析得△OED∽△EO1F。根据相似三角形的性质可知，OD/EF=ED/O1F，从而得△ODA∽△O1FJ。经上述分析得 DA‖O1F、 OA‖O1J。

由速度计算公式可知，VA=ω1×OA、 VJ=ω2×O1J，根据速度瞬心法及上述装配几何关系得VA/VJ=C，VJ方向沿Y轴负方向且与VA相反。

当锁紧机构处于松开状态时：分析得其自由度为3；当锁紧机构处于锁紧状态时：分析得其自由度为1。

高校的餐饮保障服务，历来都是学校后勤工作的重中之重，其不仅关系到师生的身体健康、学校的秩序稳定，更关系到社会的和谐大局、国家的长远发展。华中科技大学食堂服务的对象，基本上都是国家的精英和民族的脊梁，因而食堂对于餐饮服务的定位，同样也是站在这个高度和大局中去思考问题和开展工作，惟有如此，才真正将学校的食品安全演化为服务育人的坚实基础。

2.2 新型空间位置全平衡机械吊沿Z轴运动特性分析

对该装置沿Z轴(竖直方向)运动进行运动学分析，其分析简图如图6所示。设当手持托板沿Z轴运动时，其速度大小为VA，方向为Z轴正方向。运用速度瞬心法求得关键铰链处的速度及相应杆件的瞬心，分析过程如下：

  

注：图中VA、VB、VD、VE 、VF及VJ分别为点A、B、D、E、F及J处的速度，O及O1为杆ADE及EFJ的速度瞬心，ω1、ω2为杆ADE及EFJ的角速度。图6 沿Z轴运动分析

构建装置关键构件的瞬心见图6，由装置的构件装配几何特征分析得△DOE∽△FO1E。根据相似三角形的性质可知，OD/EF=ED/O1F，从而得△FJO1∽△DOA。经上述分析得 OA‖O1J。

由速度计算公式可知，VA=ω1×OA，VJ=ω2×O1J，根据速度瞬心法及上述装配几何特征得VA/VJ=C，VJ方向沿Z轴负方向且与VA相反。

综上所述，当该装置沿Z轴运动时，VA与VJ大小为：VA/VJ=C， VA与VJ方向相反。

2.3 新型空间位置全平衡机械吊运动学的ADAMS仿真及分析

运用运动学仿真软件ADAMS对装置沿Y、Z轴运动特性进行仿真，从上述的分析可知，需验证铰接点A及J点的运动速度特性，设上述多平行四边形机构的杆长比C为4，铰接点A及J点的速度为VA、 VJ， 其中，VA的运动规律为仿真分析结果如图7所示。

同理，设上述多平行四边形机构的杆长比C为4，铰接点A及J点的速度为VA、 VJ，其中，VA的运动规律为仿真分析结果如图8所示。

通过分析图7及图8可以得知，当铰接点A沿Y轴、Z轴及其耦合的方向运动时，铰接点A、J点的速度VA、VJ方向相反，大小为VA /VJ=C。

接口安装时应准确将插口一次插入承口到达预先做好的标记线处；安装就位后用钢制测隙规插入承插口之间，检查橡胶圈各部位的环向位置，确认橡胶圈在同一深度。另外，DIP还得用薄窄钢尺绕着插口90°四点检查橡胶圈压缩比，要达到20%～30%。

乡土情结就是指一个人与其故乡之间产生的情感牵绊。高密东北乡这块邮票大小的土地是莫言的故乡，他的乡土情结就是在这里孕育的,其来源主要有两个：对故乡产生的爱恨交织的复杂情感以及福克纳的启发。

  

注：图中为A、J点的速度VA、 VJ分别在Y、X、Z 轴的分量结果图7 沿Y轴运动时VA、 VJ仿真分析结果

  

注：图中为A、J点的速度VA、 VJ分别在Y、X、Z 轴的分量结果图8 沿Z轴运动时VA、 VJ仿真分析结果

3 新型空间位置全平衡机械吊的平衡能力分析

文中所提出的平衡能力是指装置在工作空间范围内工作时外部输入力与负载的比值。通过建立机构的刚体动力学模型对该装置的空间位置全平衡能力进行分析。机构的刚体动力学模型是动力学性能分析评价、优化设计和控制的基础，一直是国内外学者的研究重点和难点，迄今已形成了基于牛顿-欧拉法、虚功原理和凯恩方程法等的机构动力学建模方法 [11-12]。

运用虚功原理对新型空间位置全平衡机械吊进行动力学建模，在考虑装置中的多平行四边形机构的杆组自重，忽略装置各转动副摩擦产生的能量损失的情况下，分析手持托板沿Y轴、Z轴移动及绕Z轴旋转时输入力大小，从而衡量装置的空间全平衡能力。

3.1 新型空间位置全平衡机械吊沿Y轴运动时的分析

式中，δS1、δS3、δS4、δS5、δS6、δS7、δS8分别为杆BC、CD、CH、ADE、DG、GF及EFJ的重心在竖直方向的虚位移；δG2、δGj分别为在线可替换单元及配重在水平方向所对应的虚位移。

音响驯化第1天，首次放声时鱼群对声音产生惊愕反应，身体有显著窜动，随后向四处游散；第2天驯化时，有一小部分鱼向声源附近投饵口处游动，大部分鱼群仍远离声源；第3天时，有近50%的鱼群向声源处游动；第7天时，鱼群听到声音后迅速的集群向声源附近投饵口处游动，标志框内的聚集率可达80%左右，说明鱼群已从对声音无反应到有明显反应，鱼群聚集率见表1。

由于重力方向为竖直向下，运用虚功原理建立动力学模型时，杆件自重的影响只需考虑各个杆件重心在竖直方向的虚位移即可，分析结果如下所述

δS1=(L-S1)cos φδφ

(1)

 

(2)

δS3=Lcos φδφ

(3)

 

(4)

δS5=S5cos φδφ

(5)

 

(6)

δS7=S7cos φδφ

(7)

 

(8)

 

(9)

当手持托板沿Y轴方向移动时，分析此时输入力大小。设放置在托板上的在线可替换单元的重力为G2，输入力为p，各杆组的重力分别为G1、G3、G4、G5、G6、G7、G8以及配重的重力为Gj，如图9所示。

A点为脱硫装置出口烟气饱和状态点，一般为50～55 ℃；直线AB为烟气绝热加热线，表示饱和烟气加热至未饱和状态排至烟囱出口的过程，也是烟气相对湿度降低的过程，此过程中已考虑烟气在烟道及烟囱中的温降，B点为烟囱出口烟气状态点，一般为70～75 ℃；D点为大气状态点，直线BD表示从烟囱排出的未饱和烟气与大气混合过程变化线，由于直线BD处于未饱和区域，因此可避免白雾发生。

  

注：设AD=L、DE= l、EF=H、FJ=h，其中O1、O3、O4、O5、O6、O7及O8分别为各杆的重心位置，O2、Oj分别为在线可替换单元及配重的重心位置，S1、S3、S4、S5、S6、S7、S8分别为所对应杆件的重心至相应点的距离。图9 沿Y轴运动时受载情况

由虚功原理

(10)

可得

新型空间位置全平衡机械吊主要由托板(1)、 多平行四边形机构(2)、 配重(3)、 旋转台(4)、 锁紧机构(5)、 立柱(6)、 底板(7)及调整螺钉(8)等结构组成，如图3所示。

(11)

其中，

将各虚位移代入式(11)，可得

将运动学模型导入优化软件Isight中，采用自适应模拟退火(ASA)算法，模拟退火的过程，将优化问题与退火过程类比[10]。按照上节中的优化目标、优化变量、及约束条件等表达式进行参数设置，设置完参数之后，执行优化模型。程序共经过1 000次迭代优化，将数据导出我们可以得到加速度a及变量收敛的过程，如图6所示。

 

(12)

3.2 新型空间位置全平衡机械吊沿Z轴运动时的分析

当手持托板沿Z轴方向移动时，分析此时输入力大小。设放置在托板上的在线可替换单元的重力为G2，人手的输入力p，各杆组的重力分别为G1、G3、G4、G5、G6、G7、 G8以及配重的重力为Gj，如图10所示。

由于重力方向为竖直向下，运用虚功原理建立动力学模型时，杆件自重的影响只需考虑各个杆件重心在竖直方向的虚位移即可，分析结果如下所述

  

注：设AD=L、DE= l、EF=H、FJ=h，其中O1、O3、O4、O5、O6、O7及 O8分别为各杆的重心位置， O2、Oj分别为在线可替换单元及配重的重心位置，S1、S3、S4、S5、S6、S7、S8分别为所对应杆的重心至相应点的距离。图10 沿Z轴运动时受载情况

(13)

(14)

δS3=Hsin γδγ

(15)

δS4=(H-S4)sin γδγ

(16)

 

(17)

δS6=(H-S6)sin γδγ

(18)

δS7=S7cos φδφ

(19)

 

[tan(φ-γ)+tan γ]cos(φ-γ)sin γδφ

(20)

 

(21)

lcos φδφ=hcos γδγ

(22)

电气自动化不仅促进了生产力的进步，也极大地改变、改善了人类的生活。放眼未来，在电气自动化的发展中，以下趋势越来越明显：

“广场舞”是一种集健身、娱乐、审美为一体，以大众为主体，配以富有节奏感的音乐，在广场、公园、院坝等宽敞场地开展的群众性健身舞蹈活动。它属于传统舞蹈与音乐的一种变奏式创编，包容性很强，既具有舞蹈审美的情趣，又具有健身运动的特点，适宜广大人群参与其中，所以，其可塑性、艺术性、简易性、普及性等特点明显。随着全民健身上升为国家战略，群众体育的发展步伐也随之加快，广场舞作为适应时代发展的创意健身舞蹈活动，展现了自身的发展优势。在健康中国2030体系推进过程中，需要广场舞等群众性体育项目参与建设，通过广场舞健身活动类创意打造“健康城市”名片，发挥社群价值，促使中老年人群广泛参与健身等[13]。

由虚功原理

 

(23)

可得

G1δS1+G2δG2+G3δS3+G4δS4+G5δS5+G6δS6+G7δS7+G8δS8-GjδGj-pδG2=0

(24)

其中，

将各虚位移代入式(12)，可得

 

(25)

运用Matlab软件，仿真求解输入力p的取值以衡量该装置的空间位置全平衡能力。对上述G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、Gj进行赋值，其中，各杆选用铝镁合金材料，结构上去除多余材料，具体质量如表2所示。

 

表2 装置各构件质量 kg

  

G1G2G3G4G5G6G7G8Gj1.7700.61.721.70.52.8140

运用SolidWorks确定各杆的重心位置，同时进行中干涉检验确定：φ及γ∈[20°， 65°]；-0.38≤sin φ-sin γ≤0.72。

解决水利建设筹资难的关键在于加大政策扶持力度，建立政府主导、社会共建的水利投入稳定增长机制，引入市场机制，吸引民间资本。

将上述各条件代入式(12)中，运用Matlab软件进行仿真求解，其中，φ及γ为自变量，得到新型空间位置全平衡机械吊沿Y轴运动时p的仿真求解结果，如图11所示。

  

图11 沿Y轴运动(水平方向)时p值

从图11分析可得托板沿Y轴运动时，p值最大值为29.63 N。

将上述各条件代入式(25)中，运用Matlab软件进行仿真求解，其中，φ及γ为自变量，得到新型空间位置全平衡机械吊沿Z轴运动时p的仿真求解结果，如图12所示。

  

图12 沿Z轴运动(竖直方向)时p值

从图12分析可得托板沿Z轴运动时，p值最大值为32.62 N。

综上所述，新型空间位置全平衡机械吊沿Y轴或Z轴或这两个方向的耦合方向运动时，输入力p最大值为32.62 N，此时的负载可达700 N，输入力仅为负载的4.7%，基本达到了空间位置全平衡，为机械吊的设计提供了理论基础。

4 结论

提出一种新型空间位置全平衡机械吊，其可实现沿Y轴、Z轴的移动以及绕Z轴的转动，且这3个自由度的运动为解耦运动。该装置无需增加其他能源输入(如电动、液动及气动能源)，可实现空间位置全平衡及洁净装校，无复杂运动控制算法，方便可靠。运用速度瞬心法对该装置运动特性进行了分析，并运用ADAMS对分析结果进行仿真验证；采用虚功原理对该装置进行空间位置全平衡能力分析，创新性地提出以所需输入力p与负载的比值作为衡量该装置平衡能力的标准。采用Matlab对例证进行全工作空间输入力p大小的仿真求解，解得在该工况下输入力仅为负载4.7%，基本达到了空间位置全平衡，为以后灵巧搬运装置的设计提供了理论基础。

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