毕业设计论文-使用SimMechanics进行连杆机构设计.docx

武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计目录摘 要IAbstractII第一章 概述1 1.1课题背景1 1.2 设计的目的和意义2 1.3国内外研究及发展2 1.4软件介绍3 1.4.1 强大功能5 1.4.2机械系统建模5 1.4.3实体、铰链、约束和坐标系统5 1.4.4 作动器和传感器6 1.4.5机械系统动画显示6 1.4.6机械运动的仿真和分析6 1.5设计内容及技术要求7 1.5.1雷达天线的升降传动7 1.5.2雷达天线俯仰升举机构建模仿真8第二章 雷达天线升降俯仰机构设计9 2.1雷达天线9 2.2设计方案9 2.2.1雷达天线升降俯仰机构9 2.2.2机构连杆10 2.2.3零件组成11 2.2.4电机选择12 2.3升降连动杆原理12 2.3.1连杆机构设计13 2.3.2升降杆曲柄连杆机构设计14 2.3.3升降杆曲柄摇杆设计要求15第三章 SimMechanics建模及仿真19 3.1 SimMechanics建模仿真19 3.1.1 模型初始位置计算19 3.1.2 创建升降杆机构模型20 3.1.3各模块设置21 3.1.4添加作用器和传感器25 3.1.5仿真结果分析3 3.2 SimMechanics动态仿真3第四章 总结6参考文献7致 谢9摘 要在日常生活中，连杆机构是最常见的机械结构，解析法和图解法则是其运动分析的基本方法。解析法通常需要编制程序来完成大量的数据计算；作图法的精度较低，虽然在实际中应用更为广泛，但不能对机构的性能进行仿真分析，渐渐地已不能满足工程需要。MATLAB软件中的Simulink和SimMechanics仿真工具箱，就针对这一问题，给广大设计人员带来了解决方案。MATLAB是目前国际上广泛使用的一种功能强大的工程计算和分析软件，被广泛应用于自动控制、机械设计等工程领域。利用MATLAB，我们可以方便对连杆进行仿真分析，完成对现有设备的设计方案以及对新产品的设计性能检验，在一切设计都已经完成之后做一个整体的评估，从而对自己的设计有个清醒的认识。现代雷达上俯仰机构和升举机构的运用显得格外重要，小至家用电视的锅盖卫星天线，大至军用防空雷达等都与俯仰机构密不可分。雷达俯仰传动系统原有的基础上进行自定义参数的设计和选材，验证其方案可行性并建立三维实体模型。本文将进行雷达天线俯仰机构设计，通过使用SimMechanics在Simulink环境下建立机构模型，进行动态仿真，完成一个基于SimMechanics的雷达天线机构设计。关键词：；雷达升降机构；连杆机构；SimMechanicsAbstract In daily life, linkage is the most common mechanical structure, analytical and graphical methods are the basic methods of its movement analysis. Analytical method often requires program to complete a large amount of data calculation; graphical method has a low precision, although it is applied more widely, but it cant get simulation analysis, also cant meet the engineering needs gradually. Simulink and SimMechanics simulation toolbox in MATLAB software have solved this problem, it brings a solution to the majority of designers. MATLAB as a powerful engineering calculation and analysis software is widely used in automatic control, mechanical design, engineering internationally. With MATLAB, we can facilitate the simulation analysis of linkage and complete the equipment design and new product design and testing, after all designs have been completed, we can make a total assessment of our own design to have a clear understanding. Pitch mechanism and lift mechanism on the use of modern radar is particularly important. From a home television satellite antenna to the military air defense radar are closely related to the pitching mechanism.based on the original design and material selection of the parameters of the radar elevation drive system, the feasibility of the scheme is verified, and the 3D solid model is established.In this paper, the design of radar antenna mechanism is carried out by using SimMechanics in the Simulink environment to establish the mechanism model, and the dynamic simulation is carried out. The design of a radar antenna mechanism based on SimMechanics is completed.Keywords：Radar lift mechanism ; Connecting rod mechanism；SimMechanicsIII第一章 概述1.1课题背景SimMechanics是Simulink和MATLAB对一个机械系统进行建模仿真。在SimMechanics环境中，对机构系统进行建模和仿真，有一套工具来设定构件的各种特性，如质量、惯性张量、旋转轴、坐标系统、运动约束，还可以初始化和测量机构系统的运动。在仿真之前，利用MATLAB图形系统， SimMechanics可视化工具可以简化为机构的直观显示。SimMechanics是物理建模的一部分，利用物理原理来对系统进行建模和设计。实际建模是在Simulink环境当中，可以和Simulink中的其他工具箱实现无缝结合，不像Simulink中其他模块，SimMechanics是直接通过模块对实际构件和构件之间的关系进行建模。SimMechanics是一个模块库，库中模块使用环境为Simulink，具有特殊的仿真性质。通过特殊的Sensor和Actuator模块来连接Simulink中的标准模块。SimMechanics模块库中的模块都是建立机构所必需的，无论机构中有多少个刚体、连接和自由度。是进行控制器和对象系统跨领域/学科的研究分析环境。SimMechanics为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均在Simulink环境中完成。它提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作动器和传感器等。使用这些模块可以方便的建立复杂机械系统的图示化模型，进行机械系统的单独分析或与任何Simulink设计的控制器及其它动态系统相连进行综合仿真1。SimMechanics为机械系统提供了如下仿真分析方式：正向动力学分析求机械系统在给定激励下的响应；逆向动力学分析求机械系统按给定运动结果时所需的力和力矩；运动学分析在约束条件下系统中的位移、速度和加速度，并做一致性检查；线性化分析求得系统在指定小扰动或初始状态下的线性化模型，分析系统响应性能；平衡点分析可以确定稳态平衡点，供系统分析和线性化使用。1.2 设计的目的和意义作用在机械上的力, 不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数, 而且也是决定构件尺寸和结构形状的重要依据,机构运动分析是评价机械产品性能指标的主要方法之一。无论是对于新的机械设计，还是为了求解现有机械的运动性能，机构运动分析都是十分必要的2。Simulink是一款集成于Matlab中的仿真分析工具软件，该软件提供了一个系统建模、仿真和综合分析的集成开发环境。在该环境中，可以构造出不同类型的系统模型4。而Simulink中的SimMechanics是一个专门面向机械方面的机构动态建模工具包，它在机械产品开发过程中起着重要作用，使用该工具箱可在在Simulink环境下进行建模和动态仿真分析, 还可在形成实际产品之前对某些参数进行修正，以便更好地满足设计要求。SimMechanics可以直接在Simulink 中使用,它以框图来描述模型的基本元素3。SimMechanic还能够将建立的机构模型与Simulink下由其它工具箱建立的控制系统模型结合起来，进行整体的仿真分析。这与其它通过编程实现或完全使用Simulink实现的仿真方法相比,这种整体仿真分析的方法能直观地表现机构模型的运行状态及存在的缺陷，使机构系统仿真存在的问题可以及时发现更易于解决10。本文将利用MATLAB进行雷达天线俯仰机构和升举机构设计，通过使用SimMechanics在Simulink环境下建立机构模型，进行动态仿真，完成一个基于SimMechanics的雷达天线升降机构设计。1.3国内外研究及发展随着计算机图形图像显示技术的实用化，一些欧美的国家已经可以将所设计的机构在计算机的中以三维实体来描述，从而可以显示出它在整个运动周期循环，以观察机构的各个实际运动的空间情况。例如美国的Mechanical Inc公司研制软件就是集建模、求解、可视化为一体的虚拟样机软件。它可以产生复杂的机械系统真实的仿真其运动并且同时分析和比较多种参数方案，直到获得优化的工作性能。国内关于机构运动学和动力学分析与仿真技术的研究也开展的较早，近年来国内学者在平面连杆机构运动分析方面做了许多富有成效的工作。如果单从机构运动和动力学分析的理论来说，我国目前的水平比国外并不落后。但是较大的问题在于这些长期工作停留在传统技术领域，研究成果只有一些概念、算法，主要是编写一些计算机程序或绘出简单的运动分析曲线和图谱，还没有达到国际标准。现如今，雷达已经成为一项非常广泛实用的技术，它是利用目标对电磁波的散射来发现，探测、识别各种目标，测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中，雷达的作用越来越显示其重要性，特别是第二次世界大战，英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战，使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理器、电源等组成。其中，天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一；我们要有精确的雷达调控功能能力才能更好的利用雷达 。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备， 而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能，而且具有其它射频功能。有源电扫阵列的最重要的特点是能直接向空中辐射和接收射频能量。它与机械扫描天线系统相比，有许多显著的优点。1.4软件介绍Simmechanics是基于MATLAB/Simulink中的重要组件，它利用Matlab强大的科学数值计算能力和Simulink本身良好的人机交互图形界面仿真环境，对机械系统进行建模仿真以及系统参数的优化7。它通过建立仿真软件支持的产品模型，从而实现机电一体化产品方案的确定，并可及时快速的利用模型仿真结果分析得到反馈信息，进而对设计方案进行改进和优化6。Simulink提供了很多可以对仿真结果分析的输出模块，而且在Matlab中也有丰富的用于结果分析的函数和指令。它具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。利用Simulink进行系统的建模仿真，可以利用Matlab提供的丰富的仿真资源。SimMechanics集成于Simulink之中，是进行控制器和对象系统的跨领域跨科学的研究分析工具包8。SimMechanics为多体动力机械系统机器控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均在Simulink环境中完成。SimMechanics提供了大量对应实际系统的元件。如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作用器和传感器等。使用这些模块可以建立复杂图形化机械系统模型，进行机械系统单独分析与任何由Simulink设计的控制器及其它动态系统相连进行综合仿真。SimMechnics提供了一个可以在Simulink环境下直接使用的模块集,可以将表示各种机构的模块在普通Simulink窗口中绘制出来,并通过它自己提供的检测与驱动模块和普通Simulink模块连接起来,获得整个系统的仿真结果17。利用此工具包进行机构分析不需要建立数学模型和编程，即可实现实时分析和机构运动状态的模拟显示，这将提高机构设计和研究人员的工作教率18。特点：提供了三维刚体机械系统的建模环境；包含了一系列分析机械运动和设计机械元件尺寸的仿真技术；完整的建模层次，允许机械模型模块与其它类型模块结合使用；可在Simulink中建立高精度、非线性的模型以支持控制系统的开发和测试；包括各种铰链和约束形式； 可对平移运动和旋转运动，力和力矩进行建模、分析；提供平衡点和线性化工具以支持控制系统设计；可进行系统的运动学和正向逆向动力学分析；为模型定义提供多种本地坐标系统1.4.1 强大功能在Simulink环境中进行动力学研究。使用Simulink集成化的图形界面建立机械多体力学系统的模型并进行仿真。SimMechanics使得用户可以方便地修改系统中的物理参数，包括位置，方位角和机械元件的运动参数等。 使用Simulink 变步长积分法可以得到较高的计算精度。Simulink 的过零检测功能以双精度数据水平判定和求解不连续过程，对于机械系统中存在的静摩擦和机械硬限位等情况建模具有重要的意义。SimMechanics 模型可与Simulink 的控制系统模型方便地结合，在同一个环境中对控制器和被控对象建模。1.4.2机械系统建模SimMechanics通过建立模块连接关系图，来表示机械系统。具有质量的实体单元；平移和旋转联接铰链单元；向机械系统提供力和力矩作用的作动器单元，可接受Simulink 模型的信号；测量机械系统运动物理量的传感器单元，可向Simulink 模型输出信号。1.4.3实体、铰链、约束和坐标系统SimMechanics 支持任意数量的实体。实体通过质量属性，坐标系统定义，并通过铰链与其它实体相连。可以在系统的运动实体上添加相应的运动约束。约束通过使用Simulink信号限定实体，并以时间函数的形式驱动实体运动来实现。SimMechanics 界面为定义坐标系统、约束和驱动条件以及力/力矩的定义提供了多种方式。在实体上连接多个本地坐标，用于施加作用条件和测量物理量； 通过添加自己订制的模块来定制扩展铰链库；在SimMechanics 模块中使用Matlab 表达式和Simulink 工具。1.4.4 作动器和传感器Simulink 和SimMechanics 模块之间的联系通过作动器和传感器模块来完成。作动器使用Simulink 信号来指定实体或铰链上的力和运动。包括：指定实体或铰链的运动参数，如按某种时间函数变化的位移、速度或加速度用Simulink 信号（包括系统中传感器的反馈信号）指定力和力矩并施加在实体或铰链上检测由不连续摩擦力引起的离散事件；计算系统的初始状态（位移和速度），用于动力学仿真；传感器模块用来检测实体和铰链的运动参数，并输出为Simulink 信号在Simulink 示波器模块中显示系统的位移、速度和加速度以及监视系统中的作用力。1.4.5机械系统动画显示SimMechanics 中可以用VirtualReality 工具箱或是Matlab 图形方式生成系统三维动画。Matlab 图形方式能提供基本的动画显示， VirtualReality 工具箱则能提供更加高级、真实的动画。两种工具都可以用来显示机械系统的数值分析结果。1.4.6机械运动的仿真和分析SimMechanics 为机械系统提供了如下仿真/分析方式：正向动力学分析 求解机械系统在给定激励下的响应；逆向动力学分析 求解机械系统在给定运动结果时所需的力和力矩；运动学分析 在约束条件下求解系统中的位移、速度和加速度，并做一致性检查；线性化分析 求得系统在指定小扰动或初始状态下的线性化模型，以分析系统响应性能；平衡点分析 可以确定稳态平衡点，供系统分析和线性化使用。1.5设计内容及技术要求1.5.1雷达天线的升降传动雷达天线升降机构，其升降机构按照机电传动的形式可以完成较大重量雷达天线的架设，还可大大简化机械结构，减少机械零部件的数目，也便于实现自动控制。随着科技的发展，雷达天线升降机构可实现对较大型天线的高架，并且在天线的举升过程中，天线的姿态不变，架撤收过程平稳，可靠，快速。在雷达天线升降系统中被采用。现在以小式轻型雷达天线升降机构系统为设计对象，紧密结合机械设计制造及自动化专业的相关基础技术和专业技术，对于锻炼学生综合应用专业知识解决工程实际问题的能力以及独立工作的能力具有积极的促进作用。雷达种类很多，分类方法也很复杂，以下列举部分分类方法：按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。按辐射种类（雷达信号形式）可分为：脉冲雷达和连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等。按照角跟踪方式可分为：单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达。按工作频段可分为：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达、超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。按照目标测量参数可分为：测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和故我识对雷达、多站雷达等。按照天线扫描方式可分为：分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。按照雷达采用的技术和信号处理的方式可分为：相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。按用途可分为：空中监视雷达（如远程预警、地面控制的拦截等）、空间和导航监视雷达（弹道导弹告警、卫星监视等）、表面搜索和战场监视雷达（地面测绘、港口和航道控制）、跟踪和制导雷达（表面火控、弹道制导等）、气象雷达（降雨和风的观测和预测等）、天文和大地测量雷达（行星观测等）雷达俯仰升降传动是根据曲柄摇杆运动原理。对于轻小型雷达来说，从经济的角度考虑，传动结构可以应用曲柄摇杆机构，可以运用动作简单、低耗、容易实现的曲柄连杆机构轻便地完成雷达的俯仰动作，而且还可以减少原材料的使用，减轻设备重量，使得机动更灵活。由于较多的连杆在装配过程中会出现较大间隙影响传动系统的精度，所以在设计过程中需要设计相关辅助机构来提高俯仰机构动态稳定性。因此本文采用解析法进行设计，解析法虽然需要大量的数据计算，但通过Matlab强大的科学计算能力，以及函数的运算，使计算过程大大简化，也就降低的解析法设计的计算难度。连杆机构在设计及应用中也存在一些缺点：其作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡；较难精确实现预期的运动规律的要求；设计方法比较复杂。但近年来在如SimMechanics这样仿真分析软件的辅助下，这些限制因素很大程度上得到了改善，本文就是通过在SimMechanics上运行动态仿真，分析运动结果，检验设计方案是否达到了预期的运动规律要求。1.5.2雷达天线俯仰升举机构建模仿真利用SimMechanics在Simulink平台上建模，可以准确、方便、高效的得出系统受力、共振、阻尼等各种设计参数和图表，为设计和制造经济、安全的机械产品提供有效的数据支持和仿真平台。使用SimMechanics中的模块在Simulink上建立机构模型，需要先确定好机构模型的初始位置，初始位置的选定最好是选择比较特殊的位置，因为这样能够更方便的对机构上各位置的坐标系统进行设置。本文使用的是曲柄摇杆机构中摇杆的两极限位置之一，因为这两个极限位置有很多已知或求得的参数数据，能够直接对机构模型的坐标位置进行设置。机构模型的设置包括设置模型的力学环境、刚体模型间的铰链形式、刚体本身的相对位置，其中力学环境和铰链形式在本文中都是使用的默认设置，而刚体本身的相对位置是通过设定刚体上坐标系统的坐标轴方向和坐标原点来实现的。本文使用SimMechanics模块在Simulink上建立雨刮器机构模型，并运行动态仿真，分析机构设计是否满足设计要求，完成一个基于SimMechanics的连杆机构设计。第二章 雷达天线升降俯仰机构设计2.1雷达天线雷达天线类型很多，按其结构形式，主要有反射面天线和阵列天线两大类。按天线波束的扫描方式，雷达天线可分为机械扫描天线、电扫描天线和机电扫描结合的天线。雷达天线主要目的是更好地接受和发送数据，采用不同种类的天线拥有不同的指标，现代高科技技术已进入了电子战，信息站时代，传统的机动型雷达已经不能满足现代战争的需要。各国为了提高自己的防卫，跟踪，识别和反击能力，高机动地面雷达应运而生。而作为雷达移动的俯仰升降机构更是起到了实现雷达活动转换的重要作用，其雷达升降机构具有受环境条件限制很小,运动状态平稳,精度高,运转过程中能够实现可靠制动,安全性高,可靠性高等特点。 2.2设计方案2.2.1雷达天线升降俯仰机构雷达作为基础设计其天线的俯仰传动系统，主要功能是支撑起雷达天线阵面与地面成一定的角度。要完成此动作，首先是要有动力源，其次为传动件及其配件的选择和设计最终到俯仰机构的设计。天线升降装置的结构形式主要有曲臂式、垂直升降式和平行四连杆，对于举升高度较高的中大型雷达天线多采用平行四连杆式，经综合考虑，选用平行四连杆机构。底座是整个举升机构的支撑基础，固定在雷达地盘上，跟同等规格的主连杆与底座和天线回转台铰接，另外2根等长的连杆作为辅助支撑与主连杆一起构成平行四连杆机构，整个平行四连杆由个同电机驱动，杆件分别通过铰点与主连杆铰接，平行四连杆机构在电机的驱动下，带动天线回转台始终以水平状态运动。举升到位后，锁紧装置锁定举升机构以保障雷达的稳定工作。对于平行四连杆结构，举升高度与落位运输时的长度是一致的，举升系统必须与雷达其他部分一体化设计，才能满足举升高度的前提下，既优化空间尺寸、升降能力，又保证各部件比例协调，外形美观。用铰链四杆机构来控制工作原理，实现加工方法和要求、工作性能与用途。装置主要由底座、两个支架、曲柄、连架杆、自动控制器、摇杆与一个自动接收器等组成；能够准确无误的完成接受器的自由控制。 在工作时要使雷达天线收放自如达到特定角度，工作迅速升起，结束后雷达天线又将恢复到水平状态。满足雷达的高机动性常用的升降机构转台和雷达天线被举高的俯仰角度。图2.1升举机构与俯仰机构示意图2.2.2机构连杆 凡是做连杆运动设计都不能缺少零部件的选择和计算，它也是设计中的主要组成部分，是衡量一个设计结构是否达到规范和标准的关键。当选定其中一个构件作为机架之後，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆；当以曲柄为主动件时连杆、摇杆等杆件作为从动件。在运动过程中曲柄绕支架旋转360，同时摇杆也做一定的摆动，摆角的大小是由摇杆在两个极限位置的夹角来决定的，极限位置不同摆角的大小也不同，连杆是来连接曲柄和摇杆起着连接的作用。当摇杆到达一个极限位置是信号器接受信号，当摇杆到达另一个极限位置是信号器不接受信号。通过这一个原理来实现雷达的往复摆动，来实现接受信号的功能。从而实现设计所能达到的要求。工作原理图：工作原理图更能直观的表达其工作原理，运动要求等等。原理图反应的是整个设计的过程，让我们大家更能清楚的认识到设计的内容。图2.2曲柄摇杆机构2.2.3零件组成 对于轻型雷达天线零件选用上各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括五个基本组成部分:发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。主要有六部分组成，底座、两个支架、曲柄、连架杆、摇杆。两个支架支撑的地方不同，在设计方面就有所不同，支架1是连接曲柄做360旋转、支架2是连接摇杆做一定角度的摆动。支架1在与曲柄连接处是一个半圆形状，使曲柄能连贯旋转。支架2在与摇杆连接处也是一个半圆形状，这样可以让摇杆在一定范围内摆动 曲柄是类似一个半圆键形状的杆件，两端是半圆形。 连架杆也是一个类似与半圆键形状的杆件，只不过在长度有所不同而已，它的两端也是半圆形方便连接，连架杆是连接曲柄和摇杆的杆件，在四杆运动中有着重要的作用。本装置主要设计四杆雷达的运动，在整个工作过程中，雷达是靠四杆机构的运动来实现信号的传递。在运动过程中还需要考虑，压力角、传动角、摆脚等各种附加参数这样才能保障运动的可靠性。在装配是各个杆件一定要紧密结合，这样在传动过程中才能保证运动的连贯性。在各种机构型式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和多种多样的特性。仅就平面连杆机构而言，即使其连杆件数被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构型式在今天仍难以估计。它们的特性在每一方面是多种多样的，以致只能将其视为最一般形式的机械系统。 因为小型雷达天线升降机构应该采用轻型的材质做杆件这样可降低抖动磨损，再加上其受力均匀、防日晒、结构简单、重量更轻等特性。2.2.4电机选择最后把注意力集中到电动机上，通过查找资料，找到了一种伺服电动机，伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，伺服电机具有很明显的优势，运用于现代雷达高精度要求上确实是一个很好的选择。 初选伺服电机型号为：SM-130-077-30LFB，该电机的额定功率P额为2.4KW；额定转速n0为3000r/min；额定转矩T0为7.7Nm。此类型号的电机适用于过载倍数要求高、单位时间内电机起、停次数频繁、高速重载的场合。2.3升降连动杆原理连动杆就是连接电机与升降的部分，连动杆通常是一个曲柄摇杆机构，将电机的转动转化成升降杆的往复摆动。其连动杆是在曲柄摇杆机构的基础上，增加一个连接连杆，使其成为一个双摇杆机构。本设计将采用一个长度与连杆距离相同的连杆，使升降杆的摆动完全一致，减少了双摇杆机构的设计过程。 图2.3曲柄摇杆原理机构2.3.1连杆机构设计曲柄摇杆机构是平面四杆机构的基本型式之一，其设计的基本问题与连杆机构的相同。连杆机构设计的基本问题是根据给定的运动要求选定的形式，并确定其各构件的尺寸参数。为了使机构设计合理，可靠，通常还需要满足结构条件（如要求存在曲柄，杆长比较恰当），动力条件和运动连续条件等。根据机械的用途和性能要求等的不同，对连杆机构设计的要求是多种多样的，但这些设计要求通常可归纳为以下三类问题：一 、满足预定的运动规律要求，即要求两连架杆的转动能满足预定的对应关系；或者要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确地或者近似地满足预定的运动规律要求。即函数生成问题。二 、满足预定的连杆位置，即要求连杆能依次占据一系列地预定位置。即刚体引导问题。三 、满足预定的轨迹要求，即要求在机构运动过程中连杆上某点能实现预定的轨迹。即轨迹生成问题。 通过设计满足预定的运动规律要求的曲柄摇杆机构，对雨刮连动杆进行设计。铰接四杆机构有三种基本型式分别为最为常见的曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。其区别在于机构中是否存在曲柄和有几个曲柄。四杆机构中存在曲柄的条件是四个杆中最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其他两杆的长度之和，且作为曲柄的杆为最短杆。 2.3.2升降杆曲柄连杆机构设计为雷达天线俯仰角的区别摇杆机构,曲柄缓慢匀速的转动,通过连杆使摇杆在一定角度范围内运动,从而调整天线俯仰角的大小。为提高机构的急回性能，极位夹角口尽可能大()；为改善机构的传力性能，当该机构曲柄与连杆重叠共线时，最大压力角尽可能小()；该摇杆。 图2.4 曲柄摇杆机构示意图要求确定四个杆件的长度，涉及到曲柄摇杆机构曲柄存在条件，以及极位夹角、压力角和摇杆摆角等的大小，结合MATLAB工具箱，需要确定设计变量、建立目标函数，确定约束条件，还有结合实际情况选择函数，最后还要验证结果。当曲柄摇杆机构的各杆长度确定后，该机构的摇杆摆角、最大压力角及极位夹角都会确定下来，即该机构的各项性能也能确定下来。这里，将摇杆摆角这个目标处理为无限接近这个目标值，定义为一目标函数，求之同之差的绝对值的最小值。 分目标函数分别为：因为： 由余弦定理，所以有： 根据设计要求，极位夹角尽可能大为好。为了能实现用MATLAB编程求解，做一下处理，定义。这样就实现了MATLAB工具箱对目标函数的统一要求。在满足不同的目标函数权重值前提下，即在各目标函数同等重要的情况下，在不同杆长度段初始值运行程序进行搜索，得出满足该设计目标值。2.3.3升降杆曲柄摇杆设计要求设计要求：升降杆结构材料选为铝合金，电机与连杆架的距离分别为520mm、1040mm（即机架的尺寸），误差精度为1mm；连杆架摆角为32度-120度，摆幅为88度，误差精度为2度。 图2.5 曲柄摇杆机构传动角在机构的运动过程中，传动角的大小是变化的。为保证机构的传动性能良好，设计时一般应使； 在传动力矩较大时，则应使；传动角的计算公式为： 90，为最小传动角； 若90， 则应比较与， 两者中的小者，即为最小传动角。在曲柄摇杆机构中， 曲柄AB为原动件， 在其转动一周过程中，有两次与连杆共线，这时摇杆分别位于两个极限位置和。 曲柄在两个极位时，由余弦定理可以得到以下公式：因此需要确定曲柄、连杆、摇杆的长度。Fsolve函数介绍Fsolve函数是一个求解非线性方程组的Matlab函数程序，该函数相当于对矢量方程等式左边就目标值0寻优求解。它通过设定的初始值，计算事先建立好的非线性方程组，求得优化解。根据设计要求可知，机架。由已知数据及上列公式联立方程组，然后通过Matlab的Optimization Toolbox中fsolve函数求解方程组。建立非线性方程组：设, , , 。Matlab求解：1.在Matlab创建一个Script文件（File - New - Srcipt）；或在Matlab窗口下按键盘Ctrl+N 创建。2.由于F函数方程目标值等于0所以在新创建的窗口下输入：function F = Myfun(x)F= (x(4)2+x(1)2-(x(3)-x(2)2)/(2*x(1)*x(4)-cos(pi*32/180); (x(4)2+x(1)2-(x(3)+x(2)2)/(2*x(1)*x(4)-cos(pi*120/180); x(1)-520然后保存，输入文件名Myfun.M(文件名自定)3.回到Matlab窗口输入：x = fsolve(Myfun,520;25;510;55;)Myfun表示调用Myfun.M文件，520;25;510;55表示x（1）、x（2）、x（3）、x（4）的初始值。计算获得的结果如下：X=520.0000 34.4498512.4783 50.3713整理得到机架，曲柄，连杆，摆杆。第三章 SimMechanics建模及仿真3.1 SimMechanics建模仿真创建系统模型及利用所创建的系统模型对其进行仿真是SIMULINK仿真的两个最基本的步骤。1创建系统模型 创建系统模型是用SimMechanics进行动态系统仿真的第一个环节，它是进行系统仿真的前提。模块是创建SimMechanics模型的基本单元，通过适当的模块操作及信号线操作就能完成系统模型的创建。为了达到理想的仿真效果，在建模后仿真前必须对各个仿真参数进行配置。 2利用模型对系统仿真 在完成了系统模型的创建及合理的设置仿真参数后，就可以进行第二个步骤，利用模型对系统仿真。运行仿真的方法包括使用窗口菜单和命令运行两种；对仿真结果的分析是进行系统建模与仿真的重要环节，因为仿真的主要目的就是通过创建系统模型以得到某种计算结果。SimMechanics提供了很多可以对仿真结果分析的输出模块，而且在MATLAB中也有丰富的用于结果分析的函数和指令。3.1.1 模型初始位置计算使用SimMechanics模块在Simulink环境下建模时，需要先设定机构刚体的各连接点的坐标位置，并使各机构刚体间的铰接误差在设定的范围内。图3.1 SimMechanics仿真原理图上图为选定的初始位置，是升降杆摆动的极限位置之一，根据第二章获得的数据有：、需要求得以A点为原点，的大小以及、两点的坐标值。设：、，建立方程组：整理数据得：、 、3.1.2 创建升降杆机构模型SimMechanics提供了一种图形化的建模方式，所谓图形化建模指的是用SimMechanics中丰富的按功能分类的模块库，帮助用户轻松地建立起动态系统的模型(模型用模块组成的框图表示)。用户只需要知道这些模块的输入、输出及实现的功能，通过对模块的调用、连接就可以构成所需系统的模型。整个建模的过程只需用鼠标进行单击和简单拖动即可实现。利用SimMechanics图形化的环境及提供的丰富的功能模块，用户可以创建层次化的系统模型。从建模角度讲，用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型；从分析研究角度讲，用户可以从最高级观察模型，然后双击其中的子系统，来检查下一级的内容，以此类推，从而看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各个模块之间的关系。在SimMechanics库中将Env, Ground, Revolute, Body模块拖入模型窗口, 并按下列方式连接。图3.2 SimMechanics模块连接图3.1.3各模块设置1. Ground设置以A点为World坐标系统原点，水平方向为World坐标系的x轴方向，由于两雨刮臂固定点与A点相距分别为520mm、1040mm。即设置：Ground坐标位置0 0 0、并勾选显示Env连接端口；Ground1 设置位置为520 0 0、Ground2 设置位置为1040 0 0、两Ground均不勾选显示Env端口。注：Ground模块中位置的单位均为mm2. Revolute及Env设置两模块均设为默认，默认的设置表示整个机构都在XY平面中运动，并受到沿World坐标系Y轴负方向的重力作用。3. Body设置刚体坐标系统的坐标轴方向根据初始位置可知作为曲柄的Body与World坐标系的X轴存在一个夹角，因此CS1的坐标轴应绕Z轴顺时针旋转4.5126度，根据右手定则可知为负，即0 0 -4.5126,单位deg，其余坐标轴方向设置参考CS1即可。刚体坐标系统坐标原点由于刚体CS1端与Ground相连且重合，因此原点设置成0 0 0，单位mm，参考坐标系统为World，若若CS2端以World CS为参照，其位置设置将变得复杂，所以改为参照CS1坐标系统，即沿CS1的X轴方向延伸L2的杆长即可达到初始位置，CS2端位置设置成34 0 0,单位mm，参照坐标系统为CS1；同理CG位置设置成17 0 0,单位mm，参照坐标系统CS1。为方便起见质量属性不做计算，设置默认即可。设置结果如下：（a）坐标原点 （b）坐标轴方向图3.3 Body设置4. Body1设置 刚体坐标系统的坐标轴方向由于连杆CB和曲柄AC位于同一直线上，因此与连杆CB相连的CS1端坐标系统的方向与曲柄AB方向相同，即参照为相邻坐标系统（Adjoining）其余设置参照CS1即可。刚体坐标系统坐标原点 CS1坐标原点的参照可设置为相邻坐标系统（Adjoining）坐标为0 0 0，单位mm；CS2坐标原点的参照设置为CS1，同理与Body的设置，坐标为513 0 0，单位mm；CG坐标为256.5 0 0，单位mm。设置结果如下：（a）坐标原点（b）坐标轴方向图3.4 Body1设置5. Body2和Body4设置刚体坐标系统的坐标轴方向由于摇杆DB与水平方向夹，因此CS1坐标轴顺时针旋转60度后延伸50mm后便是连动杆摆杆的长度。与连杆相连的CS2方向设置与升降杆同向即可，即顺时针旋转40度。其余设置参照CS2。刚体坐标系统坐标原点CS1由于是确定的点，水平距A点520mm，因此设置坐标原点为520 0 0，单位mm，参照World；CS2需要参照CS1的坐标系统，因为沿CS1坐标系X轴方向延长50mm就正好是连动杆摆杆的长度，坐标原点为50 0 0，单位mm，参照CS1。由于升降杆与连动杆的摆杆是相对静止的，因此可以看成为同一个刚体，即添加一个刚体坐标系CS3，由于前面计算过E点的坐标，E点正好就是这里的CS3因此设置CS3的坐标原点121 301.33 0，单位mm，参照World；这里还需要复制一个坐标系CS2，因为此Body2要与后面的Body4相连，且连接点正好是CS2的位置因此复制的坐标系CS4与CS2相同。 （a）坐标原点 （b）坐标轴方向图3.5 Body2设置Body2实际上代表的是单侧升降杆，而和另一侧Body4基本尺寸都相同，因此只需增加一段距离，有第二章可知此距离是520mm，Body4参数设置如下：（a）坐标原点（b）坐标轴方向图3.6 Body4设置6. Body3设置 Body3由于只是个连接杆，且水平因此各坐标系的坐标轴方向均为默认，参照也为默认的World即可；坐标系CS2是E的升降杆的，因此设置为参照相邻的坐标系统（Adjoining）即可，坐标0 0 0，单位mm；CS1与E侧的升降杆相连，两杆件相距520mm，因此设置坐标原点520 0 0，单位mm，参照为CS2；CG坐标为260 0 0，单位mm，参照CS2。设置如下：图3.7 Body3坐标原点设置3.1.4添加作用器和传感器 这里可以添加一个作用器，使其驱动曲柄以适当的角速度旋转。1.从SimMechanics库中拖放一个Joint Actuator模块到模型窗口中，然后打开杆与Ground之间的Revolute模块，并将Number of sensor / actuator ports的设置改为1，这时将在Revolute上出现一个端口，连接此端口到Joint Actuatcor。2.由于要控制曲柄杆的速度，用转矩控制比较麻烦所以改为运动控制，因此打开Actuatcor模块，并将Act