　　　七孔探针是一种能够同时获得流场中流动速度的大小、方向、总压和静压的气动测量装置，它主要依靠其头部七个孔道中气流压力的相对大小判断气流速度的大小与方向，被广泛应用于低速风洞实验各种大角度的流动测量。七孔探针测量流动角度范围大并且设备简单、对环境要求低、价格低廉用于流场的测量有着广阔的前景。本文研究的是一种七孔探针三维自动测速系统的机械结构设计,该机械结构具有两个转动自由度和较高的传动精度。能够使探针实现相互垂直的回转运动。该系统由七孔探针，异步电动机，行星齿轮减速器，直锥齿轮，同步带传动系统组成。其特点是大广角,β角的范围从-65°到75°、高灵敏度、系统的测速范围从4m/s到50m/s、系统的旋转角度从0°到360°。整个测量过程全部由计算机自动控制,自动进行数据处理。

关键词：七孔探针风洞实验自动标定

Abstract

　　　Seven-hole probe is a way to get the size of the flow field flow velocity, direction, while the total pressure and static pressure pneumatic measuring device, which mainly depends on the size of the head of the seven channels in air pressure to determine the relative size of the flow velocity and direction,and it is widely used for testing a variety of wide-angle measurement of the flow in low-speed wind tunnel. Seven-hole probe measurements large flow angle range, simple equipment,low price and lowly requestment on the environment. It has broad prospects in measurement of the flow field. A 3D Velocity automatic measuring system using seven-hole probe is discussed in this paper. The mechanical structure with two rotational degrees of freedom, the transmission accuracy are higher. To probe the rotarymotion perpendicular to each other. The system developed by the author consists of a seven-hole probe, a stepping motor, a Planetary gear reducer, a straight bevel gears, a synchronous belt system.The advantages of this system with large space angle,β is from-65°to75°are highly sensitive. The velocity range of this system is from 4m/s to 50m/s. The rotation angle of this system is from 0°to360°. The process of measure ment is controlled by the computer. The experimental results show that the seven-hole probe tube automaticve locity measuring system is a very useful tool in study of aerodynamic characteristics in flow field.

Key words: seven-hole probe,wind tunnel experiment,automatic calibration

中文摘要

Abstract

第一章绪论1

1.1 风洞及七孔探针简介1

1.2探针标定技术的发展状况5

第二章探针自动定位结构总体设计7

2.1系统组成7

2.2系统特性7

2.3总体方案拟定8

2.4主要设计参数及校核11

2.5探针支架的具体设计15

2.5.1 Y轴部分转动设计16

2.5.2 X轴转动设计16

2.5.3夹具部分设计17

2.5.4底座设计18

2.6材料选择19

2.7同步带的参数设计及选择19

2.7.1同步带的概述19

2.7.2同步带的特点20

2.7.3同步带传动的主要失效形式21

2.7.4同步带传动的设计准则23

2.7.5同步带分类24

2.7.6同步带的主要参数24

2.7.7同步带及带轮的选择26

第三章电机选择和芯轴设计27

3.1伺服电机的选取27

3.2芯轴结构设计27

3.3芯轴强度校核28

第四章探针自动标定机构使用时注意事项29

4.1 安全要求29

4.2实施方法29

结论

致谢

参考文献

风洞（wind tunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。种类：风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速、高速和高超声速风洞。

流场测量中, 经常遇到复杂的三维大角度流动情况, 如燃气轮机涡轮叶片尾缘, 飞机翼型附近的复杂流场。通常用3 种测量工具来测量流场中的速度分布: 三孔压力探针, 五孔压力探针和热线探头。但是由于探针只能在俯仰角和侧滑角不超过 30时才能准确测量, 而热线探头则容易被空气中的尘土颗粒碰断, 并且测量的是空间平面的平均速度分布, 并非是空间一点速度分布。所以为了测量大角度的复杂三维流场采用七孔压力探针( 简称七孔针) 。尽管采用七孔针测量流场需要大量时间并且校验方法也极其复杂, 但是可以对大角度流场进行准确的测量。七孔压力探针既是一种高性能的流场测量仪器，又是一种有效而又精确的测量方法。通过测量七个孔的压力值，利用已校准的数据库和局部最小二乘法插值，就能够精确地确定速度的大小和方向、总压和静压、马赫数、雷诺数以及诸如密度和粘性等流场性质。与激光多普勒测速仪（LDV）、粒子成象测速仪（PIV）以及热线风速仪相比，七孔探针有它自身的优越性：价格便宜，设备简单，测量方法简单，对环境要求低，精度很高等。

目前许多飞机已广泛采用前缘边条，前掠翼和鸭式布局的飞机也已研制出来。这些气动布局证明，利用强旋涡控制可提高飞机的机动性。像协和号超音速客机的机翼，实际上与涡升力的复杂流动有关。S 形弯曲进气道的强漩流也是引起发动机喘震的重要原因之一。如果机翼上主次涡的干扰处置不当，会引起气流分离和升力损失。虽然流动显示技术对漩涡干扰可以做到直观而又深刻的了解，但不能进行定量测量。七孔探针的出现，其目的在于能够高精度地测量流动角高达80 度的流动，能用于风洞实验模型周围及其后面尾迹的复杂流动的定量测量。因此从八十年代以来七孔探针一直被广泛用于大角度复杂流动的测量，其意义在于适应我国航天科学研究发展的需要，为目前和将来能设计出更先进的飞机、为国防事业提供有力的帮助。

虽然现在七孔探针在不可压缩流测量中的应用越来越广泛，但目前的七孔探针测量系统对数据的采集和处理过程也相当繁琐且处理周期比较长，一直没有形成一个高效的测量系统。特别是在某些特定场合，如全尺寸测量，飞行实测以及恶劣环境下的流动测量等，要求测试系统必须具有稳定性好，操作简单，高精度的特性。现代海战越来越强调海空协调作战，从而促使海军直升机得到迅速的发展。海军直升机具有强大反潜反舰等功能，执行不同的任务，投放的导弹或鱼雷也有所不同，因此投放方式有所差距。有的投放不需要开伞，而有的则需要，飞行投放开伞靠开伞绳的长短来实现。为了确保加装带伞鱼雷投放的安全性，急需对投雷环境（弹舱下部）的气流流场进行测量，为投放方案设计提供依据。目前，国内外对直升机流场进行飞行实测研究非常少，直升机复杂的气动特性，特别是在机腹的流场特性，除了受前飞速度的影响外，还受到旋翼所产生的下洗速度，直升机的复杂外形以及自然风等因素的影响，使得流场难以预测。因此，结合七孔探针流场测量的优点，针对直升机腹部流场测量的要求，开发出一套适用性强，性能优良的七孔探针实时测试系统是十分必要的。同时，界面友好，实时性强的测试系统也能为七孔探针的广泛应用提供方便。

目前，国内对七孔探针的研究与运用仅局限在低速不可压缩流中，随着四代战斗机的出现，超音速巡航，高机动性成为飞机的重要性能指标，此时对飞机流场的研究仅靠在低速中测量是远远不够的，又由于其他测量手段的局限性，急需对七孔探针在可压缩流中乃至超音速流中应用进行研究。

对七孔探针进行可压缩测量方法研究如果采用实验的方法，则所需采集点数目繁多，对实验仪器的安装与可靠性都要求非常高，同时需要大量的集中气源，使得校准费用变得非常昂贵。数值计算是近年来在流体力学理论研究和实际工程应用中发挥了巨大作用的有力工具之一，对七孔探针在可压缩中的校准理论研究阶段采用数值计算的手段是非常合理和必要的，通过研究七孔探针的绕流以及受力分析能够为实验方案的设计与优化提供非常有利的帮助。

　　我国学者对七孔探针已有一定量的研究，在研究实验过程中也发现了七孔探针测量流场时的局限性，受加工工艺水平，测量方法和测量设备的影响。在解决七孔探针问题的过程中，我们意识到七孔探针作为一种流场测量工具，不仅要求其测量结果合理精确，同样重要的是使用要方便实用，鉴于七孔探针校准及测量方法都很繁琐，所以急需用计算机语言编写出一套完整的校准及测量程序，使其拥有友好实用的界面，方便使用者进行七孔探针测量流场。七孔探针校准及测量程序要求与硬件设计结合，自动完成数据采集处理过程，校准和测量算法内嵌其中，并且可以扩展变化。这样，七孔探针就有了继续深入研究和技术发展的平台，七孔探针的使用也会得以简化，使七孔探针应用有更广阔的前景。近年来，定位系统的研究不断深入，出现了各种定位的先进思想和技术。如船舶动力定位系统，大型加工工件的定位系统，伺服控制定位系统，工作台定位系统，曲线定位系统等。

动力定位系统于上世纪70年代后期由美国海军研制成功，起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。从上世纪so年代初开始，随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人(ROV)跟踪等作业。尤其是90年代以来，随着海上勘探开发逐步向深水 (5oom~1500m)和超深水(1500m以上)发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。据初步估计，目前全世界装备动力定位系统的各类船只已超过10(力艘[ll。在2002年，我国唯一的一艘专门从事国际海底区域资源勘查研究开发的远洋科学考察船一“大洋一号”，进行了高起点的增改装工程，大大提高了全船的技术水平，成为达到国际先进水平的现代化综合性科学考察船。增改装工程中最重要的内容之一便是增设动力定位系统，以满足科学调查作业的需要。动力定位系统在“大洋一号”上的应用对于国内船舶动力定位系统的应用与发展有一定借鉴意义。

大型加工工件定位系统是具有尺寸误差自补偿，位置误差自修正功能的大型工件高精度定位系统。定位系统中采用的沉降锥销方法，基于视觉技术的软件补偿方法在其他定位机构中也具有推广价值，此外，大型磨床数控定位系统采用可编程序控制器的位控技术，利用旋转编码器、直流调速系统、步进电机控制及人机对话等方法，处理双轴在定位控制中的数据采集、位置判别和定位控制，系统实现方法简便灵活，具有较强的抗干扰能力，可实现大型轴承机械加工设备的数控定位控制;

　　　伺服控制定位系统利用具有高速运算能力的DSP处理器为控制器。实现了一个双伺服环定位控制系统。该系统达到较高的控制精度和运行效率;对于工作台定位系统，清华大学设计了一套基于AT89C52单片机的显微镜工作台定位系统。机械传动部分采用小模数齿轮实现机械运动和动力的传递，单哈尔滨工程大学硕士学位论文片机电路控制部分实现计数脉冲的获取和电机的控制，上位机控制环节完成用户命令的发布。该系统可以按照预先设定的方式控制电机，实现显微镜工作台的二维运动，两方向重复定位精度士50娜，满足了多波长光存储实验的要求，同时为医疗检验提供了自动化手段。　　　探针定位系统是为了实现夹持探针在两个轴向进行定位的装置，是典型的机电一体化产品，系统主要由PC机、PC机与CAN总线转换接口、n套相同的控制器和探针支架组成。PC机作为系统主节点，通过CAN232总线转换接口，实现PC机与CAN总线间的通讯;n个控制器是CAN总线的子节点，各子节点根据ID号，选择性地接收主节点通过CAN总线下传的命令和数据，同时将其传递给位置伺服控制模块，控制电机驱动支架运动，电机的运动信息也通过CAN总线实时地反馈给PC机;探针支架是探针实现运动的载体，由微型电机驱动，实现转动控制。

　　　根据系统总体设计方案，采用自下而上的设计思路进行探针定位系统的开发设计，以保证系统开发的可靠性，同时又符合模块化设计思想:在总体方案确定后，进行各功能模块的设计，并通过模块间的接口来组合成完整的系统。

　　　本课题着重研究机械部分的支架及电机问题。2.2系统特性

　　　通过对该系统结构以及实验要求的分析，该系统具有如下特性:

　　　①夹持直径小于6.3mm的杆式目标体实现沿轴向和周向的两自由度运

　　　动;

　　　②技术指标:

　　　 X轴向角位移:量程360° 精度士0.10

　　　 Y轴向角位移:量程360° 精度士0.10

　　　 X轴角速度:3-4rpm

　　　 Y轴角速度:3-4rpm

　　　定位机构重量:2Kg　　　毕业设计是我们作为学生在学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对学生的学习能力和独立思考及工作能力也是一个培养，同时毕业设计的水平也反映了大学教育的综合水平，因此学校十分重视毕业设计这一环节，加强了对毕业设计工作的指导和动员教育。在大学的学习过程中，毕业设计是一个重要的环节，是我们步入社会参与实际工作的一次极好的演示，也是对我们自学能力和解决问题能力的一次考验，是学校生活与社会生活间的过渡。在完成毕业设计的时候，我尽量的把毕业设计和实际工作有机的结合起来，实践与理论相结合。这样更有利于自己能力的提高。

　　　社会是在不断的变化、发展的，眼下社会变革迅速，对人才的要求也越来越高，要用发展的眼光看问题，要学会学习，学会创新，学会适应社会的发展要求。在走出校园，迈向社会之即，把握今天，才能创造未来，老师的熏陶和教诲，使我懂得了更多处世为人的道理，有了一定的创新精神和钻研精神。

　　　这次我选择的毕业设计课题是探针测量系统机械结构设计。在毕业指导老师的细心指导和监督下，我不但按时完成了毕业设计所需的工作量，还对自己所做的课题内容有了更近一步的了解，这次毕业设计让我获得了从理论到实践的跨越。

　　　在这一阶段里，从开始的确定课题，书写开题报告，到逐项完成各个机构的设计，让我对自己的专业的相关知识有了更近一步的认识和理解。我的毕业设计的课题主要步骤是：

　　　1、收集查找有关探针测量系统的资料；

　　　2、进行机械结构的方案设计和比较；

　　　3、运用AutoCAD软件设计每个零件；

　　　4、运用ADAMS软件进行机械结构的整体仿真；

　　　5、运用SolidWorks软件进行三维造型及装配。

　　　毕业设计跟我们平时上的基础课或者专业课不同，它是一个重要课题，要用到很多综合性的知识，最重要的是让学生体验一下做科学研究的整个过程。也是毕业最重要的一个过程，它最能把理论知识准确运用到实际当中的去，做好了它就是就是一份成功的毕业设计了。

　　　随着答辩日子的到来，我的毕业设计也快接近了尾声了。经过两个月的奋战我的毕业设计终于完成了。在我还没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯性的总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面和简单了。通过这次毕业设计的内容使我明白了自己原来的知识还是比较欠缺。自己要学习的东西还太多太多，以前总是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计的锻炼，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活当中我们都应该不断的努力学习，努力的去提高自己知识和综合素质。

参考文献

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弹簧夹头.gif

底板.gif

方案.gif

探针测量校准系统机械结构设计.gif

芯轴.gif

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转台.gif

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内容简介：: 扬州大学广陵学院毕业设计（论文）任务书教科部：机械电子系专业：机械设计制造及其自动化学生姓名: 何梦珂学号: 100007111 毕业（论文）题目：探针测量校准系统机械结构设计起迄日期： 2014.2.22-2014.6.6 设计（论文）地点：扬州大学江阳路南校区指导老师：李鹭扬专业负责人：发任务书日期： 2014年 4月9 日扬州大学广陵学院本科生毕业论文任务书论文题目探针测量校准系统机械结构设计年级大四专业机械设计制造及其自动化学生姓名何梦珂学号100007111主要内容：1. 具有较好的机械设计理论基础，能熟练掌握二维和三维的制图软件，具有比较强的独立研究和探索能力，具有较强的主动沟通意识。2. 探针测量校准系统机械结构设计,完整的机械设计过程及其说明；3. 完成二维或者三维的设计图纸绘制；4.查阅文献15篇以上，翻译不少于5000印刷符的英文资料；5.撰写开题报告：包括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等；6.撰写毕业论文，篇幅不少于1万字。主要任务及基本要求（包括指定的参考资料）：主要任务及基本要求：1、撰写开题报告：包括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等；2、查阅文献14篇以上，翻译不少于5000印刷符的英文资料；3、熟练运用二维三维绘图软件；4、撰写毕业论文，篇幅不少于1万字。主要参考文献：1 A.A.,Gerner and C.L.,Maurer, U.S., Air Force Academy, CO. Calibration of Seven-Hole Probes Suitable for High Angles in Subsonic Compressible Flows. AIAA Paper 82-0410, Jan 1982.2 Everett, K.N, Gerner, A.A., and Durston, D.A., Seven-Hole Cone Probes for High Angle Flow Measurement: Theory and Calibration. 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NASA Report, 1997.14 Espen.S.Johansen, Othon K.Rediniotis, Greg Jones, The Compressible Calibration of Miniature Multi-Hole Probes ， Journal of Fluids Engineering, VOL.123,MARCH 2001.15 O.K. Redionotis, G. Chryssanthakopoulos, Application of neural networks and fuzzy logic to the calibration of the seven-hole probe,Journal of Fluids Engineering 120 (1998) 95101.发出任务书日期： 2014年2月22日完成期限：2014年4月9日指导教师签名：专业主任签名：年月日何梦珂探针测量校准系统机械结构设计扬州大学广陵学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名：何梦珂学号： 100007111 教科部：机械电子系专业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：探针测量校准系统机械结构设计指导老师：李鹭扬材料目录序号名称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2014 年 4月 9日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）题目申报表设计（论文）题目探针测量校准系统机械结构设计题目类型1题目来源A面向专业机械设计制造及其自动化指导教师李鹭扬职称副教授学位博士从事专业方向串、并联机器人题目简介：七孔探针测量校准系统是风洞实验中用于校准七孔探针的装置。该装置需要相互垂直的两个回转运动，运动速度不高，但是精度要求较高，而且探针是伸入风洞试验段的，因此在结构上要符合空气动力学测量的要求。审核意见：审核人签名：年月日题目类型1、为结合科研；2、为结合生产实际；3、为结合大学生科研训练计划；4、为结合学科竞赛；5、模拟仿真；6、其它题目来源A.指导教师出题； B.学生自定、自拟扬州大学广陵学院毕业设计（论文）实习调研报告学生姓名：何梦珂学号： 100007111 专业：机械设计制造及其自动化指导老师：李鹭扬扬州大学广陵学院毕业设计（论文）外文资料翻译教科部：机械电子系专业：机械设计制造及其自动化姓名：何梦珂学号： 100007111 外文出处： Robot Mechanisms and Mechanical Devices 附件：指导老师评语签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）中期自查表（中期教学检查用）学生姓名何梦珂学号100007111专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师李鹭扬职称副教授设计（论文）题目探针测量校准系统机械结构设计个人精力实际投入每天平均工作时间6小时迄今缺席天数无出勤率%100%指导教师每周指导次数2每周指导时间（小时）2未指导的周次及原因无毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容（30%）待完成主要内容（70%）进展正常存在问题及解决方案指导教师意见：指导教师签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）指导教师审阅意见表设计（论文）题目探针测量校准系统机械结构设计学生姓名何梦珂专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师姓名李鹭扬职称副教授得分指导教师审阅意见：指导教师签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）评阅人意见表设计（论文）题目探针测量校准系统机械结构设计学生姓名何梦珂专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班评阅人姓名职称得分评阅人意见：评阅人签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）答辩结果表设计（论文）题目探针测量校准系统机械结构设计学生姓名何梦珂专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班答辩记录：答辩小组意见：得分组长签名日期答辩委员会意见：指导教师评分评阅人评分答辩小组得分结构分最终成绩主任签章日期9毕业设计实习调研报告在学期开始的前五周内的毕业实习是我参与社会实践活动的很重要的一部分，为毕业设计提供实践基础。我在江苏富仁机件厂参观实习，获得了课堂上不能学到的知识。学到了理论知识结合实际生产产品，使我对理论有了较为深刻的理解。实习目的：生产实习是我们机械设计制造及其自动化专业知识结构中不可缺少的组成部分，并作为一个独立的项目列入专业教学计划中。其目的在于通过实习使学生获得基本生产的感性知识，理论联系实际。扩大知识面；同时专业实习又是锻炼和培养学生业务能力及素质的重要渠道，培养当代大学生具有吃苦耐劳的精神，也是学生接触社会、了解产业状况、了解国情的一个重要途径，逐步实现由学生到社会的转变。培养我们初步担任技术工作的能力、初步了解企业管理的基本方法和技能；体验企业公关的内容和方法。这些实际知识，对我们学习后面的课程乃至以后的工作，都是十分必要的基础。实习内容：1、了解各种机床，并对它们的工作过程有个感性认识。2、参观叶片泵、齿轮泵各组件制造加工过程。3、对叶片泵和齿轮泵的出厂过程有所了解，包括装配过程和最后的校核。实习企业简介：公司为以加油机制造为龙头产业，涉足税控收款机生产、国际贸易、空调配件制造、生物技术、房地产、亚克力包装等领域多元化发展的省级企业集团。公司通过ISO14001环境管理体系和ISO9001：2000标准质量体系双项认证，通过检测中心ISO/IEC17025标准认证。主控产品加油机获实用型专利证书。公司占地11万平方米，拥有建筑7万平方米，有日本进口MA-50HA卧式加工中心、数控车床、美国Keytech电子兼容设备16踪100MHZ存储示波器等12套国际先进设备，8条高效生产流水线；有员工3500名，其中管理类、技术类人员占40%；拥有年生产5万台加油机、15万套后台管理系统、100万台税控收款机及50万台税控器的能力；总资产增至8亿多元。实习过程：首先，我来到了加工车间。很干净宽敞的厂房，使我不敢相信这里是工厂。几十台车床和铣床、磨床等有序的摆放在厂房的两旁。工人师傅各自忙碌着自己的工作。里面显得井然有序。我来到一台大型的车床前，带着好奇与求知的心情来向工人师傅询问了许多我渴望以久的问题的答案。工人师傅认真的给我讲解了车床的操作方法及用途、内部结构。这些设备是先后从德国、瑞士等国引进的加工中心及专用数控加工设备。在这里，我的问题都一一得到了解答。我又参观了铣床、磨床以及一些检测设备，这些设备好多都是数字控制，只需要工人师傅输入参数。便可以加工出自己需要的零件、我真是为现代这种先进的技术感到惊叹，但在负责人的讲解下，我了解到这里好多设备都是从德国进口，此时，我陷入了沉思。最后我又来到了齿轮加工车间，在齿轮加工车间，通过观察和对老师和师傅的询问，了解到齿轮的加工方法很多，传统方法一般用切削加工。切削加工分为伪形法和范成法。伪刑法是成形铣刀在普通铣床上加工齿轮的方法。展成法是利用一对齿轮相啮合时，其共轭齿轮互为包络线的原理来切割齿轮的。这次实习使我亲身感受了所学知识与实际的应用，各种机床和仪器等等使用理论与实际相结合，让我打开眼界。也是对以前所学知识的一个初审。这次实习对我以后的学习、工作也是受益匪浅，在短短的几周内让我初步理性回到感性的重新认识，也让我初步的认识这个社会，对于以后做人所应把握的方向也有所启发！扬州大学广陵学院毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：探针测量校准系统机械结构设计指导老师： 2014年 4 月 9 日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目探针测量校准系统机械结构设计题目来源指导老师出题题目类型为结合科研指导教师学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。）本毕业设计（论文）课题应达到的目的：（1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力；（2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力；（3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力；（4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力；（5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力；（6）培养学生创新能力和创新精神。本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起止日期工作内容2014-02-222014-03-312014-04-12014-05-302014-06-012014-06-07毕业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告；进行毕业设计，接收毕业设计中期检查，根据设计要求，进行机械结构原理设计和结构设计，撰写毕业设计论文；修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档。文献综述流动测量是研究飞行器气动性能的重要途径，尽管流体流场测量已步入复杂而昂贵的光、电设备测量时代，例如激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪、热线风速仪等，但在某些测量场合下，特别是测量平均速度，多孔压力探头仍是主要选择之一。在三维测量情况下，一个经过仔细设计、精良制造、严格校准的七孔探针，其测速精度可超过三维热线，在可以忽略接触式测量对流场的干扰的场合（例如外场实物全尺寸测量），往往优先考虑简单实用的七孔探针来测量速度压力，而不选用调试操作复杂的三维激光测速仪。七孔压力探针既是一种高性能的流场测量仪器，又是一种有效而又精确的测量方法1-5。通过测量七个孔的压力值，利用已校准的数据库和局部最小二乘法插值，就能够精确地确定速度的大小和方向、总压和静压、马赫数、雷诺数以及诸如密度和粘性等流场性质。与激光多普勒测速仪（LDV）、粒子成象测速仪（PIV）以及热线风速仪相比，七孔探针有它自身的优越性：价格便宜，设备简单，测量方法简单，对环境要求低，精度很高等。目前许多飞机已广泛采用前缘边条，前掠翼和鸭式布局的飞机也已研制出来。这些气动布局证明，利用强旋涡控制可提高飞机的机动性。像协和号超音速客机的机翼，实际上与涡升力的复杂流动有关。S 形弯曲进气道的强漩流也是引起发动机喘震的重要原因之一。如果机翼上主次涡的干扰处置不当，会引起气流分离和升力损失。虽然流动显示技术对漩涡干扰可以做到直观而又深刻的了解，但不能进行定量测量。七孔探针的出现，其目的在于能够高精度地测量流动角高达80 度的流动，能用于风洞实验模型周围及其后面尾迹的复杂流动的定量测量。因此从八十年代以来七孔探针一直被广泛用于大角度复杂流动的测量，其意义在于适应我国航天科学研究发展的需要，为目前和将来能设计出更先进的飞机、为国防事业提供有力的帮助。虽然现在七孔探针在不可压缩流测量中的应用越来越广泛6-10，但目前的七孔探针测量系统对数据的采集和处理过程也相当繁琐且处理周期比较长，一直没有形成一个高效的测量系统。特别是在某些特定场合，如全尺寸测量，飞行实测以及恶劣环境下的流动测量等，要求测试系统必须具有稳定性好，操作简单，高精度的特性。现代海战越来越强调海空协调作战，从而促使海军直升机得到迅速的发展。海军直升机具有强大反潜反舰等功能，执行不同的任务，投放的导弹或鱼雷也有所不同，因此投放方式有所差距。有的投放不需要开伞，而有的则需要，飞行投放开伞靠开伞绳的长短来实现。为了确保加装带伞鱼雷投放的安全性，急需对投雷环境（弹舱下部）的气流流场进行测量，为投放方案设计提供依据。目前，国内外对直升机流场进行飞行实测研究非常少，直升机复杂的气动特性，特别是在机腹的流场特性，除了受前飞速度的影响外，还受到旋翼所产生的下洗速度，直升机的复杂外形以及自然风等因素的影响，使得流场难以预测11,12因此，结合七孔探针流场测量的优点，针对直升机腹部流场测量的要求，开发出一套适用性强，性能优良的七孔探针实时测试系统是十分必要的。同时，界面友好，实时性强的测试系统也能为七孔探针的广泛应用提供方便。目前，国内对七孔探针的研究与运用仅局限在低速不可压缩流中，随着四代战斗机的出现，超音速巡航，高机动性成为飞机的重要性能指标，此时对飞机流场的研究仅靠在低速中测量是远远不够的，又由于其他测量手段的局限性，急需对七孔探针在可压缩流中乃至超音速流中应用进行研究13,14。对七孔探针进行可压缩测量方法研究如果采用实验的方法，则所需采集点数目繁多，对实验仪器的安装与可靠性都要求非常高15,16，同时需要大量的集中气源，使得校准费用变得非常昂贵。数值计算是近年来在流体力学理论研究和实际工程应用中发挥了巨大作用的有力工具之一，对七孔探针在可压缩中的校准理论研究阶段采用数值计算的手段是非常合理和必要的，通过研究七孔探针的绕流以及受力分析能够为实验方案的设计与优化提供非常有利的帮助。我国学者对七孔探针已有一定量的研究，在研究实验过程中也发现了七孔探针测量流场时的局限性，受加工工艺水平，测量方法和测量设备的影响。在解决七孔探针问题的过程中，我们意识到七孔探针作为一种流场测量工具，不仅要求其测量结果合理精确，同样重要的是使用要方便实用，鉴于七孔探针校准及测量方法都很繁琐，所以急需用计算机语言编写出一套完整的校准及测量程序，使其拥有友好实用的界面，方便使用者进行七孔探针测量流场。七孔探针校准及测量程序要求与硬件设计结合，自动完成数据采集处理过程，校准和测量算法内嵌其中，并且可以扩展变化。这样，七孔探针就有了继续深入研究和技术发展的平台，七孔探针的使用也会得以简化，使七孔探针应用有更广阔的前景。主要参考文献1 A.A.,Gerner and C.L.,Maurer, U.S., Air Force Academy, CO. Calibration of Seven-Hole Probes Suitable for High Angles in Subsonic Compressible Flows. AIAA Paper 82-0410, Jan 1982.2 Everett, K.N, Gerner, A.A., and Durston, D.A., Seven-Hole Cone Probes for High Angle Flow Measurement: Theory and Calibration. AIAA Journal, Vol.21, No.7,1983, pp992-998.3 Zilliac, G.G., Calibration of Seven-Hole Pressure Probes for Use in FluidFlows with Large Angularity. NASA technical Memorandum 102200, December, 1989.4 M. D. Zeger, L. P. Chalmeta, and D. P. Telionis, Tip Geometry Effects onCalibration and Performance of Seven-Hole Probes, AIAA Paper98-2810, 1982.5 齐孟卜、李京伯，测量亚音速可压缩流动大流动角的七孔探针，南京航空学院，1983.6 冯亚南,吴成,熊善文. 双三角翼外翼前缘钝化对涡流特性的影响J北京航空航天大学学报, 1997,(03).7 张传聚,王立志. 工业锅炉炉膛空气动力特性的试验研究J山东工业大学学报，1999,(03).8 顾蕴松,明晓. 大迎角细长体非对称空间流场特性的试验研究J流体力学实验与测量, 2005,(02).9 赵学训. 螺旋桨滑流对飞机绕流影响的试验研究J. 流体力学实验与测量，1995，（04）.10 双层壁扩压器波瓣喷管引射掺混流动的实验研究南京航空航天大学学报,2003年 01 期.11 高正直升机空气动力学的新成果M北京：航空工业出版社，199912 顾蕴松，明晓，舰船飞行甲板真实流场特性试验研究，航空学报，Vol.22，No.6，2001.13 Johansen, E.S., Vijayagopal, R., and Rediniotis, O.K., Novel High-Accuracy Calibration Algorithm for Multi-Hole Prpbes in compressible Flowfields. NASA Report, 1997.14 Espen.S.Johansen, Othon K.Rediniotis, Greg Jones, The Compressible Calibration of Miniature Multi-Hole Probes ， Journal of Fluids Engineering, VOL.123,MARCH 2001.15 O.K. Redionotis, G. Chryssanthakopoulos, Application of neural networks and fuzzy logic to the calibration of the seven-hole probe,Journal of Fluids Engineering 120 (1998) 95101.16 Ericksen A.L.,Gallington R.W.,Rao B.M. Rapid calibrationof seven-hole probesR. NASA TM-107040, 1995.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）主要研究内容：1、探针结构的构型选择；2、探针的转动和俯仰运动分析；3、探针结构的完整机械系统；4、探针结构的力学分析；5、根据分析结果采用ADAMS软件对探针结构进行优化。研究工作步骤：1、查阅相关的文献资料，熟悉和掌握机构理论和方法，清晰设计思路；2、根据设计要求，进行探针标定装置原理设计和结构设计；3、采用ADAMS软件进行运动学和动力学分析优化；4、整理资料，准备写设计说明书。5、完善毕业论文，准备答辩。中文摘要七孔探针是一种能够同时获得流场中流动速度的大小、方向、总压和静压的气动测量装置，它主要依靠其头部七个孔道中气流压力的相对大小判断气流速度的大小与方向，被广泛应用于低速风洞实验各种大角度的流动测量。七孔探针测量流动角度范围大并且设备简单、对环境要求低、价格低廉用于流场的测量有着广阔的前景。本文研究的是一种七孔探针三维自动测速系统的机械结构设计,该机械结构具有两个转动自由度和较高的传动精度。能够使探针实现相互垂直的回转运动。该系统由七孔探针，异步电动机，行星齿轮减速器，直锥齿轮，同步带传动系统组成。其特点是大广角,角的范围从-65到75、高灵敏度、系统的测速范围从4m/s到50m/s、系统的旋转角度从0到360。整个测量过程全部由计算机自动控制,自动进行数据处理。关键词：七孔探针风洞实验自动标定4AbstractSeven-hole probe is a way to get the size of the flow field flow velocity, direction, while the total pressure and static pressure pneumatic measuring device, which mainly depends on the size of the head of the seven channels in air pressure to determine the relative size of the flow velocity and direction,and it is widely used for testing a variety of wide-angle measurement of the flow in low-speed wind tunnel. Seven-hole probe measurements large flow angle range, simple equipment,low price and lowly requestment on the environment. It has broad prospects in measurement of the flow field. A 3D Velocity automatic measuring system using seven-hole probe is discussed in this paper. The mechanical structure with two rotational degrees of freedom, the transmission accuracy are higher. Toprobetherotarymotionperpendicular to each other. The system developed by the author consists of a seven-hole probe, a stepping motor, a Planetary gear reducer, a straight bevel gears, a synchronous belt system.The advantages of this system with large space angle, is from-65to75are highly sensitive. The velocity range of this system is from 4m/s to 50m/s. The rotation angle of this system is from 0to360. The process of measure ment is controlled by the computer. The experimental results show that the seven-hole probe tube automaticve locity measuring system is a very useful tool in study of aerodynamic characteristics in flow field.Key words: seven-hole probe,wind tunnel experiment,automatic calibration 目录中文摘要Abstract第一章绪论11.1 风洞及七孔探针简介11.2探针标定技术的发展状况5第二章探针自动定位结构总体设计72.1系统组成72.2系统特性72.3总体方案拟定82.4主要设计参数及校核112.5探针支架的具体设计152.5.1 Y轴部分转动设计162.5.2 X轴转动设计162.5.3夹具部分设计172.5.4底座设计182.6材料选择192.7同步带的参数设计及选择192.7.1同步带的概述192.7.2同步带的特点202.7.3同步带传动的主要失效形式212.7.4同步带传动的设计准则232.7.5同步带分类242.7.6同步带的主要参数242.7.7同步带及带轮的选择26第三章电机选择和芯轴设计273.1伺服电机的选取273.2芯轴结构设计273.3芯轴强度校核28第四章探针自动标定机构使用时注意事项294.1 安全要求294.2实施方法29结论致谢参考文献何梦珂探针测量校准系统机械结构设计第一章绪论1.1 风洞及七孔探针简介风洞（wind tunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。图1 风洞实验室组成：风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。图2 NF-3低速风洞翼型实验种类：风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速、高速和高超声速风洞。流场测量中, 经常遇到复杂的三维大角度流动情况, 如燃气轮机涡轮叶片尾缘, 飞机翼型附近的复杂流场。通常用3 种测量工具来测量流场中的速度分布: 三孔压力探针, 五孔压力探针和热线探头。但是由于探针只能在俯仰角和侧滑角不超过 30时才能准确测量, 而热线探头则容易被空气中的尘土颗粒碰断, 并且测量的是空间平面的平均速度分布, 并非是空间一点速度分布。所以为了测量大角度的复杂三维流场采用七孔压力探针( 简称七孔针) 。尽管采用七孔针测量流场需要大量时间并且校验方法也极其复杂, 但是可以对大角度流场进行准确的测量。图3 测压孔位置分布图4 探针真实尺寸七孔压力探针既是一种高性能的流场测量仪器，又是一种有效而又精确的测量方法。通过测量七个孔的压力值，利用已校准的数据库和局部最小二乘法插值，就能够精确地确定速度的大小和方向、总压和静压、马赫数、雷诺数以及诸如密度和粘性等流场性质。与激光多普勒测速仪（LDV）、粒子成象测速仪（PIV）以及热线风速仪相比，七孔探针有它自身的优越性：价格便宜，设备简单，测量方法简单，对环境要求低，精度很高等。目前许多飞机已广泛采用前缘边条，前掠翼和鸭式布局的飞机也已研制出来。这些气动布局证明，利用强旋涡控制可提高飞机的机动性。像协和号超音速客机的机翼，实际上与涡升力的复杂流动有关。S 形弯曲进气道的强漩流也是引起发动机喘震的重要原因之一。如果机翼上主次涡的干扰处置不当，会引起气流分离和升力损失。虽然流动显示技术对漩涡干扰可以做到直观而又深刻的了解，但不能进行定量测量。七孔探针的出现，其目的在于能够高精度地测量流动角高达80 度的流动，能用于风洞实验模型周围及其后面尾迹的复杂流动的定量测量。因此从八十年代以来七孔探针一直被广泛用于大角度复杂流动的测量，其意义在于适应我国航天科学研究发展的需要，为目前和将来能设计出更先进的飞机、为国防事业提供有力的帮助。虽然现在七孔探针在不可压缩流测量中的应用越来越广泛，但目前的七孔探针测量系统对数据的采集和处理过程也相当繁琐且处理周期比较长，一直没有形成一个高效的测量系统。特别是在某些特定场合，如全尺寸测量，飞行实测以及恶劣环境下的流动测量等，要求测试系统必须具有稳定性好，操作简单，高精度的特性。现代海战越来越强调海空协调作战，从而促使海军直升机得到迅速的发展。海军直升机具有强大反潜反舰等功能，执行不同的任务，投放的导弹或鱼雷也有所不同，因此投放方式有所差距。有的投放不需要开伞，而有的则需要，飞行投放开伞靠开伞绳的长短来实现。为了确保加装带伞鱼雷投放的安全性，急需对投雷环境（弹舱下部）的气流流场进行测量，为投放方案设计提供依据。目前，国内外对直升机流场进行飞行实测研究非常少，直升机复杂的气动特性，特别是在机腹的流场特性，除了受前飞速度的影响外，还受到旋翼所产生的下洗速度，直升机的复杂外形以及自然风等因素的影响，使得流场难以预测。因此，结合七孔探针流场测量的优点，针对直升机腹部流场测量的要求，开发出一套适用性强，性能优良的七孔探针实时测试系统是十分必要的。同时，界面友好，实时性强的测试系统也能为七孔探针的广泛应用提供方便。目前，国内对七孔探针的研究与运用仅局限在低速不可压缩流中，随着四代战斗机的出现，超音速巡航，高机动性成为飞机的重要性能指标，此时对飞机流场的研究仅靠在低速中测量是远远不够的，又由于其他测量手段的局限性，急需对七孔探针在可压缩流中乃至超音速流中应用进行研究。对七孔探针进行可压缩测量方法研究如果采用实验的方法，则所需采集点数目繁多，对实验仪器的安装与可靠性都要求非常高，同时需要大量的集中气源，使得校准费用变得非常昂贵。数值计算是近年来在流体力学理论研究和实际工程应用中发挥了巨大作用的有力工具之一，对七孔探针在可压缩中的校准理论研究阶段采用数值计算的手段是非常合理和必要的，通过研究七孔探针的绕流以及受力分析能够为实验方案的设计与优化提供非常有利的帮助。我国学者对七孔探针已有一定量的研究，在研究实验过程中也发现了七孔探针测量流场时的局限性，受加工工艺水平，测量方法和测量设备的影响。在解决七孔探针问题的过程中，我们意识到七孔探针作为一种流场测量工具，不仅要求其测量结果合理精确，同样重要的是使用要方便实用，鉴于七孔探针校准及测量方法都很繁琐，所以急需用计算机语言编写出一套完整的校准及测量程序，使其拥有友好实用的界面，方便使用者进行七孔探针测量流场。七孔探针校准及测量程序要求与硬件设计结合，自动完成数据采集处理过程，校准和测量算法内嵌其中，并且可以扩展变化。这样，七孔探针就有了继续深入研究和技术发展的平台，七孔探针的使用也会得以简化，使七孔探针应用有更广阔的前景。1.2探针标定技术的发展状况近年来，定位系统的研究不断深入，出现了各种定位的先进思想和技术。如船舶动力定位系统，大型加工工件的定位系统，伺服控制定位系统，工作台定位系统，曲线定位系统等。动力定位系统于上世纪70年代后期由美国海军研制成功，起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。从上世纪so年代初开始，随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人(ROV)跟踪等作业。尤其是90年代以来，随着海上勘探开发逐步向深水 (5oom1500m)和超深水(1500m以上)发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。据初步估计，目前全世界装备动力定位系统的各类船只已超过10(力艘ll。在2002年，我国唯一的一艘专门从事国际海底区域资源勘查研究开发的远洋科学考察船一“大洋一号”，进行了高起点的增改装工程，大大提高了全船的技术水平，成为达到国际先进水平的现代化综合性科学考察船。增改装工程中最重要的内容之一便是增设动力定位系统，以满足科学调查作业的需要。动力定位系统在“大洋一号”上的应用对于国内船舶动力定位系统的应用与发展有一定借鉴意义。大型加工工件定位系统是具有尺寸误差自补偿，位置误差自修正功能的大型工件高精度定位系统。定位系统中采用的沉降锥销方法，基于视觉技术的软件补偿方法在其他定位机构中也具有推广价值，此外，大型磨床数控定位系统采用可编程序控制器的位控技术，利用旋转编码器、直流调速系统、步进电机控制及人机对话等方法，处理双轴在定位控制中的数据采集、位置判别和定位控制，系统实现方法简便灵活，具有较强的抗干扰能力，可实现大型轴承机械加工设备的数控定位控制;伺服控制定位系统利用具有高速运算能力的DSP处理器为控制器。实现了一个双伺服环定位控制系统。该系统达到较高的控制精度和运行效率;对于工作台定位系统，清华大学设计了一套基于AT89C52单片机的显微镜工作台定位系统。机械传动部分采用小模数齿轮实现机械运动和动力的传递，单哈尔滨工程大学硕士学位论文片机电路控制部分实现计数脉冲的获取和电机的控制，上位机控制环节完成用户命令的发布。该系统可以按照预先设定的方式控制电机，实现显微镜工作台的二维运动，两方向重复定位精度士50娜，满足了多波长光存储实验的要求，同时为医疗检验提供了自动化手段。第二章探针自动定位结构总体设计 2.1系统组成探针定位系统是为了实现夹持探针在两个轴向进行定位的装置，是典型的机电一体化产品，系统主要由PC机、PC机与CAN总线转换接口、n套相同的控制器和探针支架组成。PC机作为系统主节点，通过CAN232总线转换接口，实现PC机与CAN总线间的通讯;n个控制器是CAN总线的子节点，各子节点根据ID号，选择性地接收主节点通过CAN总线下传的命令和数据，同时将其传递给位置伺服控制模块，控制电机驱动支架运动，电机的运动信息也通过CAN总线实时地反馈给PC机;探针支架是探针实现运动的载体，由微型电机驱动，实现转动控制。根据系统总体设计方案，采用自下而上的设计思路进行探针定位系统的开发设计，以保证系统开发的可靠性，同时又符合模块化设计思想:在总体方案确定后，进行各功能模块的设计，并通过模块间的接口来组合成完整的系统。本课题着重研究机械部分的支架及电机问题。2.2系统特性通过对该系统结构以及实验要求的分析，该系统具有如下特性:夹持直径小于6.3mm的杆式目标体实现沿轴向和周向的两自由度运动;技术指标: X轴向角位移:量程360 精度士0.10 Y轴向角位移:量程360 精度士0.10 X轴角速度:3-4rpm Y轴角速度:3-4rpm 定位机构重量:2Kg2.3总体方案拟定方案一如图2.1图2.1 方案一原理图说明：该装置有两个转动自由度，整个装置绕主电机轴线的回转运动和探针绕自身轴线的回转运动。主电机通过减速器连接到装置整体，使整个装置做回转运动，副电机通过蜗杆传动后带动同步带轮转动，经带传动变速后带动探针的夹紧装置转动，使探针做绕自身轴线的回转运动。方案2如图2.2图2.2 方案2原理图说明：该装置有两个转动自由度，整个装置绕主电机轴线的回转运动和探针绕自身轴线的回转运动。主电机通过减速器再连接到装置整体，是整个装置做回转运动，实现探针的俯仰运动。副电机通过直齿锥齿轮第一次换向后，带动第二幅直齿锥齿轮和第三幅直齿锥齿轮两次换向后带动探针的夹紧装置转动，从而使探针绕自身轴线做回转运动。副电机作为配重计算，这样不但实现了探针的回转的运动，而且平衡了装置运动时的偏置。方案3如图2.3图2.3 方案3原理图说明：该装置有两个转动自由度，整个装置绕主电机轴线的回转运动和探针绕自身轴线的回转运动。主电机通过减速器再连接到装置整体，是整个装置做回转运动，实现探针的俯仰运动。副电机通过直齿锥齿轮换向后带动同步带轮转动，经过同步带轮的变速后再带动探针的夹紧装置转动，从而使探针绕自身轴线做回转运动。副电机作为配重计算，这样不但实现了探针的回转的运动，而且平衡了装置运动时的偏置，锥齿轮传动可以得到很大的传动比，而且传动平稳、噪音很小。方案比较：第一种方案，机构较为复杂，成本较高，蜗杆传动单级速比较大，停机后有自锁功能，但加工难度大，传动效率低。第二种方案，传动方案较为复杂，多次换向后比较繁琐，但是传动效率较第一种方案有所提高，传动速度可调范围较大，结构不容易定位夹紧。第三种方案，传动方案复杂，但是传动比可调范围扩大，传动速度范围大，传动平稳，噪音小，效率高。副电机既作为输入设备，又充当配重，节省成本。综上所述，应选择第三种方案。2.4主要设计参数及校核2.4.1直角管强度校核直角管主体由两根空心管焊接而成，两端分别为380mm和530mm直管如图2.2.1图2.2.1 直角管设计图校核：基于ANSYS 有限元分析软件借鉴纤维缠绕复合材料直角管强度分析中的方法直角管壁厚为2mm时采用钢类材料可达到强度要求。2.4.2齿轮传动强度计算校核齿轮强度校核分为齿面接触强度、齿根弯曲强度校核一.设计参数如图2.2.2图2.2.2 齿轮参数1.直齿圆锥齿轮传动的受力分析由于锥齿轮沿齿宽方向截面大小不等，引起载荷沿齿宽方向分布不均，其受力和强度计算都相当复杂，故一般以齿宽中点的当量直齿圆柱齿轮作为计算基础。2.直齿锥齿轮传动的当量齿轮的几何关系如图2.2.3，直齿锥齿轮的几何参数有图2.2.3 直齿锥齿轮传动的几何参数分度圆锥角：齿数比：当量齿数比：锥距：齿宽系数：齿宽中点直径：齿宽中点模数：当量齿轮直径： 2 齿根弯曲疲劳强度计算按齿宽中点的当量直齿圆柱齿轮进行计算，将当量齿轮的参数代入直齿轮强度计算公式，得直齿圆锥齿根强度校核公式：将齿宽系数代入，整理得直齿圆锥齿轮弯曲疲劳强度设计计算公式： 3 齿面接触疲劳强度计算轴交角为 90 的直齿圆锥齿轮的齿面接触疲劳强度按齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮进行计算。作用在小锥齿轮当量圆柱齿轮上的转矩为：代入直齿圆柱齿轮传动的强度计算公式，得将当量齿轮的有关参量代入得正交直齿圆锥齿轮接触强度校核公式式中：载荷系数，使用系数 K A其余所有系数均可查表得。计算后取如图2.2.4尺寸图2.2.4 齿轮设计图2.5探针支架的具体设计探针支架是直接驱动探针运动的电动位移机构，探针支架总结构如图2.3所示，该机构是实现三自由度定位的机构。图2.3 探针支架结构图2.5.1 Y轴部分转动设计Y轴向转动伺服电机1来实现，结构如图2.4电机的选取将由所需精度和材料决定。图2.4 使探针绕Y轴的转动探针由电机带动齿轮通过齿轮传动系统使探针进行Y轴转动。2.5.2 X轴转动设计 X轴方向的转动通过伺服电机2实现如图2.5图2.5 使探针绕X转动的机构电机2转动通过直角管带动图2.5中整体绕电机2中心轴线及X轴转动，实现探针的俯仰角变化。2.5.3夹具部分设计此机构中七孔探针由一根芯轴、弹簧夹头、夹头螺母固定并使其转动如图2.6图2.6 芯轴于弹簧夹头七孔探针尾部放置于弹簧夹头中并通过夹头螺母旋紧进行紧固如图2.7图2.7 夹头螺母紧固弹簧夹头的作用：弹簧夹头夹紧位置前后不固定可根据需要自行调节，于是便可达到使七孔探针尖部处于X轴线上的目的。这样当电机2运动时探针将以探针尖部为原点并绕X轴旋转。2.5.4底座设计由于安装组件时并不能达到使探针与风洞中风向完全贴合的位置，所以需要使探针机构整体可以做绕底板中心线旋转如图2.8图2.8 底板结构俯视图通过旋转两跟螺栓推动底板在底座上旋转带动整个机构进行微调，调节后用螺钉紧固。2.6材料选择由于标定结构的动力特性十分重要，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：（1）、强度高。直角管是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足直角管的强度条件，而且可望减少管径尺寸，减轻重量。（2）、弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度（或变形量）与材料的弹性模量E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大，不同材料的弹性模量差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量没有多大差别。比如，普通结构刚的弹性极限为420Mpa，高合金钢的强度极限为20002300Mpa，但是二者的弹性模量E却没有多大变化，均为。因此，要寻找其它提高构件刚度的途径。（3）、重量轻。在标定构件中产生的变形很大程度上是风洞中风力大小方向不一引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量低密度材料的要求，可用指标来衡量。（4）、阻尼大。选材时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。X轴转动经过运动后，要求能平稳的停下来。可是由于在构件运动终止的瞬间，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平衡性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。（5）、材料的价格低。材料价格是成本的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来做材料是很理想的，但价格昂贵。因此直角管部分使用Q235钢，底座、立板、齿轮板用45号钢；2.7 同步带的参数设计及选择2.7.1同步带概述同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与带轮之间在传动过程中投有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。同步带传动（见图2.9）时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度-2080，v50m/s，P300kw,i10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。图2.9 同步带传统同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。本产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带的使用，改变了带传动单纯为摩擦传动的概念，扩展了带传动的范围，从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象，给带传动的发展开辟了新的途径。2.7.2同步带的特点(1)、传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；(2)、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；(3)、传动效率高，可达0.98，节能效果明显；(4)、维护保养方便，不需润滑，维护费用低；(5)、速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；(6)、可用于长距离传动，中心距可达10m以上。2.7.3同步带传动的主要失效形式在同步带传动中常见的失效形式有如下几种：(1)、同步带的承载绳断裂破坏同步带在运转过程中承载绳断裂损坏是常见的失效形式。失效原因是带在传递动力过程中，在承载绳作用有过大的拉力，而使承载绳被拉断。此外当选用的主动捞轮直径过小，使承载绳在进入和退出带抡中承受较大的周期性的弯曲疲劳应力作用，也会产生弯曲疲劳折断(见图2.10)。图2.10 同步带承载绳断裂损坏(2)、同步带的爬齿和跳齿根据对带爬齿和跳齿现象的分析，带的爬齿和眺齿是由于几何和力学两种因素所引起。因此为避免产生爬齿和跳齿，可采用以下一些措施：1、控制同步带所传递的圆周力，使它小于或等于由带型号所决定的许用圆周力。2、控制带与带轮间的节距差值，使它位于允许的节距误差范围内。3、适当增大带安装时的初拉力开。，使带齿不易从轮齿槽中滑出。4、提高同步带基体材料的硬度，减少带的弹性变形，可以减少爬齿现象的产生。(3)、带齿的剪切破坏带齿在与带轮齿啮合传力过程中，在剪切和挤压应力作用下带齿表面产生裂纹此裂纹逐渐向齿根部扩展，并沿承线绳表面延件，直至整个带齿与带基体脱离，这就是带齿的剪切脱落（见图2.11）。造成带齿剪切脱落的原因大致有如下几个：1、同步带与带轮问有较大的节距差，使带齿无法完全进入轮齿槽，从而产生不完全啮合状态，而使带齿在较小的接触面积上承受过大的载荷，从而产生应力集中，导致带齿剪切损坏。 2、带与带轮在围齿区内的啮合齿数过少，使啮合带齿承受过大的载荷，而产生剪切破坏。 3、同步带的基体材料强度差。为减少带齿被剪切，首先应严格控制带与带轮间的节距误差，保证带齿与轮齿能正确啮合；其次应使带与带轮在围齿区内的啮合齿数等于或大于6，此外在选材上应采用有较高勿切韧挤压强度的材料作为带的基体材料。图2.11 带齿的剪切破坏(4)、带齿的磨损带齿的磨损（见图2.12）包括带齿工作面及带齿齿顶因角处和齿谷底部的廓损。造成磨损的原因是过大的张紧力和忻齿和轮齿间的啮合干涉。因此减少带齿的磨损，应在安装时合理的调整带的张紧力；在带齿齿形设计时，选用较大的带齿齿顶圆角半径，以减少啮合时轮齿的挤压和刮削；此外应提高同步带带齿材料的耐磨性。图2.12 带齿磨损(5)、同步带带背的龟裂(图2.13)同步带在运转一段时期后，有时在带背会产生龟裂现象，而使带失效。同步带带背产生龟裂的原因如下，1、带基体材料的老化所引起；2、带长期工作在道低的温度下，使带背基体材料产生龟裂。图2.13 同步带带背龟裂防止带背龟裂的方法是改进带基体材料的材质，提向材料的耐寒、耐热性和抗老化性能，此外尽量避免同步带在低温和高温条件下工作。2.7.4同步带传动的设计准则据对同步带传动失效形式的分析，可知如同步带与带轮材料有较高的机械性能，制造工艺合理，带、轮的尺寸控制严格，安装调试也正确，那么许多失效形式均可避免。因此，在正常工作条件下，同步带传动的主要失效形式为如下三种； (1)同步带的承载绳疲劳拉断； (2同步带的打滑和跳齿； (3)同步带带齿的磨损。因此，同步带传动的设计淮则是同步带在不打滑情况下，具有较高的抗拉强度，保证承线绳不被拉断。此外，在灰尘、杂质较多的工作条件下应对带齿进行耐磨性计算。2.7.5同步带分类同步带齿有梯形齿和弧齿两类，弧齿又有三种系列：圆弧齿(H系列又称HTD带)、平顶圆弧齿(S系列又称为STPD带)和凹顶抛物线齿（R系列)。梯形齿同步带梯形齿同步带分单面有齿和双面有齿两种，简称为单面带和双面带。双面带又按齿的排列方式分为对称齿型（代号DA)和交错齿型(代号DB。梯形齿同步带有两种尺寸制：节距制和模数制。我国采用节距制，并根据ISO 5296制订了同步带传动相应标准GB/T 1136111362-1989和GB/T 11616-1989。弧齿同步带弧齿同步带除了齿形为曲线形外，其结构与梯形齿同步带基本相同，带的节距相当，其齿高、齿根厚和齿根圆角半径等均比梯形齿大。带齿受载后，应力分布状态较好，平缓了齿根的应力集中，提高了齿的承载能力。故弧齿同步带比梯形齿同步带传递功率大，且能防止啮合过程中齿的干涉。弧齿同步带耐磨性能好，工作时噪声小，不需润滑，可用于有粉尘的恶劣环境。已在食品、汽车、纺织、制药、印刷、造纸等行业得到广泛应用。2.7.6同步带的主要参数 1、同步带的节线长度同步带工作时，其承载绳中心线长度应保持不变，因此称此中心线为同步带的节线，并以节线周长作为带的公称长皮，称为节线长度。在同步带传动中，带节线长度是一个重要参数。当传动的中心距已定时，带的节线长度过大过小，都会影响带齿与轮齿的正常啮合，因此在同步带标准中，对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值，要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内（见表2-1）。表2-1 带节线长度表2、带的节距Pb如图2.14所示，同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小，节距越大，带的各部分尺寸越大，承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数在节距制同步带系列中以不同节距来区分同步带的型号。在制造时，带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同步带的齿形尺寸见表2-2。3、带的齿根宽度一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度，以s表示。带的齿根宽度大，则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传送较大的裁荷。图2.14 带的标准尺寸表2-2 梯形齿标准同步带的齿形尺寸4、带的齿根圆角带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径大，可减少齿的应力集中，带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大，过大则使带齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小，所以设计时应选适当的数值。5、带齿齿顶圆角半径八带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步带传动中，带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出啮合时，带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠，而产生干涉，从而引起带齿的磨损。因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合，减少带齿顶部的磨损，宜采用较大的齿顶圆角半径。但与齿根圆角半径一样，齿顶圆角半径也不宜过大，否则亦会减少带齿与轮齿问的有效接触面积。6、齿形角梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小，带齿纵向截面形状近似矩形，则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内，易产生干涉。但齿形角度过大，又会使带齿易从轮齿槽中滑出，产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。2.7.7 同步带及带轮的选择通过计算和校核，同步带选择上海伏龙生产的HTD-3M（150-3M），节线长150mm，模宽150mm，齿数50。带轮选择50-3M型，节径47.75mm，外径46.99mm，挡边直径51mm，挡边内径36mm，挡边厚度1mm。第三章电机选择3.1伺服电机的选取根据模拟仿真得到数据:最大转矩：15N.M最大功率：750W平均转速：1800r/min由于探针自动标定机构属于小型机械所以查询机械设计课程设计手册P175-178可知：YC系列单相电容起动异步电机起动力矩大，起动电流小适用于满载起动的机械；YL系列单相双值电容异步电动机，具有高转矩高效率高功率因素的优点，适用于起动力矩较大的机械或小型机械；YS系列三相异步电动机，具有优良的起动和运行性能，结构简单，适用、维修方便，适用于适用三相电源的小型机械。所以电机2可选电动机有：YS8014、YU90S4、YC90S4、YY8014和YL801-4。考虑到最大转矩与额定转矩比及转速最终选择YL801-4电动机。电机1因为只需进行小功率、低速度、低转矩运动所以对电机无特别要求。3.2芯轴结构设计芯轴结构设计如图所示。本着方便控制弹簧压缩量及固定中间轴套，芯轴中间设计公称直径为14mm，长为39.5mm的螺纹。为了在芯轴与中间轴套的螺纹连接时增大摩擦，最左端采用滚花的加工方式。芯轴材料选用Q235钢，经渗碳处理。3.3芯轴强度校核芯轴在工作过程中只传递弯矩而不传递扭矩，且为压杆，应进行相应的压杆稳定性计算。压缩强度计算公式为：（2.8）式中：表示压应力； F表示压力；A表示轴截面积，A=；表示屈服强度，对于Q235钢=235MPa。将=300N，D=14mm代入公式（2.8）,得：，故所选材料合适。芯轴有导向装置，它的受力情况近似于一端固定，一端铰支的压杆，其最大长度应满足公式：（2.9）式中：E表示弹性模量，对于Q235钢E=200GPa。将E=200GPa，D=14mm，F=300N代入公式（2.9），得：（mm）轴总长度，故材料尺寸合格。第四章探针自动标定机构使用时注意事项探针标定并不属于热门行业，所以国家或国际上并没有出台相关使用规范要求在，但在操作中依然有很多注意事项。4.1 安全要求探针自动标定机构能代替人在风洞中作业。但又给人另一种危险，即探针是尖锐物品，而风洞中可以产生很强劲的空气流场人很容易在不注意时因为气流变动而被卷向一边，从而触碰到尖锐物品造成人身伤害。另外探针是在不停变化位置的也易触碰的人对探针自动标准定机构操作要注意以下几点：（1）在周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。探针标定的动作范围不能超越护栏。（2）风洞在运行时人绝对不可在一边停留，否则不仅使测量产生误差也容易造成事故。（3）测量时需对底盘进行微调，微调需要手动进行，此时危险最大。调节时一定要确保风洞关闭且标定机构断电以防意外的发生。4.2实施方法在标定机构应用工程中，不仅要注意对人员的

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