　　　本文对水洞试验的国内外发展现状和发展意义以及两自由度机构的现状进行了阐述，在此基础上进行两自由度运动机构的结构设计；介绍SolidWorks软件和对所设计的两自由度运动机构装置进行的三维造型过程；对所设计的运动机构的主要节点进行的强度校核和力学性能的分析；在校核的基础上选择了合适的电机；最后对本课题做一个总结和展望。

关键词：串联，两自由度，水洞，三维造型。

Abstract

The water tunnel is the main hydromechanics fundamental researchvehicle as well as the wind tunnel. The action between the flow and theexperiment object, the boundary layer phenomenon and turbulence flowespecially cavitation, hydroelasticity phenomenon and free surface phenomenon can be studied in the water tunnel.

The requirement of?water tunnel experiment?platform?experiment,?design and analysis of?two degree of freedom?motion mechanism?of testing device on thepitch and yaw.

The development present situation and the development?significance and?status of two?degree of freedom mechanism?based on the domestic?water tunnel experiment?and?discussed。further for structure design to the two degrees of freedom motion mechanism; introduction of SolidWorks software and process for the design of two degrees of freedom movement mechanism unit for three-dimensional modeling ; strength check and mechanical properties analysis for the main nodes of movement mechanism, based on that select suitable motor; finally this project makes a summary and prospected.

Key words:Series, Two degree of freedom, wind tunnel, Three-dimensional modeling.

摘要目录

Abstract

第一章绪论1

1.1课题背景及意义1

1.1.1研究现状2

1.2本课题研究内容4

第二章两（少）自由度运动机构的基础理论基础6

2.1两（少）自由度运动机构的基础理论6

2.2两（少）自由度运动机构的发展趋势7

第三章两自由度运动机构的结构方案设计和分析8

3.1两自由度水洞运动机构的机构原理8

3.2两自由度水洞试验设计方案对比8

3.3强度校核..................10

第四章两自由度运动机构的三维造型及结构分析13

4.1三维造型软件SolidWorks简介13

4.1.1启动SolidWorks和界面简介14

4.1.2快捷键和快捷菜单17

4.1.3模块简介18

4.2自由度运动机构的三维造型过程19

4.2.1用SolidWorks对各零部件进行造型19

4.2.2用SolidWorks各零部件进行装配25

第五章电机的选择26

5.1电机的简述26

5.2电机的选择26

5.3本章小结27

总结29

参考文献31

致谢32

1.1课题背景及意义

在实验流体力学领域内，风洞测试和水洞测试是实验的两种主要形式。水洞

是一种水动力学实验和研究设备，其中有导引良好的，可控制的水流。在水洞中

实验物体是静止的（或是转动的，例如船舶螺旋桨），水是流动的。就水洞的布

置与运转而言，它与亚声速风洞类似，只是实验介质不同。典型的重力式水洞如图所示　　对于水洞的应用来讲，其研究的现象与亚声速风洞的研究现象类似，比如流动与实验物体之间的作用力，边界层现象和湍流。此外，水洞还可以用来研究水动力学中特有的现象，特别是空化，水弹性现象和自由液面现象。

　　空化空化是由于在流动的动力作用下局部压力降低而引起的水的蒸发．所以它依赖于试验水流中的绝对压力．这个现象使在一定条件下可达到的流动速度不得超过一定的限度，因此在实际上很重要利用水洞能够改变试验段的绝对压力而不改变其他的流动特性的特点，在水洞中用光学方法和声学方法观测到了空化现象．它是一个白色泡沫状的区域。

　　水弹性试验物体的弹性特性和水流之间的相互作用叫做水弹性．它与气动弹性类似，但支配水弹性的流动现象与支配气动弹性的流动现象不同，因为两者的流动介质在密度上有很大的差别．水弹性是水洞研究中最重要的问题之一．自由液面现象自由液面水洞能够研究自由液面现象。

　　综上所述，无论是商业上的应用还是军事上的应用,水洞的建立对于水力学

的研究具有很高的价值。　　实验水洞的前驱可以追溯到 1895 年帕森斯建造的第一个空化实验水洞,其

又在 1910 于英国沃尔森德（Wallsend）[1]建造了一座大型水洞，其用途为研究

空化状态下的螺旋桨实验。在欧洲，直至第二次世界大战这一段期间还曾建造了

其他几个研究螺旋桨的水洞。当时在帕森斯水洞基础上已有不少改善和改进，但

新水洞的基本原理还是相同的。1938年投入运行的荷兰船舶模型池[2]的直径91.4厘米（36 英寸）大型水洞即为一例。在同一时期，对空化现象的普遍关心，促使开展文透里计与其他受约束的管道实验，设置转为单个水翼剖面实验的循环系统，以及为水泵和水轮机研究用的变压循环系统。这些研究工作的进展大部分在欧洲。在美国，1934 年加州理工学院水力机械实验室为研究水泵建制了水流循环系统。这些循环系统所具有的特性和测试设备均体现在以后的水洞中。第二次世界大战期间，战时问题的迫切需要，加速发展了可供各种物体和部件进行实验的通用水洞。在美国，第一个这种水洞是柯乃普等人和戴利介绍的加州理工学院1942 年建置并在 1947 年重建改善的高速水洞。这一装置是现代化设备的前驱，它具有专门控制设备和比以前更高精度，更多样化的量测附属设备。它对以后的水洞具有广泛的影响。其基本特性包括下列各部分：

　　1.工作段，可以安装模型并进行观察；

　　2.水流循环系统，基本上包括水泵和管路，用以保持水流通过工作段；

　　3.空气重溶系统，当工作段发生空化时重溶可能从水中释放出来的任何掺入的气泡；

　　4.含气量控制系统，使水流重溶解空气量保持为任何需要的常量；

　　5.控制系统，用以调节工作段的压力，流速和温度，并使之保持在任一组规定数值；　　6.天秤，用它可将模型放置在不同位置，并可量测作用在模型上的动水作用力。

此水洞的基本特色，均已体现在一些最重要的现代化水洞中。

为了避免进入扩散段的水流过早出现空化现象，促使了另一个水洞型式，即自由射流水洞，如早期在哥廷根建成的水平射流二维水洞，以及在圣安东尼瀑布实验室兴建的自由射流垂直式的圆断面水洞。除此之外，还有自由面水洞，它是研究物体稍微潜水或插入自由面的一种设备。水下导弹，水翼，水柱和某些类型的水工建筑物均为实例。顾名思义，这种水洞的唯一特征是其自由面工作断有改

变水面以上空气压力的设施。加州理工学院自由面水洞就是一个实例。

　　国内在水洞实验这方面的研究虽然不如国外先进，但是也建立了一批水洞设

施，比较著名的是中国船舶重工集团公司第七 0 二所的水洞实验室。还有很多位于大学内的水洞实验室，比如 1983 年西安工业大学由黄景泉教授带头建造的用于科研和教学的水洞实验室，再比如上海交通大学的重力式空泡水洞、徐汇校区的国内最早（1958）的封闭循环式水洞以及哈尔滨工程大学的重力式低噪声水洞，其基本设计方法都借鉴了国外的水洞设计经验。由于本文研究的对象为重力式水洞，关于这方面的文献，柴恭纯，刘春阳[3]介绍了一座可调速，可调压的非循环重力式水洞。此类水洞不需要驱动水流的动力设备，且无设备的噪声干扰，不仅投资经济，建造周期短，而且易于提高实验质量，有助于深化研究工作。然而，世界上投入使用的大型重力式水洞为数甚少，其原因除地点选择及布置比较困难外，运行技术上还存在着水洞实验段水速和静压不能独立调节的困难，严重地限制了它的应用。

关于水洞部件的研究，收缩段是水洞的重要部件，它的主要作用是提高实验段的流动品质，即改善流场的均匀性，稳定性及降低湍流度。在实际水洞中，既有轴对称的圆截面收缩段，又有矩形截面的收缩段。在三元收缩段中，流动在横向发生变化，壁面的顺压梯度随着横向位置不同而改变，收缩段的出口流动均匀性的情况也与轴对称收缩段不同。随着计算流体力学的发展，收缩段的研究转变为根据真实条件对收缩段进行优化设计，这方面也已经有了不少研究[4-8]。关于水洞设计中的收缩曲线，由于水洞跟低速风洞设计上的近似，本文在水洞设计上借鉴了低速风洞的一些经验[9-13]。国内风洞设计中多推荐采用 Witozinsky 曲线，即维氏曲线；近年来美国风洞设计常采用五次方程；文献[14]推荐使用双三次曲线，林超强、苏耀西、洪流等[15]对采用以上曲线的矩形风洞设计进行了研究给出了流动的三元性质对壁面逆压梯度和出口速度均匀性影响的数值结果。

随着现代科学技术（如制造技术、机器人技术、生物科学技术等）的发展，对各种机械设备性能的要求越来越高，例如医疗器械的发展对微型高精度设备的要求，制造业设备的高速度，高精度，高强度需求，等等。航空航天事业这种需求更为严格，混联机构在这种需求下就产生和演化了。目前国内外的机构选型主要呈现以下两种趋势: 一种是传统的串联机构，这里介绍一下，串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输人，若联接点设在前置机构中作简单运动的构件上，即形成所谓的串联式组合。其主要优点是工作空间大，灵活性与可操作性较好, 技术积累较成熟, 但刚度差、定位精度低是应用于装置的致命不足。

　　　 SolidWorks是特征造型软件的新秀，向广大机械设计人员提供用户界面更好、运行环境更大众化的实体造型实用功能，它将零件三维造型与装配设计、二维出图融为一体，可使工业界迅速普及三维产品设计技术。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

1.2本课题研究内容

本文首先利用三维造型软件SolidWorks对两自由度运动机构装置进行三维造型，其次运用虚拟样机技术对其进行几何学建模，并对其进行初步的运动学和动力学分析。在具体操作时，采用了ADAMS软件作为辅助分析工具。ADAMS软件是目前在机构运动学、动力学以及样机参数化分析等方面功能比较强大的软件之一，并联机构运动的复杂性可以利用ADAMS提供的这些功能进行分析，并可以方便、快捷地得到可视化的结果和分析过程中的各种参数及线图，为后继的研究分析工作提供比较直观的可参考依据。

　　　本文具体研究工作主要包括以下几个方面：

　　　第一章论述了课题的工程背景和课题的研究意义，提出了本文的主要研究内容。

　　　第二章介绍两（少）自由度运动机构的基础理论研究

　　　第三章简要介绍了设计的两自由度运动机构的机械原理，校核几处连接处的强度和载荷

　　　第四章简述了三维造型软件和设计的两自由度运动机构的三维造型过程

　　　第五章是简要介绍选择的电机及其性能

最后是结论部分，对全文进行总结，并对进一步研究进行一些展望。2.1两（少）自由度运动机构的基础理论

　　一个不受任何约束的自由体在空间有6个自由度，即3个方向移动的自由度和3个方向的转动的自由度。如果构件受到不同程度的约束，自由度将不同程度地减少，这类机构的自由度在2-5之间。在机器人的运动机构中，少自由度运动机构占着很大的比重。少自由度运动机构的特点是：

1.工作空间大；

2.驱动件少，构件少；

3.控制方便简单；

4.制造容易，价格低廉；

5.正向求解容易。

也真是因为以上特点，少自由度运动机构在实际领域中有着广泛的应用前景。而在机器人运动机构中，两自由度运动机构可以根据需要可以采用不同结构。比如两自由度解耦球面机构、两自由度闭链机构和平面两自由度机构等等。香港科技大学研制的并联机器人样机采用的就是平面2自由度驱动冗余机构。通过增加一个串联分支同时增加一个驱动，构建了平面2自由度驱动冗余并联机器人，这种驱动冗余并联机器人的特点在于能克服瞬时自运动奇异而改善机构的灵巧性，同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空间。由于由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性，既减少了工作空间内的奇异，同时增加了机器人的承载能力和刚度，能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务。

2.1两（少）自由度运动机构的发展趋势

由于多自由度运动机构存在建模困难，运动耦合和对元件精度要求高等不足，而且在许多情况下并不需要六自由度机构，低于六自由度即可满足实际要求。因此，近年来一些少自由度机构成为新的研究热点，少自由度机构具有结构简单、造价低等特点，在实际领域中有着广泛的应用前景。同时少自由度机构的出现，构的许多结构、运动学等方面的性质尚未被认识，目前国内外现有的空间机构综合与组成原理不成熟，仍存在许多待解决的问题。因此分析少自由度机构的结构特性及运动特性，对少自由度机构的应用具有重要的理论意义，而且具有极高的研究价值。大大丰富了运动机构的机理，拓宽了这些新机理的应用前景。但有些少自由度机构的许多结构、运动学等方面的性质尚未被认识，目前国内外现有的空间机构综合与组成原理不成熟，仍存在许多待解决的问题。因此分析少自由度机构的结构特性及运动特性，对少自由度机构的应用具有重要的理论意义，而且具有极高的研究价值。　　　本文阐述了水洞的研究背景和发展趋势及其两（少）自由度运动机构的基础理论和发展趋势。，设计串联部分的两自由度运动机构，以三维造型软件SolidWorks为绘图工具，设计出符合两自由度运动机构。并且介绍了三维造型软件SolidWorks和三维造型过程，校核了两自由度运动机构中连接处的强度和齿轮的校核。

　　　Solidworks是一套智能型的高级CAD/CAE/CAM组合软件，它集设计、加工、分析功能于一身，能方便地进行三维实体设计、加工制造以及动力学及热力学的各项分析。通过这段时间的学习，我不仅对该软件的使用变得更加得心应手，而且对三维造型过程有了更深一步的理解。

　　　本文的研究从总体来说，在三维造型的基础上和力学分析的结论中，本次设计的两自由度运动机构是满足要求的。在另外，从大量的关于少自由度的研究文献也可以看出，虽然关于少自由度机构各方面的研究工作取得了很大的进展，但是，还有大量的工作需要进一步研究和开展，展望未来，还有这样一些难点有待我们继续钻研。

在这次设计中给我感受最深的就是我们应该加强同学与老师之间的相互合作与配合，老师在其中起着很大作用，他时刻地洞察着你的进展情况，关键时候给你指明了方向，让你向着他理想的目标前进。同时，我们作为学生要能理解老师的一番苦意，我们要有进取心，持之以恒的精神，遇到困难不能气馁，只有这样才能让指导老师看到成功的希望。

　　　我相信，在以后的工作学习中，我会更加努力，全身心地投入社会，做出我理想的成绩！

参考文献

[1]邹继明、杨世彦、程树康、郝燕玲,两自由度电机速度雅可比矩阵,微电机,2003.3

[2] 曹茹. solidworks 2009三维设计及应用教程（第2版）[M]，北京：机械工业出版社,2009,9.26-49.

[3] 李幼涵. 伺服运动控制系统的机构及应用[M]. 北京:机械工业出版社，2006,8.72-89.

[4] 宋爱平，尤飞，褚辉生. CAD/CAM技术综合实训指导书. 北京：机械工业出版社，2006. 1

[5] 何克敏,屠兴. 低湍流度风洞及其设计[J].气动实验与测量控制,1988,2(2):9216.

[6] 纪明刚，陈国定，吴立言，等. 机械设计（第八版），北京：高等教育出版社，2006.5

[7]谭建成,电机控制专用集成电路,机械工业出版社,1997

[8] Cunningham H J, Batina J T, Bennett R M, “Modern Wing Flutter Analysis by Computational Fluid Dynamic Methods,” Journal of Aircraft,Vol,25,1988,pp.962-968

[9] 成大先，王德夫，姜勇，等. 机械设计手册/常见机械工程材料，北京：化学工业出版社，2010. 1

[10] 常鹏，汪劲松，李铁民，等．平面三自由度并联机床的分步运动学标定．中国科学. 2009. 01. 65~73

[11] 王波，刘向东，韩强，等．三自由度平面并联机构位姿分析．电气技术与自动化．2010．08．170~175

[12]Van Lammeren, W,P,A: “The Netherlands Ship Model Basin”, TheNetherlands Publicaton,1952

[13] Patanker S V,Spalding D B,“A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer In Three-Dimensional Parabolic Flows,”International Journal of Heat Mass Transfer Vol.15,1972,pp.1787-180

[14]Richardson,A,The Evolution of the Parsons Steam Turbine，Enginering,,1911

[15]黄继汤,田立青,李玉柱.国内外现有水洞综述.空泡学术讨论会论文集.中国造船学会,1982

[16]李福新,邓飞,鲍鹏,张宇文.回转体头部空化噪声特性的实验研究.流体力学实验与测量,第16卷第2期,2002(6)

[17]张志良,沈为群,刘旺开.位置测控系统在水洞中的应用.军民两用技术与产品,2008(l)

[18] 赵建国，李兵．一种新型三自由度平面并联机构的运动学研究．机械工程师．2008．1．5~7

[19]李福新,石秀华,张宇文,施促庆.回转体流噪声相似律的实验研究流体力学实验与测量,第13卷第4期,1999(12)

[20] 陈航.三自由度并联机构正解及试验平台控制方法研究[M]. 武汉：华中科技大学，2005

搭板.gif

大板.gif

垫片.gif

俯仰零件.gif

活动件.gif

架子.gif

空心杆.gif

空心套轴.gif

连接杆.gif

连接柱.gif

水洞装配图.gif

内容简介：: 实习报告时间过得真快，马上就要毕业了，作为毕业生，工作真的难找，托关系进入了一家私人模具厂，厂的规模还是挺大的，10台加工中心就可以说明问题了，里面的员工也都比较熟悉，我呢，一个毫无工作经验的人，一开始给我安排的就是依稀杂活，帮他们扫扫地，倒角，去毛刺，攻丝什么的。工作挺闲的，几天工作都和一些员工打成一片了，在私人厂里员工的关系挺重要的，老爸说的好，初出茅庐，千万不要偷懒，否则会被别人说眼高手低的。说一下厂里的作息时间吧，早上八点钟打卡上班，中午十一点半在食堂吃饭，十二点半开始上班直到下午五点打卡下班。就这样的时间让我的生活慢慢的规律起来，吃饭也很准时。生活虽然累点，但是很充实。不过这车间的环境是真的不敢恭维，到处都是铁屑和灰尘。过了十几天，在各个车间和办公室穿梭，也了解到了塑料模具的生产过程。下面就来介绍一下吧1、此阶段主要是客户与供应商之间进行的关于产品设计和模具开发等方面的技术探讨，主要的目的是为了让供应商清楚地领会到产品设计者的设计意图及精度要求，同时也让产品设计者更好地明白模具生产的能力，产品的工艺性能，从而做出更合理的设计。2、报价：包括模具的价格、模具的寿命、周转流程、机器要求吨数以及模具的交货期。（更详细的报价应该包括产品尺寸重量、模具尺寸重量等信息。3、订单：客户订单、订金的发出以及供应商订单的接受。4、模具生产计划及排工安排：此阶段需要针对模具的交货的具体日期向客户作出回复。5、模具设计（Design）：可能使用的设计软件有Pro/Engineer、UG、Solidworks、AutoCAD、CATIA等6、采购材料7、模具加工：所涉及的工序大致有车、锣（铣）、热处理、磨、电脑锣、电火花、线切割、座标磨、激光刻字、抛光等。 8、模具装配9、模具试模10、样板评估报告11、样板评估报告批核说实在的一副模具的生成真的是相当的复杂，要学的东西太多太多。只能慢慢来，有一天师傅就把我叫去说要开始教我磨床，那是一台平面磨床，我之前一直觉得挺危险的，砂轮在那边转的那么快，到后来才知道，只要工作认真熟练掌握后一点都不危险，说到砂轮其实也挺有讲究的，就说说砂轮吧，磨削加工时，必须根据具体情况（如所磨工件的材料性质、热处理方法、工件形状、尺寸及加工形式和技术要求等），选用合适的砂轮。否则会因砂轮选择不当而直接影响加工精度、表面粗糙度及生产效率。磨料的选择磨料选择主要取决于工件材料及热处理方法。磨抗张强度高的材料时，选用韧性大的磨料。磨硬度低，延伸率大的材料时，选用较脆的磨料。磨硬度高的材料时，选用硬度更高的磨料。选用不易被加工材料发生化学反应的磨料。最常用的磨料是棕刚玉（A）和白刚玉（WA），其次是黑碳化硅（C）和绿碳化硅（GC），其余常用的还有铬刚玉（PA）、单晶刚玉（SA）、微晶刚玉（MA）、锆刚玉（ZA）。经过几天的学习觉得磨床的操作也不怎么难，就是需要耐心和仔细，必须控制好尺寸精度。师傅一开始就是叫我帮他把模板表面的细小毛刺去掉。过了两天才让我碰机床的。刚开始有点鲁莽，差点撞刀。下面还是讲讲自己学的一些磨床技术吧1、选定模板，去除表面的毛刺，清理工作台，保持光滑干净，用吊机将模板放上工作台2、用砂轮对刀，留有一点空隙，以便开动机床时手动对刀。再根据模板的大小调好机床工作台前后左右的运动行程。3、开启机床，同时开始手动对刀，知道出现火星，看到整个模板表面都有火星时，停止进刀，当火星消失时，停止机床4、将模板取下擦拭干净，同时保证工作台干净，磨模板的反面，量好厚度，按照客户要求，磨到在允许误差范围内。就这样，不到二十几天的工作时间，我学会了磨床和一些其他的简单的操作，随后的几天时间一直在操作磨床，大概一个月以后，又被叫到办公室去做CAD的修正，其实跟学校里的有点区别的，一开始根本就不知道如何下手，慢慢的就熟悉了。就这样，只要用心去学一些东西，发现自己的知识真的少的可怜，要学的太多太多，快毕业的我总是会迷茫自

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。