（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船模强制运动装置可行性方案分析与设计.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文摘要根据大连理工大学船模试验水池的现有船模试验设备情况，为进一步丰富船模试验内容，本文分别以a w l ) 直线运动平台1 3 1 和曲柄滑块机构傲为核心运动构件，提出了两套船模强制运动装置的设计方案，并分别对两套方案进行了可行性分析，通过将该船模强制运动装置应用于船模拘束性试验，可以方便地实现船模在水中的各种运动状态。本文设计的船模强制运动装置综合了以往v p m m 与h p m m 。5 1 在运动特性上的优点。如有些试验水池用于船模拘束性试验的垂直平面运动机构( v p m m ) 只能实现船模的强制升沉、纵摇，以及纵摇与升沉的组合运动；对于只设置了水平面方向上的平面运动机构( h p m m ) 的试验水池，则只能实现船模的强制横荡、首摇、首摇与漂角，以及首摇与舵角的组合。本文设计的船模强制运动装置同时具备了驱动船模做横向、垂向，以及纵向运动的路径与结构形式，可以实现船模的强制横摇、横荡、首摇、纵摇、升沉、以及横向运动之间、垂向运动之间、横向运动与垂向运动之间的某些组合运动模式，并设计出恰当的结构形式用于船模与装置的连接，使船模尽可能在指定方向上受到拘束力的作用，而在其它方向上具有充分的自由度。进而可以通过在适当的位置上安放多分量传感器，测出所需的水动力与力矩i l ，l 。此外，对核心运动部件a w d 直线运动平台，以及控制电机，减速器等方案中涉及到的产品做了简要的介绍，并给出了相关规格参数，为后续阶段的详细设计、方案评估，以及经济论证等提供参考。关键词：a w d 直线运动平台；曲柄滑块机构；设计方案；船模强制运动装置；组合船模强制运动装置可行性方案分析与设计t h ef e a s i b l ea n a l y s i sa n dd e s i g no fs h i pm o d e lm o t i o nm e c h a n i s mi nc o n s t r a i n e dm o d e lt e s ta b s t r a c tt w od e s i g n i n gs c h e m e so fc o n s t r a i n e ds h i pm o d e lm o t i o nm e c h a n i s ma i r cp r o v i d e d , i nw h i c ht h ea w dl i n e a rm o t i o np l a t f o r ma n de r a n k - s l i pb l o c kl i a m e w o r ka r ep e r c e i v e da sl h cm o t i o nc c n t “o ft h cw h o l es y s l e mo nt h eb a s i so ft h ef r a m c w o r ki ne x i s l e n c ei nt h es h i pm o d e it e s t i n 2w a t c rc h a n n e li nt h ed e p a r t m c n to fn a y a la r c h i t e c t t l r eo fd a l j a n1 j n i v c r s i t yo ft e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t hv p m m ( v e r t i e a lp l l l i i c l m o t i o nm e d a a n i s m ) a n dh p m m ( 1 a o r i z o r l t a lp l a n e rm o t i o nm e c h a n i s m ) u s e di ut l a ee o n s t r a i n c , ds h i pm o d e lt e s t , t h es p e c i a l n e so tt h e ma r cr , o m b i n e dt o g e t h e ri nt h es h i pm o t i o nm e e l a a n i s md e s i g n e db yt h ea u t h o r , e g t h ev p m mi sf i x e df o r t h ec o n s t r a i n c ds h i pm o d e it e s ti n8 0 1 ! cw a t e l te h a l t o e l s ，t h er o l l ，h e a v c ，p i t c ha n dt h ee o m b i n a t i o no fh e a v ea n dp i t c h r o l lm o t i o n 啪b ep e r f o r m e do n l y ；i na l l o t h e rd i m e n s i o mn o t1 1 1 0 1 ct h t h eg w a y y a wa n dt h ec o m b i n a t i o no fs w a ya n dy a wm o t i o nc a nb ec a r r i e do u tb yt h eh p m mi ns o 盯l cw a t c rc h a n n e l s n es h i pm o d e lc o h i db ed r i v e na l o n gt h ch o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o ni nt h ep a t h sb yt h es h i pm o t i o nm e c h a n i s mb r o u g h tf o r w a r db yt h ep a p e r f u r t h e r m o r et h ec o n s t r a i n e ds h i pm o d e l sm o v c m c l l to fr o l l ，s w a y ，y a w , h e a w ，p i t c ha n dt h ec o m b i n a t i o no fs o m e ：t w op u r em o t i o n sc o i l l db ea c h i e v e db yt h i sm e c h a n i s m a tt h e 翻i i r i ct i m e , s p e x i a la t t e n t i o ni sp a i dt ot h ec o n n e c l i o nf o r mb e t w e e nt h ef o r e i n gr e do ft h em e c h a n i s ma n dt l a cs h i pm o d e la n dt w od i f f e r e n tk i n do fi o i n i n gs t a u c t u r e 黜u s e df o rt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lm o t i o nr c s p e c t i v e l yi no r d e rt om i n i m u mt h es h e a r i n ga n db e n d i n gf o r c e se x e r t e do nt h ef o r c i n gr o da n di m p r o v et h e cs p a no ft h ew h o l es y s t e m a n dt h es h i pm o d e lc o i l 埘b ec o n s t r a i n e di nt h ed e s i g n a t e dd i r e c t i o na n df r e e - r u n n i n gi no t h e rd i r e c t i o a s b e s i d e s a w dl i n e a rm o t i o np l a t f o r m , s e r v oc l e c t r o m o t o r , r e d u c e ra n do i l i e rp r o d u c t sr e l a t e db yl h et w os c h e m e sa r ei n t r o d u c e db r i e f l ya n ds o i l i es p e c i f i c a t i o n so fo r o d u e t s 盯ep r o v i d e da s t h e f o u n d a t i o n o f f u r t h e ! e v a h m t i o n a n d d e t a i l d e s i g n o f t l a e m e c h a n i s m k e yw o l d s - a w dl i n e a rm o t f e np l a t f o r m ；c r a n k - s l i pb l o c kf r a m e w o r k ；1 ) e s i g n l u gs c h e m e s ；c o n s t r a i n e ds h i pm o d e lm o t i o nm e c h a n i s m ；c o m b i n a t i o n独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：2 生蟠日期：竺墨：2 ：皇大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：边啦置7 1大翘工大学硕士研究生学位论文i 绪论1 i 概述要想简洁地了解船舶的操纵性，自航船模操纵性试验的方法是十分有效的，但是要想详细了解船型要素与操纵性之间的关系，要知道作用在船体上的流体动力，则必需采用拘束船模操纵性试验。在拘束船模试验中，作用在船体上的流体动力是船模运动量和操纵控制量的函数，运动量是指三个方向的速度( 以同连在船模上的坐标系表示为前进l 、横移v 、转动，)和三个方向的加速度( 、v ，) ，操纵控制量是指舵角6 和螺旋桨转速n 1 5 1 0 为了通过模型试验来测定这些系数，必须建立使模型相对于流体产生线速度、角速度和加速度的设各【“，也导致国内外许多船舶研究单位为更好地研究船模及潜器操纵性，大力发展船模拘束性试验，建造了很多用于船模拘束性试验的水池与设备，其中应用较广的有旋臂水池和平面运动机构。1 2 国内外拘束船模试验设备发展情况目前，世界上用于拘束船模试验的工具主要有旋臂水池( r a ) 和平面运动机构( p m m ) 。旋臂水池是一种进行拘束船模试验的专用水池。在圆形水池中心有- 4 , 岛，岛上装有一套旋臂装置，臂的另一端支撵在圆水池壁的轨道上。船模可以固定在旋臂的任一位置处浮于水面或沉入水下，当旋臂绕小岛中心轴旋转时，带动船模在水池中作各种半径的圆形运动。船模处于完全拘束状态随旋臂运动，相当于在匀速直线运动上再叠加一个匀角速度转动。此时可以通过多分量测力仪对船模水动力和力矩进行测量，再经过分析计算求得操纵运动方程式中的水动力导数，主要是旋转导数和角速度耦合导数。世界上最早建造旋臂水池的是美国戴维逊水池，于1 9 4 4 年建成，旋臂直径仅2 3 m ，其目的是为了研究潜艇的操纵性。其后各国又相继建造了几座类似的旋臂水池，表1 1列出了世界各国部分水池的基本情况。由于旋臂水池的试验内容局限性较大，又不能全面解决运动方程式中的水动力导数求解问题，因此近年来已很少再建造这类水池，而是选择建造具有平面运动机构的宽水池傲为研究船舶操纵性问题的工具1 1 5 j 。船模强制运动装置可行性方案分析与设计表1 1 世界各国旋臂水池摘录t 丑b 1 - 1e x t r a c to fr a 细t h ew o d d旋臂直径水深臂端速度功率序号所在地建造年份( m )( m )( m s )( 1 c w )1法国巴黎1 9 4 56 551 02英国哈斯勒1 9 5 75 55 51 62 4 63克罗地亚萨格勒布1 9 5 s3 42 73 54美国华盛顿1 9 6 1舳6 41 5 42 2 9 85俄罗斯圣彼得堡1 9 6 57 06 41 52 1 061 9 6 s4 84 51 22 1 6 0中国无锡最近几十年来，世界各国大力发展拘束船模操纵性试验，研制了各种形式的平面运动机构，使之成为深入研究船舶操纵性理论的有力工具，也是比较准确预报实船操纵性的试验手段。平面运动机构也是为了解决潜艇操纵性运动方程式中的水动力导数求取问题而建造的，在1 9 5 7 年美国的m 格特勒和a 古德曼第一个研制出平面运动机构后( 如图1 1 所示) ，这种设各获得迅速发展，由只能用于潜艇操纵性研究的垂直平面运动机构( v p m m ) 发展到可以进行水面船舶操纵性研究的水平平面运动机构( h p m m ) 。由最初的小振幅( 几厘米) 发展到现在的大振幅( 十几米) 平面运动拖车( 又称) ( _ _ y 拖车) 和数控平面运动拖车( c - p m c ) 【“。平面运动机构己被世界各国公认为操纵性研究最有效的设备，表1 2 、1 3 列举了部分国家平面运动机构的相关信息。2一查塑坚盔塑主里塞生丝墼表1 2 部分国家小振幅平面运动机构摘录嗍t a b ，1 2 e x t n c t o f s m a l l s w i n g p m m i ns o m e c o u n t i i e s水池尺寸o n )车速振幅频率序号所在单位建造年份( m s巾长宽深y最高最低、( m )( 6 )1美国泰勒水池1 9 5 75 7 5 1 5 8 6 71 0 30 0 2 52 0lo 32荷兰台尔富大学1 9 6 31 4 2 4 2 2 2 550 33日本东京大学1 9 6 58 5 3 5 2 440 3 53 5丹麦流体动力研究41 9 6 52 4 0 1 2 5 51 40 1所中国哈尔滨船舶工51 9 7 82 5 2 5 x 2 j3o 0 43o 2 5程学院，6中国上海交通大学1 9 8 21 1 0 6 340 0 4 12 01 60 1表1 3 部分国家大振幅平面运动机构摘录lt a b l 3e x l r a c to fb i gs w i n gp m mi n o m cc o u n t r i e s序所在单位建造年份水池尺寸( m )车速振幅副拖车车号长宽深( m s )y毒速( m s )( m )( 。)1美国水航公司2 4 0 1 2 x 5 58 513 02日本东京大学1 9 6 95 0 3 0 3 11 61 01 8丹麦流体动力31 9 7 22 4 0 1 2 61 40 7 5研究所荷兰国家船模42 5 2 1 0 5 5 593 7 5试验水池联邦德国汉堡51 9 7 63 0 0 1 8 637 33 0 01 9水池瑞典海洋研究61 9 7 98 s ，9 3 53 51 5中心日本三菱重工71 9 7 21 6 0 3 0 3 531 03 02株氏会社日本造船研究81 9 7 88 0 4 5 2 623 52中心3船模强制运动装置可行性方案分析与设计图1 1 美国泰勒水池1 m b ) 垂直面的小振幅平面运动机构【1 8 】f 姬1 1s m a l ls w i n gv p m mi nd t m b图1 2 1 3 显示了哈尔滨工程大学、中国船舶科学研究中心用于船模拘束性试验的垂直平面运动机构。图1 2 哈尔滨工程大学垂直平面运动机构f i 9 1 2 v p m m i n h a l b i n e n g i n e e r i n g u n i v e _ r s i l y4大连理工大学硕士研究生学位论文图1 3 中国船舶科学研究中心垂直平面运动机构【l l 】f i 9 1 3 v p 删i n c s s r c平面运动机构一般是放在拖拽水池的拖车上使用的，小振幅的平面运动机构也可以放在循环水槽中使用。当平面运动机构向大振幅平面运动拖车发展的时候，一些国家专门为它配合建造了宽度很大的拖拽水池i l ”。1 3 船模强制运动装置的特点本文设计的船模强制运动装置综合了以往v p m m 与h p m m 的共同运动特性。如有些试验水池用于船模拘束性试验的垂直平面运动机构( v p m m ) 只能实现船模的强制升沉、横摇、级摇，以及纵摇或横摇与升沉的组合运动；对于只设置了水平平面运动机构( h p m m ) 的试验水池，则只能实现船模的强制横荡、首摇、首摇与漂角，以及首摇与舵角的组合旧。本文设计的船模强制运动装置同时具备了驱动船模做横向、垂向，以及纵向的运动路径与结构形式，可以实现船模的强制横摇、横荡、首摇、纵摇、升沉、以及横向运动之间、垂向运动之间、横向运动与垂向运动之间的某些组合运动模式，进而可以通过在适当的位置上安放多分量传感器，测出所需的水动力与力矩。1 4 本文的工作内容本文分别以a w d 直线运动平台和曲柄滑块机构为驱动船模运动的执行机构，提出了两套船模强制运动装置设计方案，具体内容包括以下几个方面：一a w d 直线运动平台为核心运动构件的方案分析与设计( 方案一)该方案选用a w l ：) 直线运动平台做为主要运动构件，进行了船模驱动装置纵向、横5船模强制运动装置可行性方案分析与设计向，以及垂向运动路径与硬件结构的分析与设计，使船模在首尾或两舷拘束力的配合作用下可以实现水面上或水面以下的六自由度运动。二a w d 直线运动平台产品介绍与选型方案一的可行性很大程度上取决于a w d 直线运动平台的结构性能等指标是否满足船模拘束试验的要求，因此本文在第3 章对该产品的性能，结构等指标傲了介绍，并提供了部分型号平台的详细参数列表，为后续阶段确定平台具体规格提供参考。三以曲柄滑块机构为核心运动构件的方案分析与设计( t y 案- - )本文提供的第二套方案是选用曲柄滑块机构做为主要运动构件，进行了船模驱动装置纵向、横向，以及垂向运动路径与硬件结构的分析与设计，使船模在首尾或两舷拘束力的作用下可以实现水面上或水面以下的六自由度运动。四伺服电机减速器产品介绍、选型与控制船模强制运动装置是一动态试验设备，对控制电机有特殊的要求。控制电机除了能实现位置、速度控制外，还应该具有较高的动态响应及抗负载扰动能力强的特点。在本系统中，控制电机选用的是b s h 伺服电机，并在文中对b s h 伺服电机的性能参数，相应减速器的配备，以及控制方式进行了简要的介绍。6大连理t 大学硕士研究生学位论文2 以a w d 直线运动平台为核心运动构件的船模强制运动装置方案分析与设计( 方案一)2 ，1 执行机构运动路径设计船模强制运动装置的功能是使船模在首尾或两舷拘束力的共同作用下模拟出船舶在水面上六个自由度的运动状态，因此，该装置对船模施加作用力的执行机构的运动轨迹必须具有) ( - y 吒坐标系中的三个坐标值均可变化调整的特性，以满足试验运动状态的要求，圈2 1 执行机构的路径组合形式hf i g2 1f o m 2 so fm o v i n gc o m b i n a t i o n s图2 1 提供了用于承载执行机构所需轨道的六种组合模式，在满足试验目的的前提7船模强制运动装置可行性方案分析与设计下，为了更好地利用拖车上现有机架结构，如下图所示图2 2 试验水池现有机架f i g2 2b r a c k e t si nt h et e s t i n gc h a n n e l附合要求的轨道组合形式如图2 3 所示：图2 3x - y - z 型路径组合f i 9 2 3 c o m b i n a t i o n o f x - y z p a l h s运动机构组合形式t y p e2 和t 忡e3 均提供了x 方向、y 方向、z 方向，即水池纵向、横向与垂向的运动路径，但考虑到使横向放置的轨道两端都能够受到机架的支撑力作用，并且执行机构能够运行得更加平稳，机构使用寿命长久等因素，最终选择较为理想的t y p e2 机构形式。根据采用的导轨组合方案，并以现有机架的实际尺寸为依据，在s o l i d w o r k s 软件中进行虚拟建模装配，如图2 4 所示：8大连理工大学硕士研究生学位论文图2 4 ) - y z 型三维模型f i g2 43 dm o d e lo f x - y - zp a t h s为使船模的六自由度运动状态在较高的精度下得以实现，该试验装置采用了具有较高精度的直线定位及传动设备- a w d 直线定位平台，该平台采用伺服电机配合减速器做为动力驱动，在满足横向、垂向、纵向按要求进行移动的前提下，保证较高的精度。a w d 直线定位平台采用高精密滚珠丝杠传动，具有高品质导轨承载，运行更加平稳、承载大，高刚性、高精度，铝合金结构，体积小重量轻，行程从0 - - - 1 8 0 0 r a m 连续可调。该产品由底座、导轨、丝杠、平台、连轴器组成，其功能是将电机的旋转运动经过丝杠转换为直线运动，从而可以通过控制电机减速器的输出转矩，以及转速的大小来实现三个轨道面上精密的定位控制和速度控制( 关于a w d 宣线定位平台系列产品，以及选型参考将在下一章中做详细介绍) 4 1 。2 1 1 纵向运动路径及结构设计9船模强制运动装置可行性方案分析与设计图2 5 纵向运动结构f i 9 2 5f r a m e w c k o f l o n g i t u d i n a l m o t i o n驱动船模做纵向运动的部件结构形式如图2 5 所示，通过螺栓在原有支架两侧固定纵向布置的轨道( 如图2 6 ) ，为纵向运动的支承平台提供平稳的纵向运动路径，并在纵向移动的平台上加工出为横向移动平台提供横向运动路径的轨道( 如图2 , 7 ) ，平台的纵向移动可以采用电柳i 一减速器驱动，也可以依靠手动调节其位置，目的是使装置与船模在合适的位置处相接触。进而施加拘束力。图2 6 纵向轨道图2 7 纵向移动平台f i g2 , 6l o n g i t u d i n a lp a t hf i g2 7l v i n gp l a t f o r mi nl o n g i t u d i n a lp a t h大连理工大学硕士研究生学位论文2 1 2 横向运动路径及结构设计图2 8 纵向、横向运动组合图f i 9 2 8 c o m b i n a t i o n0 f i 舢g i t i l d i n a la n d t r a n s v e r s em o t i o n图2 8 为在满足纵向运动要求的基础上，增添了横向放置的移动平台，具备了这样的结构形式，横向移动平台即可在电机减速器的驱动下在纵向运动平台上表面提供的横向导轨中做横向的往复移动。2 1 3 垂向运动路径及结构设计圈2 9 垂向运动与横向运动平台的组合飚2 9c o m b i n a t i o no fv e r t i c a la n dt m u s v e r s em o t i o n在图2 9 中可以明显地看到：在控制船模垂向位移和速度( 加速度) 的a w d 直线1 l船模强制运动装置可行性方案分析与设计移动平台的背面根据横向运动平台前表面上提供的凸台尺寸加工出的两条矩形梁，利用这样的结构特点将a w l ) 直线移动平台固定在横向运动平台上，这样垂向布置的a w d直线运动平台就可以在横向平台的带动下做横向往复运动，也可以同时与纵向运动模式做任意组合。图2 1 0a w l 3 直线定位平台零部件的分解及装配f i g2 1 0d i s a s s e m b l ya a da s s e m b l yo f a w dl i n e a rp l a t f o r m船模的垂向往复运动由图2 1 0 中所示的a w d 直线移动平台来控制实现，该平台由电机提供转矩，将电机减速器输出的转矩经丝杠传动，转变成机构上可移动平台部分的直线往复运动。图2 1 1 纵向，横向及垂向运动模式组合装配图f i 9 2 1 1 a s s e m b l y o f c o m b i n a t i o n m o t i o n i n l o n g i t u d i n a l ，t r a n s v e r s ea n d v e r t i c a l d i r e c t i o n大连理工大学硕士研究生学位论文2 2 执行机构与船模的连接形式设计强制运动装置与船模的连接采用图2 1 2 所示的结构形式：图2 。1 2 连接过程分解图f i g2 1 2o m n c c t j n gp w c 8 sb e t w e e nm e c h a n i s ma n ds u pm o d e l机构通过垂向布置的a w d 直线运动平台中可移动部分下端的附加支杆与船模相连接并施加拘束力( 坚杆与平台，以及坚杆与船模的连接处均采用图2 1 2 所示的连接形式) 。图2 1 3 纵摇升沉时的连接形态f i g2 1 3c c 帅c “o ni np i t c ho fh e a v em o t i o n1 3图2 1 4 横摇、横荡时的连接形态瑰2 1 4c o n n e c t i o ni nr o l lo rs w a ym o t o n船模强制运动装置可行性方案分析与设计图2 1 5 首摇( 斜航) 、横荡时的连接形态f i 9 2 1 5 c o n n e c t i o n i n y a w o r s w a y m o t i o n图2 1 6 首摇( 斜航) 、横摇时的连接形态r i 9 2 1 6 c o n e e c l i o n j n y a w o f r o l l m o t i o n图2 1 3 2 1 6 分别呈现了强制纵摇、升沉、横摇，横荡、首摇( 斜航) 试验状态下，试验装置与船模的连接形式。从图中可以明显地看出，当强制运动装置对船模施加水平或垂向作用力时，坚杆与船模之问的连接轴，以及相应的孔应布置在与目标位移平面相平行的平面内，并且方向与目标速度或位移方向接近垂直。此外，加工制造时应在连接轴与坚杆接触，以及连接轴穿过船模连接孔处留有适当的环形间隙，并在轴上涂抹足够的润滑脂，这样的结构作用在于：当强制运动装置对船模施加横向、垂向 纵向) 作用力时，即使船模表面与坚杆之间的角度发生较大幅度的变化连接轴也可以在坚杆底端连接孔内自由转动，最大程度地减小坚杆可能受到的剪切力作用，印无论角度发生怎样的变化，均可以认为坚杆只承受延杆长度方向上的拉力或压力的作用；坚杆与a w d 直线移动平台底端也依据同样的原则，采取相同的结构连接形式。这样可以延长坚杆，甚至整个机械系统的使用寿命。图2 1 7 强制纵摇，升沉装配图f i 9 2 1 7 a s s e m b l y o f p i t c h o r h e a v e圈2 ，1 8 强制横摇、横荡、升沉装配图f i 9 2 1 8 a s s e m b l y o f r o l l ，s w a y o r h e a v e1 4大连理下大学硕士研究生学位论文图2 1 9 强制首摇( 斜航) 、横荡装配圈f i 9 2 1 9 a s s e m b l y o f y a w o r s w a y圈2 2 0 强制横摇，酋摇( 斜航) 装配图f i 9 2 2 0 a s s e m b l y o f r o l lo t y a w图2 1 7 所示的装配形式可用于强制船模做纵摇或升沉运动，两台伺服电机分别控制着两台a w d 直线运动平台，并且两平台的下端分别与船模的首尾部相连；通过控制平台上的两台控制电机，按照试验要求，按规定的转速和转向，同步或异步旋转时，平台内部的丝杠将圆周运动转化成底端坚杆的垂向往复运动，即而实现了船模的纵摇或升沉运动。根据同样的方法，通过调整船模与机构的相对位置，在横向控制电机与垂向控制屯机配合作用下，可以实现其它几种运动形式，装配图如图2 1 8 一1 2 2 0 所示。”2 3 本章小结本章从船模强制运动装置的功能出发，即满足船模在水中实现六自由度运动的要求，以a w d 直线运动平台为核心运动构件，描述了实现船模在水中延纵向、横向，以及垂向运动路径移动的机构形式的分析与设计，以及装置与船模连接形式的各种组合。大连理工大学硕士研究生学位论文3a w d 直线运动平台产品介绍及选型a w d 直线运动平台做为方案一中的核心运动构件，而且是市场上的加工成品，为此本章将对该产品的性能规格做较为详细的介绍，为后续确定具体的产品型号提供参考。图3 1 一维国产平台h圈3 2 平台导轨【4 lf i 9 3 1o n e d i m e n s i o n p l a t f o r m m a d e i n c h i n ar 9 3 2 0 r b i t o f p l a t f o r m3 1a w l ) 直线定位平台分类3 1 1 精密型平台1 精密型平台特点_ 一、多种平台宽度可供选择，可适用于各种场合；- 二、材质采用航空硬制铝，具有最高的承载、质量和刚性比一三、整套进口。采用德国高精度导轨、丝杠；四、高水平的加工、装配工艺，并附加出厂校验流程；一五、最长1 8 0 0 毫米超大行程、丝杠多种直径和螺距选择。2 产品规格1 ) r d 0 5 8 r 7 d1 7船模强制运动装置可行性方案分析与设计图3 3a w d 0 5 8 r t d 型平台规格参数 4 】f i g3 3s p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f a w d 0 5 8 r 7 dp l a t f o r m2 ) a w d 0 7 6 r 9 d图3 4a w d 0 7 6 r 9 d 型平台规格参数【4 1f 喀3 4s p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f a w d 0 7 6 r 9 dp l a t f o r m图3 5a w d 0 9 8 r 1 2 d 型平台规格参数f i g3 5s p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f a w d 0 9 8 r 1 2 dp l a t f o r m1 8大连理工大学硕士研究生学位论文4 ) a w d l l 0 r 1 2 d 与a w d l l 0 r 1 5 d图3 6a w d l l 0 r 1 2 d 及a w d i i o r i s d 型平台规格参数f i 9 3 6 s p e c i f i c a t i o n sa n d p a r a m e l e | s o f a w d l l 0 r 1 2 da n d a w d i i o r i s d p i a t f o r m s5 ) a w d l 3 6 r 2 2 d 与a w d l 3 6 r 6 6 d图3 7 a w d l 3 6 p - , 2 2 d 及a w d l 3 6 r f ；6 d 型平台规格参数1 4 jf i g3 7s p e c i f i c a t l o n sa n dp a m e l e r so f a w d l 3 6 r 2 2 d 孤da w d l 3 6 r 6 6 dp l a t f o r m s3 1 2 经济型平台1 经济型平台的特点一、采用铝合金材质，表面阳极氧化工艺处理；- 二、精度适中，质量价格比高；一三、采用台湾高精度方形滚珠导轨、滚珠丝杠；_ 四、结构简捷、耐用，安装使用简便。2 产品规格船模强制运动装置可行性方案分析与设计1 ) a w d l 0 0 e 1 2 d2 ) a w d l 2 0 e 1 5 ds3 ) a w d l 2 0 e 1 5 dp图3 , 8a w d l 0 0 e 1 2 d 及a w d l 2 0 e 1 5 d 型平台规格参数【4 1f i 9 3 8 s l e i t i c a t i o n s a n d p a r a n l e r s o f a w d l 0 0 e 1 2 dg a d a w i ) 1 2 0 e 1 5 d p i a t f o r m s3 2 平台的基本组成1 、底座2 、台面3 、导轨、丝杠- 4 、轴承加大连理工大学硕士研究生学位论文一5 、轴承安装支架一6 、转接法兰3 3a w d 平台的可选附件- 1 、防尘罩( 金属、风琴式)一2 、零点、限位3 、联轴器4 、光栅尺3 4 a w d 平台的重要指标( 选型必备)_ l 、定位精度( 绝对精度) 、重复定位精度、速率精度、分辨率；2 、承载能力、动负荷、静负荷；3 、运动速度；4 、行程；5 、螺距：6 、直线度、平面度；_ 7 、外形尺寸、安装空间。3 5a w d 平台的应用行业a w l ) 直线定位平台因其较高的质量和工作性能，现已在很多行业进行了广泛的应用，并得到了良好的反馈，这些行业和领域包括：1 光学2 检攫l3 医疗4 半导体5 输送5 视觉系统6 军工【4 】船模强制运动装置可行性方案分析与设计图3 9x - y - z 型运动平台【4 1f i g3 9x - y - zm o t i o np l a g o r m上图为具有垂向、横向，以及纵向运动路径的a w d 运动平台的实物照片。3 6 本章小结本章对方案一中的核心运动构件a w d 直线运动平台进行了较为详细的产品规格参数说明，并分别对精密型平台与经济型平台的特点做了阐述，对后续阶段为装置设备做详细设计、生产加工设计，以及经济论证具有较强的参考意义。大连理工大学硕士研究生学位论文4 以曲柄滑块机构为核心运动构件的船模强制运动装置方案分析与设计( 方案二)4 1 益柄滑块机构运动稳定性分祈方案中运动机构的选择，应确保机构具有运动稳定、无急回等特性，以防止在运动过程中发生运动特性不确定，以及发生急回而产生较大的惯性力作用，这些情况都可能对系统及人员产生不确定的威胁与损害。因此，在进行构件布置，以及运动路径设计之前，有必要针对方案二中选取的主要运动机构曲柄滑块机构做简要的运动特点及稳定性分析。图4 1 曲柄滑块机构简图嗍f i 9 4 1s k e t c h o f c r a n k - s 邱b l o c k f r a m e w o r k首先从机构的运动稳定性上对曲柄滑块机构进行数学分析，确定图4 1 所示曲柄滑块机构的速度矩阵是否为奇异型( s i n g u l a r c o n f i g u r a t i o n s ) ，进而得知机构运动性是否确定。在完整约束系统中可以用下列形式表示其显约束方程： ( 吼，口，j 9 ) 一0 f 一1 ，乏一j ( 2 1 )此处- 2 l + 只，根据式f - m 一2 一只，式中，为独立的闭合链数，只为高副数目。对于一般机构，自由度f 可写成f t m n( 2 2 )船模强制运动装置可行性方案分析与设计将( 2 1 ) 式对时间微分，得摇扣妒j 乜令一级坐标数为f ，用( q 1 ，日2 7 j 鲂) 代表；第二级坐标数为，用( 萌，仍? _ ) 表示，于是方程式( 2 3 ) 成为黯；，+ 箍交- o ，分j q 4 或用矩阵形式写成a q ，- b q( 2 5 )州i k 】。褂占l b 】i 一斟娜鲥撇蹴一，有解时行列式d e “_ o ，若d e t a 一0 ，矩阵4 称为奇异矩阵，式( 2 5 ) 无解。机构速度矩阵d e h - 0 时称为奇异型或奇异形位，此时机构运动不确定。若曲柄为主动构件，则一级坐标为昵，二级坐标为吧，s ，约束方程组为仨茹嚣嚣二小n - - a 2 $ 1 1 1 妒2 9 0 s 中2 。1 0 】i q s i n 竹+ 2 s i l l 仍- o“l 口2i大连理工大学硕士研究生学位论文a - 如d图4 2 嘲h 9 4 , 2着机构处于曲柄与连杆共线位置如上图所示，则吼- 仍一0 ，此时d e h _ 0 ，机构并不属于奇异型，因此得出的结论为：从数学分析的角度来看鳆柄滑块机构具有稳定的运动特性，可以做为方案中船模强制运动装置的主要运动构件。如果主动件为滑块，则一级坐标为s ，二级坐标为砚及讫，扣l 嚣“a 2 嚣li4 l c o s 吼s 吼i则当张一仍一0 时，d e 纠一0 ，此时机构属于奇异形位，此种情况下机构运动不稳定 5 1 。4 ，2 曲柄滑块机构运动特性的模拟考虑列现有机架形式，以及空间大小等外界环境因素的影响，方案选择偏置式曲柄滑块机构做为船模运动的主要驱动机构，为确定控制与船模接触的两支杆的滑块在垂直或水平方向上的运动特性，现假设下面机构图中曲柄长度r = 2 5 0 m m 。连抒l = 1 0 0 0 m m ，偏置距离e 巧0 m m ，主动构件曲柄与水平方向的夹角为口，角速度。，= 1 ，角加速度e 。= o 。趴少i ，：l一图4 3 偏置式曲柄滑块机构嗍f i g4 3c r a n k - s f i pb 1 0 c kf r m e w o aw i t ho f f t船模强制运动装置可行性方案分析与设计令；a ；旦k ；则滑块的位移、速度、加速度与曲柄转角之间的关系表达式分别为： ，陪扣) 峨1 触 叫”一r q ( 血吼+ 丢肌血2 0 + 膳伽q )口。一一r ；( o o s 岛+ a c o s 2 b 一斌s i n 0 1 )下面使用m a t l a b 软件对滑块c 的运动特性进行模拟，摆动幅度即曲柄半径分别取0 5 m m 、1 0 r a m 、2 0 m m 、5 0 m m 、1 0 0 r a m 、1 5 0 r a m 和2 0 0 r a m ，如图4 4 _ - 4 6 所示。图4 4 曲柄转角滑块位移关系曲线f i g4 4c u i v eo fr e l a t i o nb e t w e e nc r a n ka n g l ea n ds l i pb l o c kd i s p l a c e m e n tti*t2，大勰工大学硕士研究生学位论文图4 5 曲柄转角滑块速度关系曲线f i 9 4 5 c u r v e o f r e l a t i o n b e t w e e n c r a n k a n g l ea n d s a p b l o c k v e l o c i t ya 晴d n d 图4 6 曲柄转角滑块加速度关系曲线f i g4 6c u r v eo fr e l a t i o nb e t w e e nc r a n ka n g l ea n ds l i pb l o c ka c c e l e r a t i o n从图4 4 - - 4 6 中可以看出，在此机构中，滑块延滑轨的位移、速度、加速度都具有严格的对称性，并且在拐点处过渡圆滑，即可认为在整个运动周期不存在急回现象。说明该机构的运动平稳，滑块在运动的过程中不受到或受到较小的惯性力作用( 由于惯性载荷会对机构造成损害，因此在设计中应尽量避免或减小) 。4 3 执行机构运动路径及结构设计船模强制运动装置可行性方案分析与设计图4 7 ) 【- y _ z 运动路径设计图f i g4 7p l a no f x - y - zp a t h s此方案采用与方案一同样的运动模式，如图4 7 所示，即要求船模强制运动装置可以提供横向、纵向，以及垂向的运动路径，不同之处在于横向，以及垂向的运动是靠曲柄滑块机构做为执行机械来实现的，下面将从纵向、横向、垂向运动路径，以及连接方式几个方面加以详细说明。4 3 1 纵向运动路径及结构设计图4 , 8 纵向运动构架图4 9 纵向轨道设计图f i 9 4 8 f r a m e w o r k o f l o n g i t u d i n a l m o t i o nf i g , * 9 p l a n o f l o n g i t u d i n a l o r b i t大连理工大学硕士研究生学位论文纵向结构的设计是在原有红色支架的两侧用螺栓固定纵向布置的平行导轨，如上图所示，使得横向放置的横向导轨可以根据试验要求，以及船模的放置情况，在纵向轨道内自由滑动( 可以由丝杠传动或手动调节来完成) 。4 3 2 横向运动路径及结构设计图4 1 0 纵向与横向运动组合f i g4 1 0c o m b i a a t i o ao f l o n g i t u d i n a la n dt r a m v e r s em o t i o n船模的横向运动由镶嵌在横向轨道槽内的“工”形滑块来带动，滑块做为图4 1 0 中动力系统的运动输出构件，将圆盘的回转运动转换成直线往复运动，其往复运动幅度可以通过调整从动转盘与主动转盘之间的偏心距来实现，并由电机配合减速器提供适当的输出转矩。船模强制运动装置可行性方案分析与设计图4 1 1 横向运动系统构件设计示意图f i g4 1 1p l a no f t r a n s v e r a eo r b i t将横向运动系统中横向导轨、“l ”形滑块、连杆、从动轮，以及主动轮的三维模型图转换成工程图纸，做为后期加工设计的参考，如图4 1 1 所示。4 3 3 垂向运动路径及结构设计大连理工大学硕士研究生学位论文图4 1 2 垂向运动构架爆炸视图f 恁4 1 2d i s a s s e m b l yp l a no fv e r t i c a lm o v i