三自由度微型飞行器模拟转台的设计【4张CAD图纸+毕业论文】【答辩通过】

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摘要：在微型飞行器的研制过程中，飞行仿真实验是必不可少的，飞行仿真实验主要分为测试飞机动力性能的风洞实验和测试飞机动态控制性能。三轴摇摆台是半实物仿真实验系统中的一个关键设备。

本文设计开发了一种用于微型飞行器半实物仿真实验的多功能飞行模拟转台，转台可作为低速扎的三轴摇摆台，也可以作为高速旋转的一维旋转台使用，转台通过三个独立的轴系来实现所需模拟的三个转角。通过计算机控制系统控制整个转台的转动。设计中采用了齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、软轴机构来模拟其三个运动。

本产品的主要功能是在控制系统的作用下，能精确做如下运动：手动步进，手动步退，自动步进，自动步退。所设计的模拟转台具有结构紧凑、操作方便、可控性较好、功能也较强大等优点。

关键字：飞行模拟转台     仿真实验     微型飞行器     摇摆台

A Small Flight Simulator with three-axes

Abstract: In miniature aircraft research and manufacture process, flying imitate experiment is essential , flying  imitate experiment primarily includes experiment for check the airplane motive function and check airplane dynamic control fuction.

A semi-substance simulation test system is developed for the text and experiment of micro sensors and micro measuring units used in micro aerial vehicles. The simulator is designed with double functions. The bottom mechanism provides yawing angular motions. The middle mechanism provides pitching angular motion. And the top mechanism provides rolling angular motion. When the bottom mechanism is used individually, the system works as a rotating table. The mechanical system is constructed with three independent axes to fulfill the corresponding three angular motions. It adopted  gear organization, worm, soft stalk organization to imitate three movement in the design.

The main function of this product is under the  control system, can do movement accurately as follows :step forward as hand control, step backward as hand control, step forward automatically, step backward automatically.   The designing turns have advantages such as constructed tightly ,can be  manipulated conveniently, is well controled , and have powerful fuction etc.

Key words: Flight simulator       Semi-substance simulator

目 录

1  前言………………………………………………………………………………….............. ( 1)

 1.1 模拟转台的简介........................................................................................ ( 1)

1.2 研究概况及发展趋势.......................................................................... .( 2)

1.3 研究内容……………………………………………………………………………... .( 2)

2  转台机械系统方案的选择价…………………………………………………... ( 3)

2.1 控制台的功能分析………………………………………………………... ( 3)

2.2 方案的选择和评价……………………………………………………………................ ( 3)

3  原理设计及评价………………………………………………………............ (13)

3.1 原理一……………………………………………………………......................(13)

3.2 原理二……………………………………………………………......................(15)

3.3 原理三……………………………………………………………......................(17)

3.4 总述方案……………………………………………………………..................(18)

3.5 方案二的介绍……………………………………………………………...........(19)

4  齿轮机构设计……………………………………………………………..........(21)

4.1 失效形式…………………………………………………………....................(21)

4.2 设计准则……………………………………………………………...................(22)

4.3 齿轮设计……………………………………………………………...................(23)

5  蜗杆蜗轮设计…………………………………………………………..........(28)

5.1 蜗杆传动简介…………………………………………………………........... (28)

5.2 蜗杆传动的失效形式…………………………………………………….....(29)

5.3 蜗杆传动的材料选择……………………………………………….......... .(29)

5.4 蜗杆计算…………………………………………………………….................(30)

6  软轴设计与计算………………………………………………………........ .(34)

6.1 钢丝软轴的简介…………………………………………………………....(34)

6.2 钢丝软轴的选择与算…………………………………………………...... (36)

7  软轴的校核…………………………………………………………................(37)

7.1 按扭矩强度校核……………………………………………………….....(37)

7.2 按弯扭合成强度条核…………………………………………………...(37)

8  总结……………………………………………………..........................................(39)

参考文献………………………………………………………………...................... (41)

致谢……………………………………………………………………………………………  (42)

1    前  言

§1.1模拟转台的简介

微型飞行器（Micro Aerial Vehicles 或Micro Air Vehicles,简称MAVs）的概念最初是美国科学家布鲁诺 •W•奥根斯坦在1992年美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency简称DARPA）主持的一次未来军事会议上提出的。现代的微型飞行器具有尺寸小、重量轻、隐身性能好、自主飞行，实时传输图象等突出优点，因而在军事、消防、交通等领域有独特的应用。

随着社会的发展，工业水平的提高，逐步的由大型化转向小型化，转化成微型化。在此发展的过程中，机械制造技术的水平与制造业也得到了有个较快的发展，它反映的是一个国家的经济实力和科学技术水平。新技术的推广和应用，使得新产品的不断涌现，与原有的事物相比，其体积是越来越小。机械工业历来都是发达国家的重要支柱产业，是一个国家的工业基础。从70年代开始，由于各国政府重视和发展高新技术，特别是微电子技术，微机技术的引入，使传统的机械工业在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，使其焕发了新的生命，形成了一个崭新的现代机械工业。

一个国家需安全、稳定，其国防技术就不能落后于其它国家。目前，各国在国防建设的投入是越来越多，逐年增加，为的就是研制出新的产品，使自己有优越于其他国家。现代军队的装备越来越重视其轻型化、技术化、现代化等。如：微型冲锋枪、微型机器人等。飞机在现代战争是必不可少的，其发展趋势也是向无人驾驶，微型化发展。

在微型飞行器的研制过程中，飞行仿真实验是必不可少的重要步骤。飞行仿真实验主要分为测试飞机飞行动力学性能的风洞实验和测试飞机动态控制性能以及各种机载传感器性能的地面半实物飞行仿真实验。只有通过仿真实验，获取足够多的飞行器性能数据，确证飞行器的外形设计符合动力学要求，控制系统具有足够的稳定性以及各种机载稳定性以及各种机载仪器能够在模拟工作环境中正常工作，才能进行飞行器的试飞工作。

三轴摇摆台是半实物飞行仿真实验系统中的一个关键设备。它可以按照实验要求，提供飞行器飞行时的航向角、俯仰角、横滚角以及飞行扰动，实时模拟飞行器在空气飞行的姿态。通过模拟飞行器的飞行姿态，测试飞行器控制系统能否在飞行器受到外界扰动时控制飞行器调整到安全飞行姿态。同时，还可以测试飞行器携带的机载传感器在模拟飞行条件下的工作状况。

§1.2 研究概况及发展趋势

目前，在微型飞行器模拟实验转台的研究开发方面，多采用齿轮传动，用步进电机驱动。一般是三轴飞行模拟转台，实验时能提供飞行器飞行时的航向角（偏转角）、俯仰角、横滚角（滚转角），即只有三个自由度。这种三轴飞行模拟转台，并不能完全模拟飞行器在空中的姿态。它采用三层转台提供三个方向的转动。在实际使用时，由三个独立的电机驱动。下层转台模拟飞行时的航向角，中层转台模拟飞行时的俯仰角，上层转台模拟飞行时的横滚角。

飞行器在空中飞行时，有六自由度，所以在风洞实验时，模拟转台的发展趋势是具有五个或六个自由度，要能真实的模拟飞行器在空中受到的各种力以及影响，并且使其智能化，即由计算机控制，以增加模拟的准确性。

§1.3 研究内容

1．搜集毕业设计相关资料，包括参考图纸、技术论文及外文资料。

2．对相关类型的模拟转台进行分析比较，并确定出新的传动方案，绘制出相应传动系统图。

3．绘制结构图，包括展开图和剖截图，并进行相关设计的计算。

4．综合计算结果及图，进行合理性检验。

5．确定方案并进性设计记录的修改、整理。

6．绘制总装配图。

7．确定驱动方式，并确定驱动动力来源。

8．撰写技术论文及设计说明书。

9．翻译外文资料。

2 转台机械系统方案的选择及评价

§2.1  控制台的功能分析：

微型飞行器模拟转台的有效载荷重量为300—500克，有效载荷空间为Φ150mm，能够模拟微型飞行器飞行时的偏转、俯仰、滚转，以及飞行扰动，实时模拟微型飞行器在空中的姿态。通过模拟飞行器的飞行姿态，测试飞行器控制系统能否在飞行器受到外界扰动时控制飞行器调整到安全飞行姿态。同时还可以测试飞行器携带的机载传感器在模拟飞行条件下的工作状况。

由于在微型飞行器模拟实验时，模拟转台要根据飞行器在空中飞行的实际情况进行模拟，所以，在传动方面要比较精确。设计要求中，模拟转台具有三个自由度。要实现三个自由度大致把它分为三个转台（上、中、下）实现，控制飞行器的偏转、俯仰、滚转。由于转动精度要较高，转动的角位移分辨率要低，连续转动速度范围要较大，运动角度范围要符合设计要求。所以要求转动的三轴必须共点，同时要求中层转台和上层转台有较高的同轴度、等高度。对要求转动的在以各种速度转动的过程中，转台运动要平稳，过渡过程要较迅速。直线运动的速度范围要较大，运动要平稳。直线运动与转动过渡过程要迅速、平稳。