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机械毕业设计全套
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JX02-168@水洞两自由度转动机构设计,机械毕业设计全套
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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nts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己该学点什么，后来就醒悟，只要每天踏踏实实认认真真的，或多或少总会学到点东西，不管是技术，还是为人处世，这些都挺重要的。希望，前方的路更挫折些，让我去经历， 去学习， 去发现。 nts机械工程学院毕业设计（论文）开题报告 学 生 姓 名： 陈森海 学号： 100007103 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： 用于教学水洞的两自由度转动机构总体设计 指 导 老 师： 李鹭扬 2014年 4 月 1 日 nts毕业设计（论文）开题报告 1、结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 1.1 研究的意义 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。水洞作为流态显示的一种设备己日益受到航空 !航天界的注视 ,早在 1883 年雷诺就曾在水管中进行了层流转变为湍流的流态显示实验 ,迄今己经发展和完善了许多种类流态显示设备和技术因研究对象的不同 ,水洞作为一种水动力学实验和研究设备 ,因水流可以进行有效控制 ,利用水洞可以较好的显示流场的流动 ,由于在水洞中水流可以以较 低的流速稳定运行 ,低雷诺 (Reynolds)数试验在水洞中也相对较容易实现 ,利用水洞能方便地得到前缘涡的产生与破碎 !细长体大攻角气动力不对称性与其涡系的关系 !喷流和边界层结构以及尾流等现象 水洞良好的流场品质和方便的实时控制对湍流边界层试验有很重要意义此外，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 . 1.2 研究现状 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 8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； nts 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 天平 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。在日本 ,1993 年 10 月 ,日本运输省船舶技术研究所由三井造船施工建成了世界首座“变动风水洞”设施 ,该实验验设施在回流型风洞的测量部下有宽 3m,深 l.5m、长 15m 的水池 ,舟公舶和海洋结构物模型可在水池中进行实验 ,将盖盗 :在水池上面 ,也可单独作为风洞使用。它的最大特点是 ,水池中能发生风、波、潮流 ,可以在风、波、潮流中进行实验。 国内发展情况：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。 很多专家和学者也根据相似性原理 ,利用水洞进行了大量的模型实验 ,如李福新等通过高速水洞对回转体空化噪声声功率谱的谱特性进行了分析 ,验证了回转体流噪声相似律理论【 16】 ,并在该基础上对回转体头体模型的空化噪声特性进一步深入研究【 17】虞心田等用氢气泡显示流场 ,在重力式循环水洞中进行了振动二元机翼流动的研究 ,得出机械激励对大攻角失速分离流动的控制作用【 18】 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。 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 Dynamics 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 nts10 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. 6573 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 170175 12Van 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 14Richardson,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 57 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 nts 毕业设计（论文）开题报告 2、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： nts为了 测量水流的大小和测力情况 。 需设计一个两自由度的机构。由于多自由度电机自身的特点 ,各自由度之间除了存在电磁耦合 之外还存在着十分复杂的力学 耦合 关系 ,这是多自由度电机难以控制的重要原因之一 ,因此必须根据电机的具体结构 ,建立准确的力学模型 ,深入分析各自由度之间的 耦合 关系 ,研究力学解藕控制策略 ,以提高电机的动静态性能及稳定性。这里所设计的两自由度步进电机由于具有两套相对独立的定转子 ,因此从控制角度看可以看作两个独立的两相混合 式步进电机 ,它符合一般两相混合式步进电机的控制规律。因此其驱动电源的设计显得相对简单一些 ,可以直接采用两个两相步进电机的驱动电源分别驱动两套相对独立的系统 ,通过二者的运动合成来实现两个自由度的运动。 同时还要求机构结构紧凑 ,质量较小 . 毕业设计（论文）开题报告 指导教师意见 ： nts1、对“文献综述”的评语： 2、对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果 的预测： 指导老师： 年 月 日 所在专业 审查意见： 负责人： 年 月 日 nts 1 水洞两自由度转动机构设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 30 日 nts 2 摘要 水洞像风洞一样，是流体力学基本研究的主要工具。在水洞中可以研究如流动与实验物体之间的作用力，边界层现象 ,湍流，特别是气浊水弹性现象和自由液面现象。 本文 水洞实验运动平台的实验要求，对 试验装置的俯仰和偏转的两自由度运动机构进行设计和分析。 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。 nts 3 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. nts 4 摘要 目录 Abstract . 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景及意义 . 错误 !未定义书签。 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 . 6 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 . 错误 !未定义书签。 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 . 错误 !未定义书签。 5.1 电机的简述 . 错误 !未定义书签。 5.2 电机的选择 . 错误 !未定义书签。 nts 5 5.3 本章小结 . 27 总结 . 29 参考文献 . 31 致 谢 . 32 nts 1 第一章 绪论 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 图 1-1 非循环重力式水洞示意图 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nts 2 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。 1.1.1 研究现状 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； nts 3 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nts 4 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nts 5 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。 nts 6 第二章 两（少）自由度运动机构的基础理论研究 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nts 7 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。 nts 8 第三章 两自由度运动机构的结构方案设计对比和分析 3.1 两自由度水洞试验设计方案机构原理 该机构用于教学水洞，教学水洞的最大水流速为 3m/s,要求机构实现模型在水洞中的俯仰和偏航的两自由度转动。由于转动的角度较大，一般采用串联机构结构。该机构装配在水 洞上盖处，要求防水、轻质和运动可靠。运用齿轮和螺杆来实现俯仰和偏航的两自由度转动 3.2 两自由度水洞试验设计方案机构原理对比图 下面是两个方案设计图 方案 1 图 3-1 所示为齿轮传动的水洞两自由度转动机构 1:电机 2:搭板 3:齿轮 4：大板 5：轴 6：俯仰零件 7：连杆 8：电机 nts 9 9：机架 10：轴承 11 蜗轮蜗杆 方案 2 图 3-2 所示为蜗轮蜗杆传动的水洞两自由度转动机构 对比两种方案 蜗轮蜗杆的优缺点：优点，有比较大的传动比，非常紧凑的结构，能够平稳的传动，噪声也非常小 ，其自身能够使用自锁性能。 缺点，传动摩擦损失比较大，效率也很低，成本比较大 齿轮传动的优缺点：优点是使用的圆周速度和功率范围广，效率较高，传动比稳定，寿命长，工作可靠性高，可实现平行轴，任意角交错轴之间传动 缺点，要求较高的制造和安装精度，不适宜远距离两轴之间传动 综上所述，齿轮传动的方案比较适合。 nts 10 3.3 强度校核 本设计的两自由度运动机构中，所涉及到的强度校核和受力分析较少，只需要对几处连接处进行强度校核和受力分析即可。 图 3-3 所示为空心杆的校核位置 nts 11 图 3-4 所示为搭板的校核位置 大板和空 心管，搭板和电机等都是通过螺栓连接的，选择拧紧螺栓使连接在承受工作载荷之前预先受到预紧力作用。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件出现缝隙或发生相对位移。经验也证明适当选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性以及连接件的疲劳强度都是有利的。通常规定，拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限s的 80%。对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力0F，按下列关系确定： 碳素钢螺栓 1s0 A7.06.0F ）（合金钢螺栓 1s0 A6.05.0F ）（ 3-1） 式中：s 螺栓材料的屈服极限 1A 螺栓危险截面的面积， 4/dA 211 在承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接下，螺栓的总拉力 FCC CFF mb b02 （ 3-2） nts 12 上式中mbbCC C称为螺栓的相对刚度，则螺栓危 险截面的拉伸强度条件为 21 F3.14d （ 3-3） 查相关资料，选择螺栓的材料为 35#钢，屈服强度 MPa315s 和抗拉强度MPa530 ，在末端 15kg 载荷下： N6.14834dM P a3156.0A6.0F21s0 mm52.3F3.14d 21 mm52.3d 1 。所选择的 M6， M10 螺栓符合强度要求。 nts 13 第四章 两自由度运动机构的三维造型及结构分析 4.1 三维造型软件 SolidWorks 简介 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 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。 SolidWorks系统有以下特点： 1.Solidworks是一个基于造型的三维机械设计软件，它的基本设计思路：实体造型 -虚拟装配 -二维 图样。通过零件三维造型可以画出 3D效果的零件图，并可以用这些 3D零件生成二维的工程图和三维的装配体。 2.SolidWorks是通过给点尺寸来驱动的。改变尺寸就可以改变零件的大小和形状。 3.SolidWorks模型包括零件、装配及工程图等。零件、装配和工程图是一个模型的不同表现形式，对其中任意一个的改动都会使其它两个自动跟着改变。 4.SolidWorks可以利用特征造型来建立零件的模型。用来生成零件的特征包括形状特征（圆角、倒角、孔等）和操作特征（拉伸、扫描、旋转、放样等）。 nts 14 4.1.1 启动 SolidWorks 和界面简介 安装 SolidWorks 后，在 Windows 的操作环境下，选择【开始】【程序】【 SolidWorks 2006】 【 SolidWorks 2006】命令，或者在桌面双击 SolidWorks 2006 的快捷方式图标 ，就可以启动 SolidWorks 2006，也可以直接双击打开已经做好的 SolidWorks 文件，启动 SolidWorks 2006。图 4-1 是 SolidWorks 2006启动后的界面。 图 4-1 SolidWorks 界面 这个界面只是显示几个下拉菜单和标准 工具栏，选择下拉菜单【文件】【新建】命令，或单击标准工具栏中按钮 ，出现“新建 SolidWorks 文件”对话框，如图 4-2 所示。 nts 15 图 4-2 “新建 SolidWorks 文件”对话框 这里提供了类文件模板，每类模板有零件、装配体和工程图三种文件类型，可以根据自己的需要选择一种类型进行操作。这里先选择零件，单击【确定】按钮，则出现图 4-3 所示的新建 SolidWorks 零件界面。 图 4-3 新建 SolidWorks 零件界面 nts 16 这里有下拉菜单和工具栏，整个界面分成两个区域 ，一个是控制区，另一个是图形区。在控制区有三个管理器，分别是特征设计树、属性管理器和组态管理器，可以进行编辑。在图形区显示造型，进行选择对象和绘制图形。特别是下拉菜单几乎包括了 SolidWorks 2006 所有的命令，如果在常用工具栏没有显示的不常用的命令，可以在菜单里找到；常用工具栏的命令按钮，可以自己根据实际使用的情况自己确定，后面将介绍工具按钮的设置。 其中图形区的视图选择按钮，是 SolidWorks 2006 新增功能，单击倒三角按钮，可以选择不同的视图显示方式，如图 4-4 所示。 若在图 4-3 中单击下 拉菜单【文件】【打开】命令，或单击标准工具栏中按钮 ，出现“打开”文件对话框，如图 4-5 所示。其中具体操作就是 Windows界面的操作，相信大家自己应该会做的。 图 4-4 视图选择按钮 图 4-5 “打开”文件对话框 然后单击【文件】【保存】命令，或单击标准工具栏中按钮 ，出现“另存为”对话框，如图 4-6 所示。这时，读者就可以选择自己保存文件的类型进行保存。如果想把文件换成其他类型，只需单击【文件】【另存为】命令，在 出现的“另存为”对话框中选择新的文件类型进行保存。 nts 17 图 4-6 “另存为”对话框 4.1.2快捷键和快捷菜单 使用快捷键和快捷菜单及其鼠标是提高作图速度及其准确的重要方式，在Windows 操作里面有很多使用它们的，这里主要介绍 SolidWorks 快捷命令的使用和鼠标的特殊用法，简单介绍如下： （ 1）快捷键 快捷键的使用和 Windows 的快捷格式基本上一样，用 Ctrl+字母，就可以进行快捷操作，这里就不详细介绍了。 （ 2）快捷菜单 在没有执行命令时，常用快捷菜单有四种：一个是图形区的， 一个是零件特征表面的，一个是特征设计树里面单击其中一个特征，还有就是工具栏里面的，单击右键后就出现如图 4-7 所示快捷菜单。在有命令执行时，单击不同的位置，也会出现不同的快捷菜单，这里就不一一介绍了，读者可以自己在实践中慢慢体会。 零件特征表面 特征设计树 图形区 工具栏 图 4-7 快捷菜单 （ 3）鼠标按键功能 左键：可以选择功能选项或者操作对象。 nts 18 右键：显示快捷菜单。 中键：只能在图形区使用，一般用于旋转、平移和缩放。在零件图和装配体的环境下 ，按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现旋转；在零件图和装配体的环境下，先按住 Ctrl 键，然后按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现平移；在工程图的环境下，按住鼠标的中键，就可以实现平移；先按住 Shift 键，然后按住鼠标中键移动鼠标就可以实现缩放，如果是带滚轮的鼠标，直接转动滚轮就可以实现缩放。 4.1.3模块简介 在 SolidWorks 软件里有零件建模、装配体、工程图等基本模块，因为SolidWorks 软件是一套基于特征的、参数化的三维设计软件，符合工程设计思维，并可以与 CAMWorks 及 DesignWork 等模块构成一套设计与制造结合的CAD/CAM/CAE 系统，使用它可以提高设计精度和设计效率；可以用插件的形式加进其他专业模块（如工业设计、模具设计、管路设计等）。 其特征是指可以用参数驱动的实体模型，是一个实体或者零件的具体构成之一，对应一形状，具有工程上的意义；因此这里的基于特征就是零件模型是由各种特征生成的，零件的设计其实就是各种特征的叠加。参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束，各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示，其变量可以是常数，也可以是代数式；若一个特征的变量参数发生变化， 则这个零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小将发生变化，与这个参数有关的内容都自动改变，用户不需要自己修改。 这里介绍一下零件建模、装配体、工程图等基本模块的特点。 （ 1）零件建模： SolidWorks 提供了基于特征的、参数化的实体建模功能，可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、放样等操作完成零件的建模。建模后的零件，可以生成零件的工程图，还可以插入装配体中形成装配关系，并且生成数控代码，直接进行零件加工。 （ 2）装配体：在 SolidWorks 中自上而下生成新零件时，要参考其 他零件并保持这种参数关系，在装配环境里，可以方便地设计和修改零部件。在自下而上的设计中，可利用已有的三维零件模型，将两个或者多个零件按照一定的约束关系进行组装，形成产品的虚拟装配，还可以进行运动分析、干涉检查等，因此可nts 19 以形成产品的真实效果图。 （ 3）工程图：利用零件及其装配实体模型，可以自动生成零件及装配的工程图，需要指定模型的投影方向或者剖切位置等，就可以得到需要的图形，且工程图是全相关的，当修改图纸的尺寸时，零件模型，各个视图、装配体都自动更新。 4.2 自由度运动机构的三维造型过程 4.2.1 用 SolidWorks 对各零部件进行造型 以简单的“空心柱”为例 （ 1）打开 SolidWorks 界面后，单击【文件】【新建】命令或者单击按钮，出现“新建 SolidWorks 文件”对话框，选择【零件】命令后单击【确定】按钮，出现一个新建文件的界面，首先单击【保存】按钮，将这个文件保存为“空心柱”。 （ 2）在控制区单击【前视基准面】，然后在草图绘制工具栏单击按钮 ，出现如图 4-8 所示的草图绘制界面；在图形区单击鼠标右键，取消选中快捷菜单的【显示网格线】复选框，在图形区就没有网格线了。在作图的过程中，由于实行参数化，对 于网格一般不应用，所以在以后的作图中，都去掉网格。 图 4-8 草图绘制界面 nts 20 （ 3） 单击绘制【圆】按钮 ，在图形区过原点绘制圆，然后再绘制圆。需要注意各条图线之间的几何关系。不需要具体确定尺寸，只需确定其形状即可，实际大小是在参数化的尺寸标注中确定的。 （ 4）单击工具栏【智能尺寸】按钮 ，标注尺寸，标注一条直线的长度，就单击这条直线，就会自动标注尺寸了，此时的尺寸不是所要求的尺寸，鼠标确定尺寸的位置，单击鼠标左键，就会出现【修改】对话框，在对话框中输入实际尺寸大小，单击按钮 或者按回车键即可；标注圆或者圆弧的 尺寸是一样的。标注结束后，图形如图 4-9 所示。 4-9 零件草图 （ 5）单击特征工具栏的【拉伸凸台、基体】按钮 后，在【属性管理器】中的【从（ F）】的【开始条件】选择【草图基准面】选项，【深度】栏输入 700mm后，单击按钮 ，即可出现图 4-10 所示图形。 nts 21 4-10 零件三维造型图 （ 6）点击【参考几何体】选择【基准面】后，单击【前视基准面】，即可出现图 4-11 所示图形。 4-11 零件基准面 （ 7）单击 【草 绘】后选择【基准面 2】，然后单击【圆形】按钮，同样不需要具体确定尺寸，只需确定其形状即可，实际大小是在参数化的尺寸标注中确定的。单击工具栏【智能尺寸】按钮 ，标注尺寸，在【修改】对话框，在对话框中输入实际尺寸大小，单击按钮 或者按回车键即可。标注结束后，图形如nts 22 图 4-12 所示。 4-12 零件草图 （ 8）单击特征工具栏的【拉伸凸台、基体】按钮 后，在【属性管理器】中的【从（ F）】的【开始条件】选择【草图基准面】选项，【深度】栏输入 20mm 后，单击按钮 ，即可出现图 4-13 所示图形。 4-13 零件三维造型 图 选中刚拉伸的凸台，重复前面的拉伸切除动作，即可出现如图所示的图形 nts 23 4-14 零件三维造型图 （ 9）单击【草图】后点击零件，单击绘制【圆】按钮 ，在【半径长度】中输入 9mm，单击按钮 ，共绘制 4 个圆，单击按钮 ；单击 工具栏【智能尺寸】按钮 ，修改数值。 单击按钮 即可出现图 4-15 所示图形。 4-15 零件草图 （ 10）单击特征工具栏的【拉伸切除】按钮后，在【属性管理器】中的【从nts 24 （ F）】的【开始条件】选择【草图基准面】选项，【深度】栏输入 10mm 后，单击按钮 ，即可出现图 4-16 所示图形。 4-16 零件三维造型图 （ 11）在与上面相同的位置画圆，过程与前面两个步骤相同最后得到的图形如 4-17 所示 图 4-17零件三维造型图 根据上面的过程，依次可以把电机，齿轮，空心轴和俯仰零件等所有三维零件造型画出来。 nts 25 4.2.2 用 SolidWorks 各零部件进行装配 打开 SolidWorks 界面后，单击【文件】【新建】命令或者单击按钮 ，出现“新建 SolidWorks 文件”对话框，选择【装配体】命令后单击【确定】按钮，出现一个新建文件的界面，首先单击【保存】按钮，将这个文件保存 为“弯刀机构装配”。 （ 1） 单击【配合】按钮 后，依次选中空心柱 ，俯仰零件，轴套，齿轮，电机等零件， 在配合特征里【重合】，即完成配合。 （ 2） 按照装配的要求逐步完成配合，即可完俯仰机构的装配。如图 4-18所示 图 4-18 所示为三维装配图 nts 26 第五章 电机的选择 5.1 电机的简述 电机（英文： Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母 M（旧标准用 D）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。 最常用的电动是步进电机和直流 刷式伺服电机。选择步进电机是因为它们可以在没有开环反馈传感器的系统中运行。步进电机是可靠性和成本效益高，常用于不需要急加速，高速转动和伺服电动机的位置准确性的机构。 刷式直流伺服电机可以达到更高的速度，并提供比步进电机平滑的低速操作与更精细的位置分辨率，但它们都需要一个或多个反馈传感器的封闭回路，这样了增加系统的成本和复杂性。 5.2 电机的选择 根据所处的课题背景和性能的分析，选择型号为 KBMS-25H04-A 的Kollmorgen 电机和 FAULHABER 4490H036B-K1300 电机 型号为 KBMS-25H04-A 的电机属于 Kollmorgen AKM 系列无刷伺服电机， AKM 无刷伺服电机以广泛的标准产品提供前所未有的选择范围和灵活性，允许工程师针对电机具体特性选择最优化的最好的伺服电机。 AKM 高性能伺服电机能够提供广泛的安装、连接、转速、反馈和其它选项。AKM 电机有 25 种法兰 /铁芯堆叠组合，拥有高扭矩 /密度比和高加速度，可输出极其平滑的性能。 AKM 电机拥有适合全球电压标准的各种绕组设计，与 S200、 S300和 S600 高性能伺服驱动器配套使用，可提供最优化的性能。电机有 0.1653Nm连续转矩 输出，可适合各种应用需求。转速可达 8000 rpm，可满足高速应用要求。 精选的旋转变压器、整流编码器或智能反馈装置（ SFD），可以满足广泛的驱动和系统要求。紧凑（高转矩 /体积比），可在狭小空间中获得最大的转矩。相同的转矩值具有多种法兰尺寸，可以优化安装和惯量匹配能力。 nts 27 5-1 kollmorgen 电机转配图 FAULHABER 4490H036B-K1300电机采用 FAULHABER 空心杯专利技术制作，转动惯量小、启动电压低、空载电流小，最高转速达 100 000rpm。由于摒弃了机械结构的换向系统，因 此运行平稳、噪音极低。名义电压从 148V DC，功率最大 212W，直径范围 1.944mm，长 5.590mm，最大输出转矩 2758mNm，配 FAULHABER 减速箱后，最大输出转矩高达 20Nm。可与各种增量式、绝对式编码器、调速驱动器等器件集成为一体，犹如有刷电机般简单易用，可选配“线性霍尔传感器”，配合专用驱动器实现高精度调速与定位控制时，无需编码器。 5-2 FAULHABER 电机零件图 nts 28 5.3 本章小结 通过计算和分析，在设计电机的过程，选择了两个角接触球轴承在上部，通过查找资料和阅读文 献，这种设计是有不足之处的，而更为科学的设计是两个角接触球分上下布置，这样电机的机构更加合理和力学性能更优。 nts 29 总结 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
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