推板式造波机的机械结构设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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板式
造波机
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摘 要
二十一世纪是海洋的世纪，世界上各个国家越来越重视对海洋资源的开发，对船舶工程、海洋工程的研究也越来越多。在实验室相对稳定的情况下通过造波机对波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋波浪的方法。通过在实验室的水池中模拟自然界中各种波形的波浪，然后对这些数据进行深入分析和研究，可以为工程建设提供可靠的理论依据。在众多的波浪模拟设备中，推板式造波机是当前最主流的一种，在很多的海洋工程实验室中发挥着非常重要的作用。本文通过对几种传动方式的比较，选定了滚珠丝杠作为传动装置，滚珠丝杠作为传动装置，运行平稳，可靠性高，非常适合用于推板式造波机。根据造波要求设计出整体的机械结构，对主要部件进行了校核及有限元分析，最终设计出完整的推板式造波机。
关键词：造波机；推板式；滚珠丝杠
- 内容简介：
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o. 2009 a 70569 . a A. a A. a 011 a 6, 70174 to in of by of a of of of a of of in of of in as as 1 In in at an to of of a to in a be as a of 4. of a on of is of on on as as on of of be in of of by of on as as on In of a a of In a be by a In to of is an in of in is by i, as of h of (1) a of in 1 of a of a is by of of a on on of a of a of 2 of a f1 in an of be to an of is a of it is to an a on In of a on of is to 5. of of At it be of is of On is to as of a of of of a in to be of is by of 6,7. In to a of 8,9. in of n to of on of a of to is up EM a of We a we of of of of as in is of an of of on In to by i, is on of o o u u i = h / 2 T i m o s h e n k o b e a m e l e m e n tt a b l e p o s i t i o 3 of a is to as a to it be In of an a by of to an ( )(2) ( )(3) up of in as of , of , of , as as to o o u u i = h / 2 4 of a is of of is as a , , ). of , , of be . (4) (5) (6) of of a on 10 be . of on is of In an of to . kg m2 kg m2 , 11 it is of up 5%. of in is to be of in st 2nd 00 10 500 00 10 1000 00 10 1500 00 20 500 00 20 1000 00 20 1500 00 40 500 00 40 1000 00 40 1500 00 10 500 00 10 1000 00 10 1500 00 20 500 00 20 1000 00 20 1500 00 40 500 00 40 1000 00 40 1500 of As of on of of In to to a of in be to of in 5 of it be as as of on by of of of on be as ( )(7) In of on be to of of of of a be . (8) (9) of a an of a of In of in be to on an of t at a of on is on on a up to in . of on s to of to at 6 at 0 mm h 20 mm n 54600 N w 6 mm of - 00 mm 007 to of of of s a be of is by of on of of as in be by of an 0 dB/by at is of at is to of to an in is by of in at of it is of a on of of of a to a of is of as as of In of is of as n a a By of an a be it be is of a a of a on of a to be to by on a of of 1 . E., . (2009) 131, 2 . F., ., 3 ., . A., . (2008) 2, 2904 ., ., ., of 2655 M. (1995) 08 6 . (1996) On of 5/1, 67 = 7 . (1998) A 7/2, 41 8 ., .(2006) of 55/1 011 6, 70174 to in of by of a of of of a of of 珠丝杠进给 驱动的建模 斯图加特， 2011 年二月 德国，斯图加特，丝绸之路 36,70174斯图加特大学，机床与加工设备控制工程学院（ 邮箱 ：址 ： 要 ： 滚珠丝杠 进给驱动 是 为高速机床提供线性运动最常用的机构 ， 这种驱动系统的位置精度和可实现的 闭环带宽通常受限于机械部件的结构振动模式。 更高的 订单工厂模型能够 更好地了解系统 动力学 ,改进 进给 驱动 的 设计过程 并且对于 先进的控制策略的发展至关重要。 这项工作提出了明确 的安排和通用的模型 ,能够表达滚珠丝杠进给驱动 的相关动态 。 关键词 ： 机床 仿真 滚珠丝杠 可塑性 in of of in as as . In in at an to of of a to in a be as a of of a on of is of on on as as on of of be in of of by of on as as on In of a a of In a be by a 绍 在机床和生产单位中常用动力进给驱动代表具有多个自由度（ 各种本征模式的复杂 机械结构 。许多科学著作已经 介绍过 这样的驱动系统的仿真，采用有限元法（ 合理的 复杂建模技术 尽可能详细得阐述 动力学 形态 。相反本文介绍的方法 致力于 寻找一个直观和易于使用的模型，能够表达滚珠丝杠进给驱动 相对于他们的机床应用 最相关的特性。一般讲滚珠丝杠 进给驱动可被描述 为具有三种不同类型的本征模式的一个系 统：轴向，旋转和弯曲模式。典型地， 滚珠丝杠的 第一 种 轴向和旋转模式 表现出了 对整体动力学 的 主导影响而高阶模 的相关性对于 大部分技术应用 是相当小的。 弯曲模式 的激励 和其对进给运动 的影响很大程度上取决于制造和装配公差以及 驱动系统的操作条件。假定 在 正确的安装和运行条件下，弯曲模式的激励 是相当小的，因此将 在 本文的条件下 被忽略 。 两个主要的振动自由度，即在轴向和旋转模式的，主要 是由滚珠丝杠轴的 几何尺寸和 间距所 影响。取决于系统的传动比，以及操作条件 是否 表现定性和定量非常不同。 然而，在大多数情况下，进给驱动的配置 也要顾及到 系统特性 的简单近似。在 下文中，一种关于 滚珠丝杠进给驱动 的 实际应用为导向的建模技术将 会得出并用测量结果进行验证。 机床中的滚珠丝杠进给驱动 图 1 示出一个典型的滚珠丝杠结构 及其相关 In to of is an in of in is by , as of h of i=h/2 (1) a of in 1 of a of a is by of of a on on of a of a of 2 of a 件。在这种情况下，伺服电机和轴承被固定在机座上并且 伺服电动机的转矩通过弹性联轴器 传递 到 滚珠丝杠轴 上 。图 1 中 未 显 示出 的 是 能将 机台的 运动 约束在轴向方向上的直线导轨。从转动转变成线性运动是由滚珠丝杠系统以其传动比 i（轴旋转一周所推进的行程 h）实现的 。 i=h/2 (1) 厂商提供了各种各样的具有不同结构设计、尺寸和传动比的滚珠丝杠 系统。当前可用的节距介于 3 倍的滚珠丝杠直径之间，但在机床的应用中最常用的是 1 倍的。 1 滚珠丝杠进给驱动的示意性配置。 这种驱动系统的动力学行为在很大程度上受滚珠丝杠轴的物理尺寸的影响。直径与所述轴的长度对总刚度 和 驱动系统的动力学行为产生决定性的影响。图 2 显 示出一个测得的滚珠丝杠驱动 的 频 率响应 ，从电机和机械表的速度的比较而得。 图 2 测得的滚珠丝杠进给驱动频率响应 f1 in an of be to an of is a of it is to an a on In of a on of is to 5. of of At it be of is of On is to as of a of of of a in to be of is by of 6,7. In to a of 8,9. in of 于 滚珠丝杆 进给 驱动器 的特征来说 ，显而易见 的 是两个主要的的特征频率 图 2 中 的第一本征频率 表示一个机器 工作台的轴向振动 ， 而第二本征频率可以主要归因于转动的角偏转系统。尽管每个模式是轴向和角变形的结果 ,根据 主要的变形 将 轴向和转动模式 分类 是很 方便 的 。在这两种情况下 滚珠丝杆轴 的 弹性对本征频率的绝对值有 很大的影响。这是由于这样的事实 :轴代表了 驱动系统 中硬度最低的组件5。此外滚珠螺杆轴的性能 不是常数而是 在机床工作台的行程范围内改变 。此时需要注意的是 ,对于大多数技术应用 ， 轴向模式 的本征频率 清晰的 小于旋转模式 。因为这个原因 轴向模式通常被称为滚珠 丝杠 进给驱动 的 第一 本征频率。 当考虑到位置控制 进给驱动 的动力学行为 时 ， 机械系统的结构振动模式是特别重要的。特别是在高速应用、高加速度和 跳动量 可以激发 机械结构 时 ,因此必须考虑优化控制器。当使用级联制器 ,闭环带宽和 进给驱动的 跟踪精度 直接受限于 机械系统 的第一本征频率6、 7。在类似的外部激励如切削力会导致不必要的振动和稳定性问题。更复杂的控制策略使用 工厂模式 打算补偿这些负面影响 ,要求机械系统的详细信息 和 更好的理解 (8、 9)。 因此对 更高动力 、更好的 跟踪精度 的机床的需求伴随着高效和准确的进给驱动模型出现了 。 n to of on of a of to is up EM a of We a we of of of of as in is of an of of on In to by i, is on of 3 of a 种不同建模技术 的 比较 为了检查轴对 滚珠 丝杠 传动的整体动力学行为 的影响， 两种拥 有不同 复杂度的 简化模型被引入并与 另 一个 相比较 。第一个模型是在 弹簧，减震器，大量元素和铁木辛哥梁单元的组合建立的 。我们称这种模式为 混合模式，因为我们使用的离散和连续配方元素。 系统 的相关 轴向和 旋转弹性 ， 即 固定轴承 （ 包括安装轴承 ）的 轴向刚性 珠丝杠螺母的刚性 耦合的扭转刚性个人阻尼值被视为在同等程度。该轴包括相关的轴向和扭转特性，以 铁木辛柯 梁元件 来 建模 并且 与周围弹簧和减震器 相 耦合 。这提供了在轴的结构性能和其对整体动力学行为影响的精确检验的可能性。 为了与 真正的机械系统 保持一致，旋转和轴向运动通过 传动比 i 联接在一起 ，这是使用约束方程的参与自由度模型耦合。图 3描述了这种混合模式的组合物。 图 3 滚珠丝杠驱动的混合模型 is to as a to it be In of an a by of to an up of in as of of of as as to 4 of a is of of is as a . of of be . 第二个模型，完全使用集总的物理特性，被称为一个离散模型。由于它的简单，可以直接 通过算机辅助控制工程工具） 建模 ，利用现有的 类似 榫眼、积分器 和基本的数学运算 的标准块 。在这种情况下， 轴的特征分离成两个不同的分支， 轴向分支 和 转动分支。因为所有组件是由分立的弹簧和减震器表示，轴，联轴器和轴承的刚度值被组合到一个整体的轴向 值 旋转值 图 4 表 示建立离散模型的原理。在每个模型中的各个参数，如机械表的质量， 滚珠丝杠轴 的质量，轴和电机的转动惯量，以及刚性和对应于它们物理值的阻尼因子 。 图 . 4 滚珠丝杠进给驱动的离散模型 这种方法 的 前提 条件 是对所述轴的轴向和旋转刚度 值两者之一有足够的 定义。为了这个目的，轴被认为作为 实心钢棒 （杨氏模量，剪切模量，密度）。滚珠丝杠 的尺寸 ，即等效直径，长度和有效长度，轴的轴向和旋转刚度值，并可以使用等式 4 至 6 来近似。 of fs of a on 10 be . of on is of In an of to . is be on of 11 it is of up 5%. of in is to be of in 注意，轴的备选转动刚性 与 已使用的固体的本征频率 似，在一侧上的固定杆，可根据 10利用公式 6 进行计算 。采用这种方法，轴的轴向刚性依赖于有效长度 穿于整个机台 行程范围 的常数 。在下面的两个模型已根据表 1 检测具有相同的参数集。 表 1 模拟得出的参数值 是进一步应该注意的是，确切的当量直径取决于滚珠丝杠的所有几何参数，包括螺距。在 11中示出，该主轴螺距可以影响滚珠丝杠轴向和扭转刚度高达 15。为简单起见，在此工作的滚珠丝杠直径被选择为恒定。 模拟结果，即该进给驱动的前两个本征频率，列于表 2。 of As of on of of In to to a of in be to of in 5 of 2 不同质量、螺距和工作台位置下的滚珠丝杠驱动模型的第一和第二本征频率 。 正如预期的第一特征频率的值很大程度上取决于质量和机床工作台的位置：质量 越大， 机床工作台 和 固定轴承 之间的距离越远，第一特征频率的 值越 小。相比，第二本征频率 在不同的工作 条件下 似乎 改变 得 不 是 特别 明显。两种型号都表明，旋转模式仍然是在一个 很大 的参数 范围 内 几乎 保持 不变。 在图 5 中表现出的混合模型和 离散模型之间的差异可以归因于在离散模型的轴的简化表示。 图 5 滚珠丝杠驱动的 混合模型和离散模型 之间的部分 不同 it be as as of on by of of of on be as In of on be to of of of of a be . of a an of a of In of in be to on an of t 图 5 可以看出 ,绝对的区别以及本征频率的 参数敏感性很大程度上取决于轴向和转动之间的交互模式 ,决定于 滚珠丝杆的传动比。随着传动比的 增加， 轴的转动刚度对整个轴向刚度 的 影响 增加。位置的依赖 ,有效轴向刚度可以表示如下。 然而 ,在许多情况下 由于滚珠丝杆的传动比 ， 轴 的转动刚度 对轴向模式的影响 可以被忽视。有效轴向刚度和转动 模式 的一致性 知识 ,这两种 滚珠丝杠驱动 典型 本征频率 可以使用方程 8 和 9 近似 计算 。 尽管 选择 的 简化离散模型显示了滚珠 丝杠 系统 前两个 本征频率的好的结果 。这考虑到 一个直观、清楚的对 动态行为 的计划模拟 ,大范围的参数 有效 并且 适用于大多数实际应用。在接下来的一章离散模型的仿真结果如图 4 所示将与 一个实际的机床 进给驱动测量值相 比 较 。 模型的实验验证 斯图加特大学的机床和制造 设备 at a of on is on on a up to in . of on s to of to at 6 at 控制工程研究所 (有 各种各样的 具有不同尺寸滚珠丝杠 和 不同的传动比的 测试 平 台 。虽然这个主题的研究是基于 不同的滚珠丝杠类型 的 实验 , 根据表 格 3 中的 规格 ， 以下测量集中在一个典型 为机床设置 的滚珠 丝杠 。用于仿真的参数符合试验装置。刚度和质量的值是 基于 制造商的数据而阻尼因素 与 经验值 是一致的 。 表 给定进给 驱动各种测量进行 并比较了 离散模型的仿真结果。图 6和 7 示范性 的展 示 了 在不同的操作条件 下 给定的进给驱动模拟和测量 的 频率响应。 图 6 在不同 机床 工作台 位置 的进给驱动模拟和测量 的 频率响应。 7 to of of of s a be of is by of on of of as in be by of an 0 dB/by at is of at is to of to an in is by of in at of it is of a on of of of a to a 7 在不同的机床工作台 质量 下模拟和测量 的 频率响应。 离散模型用于描述机械系统 显示了 与实际的 进给驱动 行为良好的一致性。尽管选择简化和 不精确的 制造商的数据 ,可以实现良好的可预见性。此外 ， 从属于本征频率的 预测参数是 通过 测量结果 确定的 。轴向模式 的 频率 变化取决于机床工作台的 质量和 位置 ， 而滚珠丝杠传动 的 转动 模式 （ 的频率 ） 几乎 保持 不变。旋转 模式 的不变性 有利于 操作环境 ,已经 在 上述仿真中 被察觉 ,可以 通过 机械系统 的低通特性来 解释 。在第一个系统 的 本征频率 的 振幅 经历 20 剧 下降 后 。因此 伺服传动装置 施加的 能量 在更高的频率仅仅是转换到机床工作台上 。在第二个本征频率上 工作台 的轴向运动因此非常小。由于运动学耦合、轴的角 度 偏转仍将导致轴向位移 ,在这种情况下 ,主要是由轴的偏转 ,轴承和安装 起主要作用 。考虑到 滚珠 丝杠系统 旋转模式 工作台位置的 细微 改变 ,可 以 理解无论是质量还是 工作台 的有效位置都会对 振荡系统 的 第二本征频率产生相关影响 。 滚珠丝杠驱动 占主导地位的 本征频率的可预测性和仿真 及其 对 不同操作条件 的 从属 提供了对 系统动力学 更好的理解 并且 有利于机械部件的设计过程以及实施足够的反馈控制器。特别是本科毕业设计 任务书 设计 题目 推板式造波机的设计 院（系、中心） 工程学院 专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 2011 级 选题来源 科研 课题 纵向课题（ ） 选题类型 理论研究（ ） 横向课题（ ） 教师自拟课题（ ） 应用基础研究（ ） 学生自拟课题（ ） 技术或工程开发（ ） 论文（设计）的基本构思和基本任务： 实验室是用造波机来模拟海浪的 , 在实验室内采用物理模型试验对波浪的运动及利 用装置进行研究。造波机是一种能够在实验水池中人为造出各种波浪 , 对船舶、港 工、波浪发电装置等进行模拟试验的专用设备 , 是室内模拟海洋环境中不可缺少的装置。推板式造波机产生波浪是靠推波板的往复直线运动来实现的 , 波高取决于推波板的行程和速度 , 波长则取决于往复运动的频率。 设计要求： 实验室， 水槽的基本尺寸为：水槽宽度 5m, 水槽高度 造波机工作最大水深 最大波高 周期 要求完成机械结构设计、零件受力分析及设计计算，绘制不少于 2 张零号幅面的整套图纸。 论文（设计）进度安排 2015 年 3 月，检索资料、撰写文献综述，完成总体方案设计，通过开题答辩 2015 年 4 月，零件受力分析及设计计算，绘制图纸，通过中期检查 2015 年 5 月，修改图纸，撰写论文，参加结题答辩 论文起止时间：自 2015 年 3 月 8 日起 2015 年 5 月 21 日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 注：表格不够可另附页 1 本科毕业设计 开题报告 题 目 _推板式造波机的机械结构设计 2 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 海洋占据着地球面积的 71%，其中蕴含着丰富的自然资源，但是目前人类对于海洋的认识程度并不够深入，对于海洋资源的开发也只是停留在初级阶段。随着世界上各个国家对海洋资源开发越来越重视，对海洋工程、船舶工程的研究也越来越多。 波浪是海洋中最普遍存在的自然现象，对于船舶设计、海洋资源的开发以及港口建设等有着至关重要的影响，深入了解海洋，必须对海上的波浪 进行研究。目前主要有三种对于海上波浪的研究手段：第一种方法是到现场进行实地观测；第二种方法是对波浪进行理论分析研究以及数值模拟；第三种方法是在实验室内用人工水槽进行模拟研究。由于海浪的复杂多变性以及风、潮汐、泥沙等各种自然界中的不稳定因素给人们在实地近距离研究波浪带来了很大困难，可操作性较低。理论研究目前也存在较大的局限性，特别是运用数值分析对不规则波进行分析时，很难实现精确分析 12。这样一来，在室内实验室相对稳定的情况下通过造波机对海上波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋环境的方法。 作为波 浪模拟实验中的重要装置 ， 造波机在港口和海岸的建设 、 船舶的设计与制造等工程建设中都有着非常重要的作用 。 在实验水池或模拟港池中模拟自然界中各种波形的波浪 ，得到人 们在进行工程建设时所需的相关数据 ， 然后根据这些数据进行深入分析和研究 ， 为将来实施工程建设提供可靠的理论依据 。 所以说在建设港口 、 堤坝 和船舶制造之前，通过模拟波浪进行试验得到一些重要的参考数据，这样人们就对整个工程有了较深入的了解与掌握，这对工程的设计和建设来说是一件非常有意义的事情。 对于海上的各种各样的不同波浪 ,怎样才能够最准确的模拟出波浪 ,提高实验数据 的可靠性 ,是一个非常关键的问题。本课题主要就是对造波机的机械结构进行探究，设计出能够应用在实验室中的造波机 ,更真实的模拟特定环境下的波浪 ,获得更精确的模拟数据 ,为更进一步的研究波浪对船舶和海岸建筑物的作用机理 ,以及为工程建设提供可靠的数据都是非常重要的。 3 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献 为了能够在实验室中尽可能地模拟出自然界中存在的各种特征的波浪，国内外学者们进行了深入地研究，对造波机控制技术的研究方面投入了大量的精力，并且取得了可观的研究成果，研制出了多种形式和多种功能的造波 机，并且很多造波机设备应用到实际实验中。 造波机的发展经历了漫长的过程，最初的造波机是利用曲柄连杆来驭动造波的，这种类型的造波机只能造出规则波，无法模拟不规则波。后来又出现了通过液压系统驱动的造波机，既能产生规则波，也能造出不规则波。早在 1955 年，国外一些专家学者们就己经开始研究造波技术， 1957 年，荷兰人设计制造的瓦格宁根水池正式投入使用，在造波机研究历史算是在世界上最早的一座耐波性水池。 1958 年美国建造了泰勒矩形水池，该水池使用的是空气式造波机，可以对长峰不规则波和短峰波进行模拟。 1957 年 英国建造了哈斯拉水池，该水池使用的是冲箱式造波机，可以对长峰规则波和不规则波进行模拟。后来美国使用冲箱式造波机技术并针对长峰规则波与不规则波理论建立了斯帝文森水池。日本三鹰露天水池使用的是摇板式造波机 4。二十世纪八十年代中期开始，英国和日本开始有了用电机控制的造波系统，当时使用的是直流伺服电机 5。从 1992 年才开始使用交流伺服电机。 2000 年荷兰 工试验室和力士乐公司合作为我国 702 所05 水池提供的不规则波造波机系统方案中，采用的是交流伺服电机。 我国的造波机发展最早开始于二十世纪五十年代 ，国内早期的造波机基本上都是从造波技术比较先进的国家引进的。从七十年代开始，国内开始造波机的研制工作，早期的造波机只能分级产生规则波，比较简陋。到了八十年代，我国才逐渐开始进行不规则波造波机的自主研发工作。南京水利科学研究院里装备的不规则波造波机是我们拥有的第一台不规则波造波机 6。七十年代，电压模拟量信号逐渐的被用来控制造波机，到八十年代末，就已经出现了用于造波机系统的系统软件和应用软件，并借助于小型电子计算机对造波机进行控制。 1993 年，交通部天津水运工程科学研究所和天津理工大学合作，研制成功我国第一 台液压伺服系统驱动的不规则波造波机。此后，造波技术发展十分迅速， 90 年代以后，无论国内还是国外已经完全采用计算机进行造波控制。计算机控制运用到造波机系统，使为造波技术和对波形的控制进入到了一个新的研究领域。 总结国内外学者对造波技术以及造波机的研究成果，依据造波机驱动方式的不同，可以将造波机分为三类：电机驱动、气压驱动和液压驱动。他们各自的性能不同，所以不同的驱动方式适用范围也有所不同。 (1)电机驱动的造波机主要有以下优点：体积小，启动方便，响应速度快， 4 精度高，易控制，而且没有污染，正是由于电机驱动有以 上这么多优点，所以现如今电机驱动已成为造波机驱动的主流方式。电机驱动的缺点是负载能力差，针对大型造波机，电机驱动造波机输出的力矩比较小，无法满足使用，如果采用大功率的电机，那么需要大体积和质量的电机。 (2)气压驱动造波机优点是采用空气为介质，不但响应速度快，容易得到，而且与液压驱动比较来说，空气介质与大气进行循环方便，所需的设备简单。缺点是空气的可压缩性比较大，与液压驱动相比承载能力低，与电机驱动相比定位精度低，该方式只有在低负载的情况下使用，效果比较明显。 (3)液压驱动造波机的优点是承载能力强、精 度高、响应快，与气压驱动相比较，液压驱动采用液压油，不但对各个运动部件起润滑作用，而且液压油的循环对整个系统起冷却的作用，这可以增加造波机机械运动部件的使用寿命。缺点是采用液压油，有污染，工作环境差，同时对于整个液压系统的密封性能要求比较高，相应的成本也高，如果管子发生破裂，高压油喷出，可能会对工作人员造成很大的伤害 17。 就与水体相作用的情况来看，目前最为常用的造波方式有两种 :气压式和机械式。气压式造波机通过改变空气压力来对水体施加干扰，改变水体状态使之产生波浪。机械式造波机是利用机械运动部件对 水的作用来改变水体状态产生波浪。机械式又可以分成摇板式、推板式、冲箱式和转筒式四种。目前在港口物理模拟实验中也以机械式造波机为主，它是现今模拟实验中主要的造波方式。 (1)摇板式造波机：通过机械或者电机驱动使机械运动部件绕固定轴前后摆动，使水体状态产生变化。波高由机械运动部件的摆动幅度来控制，波长和周期由机械运动部件的摆动频率确定。 (2)推板式造波机：通过机械或者电机驱动使丝杠转动，用丝杠螺母副把丝杠的径向运动转化为机械运动部件在导轨上的直线运动，丝杠的转动方向周期性的改变使机械运动部件也以相同的周期往 复运动推动水体使水体状态产生变化。波高取决于机械运动部件的冲程和运动速度，周期取决于机械运动部件往复运动的频率。 (3)冲箱式造波机：它的造波部件为一断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂直水面方向做往复运动达到造波的目的。波长由冲箱上下振动的周期决定。 (4)空气式造波机：空气式造波机的造波原理是依靠附加在钟罩所限制的水域上，并随时间的变化使空气压力做周期性变化来使水体状态产生变化。这种造波机备一般配备有鼓风机做气源，通过管道与钟罩相连接。用配气阀门实现对钟罩内部空气压力的周期性变化，因此周期与阀门摇动 的周期相等，波长与阀门的 5 工作周期和水深相关。 各种机械造波方式如图 1图 1示出来。由于推板式造波机的实际应用最为广泛，因此本文将主要研究推板式造波机的机械结构，所以后面将主要介绍推板式造波机系统。 图 2摇板式造波机工作示意图 图 2板式造波机工作示意图 图 2箱式造波机工作示意图 图 2压式造波机工作示意图 按照波谱方向来分 ,造波机可以分为单向还有多向的 ,两种形式的造波机都可以造出不规则波 ,只不过是传播方向的差异 。单向造波机可以造出一个方 1?的波浪 ,所以一般多用于水槽试验中 ;而多向造波机所造出的波浪不局限于往一个方向传播 ,而是可以造出带有不同角度和不同方向的波浪 ,多向造波机一般多用于水池试验中 8。 参考文献 1 魏明伟 . 港口工程物模试验用造波系统的参数计算及软件设计 011， 9 2 张瑞波 . 港工波浪模拟设备的研究 2011， 8 3 杨志国 哈尔滨工程大学 ,2002,13 4 杨森华 海洋工程实验设备论文集 ,1996 年 . 6 5 杨志国 , 国内外水池造波设备与造波技术的发展现状 J,科院论坛 . 6 左其华 ,杨正己 南京水利科学研究院水利水运科学研究 7 熊兴 推式不规则波造波机的优化设计 2013 8 金乃高 D大连理工大学 ,2002. 9 张 瑞波 , 王收军 , 朱国良 . 伺服电机驱动式水槽造波机系统设计 J , 机械设计 , 2007. 10 王宇晗 , 钟 胜波 , 胡俊 . 电动造波机控制系统的研究 J , 上海交通大学学报 , 2005. 三、研究内容 7 1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） 早在 1929年 ,这一成果为后来的所有研究者所使用。 1951 一 1954 年 ,法国 力学实验室 根据微幅波理论建立造波板运动行程与波高之间的关系 (波高摇幅比 ),被认为是关于造波机原理最详细最完整的论述。 1957 年 ,日本鹤田千里阐述了造波机的设计理 论 ,1959 年 ,与上述理论做了实验对比 ;1971年 ,出了表示为波浪周期函数的波高摇幅比 ,1976 年 ,美国航水杂志发表两篇文章 ,对摇板式和冲箱式造波机应用上述理论做了数值计算。 在国内 ,1979年 ,杨森华整理了鹤田千里和 1987年，刘子琪做了类似的事情。他们两人的工作 ,成为后来国内造波机设计的主要参考依据。 设计要求： 实验室， 水槽的基本尺寸为：水槽宽度 5m, 水槽高度 造波机工作最大水深 最大波高 期 要求完成机械结构设计、零件受力分析及设计计算，绘制不少于 2 张零号幅面的整套图纸。 根据课题要求，本论文的主要研究内容有： 1. 推板式造波机系统的总体结构的设计研究及各部分零部件的设计。 2. 造波机的 机械结构设计（ 主要包括推波板及其框架、推波板连接架、机体、支撑 架 等） 、零件受力分析及设计计算 。 3. 绘制不少于 2 张零号幅面的整套图纸。 针对以上研究内容，该课题所面对的难点是 : 1. 造波理论数学模型的选择 ； 2. 对于推板式波造波机的结构设计，国内很多单位采用经验设计，往往对造波机的刚度，强度设计比较保守，采用的安全系数很大，这会影响造波机产生波浪的精度，需要分析和计算并且进行优化 3. 驱动方式的选择 及部件设计 ； 4. 造波机在水槽上的安装方式选择； 5. 各部件之间的连接方式 ， 具体会涉及到螺栓连接 、 铰接 、 焊接等 。例如螺栓连接需要计算连接强度 ， 设计连接方案 ，焊接需要考虑焊接点问题。 8 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 文献法。了解造波技术以及造波机国内外的研究应用现状，搜集造波机的有关文献资料 实地调研法。去工程学院海工实验室现场观看造波实验， 询问实验人员造波机相关知识，并拍摄照片、视频等资料。 经验总结法。根据自身积累的技术经验结合相关理论研究对研究对象进行分析，并从大量的研究信息中总结规律，形成假设。并通过研究成果对假设进行验证和提升。 本文 主要研究的是 推板式造波机的 机械结构设计 。 推板式造波机原理：伺服电机通过联轴器将旋转运动传递给丝杠，丝杠通过丝杠螺母副与螺母座相连，将丝杠的旋转运动转化为造波板的直线运动。造波板沿导轨方向在导轨上前后运动来产生波浪，水深以及造波板的运动频率决定产生波浪的波形。 图 推板式造波机原理 造波机 系统主要由三部分组成：机械装置、驱动装置和控制系统。本课题主要研究的是推板式造波机的机械结构的设计。机械结构主要是由推波板及其框架、推波板连接架、机体、支撑横梁、防尘盖等组成。这些都是造波机系统的金属结构件组成的。其框架结构、尺寸大小和材料的选择都是依靠波浪理论和要实现波浪的技术指标来设计的。波浪的产生主要是靠 9 推波板往复运动来实现，波长和波高的大小都是由于水深和推波板前后运动的频率决定的。 在造波机工作中会出现三种不同的力，它们分别是标准波压力、局部扰动惯性波压力和造波机推板自身的惯性力，其中造波机推板自身 的惯性力对造波系统起的作用是负面的，也就是对造波系统有害，所以应在工程应用允许的情况下尽量减少造波机推板自身的惯性力。由于水深和造波机运动参数由试验项目决定 ,所以只有降低运动部件的质量和转动惯量才能尽可能的减少推板自身的惯性力 910。 图 板式造波机机械结构示意图 几种造波机驱动方式的比较 波浪模拟技术的发展伴随着先进科学技术的发展 。 第一代造波机采用变频电动机带动曲柄连杆机构运动 , 通过机械机构的转换实现推波板的运动 , 这种控制驱动方式只能使推波板实现规则 (正弦 )的平动或摆动 ,不能 实现不规则波 (连续变频、变幅值 )的模拟。第二代造波机采用液压伺服驱动 ,响应速度高 ,输出功率大 ,但维护麻烦 ,污染环境。随着交流伺服电机技术的发展 ,液压伺服驱动方式有逐渐被取代的趋势 。 第三代造波机采用伺服电机驱动 ,响应速度高 ,控制精度高 ,维护简单 ,输出功率较小 ,相对于液压伺服驱动更适合于多单元组合式的港池多方向谱不 规则造波机和水槽断面 造波机 , 该种方式代表了目前国际上波浪模拟技术发展的主流。伺服电机式造波机一般采 用交流伺服电机驱动 ,并通过滚珠丝杠将电机的转动转化为推波板的直线运动 。 滚珠丝杠 与滑动丝杠相比 ,丝杠轴与 螺母之间的滚珠做滚动运动 ,摩擦阻力很小，具有较高的运动效率 。 另外 , 其具有精度高 、 可保证微进给、无侧隙 、 高刚性 ,以及高速进给等优点 。 驱 动 装 置 主 要 由 造 波 板 、 伺 服 电 机 和 滚 珠 丝 杠 副 组 成 。 10 图 动装置 直线运动单元的直线往复运动是由交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠旋转 , 经丝杠螺母转化为直线运动来实现。 滚珠丝杠副具有传动效率高、 运动平稳、 高精度、 高耐用 性、 同步性好、高可靠性等优点。 直线运动单元由 推臂、 直线滚动导轨、滑板、支撑轴承等构成。 丝杠采取两端固定的支 撑形式 , 支撑刚性最高 ,且固定端采用 双列轴承 , 适应高速重载工况。 导轨和滑块分别固定在刚性好的槽钢和 H 型钢上 , 受力变形小 , 经祛除应力时效处理 , 尺寸和形状稳定。 11 四、论文（设计）进度安排 起止时间 主要内容 预期目标 2015 年 3 月 2015 年 4 月 2015 年 5 月 2015 年 3 月 8 号 3 月 底 ， 查找资料（包括文字资料、现场参观拍摄照片视频等），撰写文献综述， 通过资料分析以及几种不同方式的比较确定最终方案，并找出最终方案的重难点并加以解决，为之 后的设计做好铺垫。完成开题报告， 通过开题答辩 。 2015 年 4 月 初 4 月中旬 ， 在开题阶段的基础上开始设计造波机的各部分零件， 对零件 进行 受力分析及设计计算，绘制 零件的二维和三维 图纸， 如果有可能的话，做出机构的仿真。 4 月中旬 4 月底 ， 绘制总体结构的装配图 ，按照格式 认真写图纸的标注 。 2015 年 5 月 20 号前 ，修改图纸， 把前期的成果汇总起来认真分析总结，开始 撰写毕业 论文， 答辩 ，准备好 参加结题答辩 。 了解课题知识背景 ， 了解课题现状 ，复习相关知识 ， 初步确定方案完成开题报告 结合开题报告确定最终方案 ，完成总体 方案以及各部分零件的设计，对零件进行受力分析和校核 完成论文、通过论文答辩 五、审核意见 导师意见 导师签字 : 年 月 日 12 审核小组意见 审核小组成员签字： 年 月 日 注： 1、表格不够可加附页。 2、审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开 题报告会。 本 科 毕 业 设 计 推板式造波机的机械结构 设计 I 摘 要 二十一世纪是海洋的世纪，世界上各个国家越来越重视对海洋资源的开发，对船舶工程、海洋工程的研究也越来越多。在 实验室相对稳定的情况下通过造波机对波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋 波浪 的方法。 通过 在实验室的水池中模拟自然界中各种波形的波浪 ，然后对 这些数据进行深入分析和研究 ，可以 为工程建设提供可靠的理论依据 。 在众多的波浪模拟设备中 ， 推板式 造波机是当前 最主流的一种 ， 在很多的海洋工程实验室中发挥着非常重要的作用 。 本文 通过对几种传动方式的比较，选定了滚珠丝杠作为传动装置， 滚珠丝杠作为传动装置，运行平稳，可靠性高 ，非常适合用于推板式造波机 。 根据造波要求设计出整体的机械结构， 对主要部件进行了校核及有限元分析 ， 最终设计出完整的推板式造波机。 关键词 ： 造波机；推板式；滚珠丝杠 1st is of to of as as of to in is to of in a of a is of a it a in of as a as is to a of of a 录 1 绪论 . 1 题的提出及研究背景 . 1 题的研究目的及实际应用价值 . 1 内外研究现状 . 1 波机的分类及其造波原理 . 3 题研究的主要内容 . 4 题研究的难点 . 4 章小结 . 5 2 推板式造波机设计参数的计算 . 6 板式造波机设计参数的计算流程 . 6 波机设计参数的计算 . 7 波板的最大行程的计算 . 8 波板的最大运动速度的计算 . 9 波板最大负载力的计算 . 9 波机最大功率的计算 . 10 波机设计参数的确定 . 11 章小结 . 11 3 造波机的总体方案设计 . 12 案比较与选择 . 12 体方案设计 . 13 章小结 . 14 4 造波机各部分的机械结构设计 . 15 波板的设计 . 15 波板支架的设计 . 16 波板支架的连接及校核 . 18 动装置的设计 . 20 珠丝杠副的计算与选型 . 20 直线导轨的选择 . 22 机的选取 . 24 承和联轴器的选择 . 25 撑装置的设计 . 25 撑架结构设计 . 25 动装置在机体上的安装 . 26 章小结 . 28 总结 . 30 参考 文献 . 31 致谢 . 32 1 绪论 1 1 绪论 题的提出及研究背景 海洋占据着地球面积的 71%，其中蕴含着丰富的自然资源，但是目前人类对于海洋的认识程度并不够深入，对于海洋资源的开发也只是停留在初级阶段。世界上很多国家投入越来越多的人力物力对海洋中的资源进行开发，对于海洋工程、船舶工程的研究也越来越多。 波浪，是一种非常普遍的自然现象，对航海有着重要的影响，不管是建设海港、制造船舶，或者是进行海洋资源的开发，都要去研究波浪。对于海上波浪的研究，目前主要有三种手段： 2. 通过理论对波浪研究或者数值模拟； 于海浪的复杂多变性以及自然界中各种各样的不稳定因素，在实地研究波浪成本非常高，几乎不能实现。运用理论研究对非正弦波进行数值分析时很难实现精确分析 12。综合分析看来，在室内实验室没有干扰的情况下通过造波机产生人工波浪并进行分析是成本最低而且能 行得通的研究波浪的方法。 题的研究目的及实际应用价值 作为产生人工波浪的重要装置 ， 造波机在船舶的设计制造 、海洋平台 的设计等 领域扮演着 重要角色 。 在实验水池制造出各种波形的波浪 ，对其进行研究得到 相关数据 ， 然后根据这些数据深入分析 ，这样，以后 进行工程建设时 ， 就有了可以依靠的理论依据 。在建设海港 、设计船舶之前，在实验室内进行模拟，得到可靠的实验数据，等实际实施项目时便可以保证工程质量。 本课题主要就是对造波机的机械结构进行探究，分析当今主流的造波机结构，对重要部件进行设计校核，设计出能够应用在实验室中的造波机。 内外研究现状 为了能更好地研究波浪，国内外的很多专家学者早就开始了对造波机的研究开发工作，目前已经有了多种形式的造波机问世，并被应用于实际中。 最早出现的的造波机使用了曲柄连杆结构，这种造波机结构简单，成本低廉，功能也相对简单，只能造出普通的规则波。随着液压技术的发展，人们开始将液压系统应用毕业设计 2 于造波机，这样一来，能产生不规则波的造波机出现了。 1957 年，荷兰瓦格宁根大学设计制造的世界上第一座耐波性水池 （图 1正式投入使用 3。美国人在 1958 年建造的泰勒矩形水池使用了空气式造波机 （图 1，此水池可以对不规则长峰波进行模拟 4。1957 年，英国人设计了使用冲箱式造波机的实验室，能够模拟长峰规则波和不规则波。20 世纪 80 年代开始，用直流伺服电机进行控制的造波系统开始被使用 5。到了 90 年代，造波系统中广泛使用交流伺服电机。 图 1兰瓦格根宁水池 图 1气式造波机 图 1板式造波机 在国内，造波机的发展还是比较早的，大概从 20 世纪 50 年代开始，不过由于当时国内比较落后，大部分的技术都是从国外引进的。改革开放以后，一些科研机构逐渐开始开发造波产品，不过这个时期 的造波机非常简陋，只能制造出正弦波。随着经济的发展，国家对科研的投资越来越多，我国的不规则波造波系统的自主研发工作才逐渐开始进行。我国的第一台不规则波造波机产生于南京水利科学研究院 6。造波机的控制系统也随着造波技术一步步发展，从最初的模拟信号控制到 80 年代末的软件控制再到后来的电子计算机控制。 90 年代以后，国内外的造波机都已经完全实现了计算机控制，造波技术的研究进1 绪论 3 入了一个全新的领域。 波机的分类及其造波原理 依据不同的分类标准，造波机有很多种分类方法。根据驱动方式的不同，造波机可以分为三种：电机驱动、液压驱动和气压驱动。 (1) 电机驱动是当今最主流的方式，优点有很多：启动迅速，易于控制转速，进给精度高、占空间小等。不过电机驱动一个很明显的缺点是负载能力较差，一般来说无法适用于大型造波机。 (2) 液压驱动是一种成本很高的方式，由于需要使用液压油，相应的对密封性要求很高，另外容易造成污染，维护也比较麻烦。系统中的液压油既能起到润滑作用，又能通过循环降低机器的温度，延长使用寿命。液压驱动反应较为迅速、能承受较大负载，精度也较高 17。 (3)气压驱动直接使用空气做为工作介质，启动非常快，而且空气介质与大气进行循环非常方便，需要的设备也比较简单。由于空气压缩性比较大，不能保证高精度，也不能承受较大负载，这种驱动只能在较低负载的条件下使用。 根据造波机与水体相互作用的情况来看，可以将造波机分为气压式和机械式两种。气压式造波机能够通过改变空气压力从而改变水体状态使之产生波浪。机械式造波机通过机械部件运动来改变水体的状态产生波浪。目前主流的机械式造波机分为 4 种：摇板式、推板式、冲箱式和转筒式。 (1)摇板式造波机：这种造波机的运动部 件（造波板）下端被约束在轴上，可以绕轴转动一定角度，这种前后摆动会使水体状态产生变化。造波板的摆动幅度决定了产生波浪的波高，造波板的摆动频率决定了波浪的频率和波长。 (2)推板式造波机：主要原理是通过一定的机械结构使造波板沿着直线导轨进行周期性往复运动，这种周期性往复运动可以推动水体，使水体状态产生变化从而产生波浪。造波板的最大行程和速度决定了波高，造波板的运动频率决定了波浪的周期。 (3)冲箱式造波机：作用部件是具有特殊截面的柱体，工作时造波部件沿着垂直于水面的方向做往复运动从而制造出波浪。造波部件的 运动频率决定了波长。 (4)空气式造波机：这种造波系统需要使用风机做为气源，风机吹出的气体通过管道作用到一定的水域，通过控制空气阀来使空气压力发生周期性变化，这样一来气体作用的那一片水域的水体状态将会发生变化，从而产生波浪。 毕业设计 4 以上几种造波机的原理简图如图 2图 2 图 2板式造波机工作示意图 图 2板式造波机工作示意图 图 2箱式造波机工作示意图 图 2压式造波机工作示意图 题研究的主要内容 本课题主要针对 推板式造波机 的机械结构进行研究，研究的主要内容如下： 1. 推板式造波机 机械结构的总体设计。 2. 造波机各部分零件 （ 推波板、支架、连接架、机体、支撑架等）的 设计、选型、受力分析及校核 。 3. 绘制两张零号幅面的整套图纸。 题研究的难点 1. 波浪 理论数学模型的选择 ； 2. 现有的造波机通常采用经验设计，设计保守，影响波浪精度，需要进行分析、优化； 3. 驱动方式的选择及部件设计 ； 1 绪论 5 4. 造波系统在水槽中的安装方式选择； 5. 各部件之间的连接方式的选择 。 章小结 本章通过检索 、查阅中外 文献 ， 对课题的研究背景进行了初步研究 ，对于造波机的研究意义 、 实际价值做了介绍 ，并且对造波机的发展现状进行了调查。明确了课题研究的主要内容，认识到自己要完成的任务，对任务进行梳理、细化，明确任务的重点、难点，为下一步工作做好铺垫。毕业设计 6 2 推板式造波机 设计参数 的计算 板式造波机设计参数的计算流程 早期的造波理论大多是欧美国家的学者提出的，自 20 世纪 70 年代末以来 ,国内的一些学者整理了西方国家的造波理论 ,后来国内的学者在开发类似产品时大多参考了这些理论。 从如今的大多数实际案例来看，当前所使用的造波机设计参数的计算公式是线性造波理论，只适用于规则波。而不规则波的实现，实际上采用的方案是将不同周期下不同的规则波组合而成的，因此线性造波理论同样适用于不规则波。 推板式造波机的设计参数可以按照下图进行计算。 图 2波机系统设计参数计算流程图 图中各变量代表的意义如下： h： 水深 ； T： 波浪周期 ； 2 推板式造波机的设计参数的计算 7 d： 推波板宽度； m： 推波板质量 ； 最大波高 ； 推波板的最大行程 ； 中间参数 ； 大负载力 ； 最大功率 。 在设计、制造一套造波系统之前，首先要明确这套系统的工作环境，从设计要求中可以得知水槽的深度、宽度、拟造波浪的波高、周期等参数。有了造波机工作环境的参数（最大水深 h、波浪周期 T、造波机运动机构的质量 m 和推波板的宽度 d），便可以根据以上计算流程计算出造波机的设计参数。 波机设计参数的计算 造波机设计中所需要的基本参数有：最大行程、 最大速率、最大负载和最大功率。 计算造波机的设计参数需要明确这些初始参数：水深 h（范围数据），波的周期 T（范围数据），推波板宽度 d 和推波板运动机构的初设质量 m。 根据课题设计的要求： 实验室， 水槽的基本尺寸为：水槽宽度 水槽高度 造波机工作最大水深 大波高 期 水槽宽度为 5m，用一个单元负载较大，不宜制造，应该采用模块化设计，取每个单元的板宽为 个造波机模块 的运动结构质量为 250 6 个单元（考虑到造波机与水槽的间隙）。参照前人计算方法 1，计算时将水深 h、周期 T 按一定范围划分以方便计算。 最终确定的参数如下 ： h=m）； T=1、 2、 s）； d= m=250 毕业设计 8 波板的最大行程 的 计算 根据式（ 2以计算出不同的水深、周期下的最大波高 （ 2 式中： 波长 ,=() ； k 波数 ,即 k= 2P/； h 波槽水深。 计算结果如表 2示。 考虑设计要求 , = 满足课题要求。 表 2各种水深周期下的波高 (波高 H 与行程 S 之比为 = 4)+2 (2根据表 式 (2, 能够计算出不同周期、不同水深条件下推波板的最大行程。 表 2种水深 周期和波高下推波板的最大行程 S(2 推板式造波机的设计参数的计算 9 波板的最大运动速度 的 计算 根据式（ 2以计算出推波板的最大运动速度按 V = 2 (2式中 : 推波板的运动速度； S 推波板的行程； 波浪的圆频率 , = 2/ T。 根据式（ 2以计算出推波板的最大运动速度，如表 2 表 2同水深 周期下推波板的最大速度 V (cm/s) 波板 最大负载力 的计算 在造波机的工作工程中 ,推波板做的是直线往复运动 , 其位移、速度、加速度分别为8： x = 2 = 2 = 22 造波机的负载可以按照式 (2计算 : F() = 122( +2) + + （ 2 毕业设计 10 将速度、加速度带入得： F() = ( +2)()+2() （ 2 式中： M 造波机运动部件的质量 ， 250 L 推波板的宽度， 80 R 摩擦阻力 ,可以近似为 0； 由式 (2（ 2算得到 5 。 = 4222+2=1 （ 2 = 42()2(2)+2 （ 2 表 2种水深、周期下的推波板最大推力 N） 波机 最大功率 的计算 因为推力： F() = 122( +2) + 那么 功率： P() = ()() 即 ： P() = 2 122( +2) +2 （ 2 2 推板式造波机的设计参数的计算 11 表 2种水深、周期下的推波板最大功率 w) 波机设计参数的确定 根据上述计算，取整之后确定的设计参数如下： S = V = s； 3500N； 3000w。 章小结 经过前期的文献阅读整理、资料的搜寻等工作，已经对造波机的工作原理及造波机的设计流程有了比较深入的了解，并找到了详细的计算方法。由于造波机有很多种类，其设计参数的计算也对应着多种不同的计算方法，不同学者专家也提出了在不同工作情况下的计算模型，这就需要通过对不同工作状况进行对比选择最适合本课题的一种计算方案。确定好最适合的工作方案后，将需要用到的工作情况的参数与课题所给参数进行比较，课题中明确给定的条件可以直接使用，对于一些课题中没有给定的条件，需要进行粗略估算以便顺利的进行设计参数的计算。通过一系列的计算，已 经将造波机的设计参数确定，有了这些参数，接下来将进行具体零部件的设计或者选型。毕业设计 12 3 造波机的总体方案设计 案比较与选择 推板式造波机需要实现的运动主要是推波板的直线往复运动 。能够 实现直线往复运动的机械结构有很多，比如简单的曲柄滑块机构 ,可以将转动转换为直线运动 ,只不过 这种方式只能实现简单的规则 (正弦 )摆动 ,所以只能使造波机产生规则波 ， 不能模拟非规则波 。 图 3柄滑块驱动 图 3压伺服驱动 液压伺服驱动也可以实现直线往复运动 ,这种驱动启动快，能承受大负载 ,但维护起来不是很方便，使用时容易造成环境污染。 当前最主流的造波驱动系统是伺服电机驱动 ,这种驱动方式安装调试方便 ,控制精度高 ,不污染环境，只是输出功率比较小 ,相对于液压伺服驱动来说更适宜应用于模块式的实验室水槽不规则造波。目前的伺服电机式造波机一般采用交流伺服电机驱动 ,通过滚珠丝杠将电机绕轴的转动转化为推波板沿直线的运动 9。 图 3服电机驱动 通过对三种方案的对比，可以发现，采用伺服电机驱动最符合本课题要求，接下来将按照交流伺服电机这种方案进行设计。 3 造波机的总体方案设计 13 体方案设计 一般来说，造波机主要包含三个 部分：驱动装置、机械结构和控制系统。本课题主要研究的是推板式造波机的机械结构的设计。机械结构主要包括推波板、支架、工作台、机体、导轨等组成，这些零部件大部分是金属结构的，这些零件的具体尺寸和使用的材料主要根据实际的工作情况和课题要求来设计。 推波板的直线往复运动是由交流伺服电机轴的转动带动滚珠丝杠旋转 ,通过 丝杠的螺母变为直线运动。 滚珠丝杠副是一种传动效率非常高的精密零件，使用这种零件的机械一般来说可靠性高、运行稳定、寿命较长。直线运动机构主要由工作台、 导轨、滑块、滚动轴承等零件组成。滚珠丝杠采取两端固定的安装方式 ,刚性高 ,且两端使用双列轴承 ,能够 适应高速重载的工况。导轨和滑块分别固定在刚性好的 U 型钢上 ,受力变形小 , 经去除应力处理 ,变形小 ，尺寸和形状稳定。 经过对现有造波机的调研分析，以及与本课题的实验环境相比较之后，确定了适合本课题要求的方案，并绘制出了方案装配图。 图 维装配图 从图中可以看出，造波机推波板的直线往复运动主要依靠滚珠丝杠副将伺服电机的旋转运动转化为工作台的直线往复运动，推波板通过螺栓组及支架与工作台相连接，工作台的直线往复运 动带动着推波板进行直线往复运动来产生波浪。工作台通过直线导轨约束在机器的 U 型槽上，另外运动部件的重力也都是由 U 型槽来承担，滚珠丝杠只承担毕业设计 14 轴向载荷。 章小结 本章通过对三种驱动方案的比较 ， 仔细分析了各种驱动方案的优缺点 ， 选择了最适合本课题的驱动方案 ， 根据选定的伺服电机驱动进行了造波机的结构设计 。将总体结构分为几个部分， 明确每一部分都有哪些零件 ，以及每部分零件在整个造波机中的作用。4 造波机各部分的机械结构设计 15 4 造波机各部分的机械结构设计 波板的设计 推波 板是造波过程中主要依靠的零件，波浪的产生主要靠推波板的往复运动。根据课题要求（水槽宽 5 米，深 ），还有模块化的设计思路，宽 ，厚度为 （ 8 毫米）。考虑到推波板的工作环境（水槽），故推波板材料选不锈钢，牌号为 0 520，硬度 187 因为造波机是模块化设计，则 必须考 虑两个造波单元之间的连接问题。每块推波板都是通过焊接在支撑杆上然后连在一起的，支撑杆与支架通过铰连接连在一起，支撑杆顶部有螺钉，可以拆卸。 推波板受到波浪的推力可以当做均布力来处理，然后用软件进行有限元分析，分析结果如图 4 图 4波板有限元分析 分析报告如下 ： 毕业设计 16 图 4波板有限元分析 由报告可知，最大应力为 03， 远小于材料的许用应力 ， 符合设计的要求 。 波板支架的设计 推波板作为造波活动的执行部件，必须通过支架来支撑，支架与造波板铰接，支架通过螺栓组与滑块连接。支架的设计必须考虑其对推波板的承受能力，因为支架的截面并不是规则图形，其所受弯矩计算起来比较麻烦，故采用计算机软件进行有限元分析，对其进行校核。 支架在工作时处在水中，考虑材料的防腐要求，支架材料同样选取牌号为 0不锈钢，查找资料得知其密度为 7850kg/过 以测出推波板的质量为 量为 此重力加载到支架上 并 进行有限元分析。有限元分析如图 4示。 通过报告可以看出，推波板支架所受的最大主应力为 小于材料的许用应力 520220符合要求。 4 造波机各部分的机械结构设计 17 图 4波板支架的有限元分析 分析报告如下 ： 图 4限元分析报告 毕业设计 18 波板 支架的连接及校核 推波板的支架通过螺栓组连接在机架上，设计螺栓组连接时，需要首先选择螺栓的数目及布置方式；然后确定螺栓连接的结构尺寸；再根据安装方式及实际受载情况进行受力分析和强度校核 10。 推波板的安装使用了 4 个支架，每个支架都是用 4 个螺栓来连接，螺栓承受载荷的作用线与螺栓轴线相互垂直，并通过其对称中心。 1) 螺栓受力分析 通过 件的仿真测算得出：螺栓组受到的总剪切力的大小为 = 726N，对于铰制孔用螺栓连接，可以近似认为每个螺栓所承担的工作载荷是均等的，因此每个螺栓所受的工作剪力为： F = = 72644 = (4中， z 为螺栓数目。 对于普通螺栓，必须保证预紧后连接平面最大摩擦力大于或等于横向载荷。假设每个螺栓需要的预紧力均为 0，螺栓数目为 z，其平衡条件为 0 (4由此得预紧力 0为 0 (4式中： f 结合面摩擦系数（查技术手册） i 结合面数 防滑系数， =本螺栓组中，已知 = 726N， 取 f 取 z=16,i=1. 所以： 0 = 7266 如图 4示，此连接是利用铰制孔螺栓来承受剪切载荷 F 的，螺栓杆与孔壁无间隙，受挤压力，在结合面处，螺栓杆受剪切力。计算时假设螺栓杆与孔壁表面上的压力分布是均匀的，又因在此处的连接中预紧力是很小的，故不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响 10。 4 造波机各部分的机械结构设计 19 图 4栓受剪力图 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 = 0 (4螺栓杆的剪切强度条件为 = 402 (4式中： N； 0 螺栓剪切面的直径， 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度， 螺栓或孔壁材料的许用挤压应力， 螺栓的许用剪切力， 选择材料为 能等级为 找手册知其屈服极限为 = 240，查得安全系数为 S=材料许用应力为 = = = 120。 按粗牙普通螺纹标准 ( 196 2003)，考虑到实际安装情况等因素，选用螺纹公称直径 d = 8纹小径 1 = 根据式 (4求得螺栓杆所受的剪切力为 = 402= 2 = 单个螺栓受到的剪切力为 小于螺栓 所选用 材料的许用应力 ， 符合设计的要求 。 毕业设计 20 动装置的设计 珠丝杠副的 计算 与选型 1） 导程精度选择 造波机并非精密仪器，对精度要求并不需要特别高，根据丝杠螺纹长度并参考技术手册 11,可以选择导程精度等级为 容许误差最大为 18m。 2）丝杠导程 丝杠导程 4到 60 = （ 4 式中 : i 传动比 ,一般取 1； 造波机最大运动速度； 电机最高转速。 对计算结果取整 , 选择 12程的丝杠。 3） 螺杆轴径 螺杆轴径 D 由式 (4确定 : D 2 107 = (4式中： f 丝杠安装系数 , 取 1； 电机最高转速； S 最大行程。 根据实际规格，选择轴径为 30 4） 螺帽的选择 螺帽的选择需考虑精度、螺杆轴径、长度等因素，因为造波机对精度要求并不太高，螺杆轴径 也不是很大，综合考虑技术要求及经济性，选取内循环法兰型螺帽，型号为卷数 B3。 4 造波机各部分的机械结构设计 21 5） 滚珠丝杠长度 滚珠丝杠的长度 L 由式 (4确定 : L = S + 600 + 142 + 30 +60 = 832 4 式中 : 螺帽长度 ,142 轴与联轴器的连接长度 ,30 与轴承连接的长度，取为 60 滚珠丝杠最短为 832虑到一定的轴端预留量，可将丝杠长度选定为 900 6）型号的选定 综合考虑以上几点，最终选定的滚珠丝杠的型号 ： 珠丝杠材料为 50度 58帽材料为 度 58装方式为两端固定的方式。 图 4珠丝杠的固定 7）滚珠丝杠强度校核 = = 2/4 = 06N/2 (4 = = /23/16 = 07/2 (4 = 2 +42 = 07/2 (450抗拉强度为 08/2,屈服强度为 08/2，所以此滚珠丝杠的最大应力小于材料的抗拉强度和屈服强度，是安全的。 丝杆轴容许压缩负荷计算 P = 22 = 42 103 = 15000 （ 4 式中： 安全系数（取 毕业设计 22 E 纵弹性系数 （ E=042）； I 截面的 二次力矩（ I = 64 丝杆牙底直径； L 安装距离（ m、 N 安装系数（ m=N=4） P = 15943 = 05，大于 造波机轴向最大负载 滚珠丝杠能承受最大轴向负载。 线导轨的选择 波浪的产生主要依靠的是推波板的往复运动，滚珠丝杠作为传动装置可以将电机的圆周运动转化为直线运动，但是滚珠丝杠主要承受的是轴向负载，不能承受径向负载，工作台以及推波板等部件需要安装在直线导轨上来实现直线运动，这些部件的重力必须通过其他的结构来承载。考虑到重载的工作情况，直线导轨需选择重载型，通过对几家厂商的产品型号进行比较，最终选择银泰科技的重载荷型 列 ， 如图 4 图 4线导轨 列直线导轨采用 4 列圆弧接触式及 45触角的钢珠列设计，提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，无论 X、 Y、 Z 等轴的各种安装方式都可以使用，并且可在维持低摩擦阻力情况下均匀的施以预压，增强四个受力方向的刚性，特别适合高精度与高负荷的运动方式。专利的润滑油路设计，能够均匀的将润滑油脂注入每个循环回路，无论各种安装方式都可以获得最佳的润滑效果，并且提升整体的行走顺畅度与使用寿命，实现高精度、高可靠度及平滑稳定的直线运动需求。 根据负载的大小以及支撑架的尺寸，选取 0直线导轨，其数据如 图 4 4 造波机各部分的机械结构设计 23 图 4，与直流伺服电机，交流伺服电机无论在精度、可控性还是可靠性都有相对比较大的的优势，所以在本课题选取交流伺服电机。 对于交流伺服电机的选择 , 主要考虑转矩、 惯量和功率这 3 个参数。 1）滚珠丝杠承受的最大转矩 必须小于电机的额定转矩 。滚珠丝杠轴上的最大转矩 为： = 2 +1 +2 (4式中 : 丝杠上的最大轴向负载力； 丝杠导程； 丝杠的机械效率；
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