毕业设计论文 环绕式变距无轴推进器设计与初步试验研究

16届毕业设计（论文）环绕式变距无轴推进器设计与初步试验研究系部：船舶与建筑工程学院专业名称：班级：学号：作者:指导教师:环绕式变距无轴推进器设计与初步试验研究Designandexperimentalstudyofsurrounded-adjustablerimdriventhrustersI摘要环绕式变距无轴推进器是一种环绕于水下艇体，且不需要舵设备的推进器，其依靠螺距的改变来改变速度大小和方向，还能有一些特殊航态。其结合了变距推进器的优势，也拥有无轴轮缘推进器的优势。主要用于水下运输和水下观光，未来还带算运用于水下救援和水下维修。本文主要运用变距推进器和无轴轮缘推进器的工作原理完成了环绕式变距无轴推进器的设计和模型制作，并通过预先设定的程序使模型完成直线航行、曲线航行和侧移等航态。首先根据其原理完成了环绕式变距无轴推进器的设计方案。其次完成模型的制作，制作过程包括压载水舱模块、动力模块、艇体和电气四大部分。最后完成了环绕式变距无轴推进器模型的制作、试验以及改进。关键词：变距桨；无轴推进器；轮缘推进器；环绕式；水下推进器IIAbstractWraparoundvariablepitchpropellershaftisasurroundintheunderwaterhull,anddoesnotrequirearudderpropeller,whichreliesonthepitchchangethemagnitudeanddirectionofvelocity,stillcanhavesomespecialnavigationstate.Itcombinestheadvantagesofvariablepitchpropeller,alsohasanadvantageofpropellershaftflange.Mainlyusedforunderwatertransportandunderwatertourism,thefutureisalsousedforunderwaterrescueandunderwaterrepair.Inthispaper,theuseofvariablepitchpropellerandshaftflangepropellerworkscompletedawraparoundvariablepitchpropellershaftdesignandmodelmaking,andthatcausesthemodeltocompletethelinenavigation,navigationcurveandlateralshiftnavigationstatebypresetprograms.Accordingtoitsprinciple,thedesignschemeofthesurroundtypevariablepitchpropelleriscompleted.Secondly,modelmaking,theproductionprocessincludingballastwatertankmodule,powermodule,hullandelectricalfourparts.Attheendoftheexperiment,themanufacturing,testingandimprovementofthemodelofthesurroundtypevariablepitchpropellerarecompleted.Keywords:CCP(controllablepitchpropulsionplant);shiftlessrim-driventhruster;surrounded;ThrusterIII目录摘要.IABSTRACT.II目录.III第一章绪论.11.1研究背景.11.1.1无轴推进器的研究背景.11.1.2变距推进器的研究背景.11.2国内外研究现状.11.2.1国外研究现状.11.2.2国内研究现状.21.3本文研究的主要内容.21.4本章小结.3第二章环绕式变距无轴推进器的原理.42.1引言.42.2环绕式变距无轴推进器的背景技术.42.3环绕式变距无轴推进器的原理概述.42.3环绕式变距无轴推进器的发明目的.52.4环绕式变距无轴推进器的技术方案.5IV2.5环绕式变距无轴推进器的优点.72.6本章小结.7第三章环绕式变距无轴推进器的设计方案确定.83.1引言.83.2设计方案初定.83.2.1结构设计方案.83.2.2运动设计方案.83.3基于Fluent软件的流体仿真.83.3.1仿真前数据收集.83.3.2Gambit模型绘制和网格划分.93.3.3Fluent数值模拟.103.3.4仿真结果数据处理.113.4结构设计.113.4.1初步结构设计.113.4.2结构设计的确定.123.5结构设计的合理性计算.123.6本章小结.13第四章环绕式变距无轴推进器模型的试验准备.144.1引言.14V4.2模型制作材料的选择及确定.144.2.1模型制作材料的选择.144.2.2模型制作材料的确定.174.3压载水舱模块的制作过程.194.4动力模块的制作过程.214.4.1艇内部分的制作过程.224.4.2艇外桨叶轨道的制作过程.294.4.3动力模块的整体安装.344.5艇体的制作过程.344.6艇内电气部分的制作过程.354.7推进器程序设计.364.7.1步进电机控制程序.364.7.2旋转支架控制程序.374.7.3中部灯光及电机控制程序.414.8本章小结.44第五章环绕式变距无轴推进器的试验及改进.455.1引言.455.2压载水舱进排水的实验及改进.455.2.1压载水舱进排水的实验.455.2.2压载水舱进排水的改进.45VI5.3动力模块的实验及改进.465.3.1动力模块的实验.465.3.2主轴电机的改进.465.3.3电机接头的改进.475.4无线通信的试验及改进.485.4.1无线通信的试验.485.4.2无线通信的改进.485.5增加vb上位机.485.5下水试验.49总结.51致谢.52参考文献.531第一章绪论1.1研究背景1.1.1无轴推进器的研究背景近年来，随着世界各国之间贸易的加强，海上货运量增加，船舶数量、吨位也随之提升。但随着船舶大型化的发展，传统船舶推进系统己经逐渐显现出它的劣势，无法更好地满足工作要求。在传统推进系统中，主机、推进轴系、螺旋桨等是不可或缺的装置。而随着主机单机功率的增大，其体积也随之增大，推进轴系长度更是增至几十米甚至百米，部分船舱被占用，导致空间利用率低下。同时，由于推进轴系长度的增加，结构日趋复杂，在能量传递过程中损耗增大，传递效率降低，增加了船舶的设计难度和建造成本。这些缺陷导致人们逐渐将目光转向更加先进的无轴推进系统。1.1.2变距推进器的研究背景着造船工业的发展以及遥控技术的日益完善，可调螺距桨（调距桨）推进装置的应用越来越广泛1。船舶调距桨推进装置由于其桨叶角度（即螺距角）连续可调，使得主机负荷、推力大小和方向在一定范围内任意调节，因此可以大大改善船舶在各种航行工况下的推进效率，提高船舶的可靠性能和机动性能，延长主机的寿命。当船舶主机在部分负荷下运行时，可通过主机转速和螺距比H/D的优化匹配，既能使动力装置具有较高的效率，又可提高船舶的续航力和经济性。通过调节螺距，不但可控制航速，还可以实现船舶的倒航，使之具有更好的机动性和操纵性，提高船舶的自动化程度。21.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状2004年，美国的SchillingRobitics公司开发的5叶推进器，输入电压600V，功率7.5kW，输出转速1000r/min，额定推力为2000N，其主要特点是无需水密，允许海水通过电机内部，有助于降低电机温度，提高电机功率密度。2005年，挪威Brun-voll公司开发了大型4叶轮缘推进器，输出功率100kW，其特点在于灵活性强、耐用度高；通过选用多槽式电机，通过永磁体的旋转带动螺旋桨运转；其轴承采用磁性流体轴承，减少维修和污染问题；根据安装位置设计导流罩，以减少噪声和振动。2006年，荷兰的VanderVeldenMarineSystem公司开发了管道式7叶无轮毂驱动推进器，并在此基础上开发了一系列多种规格的产品，螺旋桨直径从0.45-1.05m，输出功率30-295kW，整体体积相对于其他产品较薄，并可与其他机械手臂相连，增加运动自由度。1.2.2国内研究现状702研究所主要就轮缘推进器的水动力特性进行研究，包括螺旋桨的样式外部导流罩的形状及其对推进效率的影响。台湾的成功大学在2008年研制一台小型轮缘驱动推进器的样机，但其功率较小，体积较大，只能用于小型无人潜水器中1.3本文研究的主要内容本文主要研究设计水下环绕式变距无轴推进器的模型设计、模型具体制作过程。以及模型试验，试验后对模型的改进。（1）模型的设计参考对比国内外无轴轮缘推进系统的模型制作与运行原理结合流体力学，机械设计，控制设计等多方面考虑因素设计环绕式变距无轴推进器模型。3（2）模型具体制作过程根据模型设计及具体制作环境和设备、材料等讲解模型的具体制作过程。（3）下水试验在模型制作过程中，不断进行具体试验，看是否符合设计原则。在最终模型试验结束后，整体下水进行试验，测试浮沉状态，运行姿态。（4）模型改进试验结束后针对试验结果对桨叶外形、动力装置、控制系统进行改进。1.4本章小结本章通过分析国内外无轴轮缘推进系统的研究现状、研究背景，揭示了课题研究的意义。最后，概述模型制作的目标和内容。本文的研究目标是环绕式变距无轴推进器模型的模型设计选型，模型具体制作过程以及模型的试验和改进。4第二章环绕式变距无轴推进器的原理2.1引言本章主要描述环绕式变距无轴推进器的背景技术、原理、技术方案和优势。其中非常具体的阐述了环绕式变距无轴推进器的技术方案。2.2环绕式变距无轴推进器的背景技术现有技术中定距螺旋桨推进是实现水面和水下船舶航行推进方式的现有技术之一，定距螺旋桨虽然结构简单，经济安全，但它不能在各种工况下充分发挥其作用，实践证明定距螺旋桨成了卡住船舶进一步提高航速等性能的重大障碍，为了满足现代船舶大型化、高速化的需求，极需一种具有强劲推进力，并且能节省能源，工艺结构设计合理的船舶航行推进装置，来取代现在广泛采用的定距螺旋桨推进装置。然而变距螺旋桨作为一种新型的推进系统，在船舶推进器中所占的比重逐年扩大，传统的变距螺旋桨推进器尺寸都比较小，为达到一定推力，转速高，增加了空泡效应，使螺旋桨腐蚀加快。2.3环绕式变距无轴推进器的原理概述环绕式变距无轴推进器特征在于，包括设于水下航行体体周的固定支架，设于固定支架上的驱动电机，与驱动电机输出端固定连接的转动支架，若干个设于转动支架上的驱动磁铁，以及设于转动支架外侧、并通过从动支架与驱动电机输出端转动连接的浆毂；在所述浆毂外侧通过舵机固定有8个浆叶，在浆毂内侧设有若干个与驱动磁铁一一对应设置的从动磁铁，驱动电机带动转动支架上的驱动磁铁转动，同时驱动磁铁和从动磁铁间的磁力带动浆毂上的桨叶旋转；本发明的优点在于，本发明通过舵机改变桨叶的方向，从而改变螺距，实现快速倒车而避免采用反转机构，可以保证驱动电机在任何工况下发出全功率，大大增加了船舶的机动性和经济5性。图2-1推进器原理图2.3环绕式变距无轴推进器的发明目的提供一种加大了螺旋桨的尺寸，使其环绕于体周，且可调节螺距角，实现转向、升沉和侧移，进而提高螺旋桨的推进效率的环绕式变距无轴推进器。2.4环绕式变距无轴推进器的技术方案环绕式变距无轴推进器包括设于水下航行体体周的固定支架，设固定支架上的驱动电机，与驱动电机输出端固定连接的转动支架，若干个设于转动支架上的驱动磁铁，以及设于转动支架外侧、并通过从动支架与驱动电机输出端转动连接的浆毂；在浆毂外侧通过舵机固定有若干个浆叶，在浆毂内侧设有若干个与驱动磁铁一一对应设置的从动磁铁，驱动电机带动转动支架上的驱动磁铁转动，同时驱动磁铁6和从动磁铁间的磁力带动浆毂上的桨叶旋转。转动支架上设有激光信号发射装置，在浆毂内侧设有与激光信号发射装置对应设置的激光信号接收装置。驱动磁铁和从动磁铁均选自N极或S极磁铁，且支架上的N极、S极磁铁和浆毂内侧的N极、S极磁铁均交替布置。浆毂内还包括设于浆毂内的单片机，单片机控制舵机。转动支架由若干个一端与驱动电机输出端固定连接、且径向设置的连杆组成，驱动磁铁固定于连杆的另一端上。浆毂外侧设有8个桨叶。驱动电机为伺服电机。浆毂外表面呈流线型设置。图2-2本发明结构主视图（左上）、结构后视图（右上）和结构立体图（下）71固定支架，2驱动电机，3转动支架，4驱动磁铁，5从动支架，6浆毂，7舵机，8浆叶，9激光信号发射装置，10激光信号接收装置。2.5环绕式变距无轴推进器的优点1本发明通过舵机改变桨叶的方向，从而改变螺距，实现快速倒车而避免采用反转机构，可以保证驱动电机在任何工况下发出全功率，大大增加了船舶的机动性和经济性；2本发明浆毂和艇体完全独立，浆毂及艇内各部件分开设置，方便拆装、检修、维护；3本发明噪音小可应用于军事领域，亦可运用于潜艇辅助动力、潜艇救援、海洋打捞，在航行体内搭载海洋传感器（热电偶、盐度计、浊度计、溶解氧传感器等），可应用于海洋探测等许多方面；4本发明还可以应用到水下观测网络中，作为网络节点，进行探测，合理设置通讯模块，采用多个推进器组成团队，协同作业也是未来作品发展的良好前景。2.6本章小结本章通过描述环绕式变距无轴推进器的背景技术、原理概述、技术方案和优点具体地说明了环绕式变距无轴推进器的构造和运行方式，为模型制作提供了技术的支持和理论的铺垫8第三章环绕式变距无轴推进器的设计方案确定3.1引言本章主要根据无轴轮缘推进器和可变距推进器的工作原理和结构特点，找到其优点和缺点。得到相应结论，同时构思初步设计方案。根据实际确定本模型的最终设计方案和运行原理。3.2设计方案初定3.2.1结构设计方案方案初定是模仿无轴轮缘推进器的工作原理，结合变距桨的工作原理进行设计和制作。方案初定将浆毂设于水下艇体的体周，艇体内侧设电磁铁，利用步进电机的原理，通过磁铁磁性带动浆毂转动，在浆毂上安装舵机，其上安装桨叶。为了使水下艇能够更好的浮沉，在艇首和艇尾各安装一只压载水箱，以便让推进器更好的工作。3.2.2运动设计方案推进器总体有两种运行状态：1、通过改变所有桨叶的角度，可以在浆毂旋转速度一定的条件下改变速度和航向，可在不同工况下输出最大功率。2、通过改变一侧桨叶的角度，可以实现艇体在水下的转向、浮沉、侧移。93.3基于Fluent软件的流体仿真3.3.1仿真前数据收集基于模型的运行以及试验的可行性，将浆毂的转速暂定为60rpm，即1秒1圈。筒体拟采用直径120mm的管体，桨叶拟采用NACA0010的翼型，弦长70mm。图3-1利用软件导出NACA0010的翼型数据3.3.2Gambit模型绘制和网格划分利用Gambit软件绘制桨叶，并调整桨叶的角度，来模拟桨叶在不同攻角下的状态。10图3-2利用Gambit软件绘制桨叶（20攻角）攻角从20开始计算，先以10进行递增，根据Fluent数值模拟结果的趋势增加中间值。图3-3利用Gambit软件进行网格划分113.3.3Fluent数值模拟利用Fluent软件对已经网格划分的不同攻角桨叶进行数值模拟，来流速度为0.5m/s。表2-1通过Fluent数值模拟的结果角度升力阻力(）（N）（N）升力系数阻力系数20127.5541.20208.2567.2730151.2078.24246.86127.7435153.6999.33250.93162.1740164.27129.01268.20210.6241149.50119.87244.08195.7043157.08126.49256.46206.5245126.33110.14206.26179.8150107.64111.95175.73182.773.3.4仿真结果数据处理对Fluent数值模拟的结果进行处理得到最佳升力时的攻角。根据Fluent数值模拟结果绘制折线图和趋势线。升阻力和升阻力系数随攻角变化趋势如图3-4所示。120.0010.0020.0030.0040.0050.0060.000.0020.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00160.00180.00升力阻力Poly.(升力)Poly.(阻力)角度压力0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00升力系数阻力系数Poly.(升力系数)Poly.(阻力系数)角度系数图3-4升阻力及其系数随攻角变化趋势图由图3-4中的趋势可以得到结：论当桨叶在40左右时升力最大，小于40时升力随攻角的增加而增加，当大于45时升力随攻角的增加而减小。3.4结构设计3.4.1初步结构设计由于电磁铁制作困难且技术难度高，初步方案采用步进电机带动艇内磁铁旋转支架，通过磁性带动艇外的浆毂以及桨叶；压载水舱采用活塞式，通过步进电机带动活塞吸排水。图3-5为外形和内部结构初步设计图的前半部分，后半部分相似。13图3-5外形和内部结构初步设计（前半部分）1艇体外壳，2前端盖，3吸排水口，4前端盖固定螺丝孔，5活塞，6丝杆，7联轴器，8步进电机，9步进电机固定支架，10艇内磁铁旋转支架，11桨叶，12艇内外磁铁，13艇外桨叶轨道3.4.2结构设计的确定根据模型制作的实际环境，其中包括现有设备，技术能力，材料选购，确定设计方案。在上代推进器制作过程中发现带动磁铁旋转支架的步进电机力矩不足，且驱动板发热严重，故改用减速电机，这样减少了控制的难度，还大大增加了力矩。考虑到防水及电路布置等问题，将原先布置在浆毂内的舵机改装到艇内磁铁旋转支架上，步进电机固定支架为旋转支架上的舵机及控制电路供电，信号通信采用艇内无线通信。考虑到艇内空间有限，故艇内不设电池等蓄电设备，电源由岸边12V开关电源将220V交流电稳压到12V直流电后通过电缆接入艇内。143.5结构设计的合理性计算针对环绕式变距无轴推进器模型的结构设计进行理论计算，并将设计进行优化。主要对艇体浮力和推进器重量进行探究。现艇体长为1000mm，艇体直径为120mm，计算得船体的体积为0.011304m3。根据公式，计算得艇体所浮=g排受浮力约为，因此当压载水舱内注满水时艇体总重力必须等于浮=113.04N。113.04N表3-2模型重量估计名称数量估算重量（g）压载水舱2600电机+旋转支架2900浆毂2200艇体1900控制电路1200总计：4500根据计算模型内结构重量小于浮力，因此结构设计合理，而且还需要约6.7kg的压载，拟选取沙袋作为压载物。3.6本章小结本章通过根据无轴轮缘推进器和可变距推进器的工作原理和结构特点，初步确定了模型的设计方案及运行原理。根据初定设计方案进行桨叶数值计算和初步结构设计，并根据实际，进一步改进设计方案，确定结构设计。再对结构设计进行合理15性计算，最终确定环绕式变距无轴推进器模型的总体设计及运行原理。16第四章环绕式变距无轴推进器模型的试验准备4.1引言本章详细具体地介绍了环绕式变距无轴推进器模型各个部分的制作过程，初步形成环绕式变距无轴推进器模型，为下一步的试验及改进做准备。4.2模型制作材料的选择及确定4.2.1模型制作材料的选择（1）PVC管PVC管硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯树脂与稳定剂、润滑剂等配合后用热压法挤压成型，是最早得到开发应用的塑料管材。PVC-U管抗腐蚀能力强、易于粘接、价格低、质地坚硬，但是由于有PVC-U单体和添加剂渗出，只适用于输送温度不超过45的给水系统中。塑料管道用于排水，废水，化学品，加热液和冷却液，食品，超纯液体，泥浆，气体，压缩空气和真空系统的应用。图4-1PVC管材特点：1、具有较好的抗拉性能和抗压强度，但其柔性较差。172、PVC管材的管壁非常光滑，其对流体的阻力很小。3、PVC管材具有非常好的耐酸性、耐碱性、耐腐蚀性。4、PVC管材安装方便，不论采用胶水粘接还是橡胶圈连接，均拥有良好的水密性。（2）ABS板、ABS棒ABS塑胶原料树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母缩写）是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构。ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能。ABS工程塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和烃类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃中。ABS树脂保持了苯乙烯的优良电性能和易加工成型性，又具有丁二烯的特性弹性好、强度高，还具有丙烯腈的优良性能耐热和耐腐蚀性好，且表面硬度高、耐化学性好，同时通过改变上述三种组分的比例，可改变ABS板材的性能，故ABS工程塑料具有广泛用途，主要用于机械、电气、纺织、汽车和造船等工业。图4-2ABS圆棒（左）和ABS板（右）18特点：1、ABS综合性能比较好，冲击强度较高，化学稳定性和电性能良好。2、ABS具有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等优良特点。3、ABS流动性不是很好，但柔韧性非常好。（3）亚克力透明管、亚克力透明板亚克力，又叫PMMA或有机玻璃，源自英文acrylic（丙烯酸塑料），化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯。是一种开发较早的重要可塑性高分子材料，具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性、易染色、易加工、外观优美，在建筑业中有着广泛的应用。有机玻璃产品通常可以分为浇注板、挤出板和模塑料。亚克力具有质轻、价廉，易于成型等优点。它的成型方法有浇铸，射出成型，机械加工、热成型等。尤其是射出成型，可以大批量生产，制程简单，成本低。因此，它的应用日趋广泛，它广泛用于仪器仪表零件、汽车车灯、光学镜片、透明管道等。图4-3亚克力透明板（左）和亚克力透明管（右）特点：191、具有很好的透明度，透光率在92%以上，视觉清晰、光线柔和，着色的亚克力也有很好的展色效果。2、亚克力板具有极佳的耐候性、较高的表面硬度和表面光泽，以及较好的高温性能。3、亚克力板有良好的加工性能，既可采用热成型，也可以用机械加工的方式。4、透明亚克力板材具有可与玻璃比拟的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它不像玻璃那么易碎，即使破坏，也不会像玻璃那样形成锋利的碎片。5、亚克力板的耐磨性与铝材接近，稳定性好，耐多种化学品腐蚀。6、亚克力板具有良好的适印性和喷涂性，采用适当的印刷和喷涂工艺，可以赋予亚克力制品理想的表面装饰效果。7、亚克力板不会自燃，但其属于易燃品，且不具备自熄性。（4）PLA聚乳酸（PLA）是一种新型的生物基及可生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。聚乳酸的热稳定性好，加工温度170230，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装、建筑业、农业、林业和医疗卫生等领域。20图4-4PLA3D打印材料PLA作为3d打印的优势：1、打印熔融时的气味适宜，没有像ABS的刺鼻气味。2、材料刚度好，打印出来的硬度好，强度好，作为结构件经久耐用。3、熔点比ABS低，流动较快，不易堵塞喷嘴。4、本身是透明材料，调色做出来效果鲜艳，富有光泽。4.2.2模型制作材料的确定通过对PVC管和亚克力透明管优缺点进行比较，根据实际制作设备、制作能力、制作水平等因素的考虑，模型制作材料使用如下：（1）艇体外壳：亚克力透明管材原因：用透明管便于观察内部结构，且PVC是会变色的，硬度也没有亚克力的高。（2）内部型材：ABS板材、亚克力透明板材21原因：简单平面结构或由平面结构粘接得到的结构可以用亚克力透明板材制作。通过学院的激光雕刻机可对亚克力透明板材进行精准切割；电机附近的板材由于受到很大的震动，故采用ABS板材制作。通过学院的数控3D雕刻机可对ABS板材进行精确切割。图4-5数控3D雕刻机图4-6数控激光切割机（3）桨叶、旋转支架等立体结构：PLA、ABS3D打印原因：艇内很多细小结构不易线性加工，而且轴孔要求的精度比较高，故采用学校3D打印机打印制作。22图4-73D打印机4.3压载水舱模块的制作过程环绕式变距无轴推进器模型采用活塞式压载水舱，打算采用PVC管做外壳，橡胶圈做防水的活塞，但经过样品制作后发现阻力很大，而且有渗漏的现象，故放弃了这种做法。因此，采用4支成品80ml针筒作为压载舱主体。图4-8压载水舱CAD设计图图中：（1）绿色所示的是80ml针筒，直径36mm，截取55mm，保留橡胶活塞。（2）红色所示的是步进电机，其型号为17HD2447-01N，尺寸为2342*42*40mm，轴长12mm，直径5mm。图4-9雕刻机工程文件制作时，两针筒并排间距8mm，其上下各粘一张74*30*4mm的ABS板（图4-9中板1和2）来固定，为了防止脱胶和滚动，在每个针筒和板接触的角落与针筒平行粘一根3*50mm的ABS圆棒（图4-8中青色所示）。针筒靠近端盖的一段上下粘一张尺寸52*10*5mm的板条，来增加针筒与端盖的连接强度。粘接时都是先用ABS专用胶粘接，干燥牢固后再刷一层502胶水以加固。针筒与步进电机连接时采用上下都粘板的形式，以增加其刚度。上下板的尺寸分别为115*52*4mm、136*52*4mm。针筒活塞推柄的末端固定一张粘有4mm螺母的活塞连接板（图4-9中板5）。步进电机使用电机支撑板（图4-9中板3）靠四颗3的固定螺丝固定。4丝杆（图4-8中蓝色所示）通过联轴器与步进电机轴连接，末端依靠针筒间的支撑挡板（图4-9中板4）支撑，保证其同轴性，减少晃动。24图4-10压载水舱模块成品1联轴器，2螺母，3活塞与端盖粘接，4限位开关，5活塞连接板，6活塞（针筒）吸排水时，电机给旋转信号，丝杆旋转，带动活塞连接板移动，活塞移动，水舱的重量改变，达到压载水舱的功能。4.4动力模块的制作过程动力模块是环绕式变距无轴推进器模型的核心部件，其精度要求较高，因此制作前将各个部分都在Pro/E软件中画出，并且进行组合，确保匹配。动力模块的Pro/E组件装配图如图4-11所示。25图4-11动力模块装配图4.4.1艇内部分的制作过程艇内包括减速电机、舵机、电机连接接头（图4-11中紫色部分）、旋转支架（图4-11中黄色部分）、磁铁支架（图4-11中红色部分）、电路。26图4-12艇内部分结构图（1）艇内旋转支架旋转支架的主要作用：1、连接艇内电机；2、支撑舵机；3、支撑磁铁。旋转支架的主要组成：1、磁铁支撑；2、舵机支撑；3、电路板支撑柱。旋转支架的Pro/E零件三视图如图4-13所示。图4-13旋转支架三视图及立体图通过装配和整体协调确定了旋转支架的结构，并利用学校3D打印机使用PLA材料制作。27图4-14正在3D打印中的旋转支架（上）和成品（下）图4-15旋转支架结构说明1舵机安装平台，2磁铁安装槽，3电路板安装螺丝孔，4舵机安装平台支撑板，5磁铁安装槽支撑板，6旋转支架固定螺丝孔（2）电机接头28电机接头用来连接电机和旋转支架。中间通孔直径和电机轴相同，侧壁上留有紧径螺丝孔。圆盘与连接柱相接部位有倒角。圆盘上留有和支架上对应的固定螺丝孔。电机接头的Pro/E零件三视图如图4-16所示。图4-16电机接头三视图及立体图通过装配和整体协调确定了电机接头的结构，并利用学校3D打印机使用PLA材料制作。图4-17制作完成的电机接头1电机轴孔，2电机轴紧径螺丝，3旋转支架固定螺丝孔，4旋转支架固定平面，5倒角（3）磁铁支架磁铁支架的作用是连接磁铁和舵机。艇内外的磁铁支架依靠磁性相互对应，将舵机的转动传递到桨叶上。磁铁支架的Pro/E零件三视图如图4-18所示。29图4-18磁铁支架三视图及立体图通过装配和整体协调确定了磁铁支架的结构，并利用学校3D打印机使用PLA材料制作。图4-19制作完成的磁铁支架1磁铁，2磁铁安装槽框，3舵盘，4舵机连接螺丝，5舵盘固定螺丝（4）电路30每个动力模块使用1个ArduinoNanoV3.0平台板，其搭载了AT