大作业指导书(机电产品现代设计方法)

1、大作业指导书（机电产品现代设计方法）金天国 编2014年5月一 要求：大作业：主题：利用现代设计方法进行典型机电产品设计题目可以自定，字数10000字左右图 基于现代设计方法的产品设计组成框架（一）设计任务雷达底座转台设计： 一个回转自由度 图设计对象承载能力：500kg被测件最大尺寸：500×600mm台面跳动：0.02mm，台面平面度：0.02mm台面布置T型槽，便于负载安装方位转角范围：±120°具有机械限位和锁紧机构角位置测量精度：±5角位置测量重复性：±3角速度范围：0.001°/s60°/s二、大作业具体规范：（

2、一）设计流程图 设计流程与设计内容和设计方法上图所示，整个设计过程分为功能设计、总体方案设计、详细设计和设计总结四大部分。其中，在功能设计部分，我们要结合所给出的性能要求以及我们设计的转台的目标客户可能存在的功能需求，对转台的功能进行定义。然后将转台的功能细化为一个个小的功能单元，对应于一个个要实现功能的结构单元，为后续的设计打下基础。然后利用QFD图对要实现的各种功能实现综合评估，评价出功能需求的相对重要性及解决方案的相对重要性，在以后的设计中，要对比较重要的功能投入比较多的精力重点设计。在总体方案设计部分，我们首先利用SysML语言来明确各部分功能的参数以及参数约束之间的关系，然后综合考虑

3、各种参数，设计出整体的设计草图。在详细设计部分，首先要使得零件实现其所对应的功能，使其满足其精度及强度的要求。在此基础上，要综合考虑工件的可加工性，可装配性以及价格等多方面因素，从而选出最符合我们需求的设计。然后根据确定的参数和方案，利用三维建模软件CATIA来进行三维建模，并将3D图进行投影，得出适合工业加工的2D图，完成整个设计。设计总结部分，对整个过程中进行反思，考虑这个过程中存在的不足以及设计过程种学到的知识，以便应用于以后的设计当中。（二）QFD设计QFD(全称Qualification Function Deployment)一种用来进行设计总体规划的工具。QFD的主要功能是实现工

4、程设计与消费者的需求的精确连接，根据消费者的需求与需求的重要性来对工程设计做出相应的规划。如图2.4所示，其中第一纵行代表了安全性高，价格便宜，角度定位精度高及重复定位精度高等一系列的客户可能对所设计的转台所提出的要求。第三列(Importance of whats)用数字显示出各功能的重要性。数字越大，所对应的功能越重要，所有数字之和为100，以防止把每一项都标注得很重要，造成无法得出比较重要的功能的现象。至于参数的分配，理论上应该是根据对客户的进行调查问卷，然后根据客户的答复，给第一列中的功能按重要性赋值得到的相对重要性的饼状图如下。我们发现定位精度、重复定位精度、可靠性、安全性为主要考察

5、功能，重要性参数确定的比较合理。其中第一行代表了重量、伺服电机等对第一列的为了实现功能的设计。这里将所有能想到的设计列出。屋顶代表着各功能之间的关系。它表示了各种设计之间的关系，相互促进(+)或者相互限制(-). 以此可以对设计有个宏观的综合的考虑得到一个中性的方案。而中间的主体矩阵部分起到衡量横行上的设计单元对客户需求的功能的满足程度，将各列里的数字加起来，即为该设计方案所对应的重要程度，重要程度越大，说明越应该重点设计。如图所示，我们得到个设计方案的相对重要程度如下。从图中我们可以看出，为了实现客户所需求的功能，轴的设计以及电机的选择显得至关重要。这意味着在后续的设计中，应该着重设计这部分

6、。（三）总体方案设计（Configuration design）SysML语言是UML语言(Unified Modeling Language，统一建模语言，一种面向对象的标准建模语言，用于软件系统的可视化建模)在系统工程应用领域的延续和扩展，是近年提出的用于系统体系结构设计的多用途建模语言，用于对由软硬件、数据和人综合而成的复杂系统的集成体系结构进行可视化的说明、分析、设计及校验。在这里我们绘制参数图如下。在下面的参数图中，我们确定了系统中各部件的相互约束情况。图产品初步结构与图（四） 底座转台关键件有限元分析（一）台面结构有限元分析接下来我们考虑台面的设计。台面的直径受载荷的最大直径限制，

7、因为载荷的要求为500×600mm，留下100mm余量，则台面的直径为600。图 台面负载图对于台面厚度的确定，主要需要考虑台面的强度、以及台面在载荷的作用下的变形情况。由于这已经超出材料力学的范围，因此我们无法定量地去实施计算。我们决定用如上图所示的仿真模型来进行仿真。最终确定台面厚度取50mm可以得到一个比较好的结果。台面取50mm厚时其三维仿真图如下 图 台面各点受力情况（五）ADAMS/MATLAB联合仿真1引言航天产品中机电类产品占据了大多数，在传统的机电一体化系统设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立一个模型，然后分别采用不同

8、的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后建造一个物理样机，进行机械系统和控制系统的联合调试。如果发现问题， 机械工程师和控制工程师又需要回到各自的模型中，修改机械系统和控制系统，然后再进行物理样机联合调试，图1说明了这个过程。图1 传统机电产品开发方法使用MSC.ADAMS仿真软件，机械工程师和控制工程师可以共享同一个样机模型，进行设计、调试和试验。可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。图2说明了这个过程。图2 虚拟样机产品开发新方法显然，利用虚拟样机技术对机电一体化系统进行联合设计、调试和试验的方

9、法，同传统的设计方法相比较具有明显的优势，可以大大地提高设计效率，缩短开发周期，降低开发产品的成本，获得优化的机电一体化系统整体性能。MSC.ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) 软件是美国MSC公司的旗帜产品，是虚拟样机领域非常优秀的软件。它的功能很强大，如：给用户提供了友好的界面、快速简便的建模功能、强大的函数库、交互式仿真和动画显示功能等等。另外，MSC.ADAMS/Controls模块提供了与许多控制系统软件( 如MATLAB，MATRIX X，EASYS5等)的接口功能。利用这些软件，可以把机械系统仿真与控制系统

10、仿真结合起来1。为此，本报告专门就ADAMS中如何实现机械和控制一体化仿真做一个总结。2ADAMS中实现控制的方法介绍2在ADAMS中使用控制器来实现控制有六种方法。其中有三种方法在ADAMS内部就能够实现，不需要其它外部程序代码；另外三种方法需要使用ADAMS外部程序代码才能实现。下面简单的介绍一下这六种方法。2.1方法一：使用控制定律定义力或扭矩函数使用控制定律来定义力或扭矩的函数表达式是ADAMS中最直接的一种使用控制器的方法，为了便于说明这种方法，下面用一个简单的例子来说明。在某模型中扭矩的表达式为：F(time)=-20.0*WY(MAR_1)，这个表达式的意思是扭矩是基于Y方向的角

11、速度其增益为20的阻尼扭矩。如果这个函数是连续的，那么系统就具有很高的非线性，我们可使用STEP函数来控制相关的控制力或控制扭矩的开或关。2.2方法二：使用ADAMS/View内部的控制工具箱利用ADAMS/View的控制工具箱，可以直接在ADAMS/View样机模型中添加控制模块，完成机电一体化系统的仿真分析。该控制工具箱提供了简单的线性控制模块和滤波模块，可以方便的实现前置滤波、PID控制及其它连续时间单元的模拟仿真。2.3方法三：用FORTRAN或C来写子程序来实现用FORTRAN或C写的用户子程序可以通过编译后连接到ADAMS可执行程序中去。在应用程序中，用户自定义子程序能够很好的执行

12、控制规律而且能很好的连接到ADAMS模型中适当的物体上。该方法属于ADAMS二次开发的内容。2.4方法四：使用ADAMS/Linear模块导出状态矩阵的方法用户可以指定输入（比如控制力矩）、输出（比如角速度和偏差），从而输出状态矩阵，这些状态矩阵能被MATLAB或Matrix-X识别，但是要注意的是模型中的平衡配置要是线性化的。这种方法最大的优点是在外部代码中所有控制规律的设计是为该模型所用的。2.5方法五：使用ADAMS/Controls进行协同仿真使用ADAMS/Controls模块，可以将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软件有机地连接起来，实现将复杂的控制添加到机械系统样机模型中，对机

13、电一体化的系统进行联合仿真分析。ADAMS/Controls模块支持同MATLAB、MATRIX 、EASY5等控制分析软件进行联合分析。2.6方法六：控制框图转换成C/Fortran代码导入到ADAMS中实现该方法是把Simulink或者MSC.EASY5中的控制框图转换成C/Fortran代码后导入到ADAMS中作为一个广义状态方程来实现。这种仿真完全是在ADAMS内部执行，需要适时工作空间MATLAB/Simulink或者MSC.EASY5 v7.1以及MSC.ADAMS v2003 SP1的支持。3应用实例前面对在ADAMS中实现控制的六种方法做了简单的介绍，事实上在实际应用中不可能用

14、到每种方法，因此接下来只对其中的三种方法进行实例应用分析。3.1实例一：使用控制定律定义扭矩函数3该例子介绍了不使用控制包的元素而直接使用力矩函数来定义反馈闭环控制，模型中没有使用状态变量、传递函数等。图3显示了该例的可视化界面。这个特殊模型演示了一个指针始终跟踪一个做来回平移运动的方块的过程，模型中使用了两个测量来作为一个力矩值的输入和输出。控制系统模仿了一个比例-积分类型的控制器，因此我们能用距离测量来估算比例部分，而用速度测量来找出控制器的积分部分。图4给出了控制回路框图，其中模型中的距离误差测量设置为：DX(slider_center, Pointer.tip, Pointer.tip

15、)，DX是ADAMS中的位移函数。模型中的速度误差测量设置为：VX(slider_center,Pointer.tip, Pointer.tip,Pointer.tip)，VX是ADAMS中速度函数。上述两个函数中的slider_center和Pointer.tip分别表示滑块中心和指针顶点的marker点。图3 使用力矩函数来实现控制回路的例子图4 控制回路框图上述两个测量乘以增益后求和作为控制力矩的输入函数，其表达式为：Function10*DX(slider_center, Pointer.tip,Pointer.tip) +10*VX(Slider.slider_center, Poi

16、nter.tip,Pointer.tip, Pointer.tip)。我们能够方便的修改增益值来控制指针跟踪滑块的灵敏度。3.2实例二：使用ADAMS/View内部的控制工具箱4这个例子演示了在Adams/view中使用内部的控制工具箱的流程。模型中由两个运动部件、一个强迫运动和一个单向的扭矩组成，其中模型如图5所示。图5 使用ADAMS/View内部控制工具箱来实现控制的例子模型中连杆构件与地面之间是一个铰链连接，在铰链上施加了一个自由振荡运动；桶构件和连杆之间也是靠一个铰链连接，在桶和连杆构件之间施加了一个控制扭矩来控制桶始终保持水平。其控制框图如图6所示。图6 控制框图根据上面的控制框图

17、，我们在ADAMS/view中添加框图中的每个元素，从build菜单中选择controls toolkit，接着再选择standard controls blocks打开创建控制框图的对话框，如图7所示。图7 控制环节定义面板使用上述的控制环节定义面板，我们可以方便的定义控制输入函数，控制求和函数，控制增益，积分，低通过滤，导通延迟过滤，以及PID控制等等。但是，使用控制工具箱只能处理线性的简单控制回路，对于复杂的非线性的控制回路还得要和其它专门的控制系统分析程序接口才能完成仿真。通过该控制面板我们在上述的模型中定义了两个控制输入desired和actual，一个控制求和以及一个控制增益K。定

18、义好后进行仿真，图5中的连杆在转动过程中，连杆上的桶始终保持水平状态。3.3实例三：使用ADAMS/Controls进行协同仿真53.3.1协同仿真基本步骤该协同仿真分析包括以下四个基本步骤，如图8所示。图8 ADAMS/Controls分析步骤（1）构造ADAMS/View样机模型 使用ADAMS/Controls模块进行机电一体化系统联合分析前，首先应该构造ADAMS/View的机械系统样机模型，或者输入已经构造好的机械系统样机模型。机械系统样机模型中包括几何模型、各种约束和作用力等。（2）确定ADAMS的输入和输出 需要通过ADAMS/View或ADAMS/Solver中的信息文件或启动

19、文件，确定ADAMS的输入和输出。这里，输出是指进入控制程序的变量，表示从ADAMS/Controls输出到控制程序的变量。而输入是指从控制程序返回到ADAMS的变量，表示控制程序的输出。通过定义输入和输出，实现ADAMS和其他控制程序之间的信息封闭循环。这里所有程序的输入都应该设置为变量，而输出可以是变量或是测量值。（3）构造控制系统方框图 控制系统方框图是用MATLAB、MATRIX 或EASY5等控制分析软件编写的整个系统的控制图，ADAMS/View的机械系统样机模型被设置为控制图中的一个模块。（4）机电系统仿真分析 最后，可以对机电一体化系统的机械系统和控制系统进行联合仿真分析。3.

20、3.2某雷达天线协同仿真该实例演示了一个简单的雷达天线定点问题，在雷达天线机械系统中添加控制系统来控制雷达天线跟踪卫星信号。3.3.2.1构造ADAMS/View样机机械模型在ADAMS/View中建好的样机机械模型如图9所示。该模型主要由马达、减速齿轮、转盘、支撑杆、仰角轴承及其天线组成，它们之间通过一定的约束关系连接在了一起。图9 雷达天线样机机械模型3.3.2.2确定ADAMS的输入和输出雷达天线的机械系统和控制系统之间的输入和输出关系，如图10所示。从图10可以看到，向雷达的机械系统输入一个控制力矩（control_torque），雷达的机械系统则向控制系统输出天线仰角的方位角（azi

21、muth_position）和马达转速（rotor_velocity）。图10 雷达天线的输入和输出图11 建立状态变量ADAMS/Controls程序和控制程序MATLAB之间，通过相互传递状态变量进行信息交流。因此必须将样机模型的输入和输出变量，及其输入和输出变量引用的输入和输出函数，同一组状态变量联系起来。图11给出了定义状态变量的对话框。模型中共定义了4个状态变量：天线方位角（azimuth_position），控制力矩（control_torque），天线高低角（elevation_position），马达转速（rotor_velocity）。定义好状态变量后就可以通过ADAMS/C

22、ontrols接口定义机械系统和控制系统间的输入输出变量。3.3.2.3构造控制系统方框图控制系统建模的目的是建立一个机械和控制一体化的样机模型，通过ADAMS方框图添加控制系统，实现控制系统的建模，基本步骤如下：具体步骤如下：（1） 启动Matlab程序1） 启动Matlab程序，显示Matlab命令窗口界面。2） 在Matlab命令输入提示符”>>”或”?” 处，输入ant_test（ant_test文件的全名为ant_test.m，是在ADAMS/Controls中定义后自动输出的），Matlab返回相应的结果。% INFO : ADAMS plant actuators n

23、ames :1 control_torque% INFO : ADAMS plant sensors names :1 azimuth_position2 rotor_velocity3） 在输入提示符处，输入who命令，显示文件中定义的变量列表，Matlab返回相应的结果：ADAMS_exec ADAMS_inputs ADAMS_outputs ADAMS_poutput ADAMS_static ADAMS_uy_ids ADAMS_init ADAMS_mode ADAMS_pinput ADAMS_prefix ADAMS_sysdir可以选择以上显示的任何一个变量名，检验变量。例如

24、，如果输入ADAMS_outputs，Matlab将显示机械系统中定义的所有输出：ADAMS_outputsrotor_velocity!azimuth_position。 （2） 输入ADAMS模块 1） 在Matlab输入提示符处，输入adams_sys，显示adams_sys的模块窗口，如图12所示。adams_sys文件的全名是adams_sys_.mdl，该文件是运行ant_test.m时自动生成的，每个模型都会生成这个相同的文件，但是文件的内容会有所不同。图12 adams_sys模块窗口2） 在File菜单，选择New，打开一个新的类似于图12的空白窗口，为方便起见，将此窗口称为

25、antenna1。3） 用鼠标将图12中的adams_sub模块连同两个输出显示器，拖到新打开的antennal窗口中。4） 双击antenna1窗口中的adams_sub模块，显示adams_sub模块的子系统如图13所示。图13 adams_sub模块的子系统（3） 设置仿真参数1） 在新显示的Simulink窗口中，如图13所示，双击MSC Software模块，显示MSC Software模块参数对话框，如图14所示。图14 MSC Software模块参数设置对话框2） 在Output Files Prefix文本输入框，设置输出文件名mytest。文件名应该用单引号括起来。ADAM

26、S/Controls将以文件名mytest保存仿真分析结果。ADAMS/Controls输出仿真结果(.res)、要求(.req)和图形(.gra)等三种类型的仿真分析结果文件，在本例题中，分别是mytest.res、mytest.req和mytest.gra文件。3） 在仿真分析模式（Simulation mode）栏，选择discrete参数。仿真分析模式定义了ADAMS程序求解机械系统方程的方式，以及控制程序求解控制系统方程的方式。4） 在动画显示（Animation mode）栏，选择interactive参数。动画显示决定了在ADAMS/View中动态显示跟踪仿真结果的方式。5） 选

27、择Aplly。6） 选择OK。（4） 控制系统建模控制系统的建模需要利用Matlab程序的Simulink工具箱，建模方法如下：1） 在Matlab命令窗口，启动Simulink，显示Simulink工具库窗口。2） 双击Simulink工具库窗口的每个图标，显示各自的子工具库窗口。3） 在已经打开的antenna1窗口中，根据控制系统的具体需要，在Simulink工具库窗口中选择有关图形模块，并拖到Simulink建模窗口中。4） 按照图15所示的控制系统图，完成各控制图标以及adams_sysm模块之间的连接和参数设置。5） 在File菜单，选则Save命令，将控制系统的Simulink文

28、件存盘。图15 控制系统图在ADAMS的ADAMS/Controls模块的例题目录中（ADAMS程序安装目录下的controls/examples/antenna），保存有一个已经完成建模的控制系统Simulink文件，文件名为antenna.mdl。也可以直接从Simulink窗口中，读出antenna.mdl文件，然后进行机电系统联合仿真分析。使用antenna.mdl模块中的MSC Software模块的参数进行重新设置，如图15所示。3.3.2.4机电系统联合仿真分析（1） 设置仿真参数1） 在Simulink工具菜单栏，如图15所示，选择Simulation菜单。2） 在弹出的下一层菜单中，选择Parameteres，显示参数设置对话框。3） 设置仿真时间，在Start Time栏，输入0.0，设置开始时间。在End Time栏，输入0.25，设置结束时间。4） 在仿真类型的第一个选择栏，选择variable step mode参数。第二个选择栏，选择ode15s参数。5） 对于其他各项参数，取默认值。6） 选择OK按钮