机电产品现代设计方法大作业

1、课程名称：机电产品现代设计方法上课时间：2014年春季雷达底座转台设计姓 名：学 号：班 级：1108103所在学院：机电工程学院任课教师：金天国张旭堂1. 设计任务雷达底座转台设计：一个回转自由度，如下图1.1所示1#图1.1承载能力：500kg被测件最大尺寸：丘炖斃了 - f:台面跳动：0.02mm台面平面度：0.02mm台面布置T型槽，便于安装负载方位转角范围：具有机械限位和锁紧机构角度位置测量精度：_一 角度位置测量重复性：二:角速范围：W:-2. 设计流程根据机电产品现代设计方法，其设计流程大致如下图2.1所示#I5 竹 ft2计总琳AUMA-f LAUvn rtr 11 岭静s 帚

2、 ayVl lr iA q I IW fr fWft1 ft?，“*尸 11 1WKRimmm1tr-. .*« Cljir-qp J：.' HlJiH IM-1 * rFt M|1- f.TXTW 祜 Tt a iuvmfli*wi- I T- IV I rrS常!论计irR51*£LiJArt LFSf9j¥4>MI2#图2.1#根据上图所示，整个设计过程可分为四个阶段：功能设计、总体方案设计、详细设计 和设计。功能设计部分，是在结合所给出的重要性的要求及用户可能的功能目标需求的前提下， 对转台的功能进行定义分析，将每一个功能细化为一个个的功能元

3、，利用QFD图对实现各种功能的所对应的技术的相对重要性进行分析，相对重要性较高的功能技术便是设计的重 点所在。总体方案设计部分，通过利用 SysML语言来明确各部分之间的功能参数和参数约束关 系，并完成草图的设计。详细设计部分，需要使得零件实现其预定的功能，并保证其精度和强度的设计要求。 在详细设计阶段主要是利用cad等三维建模软件，完成系统的3D图，并生产对应的2D图, 完成整个设计。对于重要的零部件需要利用有限元软件进行仿真分析，保证其可靠性。最 后还需要应用动力学和运动学仿真软件进行相关的动力学和运动学分析，确定设计系统满 足功能目标要求。设计总结部分，是对整个设计过程进行反思和总结，考

4、虑整个设计过程中存在的不足 和所运用的相关知识。3. QFD需求-功能-技术分析QFD全称 Qualification Function Deployment)，是用来对所设计的系统进行总体设计规划的工具。QFD主要功能是能够实现工程设计与消费者或用户需求之间的紧密连接， 根据消费者需求和用户目标实现对设计过程的实时修改和控制，把用户的功能目标在整个 设计过程中得以体现，并根据需求的重要性对整个系统做出相应的设计规划，有重点的进 行设计。本设计根据用户对于雷达底座转台的功能重要性的需求，首先给出其需求和功能之间 的联系，如下图3.1所示的质量屋，屋顶为系统的功能，包括驱动元件的转速、体积、重

5、量，及传动元件和传感器的可靠性等，左侧围用户对于系统的功能目标的需求，由用户直 接给出的功能，如角度位置测量精度：一、角度位置测量重复性： '、角速范围：等和用户潜在的功能需求，如人机交互、成本、节能等方面的需求组成。图3.1中各功能需求后面的数字代表着这些功能的相对重要性，即importanee ofwhats，其数字越大代表其重要性越高，用户对于这些需求的重要性之和应该等于100。质量屋屋顶代表各部分功能之间的相互联系，分为positive、negative和不明确三种情况。QFE Mou« H 3昭怜-5 m吉二兰 t墙理覽1 i ZJ .-L*-sit 孝囂，-p:耳

6、-P''755."K5=I蚀*T矿 4 “u* I. Ti RBfeadiw-刊dqP: TPrajKri H* Ma&idtI B»LHiO'MriMn Dvtqirwnr:图3.1根据功能需求的质量屋可以计算出各部分功能的相对重要性，其相对重要性如下图3.2所示。由图中可以看出，驱动元件转速、传感器精度、传感器分辨力及其灵敏度等相对重 要程度较高。QFDi rtwn ¥图3.2在功能需求关系确定之后，可以进一步根据功能的重要性建立与实现相关功能的技术 手段之间的重要性和联系，如下图 3.3功能技术图所示。功能技术图的屋顶是实现相

7、关功 能可能用到的相应技术手段，与功能需求图相同，屋顶不同的符号表示不同技术手段之间 的相关性，也分为positive、negative和不明确三种情况。左侧是在功能需求图的基础上, 把功能需求图中得到的有关功能及其对应的重要性移植到功能技术图中。具体情况可以参 看图3.3所示，图的最下方是计算所得的相关技术手段的对应的重要程度的数值。图3.3根据上面的功能技术的质量屋可以计算出各部分技术的相对重要性，其相对重要性如 下图3.4的柱状图所示。由图可以看出，电动机、编码器、感应同步器、压电加速度传感 器等的重要程度较高，也说明在实现用户所要求的功能目标的众多技术手段中，上述这些 技术相对更适合所

8、设计的系统。例如，在动力源的选择上，既有液压马达，又有电动机， 综合考虑其他因素后，电动机的重要性明显高于液压马达，由此可知系统的动力源应该选 用电动机而不是液压马达，这样个有利于和其他技术手段之间的协调性和兼容性。综上所 述可知动力源的选择是电动机，位置传感器选择编码盘，加速度传感器选择是压电加速度 传感器，变速机构综合考虑是选用可以变速的电动机代替变速机构，故电动机应该选用可 以变速的电动机。DEti 3 am Wvn F_ f KDk-WQU J ratMri teppHtripis图3.44. 总体方案设计SysML语言是UML语言（Unified Modeling Language,

9、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4.1用SolidWorks软件进行产品初步建模如下图所示:图4.25底座转台关键件有限元分析5.1台面结构有限元分析在考虑转台的台面尺寸设计时，由于所要求的载荷的尺寸为，故台面尺 寸应该大于或等于该尺寸，为了保证安装的可靠和操作方便，可以给台面留下一定的余量，

10、因此，选择台面的尺寸为 御曲,留下100mm勺余量，其台面图如下图5.1图所示。7r OU in i41l台面图5.1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 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F的变形情50mn可以得到一个比较好的结果。台面取50mn厚时其应力应变图如下:nW.ANSYSHUJLkdOl.15W -Slfltl .T 3UH2flil#IDn.2?S!-rfT.naeijwt利卞.輯松-fc应变图5.2COOL 9orra ntr-m »a9K &quo

11、t;f. VXfTIHNI -3. E12TEAN5¥SB*itmi 1$HlbliU.B31T2BL.T3X47.5U1B討劉i.m®JuUblJ汕r*»班理世计卉Ji H Ef V ir应力图5.36.ADAMS/MATLAK 合仿真9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

12、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，下图说明了这个过程。图6.1使用MSC.ADAM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。下图说明了这个过程。图6.2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 A

13、nalysis of Mechanical System）软件是美国 MS（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 EASYS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仿真结合起来。为此，本报告专门就ADAM中如何实现机械和控制一体化仿真做一个总结。图6.3该协同仿真分析包括以下四个基本步骤，如下图所示图6.4(1) 构造ADAMS/VieW羊机模型 使用

14、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勺机械系统样机模型，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ADAM的输入和输出需要通过ADAMS/View或 ADAMS/Solver中的信息文件或启动文件，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ADAM的变量，表示控制程序的输出。通过定义输入和输出，实现ADAM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

15、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勺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。在ADAMS/View中建好的样机机械模型如图18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6.5(6)确定ADAM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

16、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(azimuth_position )和马达转速(rotor_velocity )。输出方位角和马达速度ADAM模型MATLA控制系统图6.6ADAMS/Controls程序和控制程序MATLA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个状态变图6.7量：天线方位角(azimuth_position)，控制力矩(control_tor

17、que )，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/Controls接口定义机械系统和控制系统间的输入输出变量。（7）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ADAM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an

18、t_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 names :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

19、 ADAMS_initADAMS_modeADAMS_pinputADAMS_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，如果输入ADAMS_outputs，Matlab 显示机械系统中定义的所有输出：ADAMS_outputs=rotor_velocity!azimuth_position 。（2）输入ADAM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

20、这个相同的文件， 但是文件的内容会有所不同。图6.82) 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 antennal。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antennal窗口中的adams_sub模块，显示adams_sub模块的子系统如图22所示。£ie甕reAormat 左©旨玄匸丄昌IrdikT u . .CM图6.9(3) 设置仿真参数1) 在新显示的Simulink窗口中，如图13所示，双击MSCSoftware模块，显示MSCSoftwa

21、re模块参数对话框，如图14所示。*3： M)威 Fi0VI it -界刚士】製illMT 1»丄咄R旨比歯i. " file) di 3n iJ)tf5.rVL tr or>L file-f4F 441 i&r-E !>!>>£>61 r*:loryn： |Fsiu-aJ. J图 6.102） 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。ADAMS/Controls将以文件名 mytest保存仿真分析结果。ADAMS/Controls输出仿真结果（.r

22、es）、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?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（An imatio n mod©栏，选择in teractive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

23、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antennal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莫块之间的连接 和参数设置。5) 在File菜单，选则Save命令，将控制系统的Simulink文件存盘。图 6.11在ADAM的ADAMS/Controls模块的例题目录中(ADA

24、M程序安装目录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MSCSoftware模块的参数进行重新设置。(5) 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

25、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，关闭Matlab仿真参数设置对话框。（2）执行机电系统联合仿真分析在 Simulation 菜单，选择 Start 命令，开始进行机电系统联合仿真分析。程序将显示 一个新的ADAMS/VieW窗口，显示仿真分析结果。ADAM接收来自Matlab的控制输入信息，产生相应的运动。同时，向 Matlab的控制系 统提供天线仰角的方位角 azimuth_position 和马达转速 rotor_velocity 的实时值。通过 这种方式，机械系统和控制系统实现闭环控制。完成仿真分析以后，ADAMS/View自动关闭新显示的窗口。（3）暂停仿真分析利用 ADAMS/Controls 程序的互交式对话功能， 可以使 Matlab 暂停分析， 以便能够更仔 细的观察和监控ADAMS/View中的样机图形。具体方法如下：1）在ADAMS/View显示窗口的左上方，实时显示仿真分析进程时间。当仿真分析时 间达到.1s，马上在Simulink的Simulation 菜单，选择Pause命令，Matlab将 暂停