用于教學水洞的兩自由度轉動機構設計【13張CAD圖紙】

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水洞兩自由度轉動機構設計 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 學 生：陳森海 指導教師：李鷺揚 完成日期：2014年5月30日 揚州大學廣陵學院學院 摘要 水洞像風洞一樣，是流體力學基本研究的主要工具。在水洞中可以研究如流動與實驗物體之間的作用力，邊界層現(xiàn)象,湍流，特別是氣濁水彈性現(xiàn)象和自由液面現(xiàn)象。 本文水洞實驗運動平臺的實驗要求，對試驗裝置的俯仰和偏轉的兩自由度運動機構進行設計和分析。 本文對水洞試驗的國內外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展意義以及兩自由度機構的現(xiàn)狀進行了闡述，在此基礎上進行兩自由度運動機構的結構設計；介紹SolidWorks軟件和對所設計的兩自由度運動機構裝置進行的三維造型過程；對所設計的運動機構的主要節(jié)點進行的強度校核和力學性能的分析；在校核的基礎上選擇了合適的電機；最后對本課題做一個總結和展望。 關鍵詞：串聯(lián)，兩自由度，水洞，三維造型。 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. 3 摘要目錄 Abstract 第一章 緒論 1 1.1課題背景及意義 1 1.1.1研究現(xiàn)狀 2 1.2本課題研究內容 4 第二章 兩（少）自由度運動機構的基礎理論基礎 6 2.1兩（少）自由度運動機構的基礎理論 6 2.2兩（少）自由度運動機構的發(fā)展趨勢 7 第三章 兩自由度運動機構的結構方案設計和分析 8 3.1兩自由度水洞運動機構的機構原理 8 3.2兩自由度水洞試驗設計方案對比 8 3.3強度校核.......................................................................................................10 第四章 兩自由度運動機構的三維造型及結構分析 13 4.1三維造型軟件SolidWorks簡介 13 4.1.1啟動SolidWorks和界面簡介 14 4.1.2快捷鍵和快捷菜單 17 4.1.3模塊簡介 18 4.2自由度運動機構的三維造型過程 19 4.2.1用SolidWorks對各零部件進行造型 19 4.2.2用SolidWorks各零部件進行裝配 25 第五章 電機的選擇 26 5.1電機的簡述 26 5.2電機的選擇 26 5.3本章小結 27 總結 29 參考文獻 31 致 謝 32 5 第1章 緒論 1.1課題背景及意義 在實驗流體力學領域內，風洞測試和水洞測試是實驗的兩種主要形式。水洞 是一種水動力學實驗和研究設備，其中有導引良好的，可控制的水流。在水洞中 實驗物體是靜止的（或是轉動的，例如船舶螺旋槳），水是流動的。就水洞的布 置與運轉而言，它與亞聲速風洞類似，只是實驗介質不同。典型的重力式水洞如圖所示 圖1-1非循環(huán)重力式水洞示意圖 對于水洞的應用來講，其研究的現(xiàn)象與亞聲速風洞的研究現(xiàn)象類似，比如流動與實驗物體之間的作用力，邊界層現(xiàn)象和湍流。此外，水洞還可以用來研究水動力學中特有的現(xiàn)象，特別是空化，水彈性現(xiàn)象和自由液面現(xiàn)象。 空化 空化是由于在流動的動力作用下局部壓力降低而引起的水的蒸發(fā)．所以它依賴于試驗水流中的絕對壓力．這個現(xiàn)象使在一定條件下可達到的流動速度不得超過一定的限度，因此在實際上很重要利用水洞能夠改變試驗段的絕對壓力而不改變其他的流動特性的特點，在水洞中用光學方法和聲學方法觀測到了空化現(xiàn)象．它是一個白色泡沫狀的區(qū)域。 水彈性 試驗物體的彈性特性和水流之間的相互作用叫做水彈性．它與氣動彈性類似，但支配水彈性的流動現(xiàn)象與支配氣動彈性的流動現(xiàn)象不同，因為兩者的流動介質在密度上有很大的差別．水彈性是水洞研究中最重要的問題之一．自由液面現(xiàn)象 自由液面水洞能夠研究自由液面現(xiàn)象。 綜上所述，無論是商業(yè)上的應用還是軍事上的應用,水洞的建立對于水力學 的研究具有很高的價值。 1.1.1研究現(xiàn)狀 實驗水洞的前驅可以追溯到 1895 年帕森斯建造的第一個空化實驗水洞,其 又在 1910 于英國沃爾森德（Wallsend）[1]建造了一座大型水洞，其用途為研究 空化狀態(tài)下的螺旋槳實驗。在歐洲，直至第二次世界大戰(zhàn)這一段期間還曾建造了 其他幾個研究螺旋槳的水洞。當時在帕森斯水洞基礎上已有不少改善和改進，但 新水洞的基本原理還是相同的。1938年投入運行的荷蘭船舶模型池[2]的直徑91.4厘米（36 英寸）大型水洞即為一例。在同一時期，對空化現(xiàn)象的普遍關心，促使開展文透里計與其他受約束的管道實驗，設置轉為單個水翼剖面實驗的循環(huán)系統(tǒng)，以及為水泵和水輪機研究用的變壓循環(huán)系統(tǒng)。這些研究工作的進展大部分在歐洲。在美國，1934 年加州理工學院水力機械實驗室為研究水泵建制了水流循環(huán)系統(tǒng)。這些循環(huán)系統(tǒng)所具有的特性和測試設備均體現(xiàn)在以后的水洞中。第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)時問題的迫切需要，加速發(fā)展了可供各種物體和部件進行實驗的通用水洞。在美國，第一個這種水洞是柯乃普等人和戴利介紹的加州理工學院1942 年建置并在 1947 年重建改善的高速水洞。這一裝置是現(xiàn)代化設備的前驅，它具有專門控制設備和比以前更高精度，更多樣化的量測附屬設備。它對以后的水洞具有廣泛的影響。其基本特性包括下列各部分： 1.工作段，可以安裝模型并進行觀察； 2.水流循環(huán)系統(tǒng)，基本上包括水泵和管路，用以保持水流通過工作段； 3.空氣重溶系統(tǒng)，當工作段發(fā)生空化時重溶可能從水中釋放出來的任何摻入的氣泡； 4.含氣量控制系統(tǒng)， 使水流重溶解空氣量保持為任何需要的常量； 5.控制系統(tǒng)，用以調節(jié)工作段的壓力，流速和溫度，并使之保持在任一組規(guī)定數值； 6.天秤，用它可將模型放置在不同位置，并可量測作用在模型上的動水作用力。 此水洞的基本特色，均已體現(xiàn)在一些最重要的現(xiàn)代化水洞中。 為了避免進入擴散段的水流過早出現(xiàn)空化現(xiàn)象，促使了另一個水洞型式，即自由射流水洞，如早期在哥廷根建成的水平射流二維水洞，以及在圣安東尼瀑布實驗室興建的自由射流垂直式的圓斷面水洞。除此之外，還有自由面水洞，它是研究物體稍微潛水或插入自由面的一種設備。水下導彈，水翼，水柱和某些類型的水工建筑物均為實例。顧名思義，這種水洞的唯一特征是其自由面工作斷有改 變水面以上空氣壓力的設施。加州理工學院自由面水洞就是一個實例。 國內在水洞實驗這方面的研究雖然不如國外先進，但是也建立了一批水洞設 施，比較著名的是中國船舶重工集團公司第七 0 二所的水洞實驗室。還有很多位于大學內的水洞實驗室，比如 1983 年西安工業(yè)大學由黃景泉教授帶頭建造的用于科研和教學的水洞實驗室，再比如上海交通大學的重力式空泡水洞、徐匯校區(qū)的國內最早（1958）的封閉循環(huán)式水洞以及哈爾濱工程大學的重力式低噪聲水洞，其基本設計方法都借鑒了國外的水洞設計經驗。由于本文研究的對象為重力式水洞，關于這方面的文獻，柴恭純，劉春陽[3]介紹了一座可調速，可調壓的非循環(huán)重力式水洞。此類水洞不需要驅動水流的動力設備，且無設備的噪聲干擾，不僅投資經濟，建造周期短，而且易于提高實驗質量，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為數甚少，其原因除地點選擇及布置比較困難外，運行技術上還存在著水洞實驗段水速和靜壓不能獨立調節(jié)的困難，嚴重地限制了它的應用。 關于水洞部件的研究，收縮段是水洞的重要部件，它的主要作用是提高實驗段的流動品質，即改善流場的均勻性，穩(wěn)定性及降低湍流度。在實際水洞中，既有軸對稱的圓截面收縮段，又有矩形截面的收縮段。在三元收縮段中，流動在橫向發(fā)生變化，壁面的順壓梯度隨著橫向位置不同而改變，收縮段的出口流動均勻性的情況也與軸對稱收縮段不同。隨著計算流體力學的發(fā)展，收縮段的研究轉變?yōu)楦鶕鎸崡l件對收縮段進行優(yōu)化設計，這方面也已經有了不少研究[4-8]。關于水洞設計中的收縮曲線，由于水洞跟低速風洞設計上的近似，本文在水洞設計上借鑒了低速風洞的一些經驗[9-13]。國內風洞設計中多推薦采用 Witozinsky 曲線，即維氏曲線；近年來美國風洞設計常采用五次方程；文獻[14]推薦使用雙三次曲線，林超強、蘇耀西、洪流等[15]對采用以上曲線的矩形風洞設計進行了研究給出了流動的三元性質對壁面逆壓梯度和出口速度均勻性影響的數值結果。 隨著現(xiàn)代科學技術（如制造技術、機器人技術、生物科學技術等）的發(fā)展，對各種機械設備性能的要求越來越高，例如醫(yī)療器械的發(fā)展對微型高精度設備的要求，制造業(yè)設備的高速度，高精度，高強度需求，等等。航空航天事業(yè)這種需求更為嚴格，混聯(lián)機構在這種需求下就產生和演化了。目前國內外的機構選型主要呈現(xiàn)以下兩種趨勢: 一種是傳統(tǒng)的串聯(lián)機構，這里介紹一下， 串聯(lián)式機構組合是指若干個單自由度的基本機構順序聯(lián)接，每一個前置機構的輸出運動是后置機構的輸人，若聯(lián)接點設在前置機構中作簡單運動的構件上，即形成所謂的串聯(lián)式組合。其主要優(yōu)點是工作空間大，靈活性與可操作性較好, 技術積累較成熟, 但剛度差、定位精度低是應用于裝置的致命不足。 SolidWorks是特征造型軟件的新秀，向廣大機械設計人員提供用戶界面更好、運行環(huán)境更大眾化的實體造型實用功能，它將零件三維造型與裝配設計、二維出圖融為一體，可使工業(yè)界迅速普及三維產品設計技術。Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。 1.2本課題研究內容 本文首先利用三維造型軟件SolidWorks對兩自由度運動機構裝置進行三維造型，其次運用虛擬樣機技術對其進行幾何學建模，并對其進行初步的運動學和動力學分析。在具體操作時，采用了ADAMS軟件作為輔助分析工具。ADAMS軟件是目前在機構運動學、動力學以及樣機參數化分析等方面功能比較強大的軟件之一，并聯(lián)機構運動的復雜性可以利用ADAMS提供的這些功能進行分析，并可以方便、快捷地得到可視化的結果和分析過程中的各種參數及線圖，為后繼的研究分析工作提供比較直觀的可參考依據。 本文具體研究工作主要包括以下幾個方面： 第一章論述了課題的工程背景和課題的研究意義，提出了本文的主要研究內容。 第二章介紹兩（少）自由度運動機構的基礎理論研究 第三章簡要介紹了設計的兩自由度運動機構的機械原理，校核幾處連接處的強度和載荷 第四章簡述了三維造型軟件和設計的兩自由度運動機構的三維造型過程 第五章是簡要介紹選擇的電機及其性能 最后是結論部分，對全文進行總結，并對進一步研究進行一些展望。 第2章 兩（少）自由度運動機構的基礎理論研究 2.1兩（少）自由度運動機構的基礎理論 一個不受任何約束的自由體在空間有6個自由度，即3個方向移動的自由度和3個方向的轉動的自由度。如果構件受到不同程度的約束，自由度將不同程度地減少，這類機構的自由度在2-5之間。在機器人的運動機構中，少自由度運動機構占著很大的比重。少自由度運動機構的特點是： 1.工作空間大； 2.驅動件少，構件少； 3.控制方便簡單； 4.制造容易，價格低廉； 5.正向求解容易。 也真是因為以上特點，少自由度運動機構在實際領域中有著廣泛的應用前景。而在機器人運動機構中，兩自由度運動機構可以根據需要可以采用不同結構。比如兩自由度解耦球面機構、兩自由度閉鏈機構和平面兩自由度機構等等。香港科技大學研制的并聯(lián)機器人樣機采用的就是平面2自由度驅動冗余機構。通過增加一個串聯(lián)分支同時增加一個驅動，構建了平面2自由度驅動冗余并聯(lián)機器人，這種驅動冗余并聯(lián)機器人的特點在于能克服瞬時自運動奇異而改善機構的靈巧性，同時減小了原非驅動冗余機構的理論可達工作空間。由于由于驅動冗余可以改善機器人力傳遞的一致性，既減少了工作空間內的奇異，同時增加了機器人的承載能力和剛度，能夠有效完成非冗余并聯(lián)機器人的工作任務。 2.1兩（少）自由度運動機構的發(fā)展趨勢 由于多自由度運動機構存在建模困難，運動耦合和對元件精度要求高等不足，而且在許多情況下并不需要六自由度機構，低于六自由度即可滿足實際要求。因此，近年來一些少自由度機構成為新的研究熱點，少自由度機構具有結構簡單、造價低等特點，在實際領域中有著廣泛的應用前景。同時少自由度機構的出現(xiàn)，構的許多結構、運動學等方面的性質尚未被認識，目前國內外現(xiàn)有的空間機構綜合與組成原理不成熟，仍存在許多待解決的問題。因此分析少自由度機構的結構特性及運動特性，對少自由度機構的應用具有重要的理論意義，而且具有極高的研究價值。大大豐富了運動機構的機理，拓寬了這些新機理的應用前景。但有些少自由度機構的許多結構、運動學等方面的性質尚未被認識，目前國內外現(xiàn)有的空間機構綜合與組成原理不成熟，仍存在許多待解決的問題。因此分析少自由度機構的結構特性及運動特性，對少自由度機構的應用具有重要的理論意義，而且具有極高的研究價值。 第三章 兩自由度運動機構的結構方案設計對比和分析 3.1兩自由度水洞試驗設計方案機構原理 該機構用于教學水洞，教學水洞的最大水流速為3m/s,要求機構實現(xiàn)模型在水洞中的俯仰和偏航的兩自由度轉動。由于轉動的角度較大，一般采用串聯(lián)機構結構。該機構裝配在水洞上蓋處，要求防水、輕質和運動可靠。運用齒輪和螺桿來實現(xiàn)俯仰和偏航的兩自由度轉動 3.2兩自由度水洞試驗設計方案機構原理對比圖 下面是兩個方案設計圖 方案1 圖3-1所示為齒輪傳動的水洞兩自由度轉動機構 1:電機 2:搭板 3:齒輪 4：大板 5：軸 6：俯仰零件 7：連桿 8：電機 9：機架 10：軸承 11蝸輪蝸桿 方案2 圖3-2所示為蝸輪蝸桿傳動的水洞兩自由度轉動機構 對比兩種方案 蝸輪蝸桿的優(yōu)缺點：優(yōu)點，有比較大的傳動比，非常緊湊的結構，能夠平穩(wěn)的傳動，噪聲也非常小，其自身能夠使用自鎖性能。 缺點，傳動摩擦損失比較大，效率也很低，成本比較大 齒輪傳動的優(yōu)缺點：優(yōu)點是使用的圓周速度和功率范圍廣，效率較高，傳動比穩(wěn)定，壽命長，工作可靠性高，可實現(xiàn)平行軸，任意角交錯軸之間傳動 缺點，要求較高的制造和安裝精度，不適宜遠距離兩軸之間傳動 綜上所述，齒輪傳動的方案比較適合。 3.3強度校核 本設計的兩自由度運動機構中，所涉及到的強度校核和受力分析較少，只需要對幾處連接處進行強度校核和受力分析即可。 圖3-3所示為空心桿的校核位置 圖3-4所示為搭板的校核位置 大板和空心管，搭板和電機等都是通過螺栓連接的，選擇擰緊螺栓使連接在承受工作載荷之前預先受到預緊力作用。預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對位移。經驗也證明適當選用較大的預緊力對螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強度都是有利的。通常規(guī)定，擰緊后螺紋連接件在預緊力作用下產生的預緊應力不得超過其材料屈服極限的80%。對于一般連接用的鋼制螺栓連接的預緊力，按下列關系確定： 碳素鋼螺栓 合金鋼螺栓 （3-1） 式中：—螺栓材料的屈服極限 —螺栓危險截面的面積， 在承受預緊力和工作拉力的緊螺栓連接下，螺栓的總拉力 （3-2） 上式中稱為螺栓的相對剛度，則螺栓危險截面的拉伸強度條件為 （3-3） 查相關資料，選擇螺栓的材料為35#鋼，屈服強度和抗拉強度，在末端15kg載荷下： 。所選擇的M6，M10螺栓符合強度要求。 第4章 兩自由度運動機構的三維造型及結構分析 4.1三維造型軟件SolidWorks簡介 　　　SolidWorks是特征造型軟件的新秀，向廣大機械設計人員提供用戶界面更好、運行環(huán)境更大眾化的實體造型實用功能，它將零件三維造型與裝配設計、二維出圖融為一體，可使工業(yè)界迅速普及三維產品設計技術。Solidworks是一套智能型的高級CAD/CAE/CAM組合軟件，它集設計、加工、分析功能于一身，能方便地進行三維實體設計、加工制造以及動力學及熱力學的各項分析。 SolidWorks系統(tǒng)有以下特點： 1.Solidworks是一個基于造型的三維機械設計軟件，它的基本設計思路：實體造型--虛擬裝配--二維圖樣。通過零件三維造型可以畫出3D效果的零件圖，并可以用這些3D零件生成二維的工程圖和三維的裝配體。 2.SolidWorks是通過給點尺寸來驅動的。改變尺寸就可以改變零件的大小和形狀。 3.SolidWorks模型包括零件、裝配及工程圖等。零件、裝配和工程圖是一個模型的不同表現(xiàn)形式，對其中任意一個的改動都會使其它兩個自動跟著改變。 4.SolidWorks可以利用特征造型來建立零件的模型。用來生成零件的特征包括形狀特征（圓角、倒角、孔等）和操作特征（拉伸、掃描、旋轉、放樣等）。 4.1.1啟動SolidWorks和界面簡介 安裝SolidWorks后，在Windows的操作環(huán)境下，選擇【開始】→【程序】→【SolidWorks 2006】→【SolidWorks 2006】命令，或者在桌面雙擊SolidWorks 2006的快捷方式圖標，就可以啟動SolidWorks?2006，也可以直接雙擊打開已經做好的SolidWorks文件，啟動SolidWorks 2006。圖4-1是SolidWorks 2006啟動后的界面。 圖4-1 SolidWorks界面 這個界面只是顯示幾個下拉菜單和標準工具欄，選擇下拉菜單【文件】→【新建】命令，或單擊標準工具欄中按鈕，出現(xiàn)“新建SolidWorks文件”對話框，如圖4-2所示。 圖4-2 “新建SolidWorks文件”對話框 這里提供了類文件模板，每類模板有零件、裝配體和工程圖三種文件類型，可以根據自己的需要選擇一種類型進行操作。這里先選擇零件，單擊【確定】按鈕，則出現(xiàn)圖4-3所示的新建SolidWorks零件界面。 圖4-3 新建SolidWorks零件界面 這里有下拉菜單和工具欄，整個界面分成兩個區(qū)域，一個是控制區(qū)，另一個是圖形區(qū)。在控制區(qū)有三個管理器，分別是特征設計樹、屬性管理器和組態(tài)管理器，可以進行編輯。在圖形區(qū)顯示造型，進行選擇對象和繪制圖形。特別是下拉菜單幾乎包括了SolidWorks 2006所有的命令，如果在常用工具欄沒有顯示的不常用的命令，可以在菜單里找到；常用工具欄的命令按鈕，可以自己根據實際使用的情況自己確定，后面將介紹工具按鈕的設置。 其中圖形區(qū)的視圖選擇按鈕，是SolidWorks 2006新增功能，單擊倒三角按鈕，可以選擇不同的視圖顯示方式，如圖4-4所示。 若在圖4-3中單擊下拉菜單【文件】→【打開】命令，或單擊標準工具欄中按鈕，出現(xiàn)“打開”文件對話框，如圖4-5所示。其中具體操作就是Windows界面的操作，相信大家自己應該會做的。 ? 圖4-4 視圖選擇按鈕 圖4-5 “打開”文件對話框 然后單擊【文件】→【保存】命令，或單擊標準工具欄中按鈕，出現(xiàn)“另存為”對話框，如圖4-6所示。這時，讀者就可以選擇自己保存文件的類型進行保存。如果想把文件換成其他類型，只需單擊【文件】→【另存為】命令，在出現(xiàn)的“另存為”對話框中選擇新的文件類型進行保存。 圖4-6 “另存為”對話框 4.1.2．快捷鍵和快捷菜單 使用快捷鍵和快捷菜單及其鼠標是提高作圖速度及其準確的重要方式，在Windows操作里面有很多使用它們的，這里主要介紹SolidWorks快捷命令的使用和鼠標的特殊用法，簡單介紹如下： （1）快捷鍵 快捷鍵的使用和Windows的快捷格式基本上一樣，用Ctrl+字母，就可以進行快捷操作，這里就不詳細介紹了。 （2）快捷菜單 在沒有執(zhí)行命令時，常用快捷菜單有四種：一個是圖形區(qū)的，一個是零件特征表面的，一個是特征設計樹里面單擊其中一個特征，還有就是工具欄里面的，單擊右鍵后就出現(xiàn)如圖4-7所示快捷菜單。在有命令執(zhí)行時，單擊不同的位置，也會出現(xiàn)不同的快捷菜單，這里就不一一介紹了，讀者可以自己在實踐中慢慢體會。 零件特征表面 特征設計樹 圖形區(qū) 工具欄 圖4-7 快捷菜單 （3）鼠標按鍵功能 左鍵：可以選擇功能選項或者操作對象。 右鍵：顯示快捷菜單。 中鍵：只能在圖形區(qū)使用，一般用于旋轉、平移和縮放。在零件圖和裝配體的環(huán)境下，按住鼠標中鍵不放，移動鼠標就可以實現(xiàn)旋轉；在零件圖和裝配體的環(huán)境下，先按住Ctrl鍵，然后按住鼠標中鍵不放，移動鼠標就可以實現(xiàn)平移；在工程圖的環(huán)境下，按住鼠標的中鍵，就可以實現(xiàn)平移；先按住Shift鍵，然后按住鼠標中鍵移動鼠標就可以實現(xiàn)縮放，如果是帶滾輪的鼠標，直接轉動滾輪就可以實現(xiàn)縮放。 4.1.3．模塊簡介 在SolidWorks軟件里有零件建模、裝配體、工程圖等基本模塊，因為SolidWorks 軟件是一套基于特征的、參數化的三維設計軟件，符合工程設計思維，并可以與 CAMWorks 及 DesignWork 等模塊構成一套設計與制造結合的CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)，使用它可以提高設計精度和設計效率；可以用插件的形式加進其他專業(yè)模塊（如工業(yè)設計、模具設計、管路設計等）。 其特征是指可以用參數驅動的實體模型，是一個實體或者零件的具體構成之一，對應一形狀，具有工程上的意義；因此這里的基于特征就是零件模型是由各種特征生成的，零件的設計其實就是各種特征的疊加。參數化是指對零件上各種特征分別進行各種約束，各個特征的形狀和尺寸大小用變量參數來表示，其變量可以是常數，也可以是代數式；若一個特征的變量參數發(fā)生變化，則這個零件的這一個特征的幾何形狀或者尺寸大小將發(fā)生變化，與這個參數有關的內容都自動改變，用戶不需要自己修改。 這里介紹一下零件建模、裝配體、工程圖等基本模塊的特點。 （1）零件建模：SolidWorks提供了基于特征的、參數化的實體建模功能，可以通過特征工具進行拉伸、旋轉、抽殼、陣列、拉伸切除、掃描、掃描切除、放樣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圖，還可以插入裝配體中形成裝配關系，并且生成數控代碼，直接進行零件加工。 （2）裝配體：在SolidWorks中自上而下生成新零件時，要參考其他零件并保持這種參數關系，在裝配環(huán)境里，可以方便地設計和修改零部件。在自下而上的設計中，可利用已有的三維零件模型，將兩個或者多個零件按照一定的約束關系進行組裝，形成產品的虛擬裝配，還可以進行運動分析、干涉檢查等，因此可以形成產品的真實效果圖。 （3）工程圖：利用零件及其裝配實體模型，可以自動生成零件及裝配的工程圖，需要指定模型的投影方向或者剖切位置等，就可以得到需要的圖形，且工程圖是全相關的，當修改圖紙的尺寸時，零件模型，各個視圖、裝配體都自動更新。 4.2自由度運動機構的三維造型過程 4.2.1用SolidWorks對各零部件進行造型 以簡單的“空心柱”為例 （1）打開SolidWorks界面后，單擊【文件】→【新建】命令或者單擊按鈕，出現(xiàn)“新建SolidWorks文件”對話框，選擇【零件】命令后單擊【確定】按鈕，出現(xiàn)一個新建文件的界面，首先單擊【保存】按鈕，將這個文件保存為“空心柱”。 （2）在控制區(qū)單擊【前視基準面】，然后在草圖繪制工具欄單擊按鈕，出現(xiàn)如圖4-8所示的草圖繪制界面；在圖形區(qū)單擊鼠標右鍵，取消選中快捷菜單的【顯示網格線】復選框，在圖形區(qū)就沒有網格線了。在作圖的過程中，由于實行參數化，對于網格一般不應用，所以在以后的作圖中，都去掉網格。 圖4-8 草圖繪制界面 （3） 單擊繪制【圓】按鈕，在圖形區(qū)過原點繪制圓，然后再繪制圓。需要注意各條圖線之間的幾何關系。不需要具體確定尺寸，只需確定其形狀即可，實際大小是在參數化的尺寸標注中確定的。 （4）單擊工具欄【智能尺寸】按鈕，標注尺寸，標注一條直線的長度，就單擊這條直線，就會自動標注尺寸了，此時的尺寸不是所要求的尺寸，鼠標確定尺寸的位置，單擊鼠標左鍵，就會出現(xiàn)【修改】對話框，在對話框中輸入實際尺寸大小，單擊按鈕或者按回車鍵即可；標注圓或者圓弧的尺寸是一樣的。標注結束后，圖形如圖4-9所示。 4-9零件草圖 （5）單擊特征工具欄的【拉伸凸臺、基體】按鈕后，在【屬性管理器】中的【從（F）】的【開始條件】選擇【草圖基準面】選項，【深度】欄輸入700mm后，單擊按鈕，即可出現(xiàn)圖4-10所示圖形。 4-10零件三維造型圖 （6）點擊【參考幾何體】選擇【基準面】后，單擊【前視基準面】，即可出現(xiàn)圖4-11所示圖形。 4-11零件基準面 （7）單擊【草繪】后選擇【基準面2】，然后單擊【圓形】按鈕，同樣不需要具體確定尺寸，只需確定其形狀即可，實際大小是在參數化的尺寸標注中確定的。單擊工具欄【智能尺寸】按鈕，標注尺寸，在【修改】對話框，在對話框中輸入實際尺寸大小，單擊按鈕或者按回車鍵即可。標注結束后，圖形如圖4-12所示。 4-12零件草圖 （8）單擊特征工具欄的【拉伸凸臺、基體】按鈕后，在【屬性管理器】中的【從（F）】的【開始條件】選擇【草圖基準面】選項，【深度】欄輸入20mm后，單擊按鈕，即可出現(xiàn)圖4-13所示圖形。 4-13零件三維造型圖 選中剛拉伸的凸臺，重復前面的拉伸切除動作，即可出現(xiàn)如圖所示的圖形 4-14零件三維造型圖 （9）單擊【草圖】后點擊零件，單擊繪制【圓】按鈕，在【半徑長度】中輸入9mm，單擊按鈕，共繪制4個圓，單擊按鈕；單擊工具欄【智能尺寸】按鈕，修改數值。單擊按鈕即可出現(xiàn)圖4-15所示圖形。 4-15零件草圖 （10）單擊特征工具欄的【拉伸切除】按鈕后，在【屬性管理器】中的【從（F）】的【開始條件】選擇【草圖基準面】選項，【深度】欄輸入10mm后，單擊按鈕，即可出現(xiàn)圖4-16所示圖形。 4-16零件三維造型圖 （11）在與上面相同的位置畫圓，過程與前面兩個步驟相同最后得到的圖形如4-17所示 圖4-17零件三維造型圖 根據上面的過程，依次可以把電機，齒輪，空心軸和俯仰零件等所有三維零件造型畫出來。 4.2.2用SolidWorks各零部件進行裝配 打開SolidWorks界面后，單擊【文件】→【新建】命令或者單擊按鈕，出現(xiàn)“新建SolidWorks文件”對話框，選擇【裝配體】命令后單擊【確定】按鈕，出現(xiàn)一個新建文件的界面，首先單擊【保存】按鈕，將這個文件保存為“彎刀機構裝配”。 （1） 單擊【配合】按鈕后，依次選中空心柱，俯仰零件，軸套，齒輪，電機等零件，在配合特征里【重合】，即完成配合。 （2） 按照裝配的要求逐步完成配合，即可完俯仰機構的裝配。如圖4-18所示 圖4-18所示為三維裝配圖 第5章 電機的選擇 5.1電機的簡述 電機（英文：Electric machinery，俗稱“馬達”）是指依據電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M（舊標準用D）表示。它的主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。 最常用的電動是步進電機和直流刷式伺服電機。選擇步進電機是因為它們可以在沒有開環(huán)反饋傳感器的系統(tǒng)中運行。步進電機是可靠性和成本效益高，常用于不需要急加速，高速轉動和伺服電動機的位置準確性的機構。 刷式直流伺服電機可以達到更高的速度，并提供比步進電機平滑的低速操作與更精細的位置分辨率，但它們都需要一個或多個反饋傳感器的封閉回路，這樣了增加系統(tǒng)的成本和復雜性。 5.2電機的選擇 根據所處的課題背景和性能的分析，選擇型號為KBMS-25H04-A的Kollmorgen電機和FAULHABER 4490H036B-K1300電機 型號為KBMS-25H04-A的電機屬于Kollmorgen AKM 系列無刷伺服電機，AKM 無刷伺服電機以廣泛的標準產品提供前所未有的選擇范圍和靈活性，允許工程師針對電機具體特性選擇最優(yōu)化的最好的伺服電機。 AKM 高性能伺服電機能夠提供廣泛的安裝、連接、轉速、反饋和其它選項。AKM電機有25種法蘭/鐵芯堆疊組合，擁有高扭矩/密度比和高加速度，可輸出極其平滑的性能。AKM電機擁有適合全球電壓標準的各種繞組設計，與S200、S300和S600高性能伺服驅動器配套使用，可提供最優(yōu)化的性能。電機有0.16~53Nm連續(xù)轉矩輸出，可適合各種應用需求。轉速可達8000 rpm，可滿足高速應用要求。 精選的旋轉變壓器、整流編碼器或智能反饋裝置（SFD），可以滿足廣泛的驅動和系統(tǒng)要求。緊湊（高轉矩/體積比），可在狹小空間中獲得最大的轉矩。相同的轉矩值具有多種法蘭尺寸，可以優(yōu)化安裝和慣量匹配能力。 5-1 kollmorgen電機轉配圖 FAULHABER 4490H036B-K1300電機采用FAULHABER空心杯專利技術制作，轉動慣量小、啟動電壓低、空載電流小，最高轉速達100 000rpm。由于摒棄了機械結構的換向系統(tǒng)，因此運行平穩(wěn)、噪音極低。名義電壓從1~48V DC，功率最大212W，直徑范圍1.9~44mm，長5.5~90mm，最大輸出轉矩2758mNm，配FAULHABER減速箱后，最大輸出轉矩高達20Nm?？膳c各種增量式、絕對式編碼器、調速驅動器等器件集成為一體，猶如有刷電機般簡單易用，可選配“線性霍爾傳感器”，配合專用驅動器實現(xiàn)高精度調速與定位控制時，無需編碼器。 5-2 FAULHABER電機零件圖 5.3本章小結 通過計算和分析，在設計電機的過程，選擇了兩個角接觸球軸承在上部，通過查找資料和閱讀文獻，這種設計是有不足之處的，而更為科學的設計是兩個角接觸球分上下布置，這樣電機的機構更加合理和力學性能更優(yōu)。 總結 本文闡述了水洞的研究背景和發(fā)展趨勢及其兩（少）自由度運動機構的基礎理論和發(fā)展趨勢。，設計串聯(lián)部分的兩自由度運動機構，以三維造型軟件SolidWorks為繪圖工具，設計出符合兩自由度運動機構。并且介紹了三維造型軟件SolidWorks和三維造型過程，校核了兩自由度運動機構中連接處的強度和齒輪的校核。 Solidworks是一套智能型的高級CAD/CAE/CAM組合軟件，它集設計、加工、分析功能于一身，能方便地進行三維實體設計、加工制造以及動力學及熱力學的各項分析。通過這段時間的學習，我不僅對該軟件的使用變得更加得心應手，而且對三維造型過程有了更深一步的理解。 本文的研究從總體來說，在三維造型的基礎上和力學分析的結論中，本次設計的兩自由度運動機構是滿足要求的。在另外，從大量的關于少自由度的研究文獻也可以看出，雖然關于少自由度機構各方面的研究工作取得了很大的進展，但是，還有大量的工作需要進一步研究和開展，展望未來，還有這樣一些難點有待我們繼續(xù)鉆研。 在這次設計中給我感受最深的就是我們應該加強同學與老師之間的相互合作與配合，老師在其中起著很大作用，他時刻地洞察著你的進展情況，關鍵時候給你指明了方向，讓你向著他理想的目標前進。同時，我們作為學生要能理解老師的一番苦意，我們要有進取心，持之以恒的精神，遇到困難不能氣餒，只有這樣才能讓指導老師看到成功的希望。 我相信，在以后的工作學習中，我會更加努力，全身心地投入社會，做出我理想的成績！ 參考文獻 [1]鄒繼明、楊世彥、程樹康、郝燕玲,兩自由度電機速度雅可比矩陣,微電機,2003.3 [2] 曹茹. solidworks 2009三維設計及應用教程（第2版）[M]，北京：機械工業(yè)出版社,2009,9.26-49. 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