哈工大現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法大作業(yè)

1、班號(hào)：1108110學(xué)號(hào)：05姓名：崔曉蒙2014年春季學(xué)期“機(jī)電產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程大作業(yè)一作業(yè)題目：雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：評(píng)閱教師：作業(yè)成績(jī)：1.設(shè)計(jì)任務(wù)雷達(dá)底座轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)：一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度承載能力：500kg被測(cè)件最大尺寸： 500 x 600mm臺(tái)面跳動(dòng)：，臺(tái)面平面度：臺(tái)面布置T型槽，便于負(fù)載安裝方位轉(zhuǎn)角范圍：土 120具有機(jī)械限位和鎖緊機(jī)構(gòu)角位置測(cè)量精度：土 5角位置測(cè)量重復(fù)性：土 3角速度范圍：。/s60 /s2.設(shè)計(jì)流程戊J總.培如上圖所示，整個(gè)設(shè)計(jì)過程分為功能設(shè)計(jì)、總體方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)總結(jié)四部分。 功能設(shè)計(jì)部分要結(jié)合所給出的性能要求以及我們?cè)O(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)的目標(biāo)客戶可能存在的功

2、能需求，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的功能進(jìn)行定義。然后將轉(zhuǎn)臺(tái)的功能細(xì)化為小的功能單元，對(duì)應(yīng)于一個(gè)個(gè)要實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)單元。然后利用QFD圖對(duì)要實(shí)現(xiàn)的各種功能實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估，評(píng)價(jià)出功能需求的相對(duì)重要性及解決方案的相對(duì)重要性。 總體方案設(shè)計(jì)部分然后綜合我們首先利用SysML語言來明確各部分功能的參數(shù)以及參數(shù)約束之間的關(guān)系， 考慮各種參數(shù)，設(shè)計(jì)出整體的設(shè)計(jì)草圖。詳細(xì)設(shè)計(jì)部分首先要使得零件實(shí)現(xiàn)其所對(duì)應(yīng)的功能， 使其滿足其精度及強(qiáng)度的要求。 在此基礎(chǔ)上， 要綜合考慮工件的可加工性， 可裝配性以及價(jià)格等因素， 從而選出最符合我們需求的設(shè)計(jì)。 然后根據(jù)確定的參數(shù)和方案， 利用三維建模軟件CATIA 來進(jìn)行三維建模， 并將 3D 圖

3、進(jìn)行投影，得出適合工業(yè)加工的 2D 圖，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)總結(jié)部分對(duì)整個(gè)過程中進(jìn)行反思， 考慮這個(gè)過程中存在的不足以及設(shè)計(jì)過程種學(xué)到的知識(shí)， 以便應(yīng)用于以后的設(shè)計(jì)當(dāng)中。設(shè)計(jì)QFD除稱 Qualification Function Deployment)是進(jìn)行設(shè)計(jì)總體規(guī)劃的工具。可以根據(jù)消費(fèi)者的需求與需求的重要性來對(duì)工程設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的規(guī)劃。如圖所示， 其中第一縱行代表了安全性高， 價(jià)格便宜， 角度定位精度高及重復(fù)定位精度高等一系列的客戶可能對(duì)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)所提出的要求。第三列 (Importance of whats) 用數(shù)字顯示出各功能的重要性。數(shù)字越大，所對(duì)應(yīng)的功能越重要，所有數(shù)字之和為 10

4、0 ，以防止把每一項(xiàng)都標(biāo)注得很重要， 無法得出比較重要的功能。 參數(shù)的分配， 理論上應(yīng)是根據(jù)對(duì)客戶的進(jìn)行調(diào)查問卷， 然后根據(jù)客戶的答復(fù)， 給第一列中的功能按重要性賦值得到的相對(duì)重要性的餅狀圖如下。定位精度、 重復(fù)定位精度、可靠性、安全性為主要考察功能， 重要性參數(shù)確定的比較合理。其中第一行代表了重量、 伺服電機(jī)等對(duì)第一列的為了實(shí)現(xiàn)功能的設(shè)計(jì)。 這里將所有能想到的設(shè)計(jì)列出。屋頂代表著各功能之間的關(guān)系。它表示了各種設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，相互促進(jìn) (+) 或者相互限制 (-). 以此可以對(duì)設(shè)計(jì)有個(gè)宏觀的綜合的考慮得到一個(gè)中性的方案。而中間的主體矩陣部分起到衡量橫行上的設(shè)計(jì)單元對(duì)客戶需求的功能的滿足程度，

5、將各列里的數(shù)字加起來， 即為該設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)的重要程度， 重要程度越大， 說明越應(yīng)該重點(diǎn)設(shè)計(jì)。如圖所示， 我們得到個(gè)設(shè)計(jì)方案的相對(duì)重要程度如下。 從圖中我們可以看出， 為了實(shí)現(xiàn)客戶所需求的功能， 軸的設(shè)計(jì)以及電機(jī)的選擇顯得至關(guān)重要。 這意味著在后續(xù)的設(shè)計(jì)中， 應(yīng) 該著重設(shè)計(jì)這部分。自-4 .總體方案設(shè)計(jì)(Configuration design )SysML語言是 UML言(Unified Modeling Language ,統(tǒng)一建模語言，一種面向?qū)ο蟮?標(biāo)準(zhǔn)建模語言，用于軟件系統(tǒng)的可視化建模)在系統(tǒng)工程應(yīng)用領(lǐng)域的延續(xù)和擴(kuò)展，是近年提出的用于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多用途建模語言，用于對(duì)由軟硬件、

6、數(shù)據(jù)和人綜合而成的復(fù)雜系統(tǒng)的集成體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化的說明、分析、設(shè)計(jì)及校驗(yàn)。在這里我們繪制參數(shù)圖如下。在下面的參數(shù)圖中，我們確定了系統(tǒng)中各部件的相互約束 情況。圖4 3 1產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)與S y s M L圖5 .底座轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵件有限元分析軸的設(shè)計(jì)與有限元分析由上邊我們得出的軸的初步的尺寸.由國家標(biāo)準(zhǔn)，我們查到尺寸和軸頸大致配合的軸承的尺寸與軸承配合處軸的直徑 d1=100mm長(zhǎng)度為34mm軸肩直徑109mm且我們要在軸上裝 以用于限位的撞塊，則軸還需要加粗，以使得軸上可以留有 6mm勺余量來供限位塊安裝之用。 綜上所述，結(jié)合后續(xù)過程中對(duì)尺寸的一些細(xì)微調(diào)整，我們的到如下軸的尺寸。 切軸的兩端分別用

7、于和轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面和諧波減速器的柔輪相連，因此，這兩個(gè)表表面的精度要求較高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取。同樣，由于軸頸處要與軸承過盈配合，對(duì)軸的表面精度同樣要求較高。因此也需要在此處標(biāo)注表面的加工精度。由以上分析，我們可以得到如下圖所示的軸的尺寸。由于階梯軸尺寸變化處，在收扭矩時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力， 因此，我們需要知道此時(shí)的軸 的強(qiáng)度及強(qiáng)度是否能達(dá)到要求。 因此我們仿真軸受的轉(zhuǎn)矩時(shí)，其各部分的受力情況以及軸的 轉(zhuǎn)角。軸仿真受的力矩圖及仿真結(jié)果如下：1 .在catia中畫出等比例模型所有上圖中參數(shù)與模型的參數(shù)完全相同。在此過程中，使用白是catia軟件，輸出模型 為igs ,由于abaqus和catia同屬達(dá)索公司

8、旗下產(chǎn)品，具有更好的兼容性，幸運(yùn)的是我最常用的也是電腦中唯一安裝的三維建模軟件就是catia 。省去了許多麻煩。2.將igs文件導(dǎo)入到abaqus中在此過程中，需要注意的是證書的正確打開否則不能打開abaqus軟件。3.設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)后劃分網(wǎng)格，劃分結(jié)果如下U gdd- i.ijfi, Pf m gfeiww-qk m fi- ScakE 國 率 PkkRk叱 &*1! A 519g i2里 ftfd Gutiwi 2 門 MH1 / Mfr1匕Tg - b ALE JUrfcw $ p M C-BMrt C#lT 注 Cve qtrts x J3t s-fawv-!4. 劃分網(wǎng)格后進(jìn)行有限元分

9、析，分析的結(jié)果，應(yīng)力云圖如下m N中中厚8際中M 9PH代 工Hs 日唱，！ 目* Pfia過昆一!.* 4IA-B30 ZithaEM &U“ alnNUulMi4dl勃茜自禽KjHviZwMfi IjH H*3/，S*Crt *n+Qpfe4ri4 I4lf /.Mb mJLkL. Um DdwukQ 0 fid- a mi舊4 C 即eclniF E虺 Km*. MpWBai，Di卬Lay Gneujpi LlK FiwfcSb CmB皤 ME,U* Mmi-E lfDMTbe- 1-3t LiiipiE I LJa -JQfr-1 1叫 bitt t-ii swhait ted Eor

10、 dfifiLTS-is Jo* JoiL AaL,fwbb npwi Fil PiKHwr n.JG*d wHnailiiiJlirJ口 JotL Uj)eg.iM1虧t*i3ard DCpletl, suooesaE-flli?J4b JobC GQKp*d vumnduLIfT&t Hb Lihpu.c f l Lb - Jab- iiip- ba twh 541bait ted Ln SBa LTs L-tJih 3 npvi： F b J4 PimMW cm.J,*Z msc*viiiL If-Jah J-zi-C U%j-St-3LDjardpie-ted, -succeHEull

11、FJo*dJE ESKpLafad -mhc*h】H應(yīng)力云圖所示，添加轉(zhuǎn)矩的地方變粗，說明形變?cè)谶@個(gè)地方比較大，集中于此。軸的兩端顏色由深藍(lán)色到淺藍(lán)最后到綠色再到黃色，說明應(yīng)力在逐漸的加大，由顏色對(duì)應(yīng)的應(yīng)力關(guān)系可以得知整個(gè)軸的應(yīng)力應(yīng)變。具有直觀生動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于這個(gè)輸出的動(dòng)畫結(jié)果， 沒有紅色的部分，大部分軸上的顏色都比較淺， 呈現(xiàn)藍(lán)色, 說明該軸的危險(xiǎn)的地方是軸的兩端，中間則比較安全，整體來看，整個(gè)軸符合安全要求。輸出應(yīng)力云圖的結(jié)果體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是方便快捷而且精確直觀，試想要是通過傳統(tǒng)的驗(yàn)算方法查閱手冊(cè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，不僅對(duì)于計(jì)算著是一個(gè)很復(fù)雜枯燥的過程，而且極大可

12、能出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)于整體的應(yīng)力應(yīng)變情況也不能有清楚的體現(xiàn)， 可見在設(shè)計(jì)復(fù)雜的、滿足現(xiàn)代產(chǎn)品需求的零部件時(shí)候，現(xiàn)代化工具的重要性。5.最上部外圓的應(yīng)變曲線 X-Y PLOT如下圖所示:AMX* M urlra C2三三三co 田:口1工春 :JJ;-，*r-l 二T我Jkkkq 二 P 捻fflF .0 is 1七*口二 1字/二打 口方一，coi I：x r-eqij：i jli asr_5 earrwricfl iibi oem cz-sr T)w KT d*ifl 7才” ivf -h i干工X7 Htry li口nH*nmsivMATLA聯(lián)合仿真協(xié)同仿真基本步驟該協(xié)同仿真分析包括以下四個(gè)基本

13、步驟，如圖8所示。圖8 ADAMS/Controls 分析步驟(1)構(gòu)造ADAMS/View樣機(jī)模型使用ADAMS/Controls模塊進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)聯(lián)合分析前，首先應(yīng)該構(gòu)造ADAMS/View的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型，或者輸入已經(jīng)構(gòu)造好的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型。機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型中包括幾何模型、各種約束和作用力等。(2)確定ADAMS勺輸入和輸出需要通過 ADAMS/View或ADAMS/Soker中的信息文件 或啟動(dòng)文件，確定 ADAMS的輸入和輸出。這里，輸出是指進(jìn)入控制程序的變量，表示從ADAMS/Controls輸出到控制程序的變量。而輸入是指從控制程序返回到ADAMS勺變量，表(3)構(gòu)造控制

14、系統(tǒng)方框圖 析軟件編寫的整個(gè)系統(tǒng)的控制圖, 個(gè)模塊。(4)機(jī)電系統(tǒng)仿真分析示控制程序的輸出。通過定義輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)ADAM加其他控制程序之間的信息封閉循環(huán)。 這里所有程序的輸入都應(yīng)該設(shè)置為變量，而輸出可以是變量或是測(cè)量值?？刂葡到y(tǒng)方框圖是用 MATLAB MATRIX或EASY得控制分ADAMS/View的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型被設(shè)置為控制圖中的一最后，可以對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行 聯(lián)合仿真分析。雷達(dá)天線協(xié)同仿真在雷達(dá)天線機(jī)械系統(tǒng)中添加控制系統(tǒng)該模型主要由馬達(dá)、 減速齒輪、轉(zhuǎn)盤、本次大作業(yè)演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的雷達(dá)天線定點(diǎn)問題， 來控制雷達(dá)天線跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。構(gòu)造ADAMS/View樣機(jī)機(jī)

15、械模型在ADAMS/View中建好的樣機(jī)機(jī)械模型如圖所示。支撐桿、仰角軸承及其天線組成，它們之間通過一定的約束關(guān)系連接在了一起。圖9雷達(dá)天線樣機(jī)機(jī)械模型確定ADAMS勺輸入和輸出雷達(dá)天線的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的輸入和輸出關(guān)系，如圖所示?？梢钥吹剑蚶走_(dá)的機(jī)械系統(tǒng)輸入一個(gè)控制力矩(control_torque )，雷達(dá)的機(jī)械系統(tǒng)則向控制系統(tǒng)輸出天線 仰角的方位角(azimuth_position )和馬達(dá)轉(zhuǎn)速(rotor_velocity )。輸入控制力矩輸出方位角和馬達(dá)速度ADAMS 型MATLAB制系統(tǒng)ADAMS/Controls程序和控制程序 MATLAB間，通過 相互傳遞狀態(tài)變量進(jìn)行信

16、息交流。因此必須將樣機(jī)模型 的輸入和輸出變量，及其輸入和輸出變量引用的輸入和 輸出函數(shù)，同一組狀態(tài)變量聯(lián)系起來。給出了定義狀態(tài) 變量的對(duì)話框。模型中共定義了4個(gè)狀態(tài)變量：天線方 位角(azimuth_position ),控制力矩 (control_torque ) 天線 高低角 (elevation_position ), 馬達(dá)轉(zhuǎn)速(rotor_velocity定義好狀態(tài)變量后就可以通過ADAMS/Controls接口定義機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的輸入輸出變量。該過程如 卜圖所示雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)仿真如下圖所示，在運(yùn)動(dòng)仿真模塊中設(shè)置步數(shù)和終止時(shí)間，然后就可以得出雷達(dá)天線的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式。而

17、當(dāng)消除了轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)后，只剩下天線的上下的角度擺動(dòng)。仿真圖像如下。simu bVc -i Ccntrd三互式一專廳野太胤閭0圍昆由百設(shè)式.0. m 日記 ti-： a. ?查看各個(gè)參數(shù)是否需要修改，是否正確，檢查無誤后，可以選擇輸出路徑，然后導(dǎo)出adams的雷達(dá)模型。構(gòu)造控制系統(tǒng)方框圖(1)啟動(dòng) Matlab程序控制系統(tǒng)建模的目的是建立一個(gè)機(jī)械和控制一體化的樣機(jī)模型，通過ADAMST框圖添加控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模，基本步驟如下：1) 啟動(dòng)Matlab程序，顯示 Matlab命令窗口界面。2) 在Matlab命令輸入提示符或 處，車入ant_test (ant_test 文件的全名為，是在A

18、DAMS/Controls中定義后自動(dòng)輸出的)，Matlab返回相應(yīng)的結(jié)果。 如下圖所示：F dr# 1呷 1 *nt * r. IgcjeI KtfftEenCWI+ ；WLLati(Ki I *zc1；Ccdr ；hM 工ar：St irf 1 iu- IL JtjB：汕；MNX Ft力 ifllRT9. W1Kelit ivt tDlrnNxji fl 69 13ut aAbzolJte tDler sncEi.le-fiIr-itial rtp ai rTWtQ5hig* pr+rtnriTiH&n1：4.3xbl AllSelwi 自本Mlhodi Fut1 1v j r atNul

19、i?k &fcutlf* 工aiStlwt JaegibiAh lAtkads試。Tg工trig arid. g-uipl timeTzusjfiinf far天*pixIliumf rwrity vUm iivtw hiihr priitrZvio-T-russiiie opt idat AJtorithn:Latfr-？irflii-rir.C mniiral: Ue- Loeal MiTin(tTIm T。1-s；10* I ?&*(5“niJ ihr*htld- q 口匕Jtjfeibr ef ccnnekALV* hcm毋 CKAihfAt(2)執(zhí)行機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析在Simula

20、tion 菜單，選才i Start命令，開始進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析。程序?qū)@示一個(gè)新的ADAMS/View窗口，顯示仿真分析結(jié)果。ADAM芨收來自Matlab的控制輸入信息，產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，向 Matlab的控制系 統(tǒng)提供天線仰角的方位角 azimuth_position 和馬達(dá)轉(zhuǎn)速rotor_velocity 的實(shí)時(shí)值。通過這 種方式，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。完成仿真分析以后，ADAMS/View自動(dòng)關(guān)閉新顯示的窗口。仿真過程如下圖所示利用ADAMS/Controls程序的互交式對(duì)話功能，可以使 Matlab暫停分析，以便能夠更仔 細(xì)的觀察和監(jiān)控 ADAMS/View中的樣機(jī)

21、圖形。具體方法如下:但是很遺憾，由于電腦原因，matlab,adams等軟件工作時(shí)候，電腦運(yùn)行很慢，在輸出了秒之后的波形后光榮卡死，所以matlab的后續(xù)輸出無法完成，請(qǐng)老師諒解。I .風(fēng)力1)在ADAMS/View顯示窗口的左上方，實(shí)時(shí)顯示仿真分析進(jìn)程時(shí)間。當(dāng)仿真分析時(shí) 間達(dá)到.1s ,馬上在 Simulink 的Simulation 菜單，選擇 Pause命令，Matlab將 暫停仿真分析。返回到ADAMS/View口，暫停仿真時(shí)，可以利用ADAMS/View主工具箱的各種視 圖方向工具，改變樣機(jī)模型的視圖方向，獲得最佳視覺效果。如果需要繼續(xù)進(jìn)行仿真分析，可以在Simulink的Simul

22、ation 菜單，選擇Start命令。程序繼續(xù)開始仿真分析。川尸電施工. .Kfil聞同-? L*I 件 |曲 I 通 |Tli I | fiWff | m 1 SdawIhKfelMCT Iffl* | M | X聯(lián)引總aa好4sWMf 上相 MU :力對(duì).USM M計(jì)霓彳里 申/國-H偽中 mM.a SM31 由(3)暫停仿真分析2)3)IIO 飆 W)科代+ Q 3力/I-.- ri j i.1i |.r i, I1B r=i 江密11 I _Ycantrols.exe 丁呵*關(guān)閉程序4笠落程fTl向應(yīng)WindoE可取嘿臉量融用t 90程序.不小LmsLRun tie戶 D.02C0 Fiame=01（4）在Matlab程序中繪制仿真分析結(jié)果利用Matlab的繪圖命令，可以繪制 Matlab產(chǎn)生的任何數(shù)據(jù)。在本例中，將控制力矩ADAMS_uou的仿真結(jié)果曲線。ADAMS_uout數(shù)據(jù)隱含在adams_sub模塊中，如圖15所示。繪制力矩圖方法如下：在 Matlab命令窗口的輸入命令提示符處，輸入plot（ADAMS_tout,ADAMS_uout）為控制力矩圖添加標(biāo)題的方法是，在Matlab命令窗口的輸入命令提示符處，輸入xlabel（時(shí)間 /s ）ylabel（控制力矩 / ）title（雷達(dá)天線輸入力矩隨時(shí)間變化曲線）Matl