本科畢業(yè)設(shè)計-跟瞄系統(tǒng)裝置的機械結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計

1、.哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)摘要研究液晶光學(xué)相控陣在跟蹤/瞄準(zhǔn)捕獲（APT）技術(shù)中的應(yīng)用時，需要在跟瞄系統(tǒng)遠場豎直平面內(nèi)為系統(tǒng)提供一個隨機可控的模擬目標(biāo)，這種隨機可控模擬目標(biāo)裝置是典型的機電一體化裝置。本文主要對裝置的機械結(jié)構(gòu)進行了研究和設(shè)計，提出了5種裝置的機構(gòu)構(gòu)型，重點分析了其中兩種構(gòu)型。使用MATLAB對這兩種構(gòu)型進行了運動學(xué)計算，對運算的結(jié)果進行了定性比較，選取“仿極坐標(biāo)”構(gòu)型為裝置的機構(gòu)構(gòu)型。在對裝置進行機械設(shè)計時，把裝置分為了直線運動單元和轉(zhuǎn)動單元，分別設(shè)計。在對直線運動單元進行設(shè)計時，通過比較各種形式的導(dǎo)軌和傳動方式，選擇了線性滑塊導(dǎo)軌和同步帶傳動來實現(xiàn)直線運動單元。最終

2、利用SolidWorks2008對整個裝置進行了三維設(shè)計及受力仿真分析。關(guān)鍵詞：隨機可控；模擬目標(biāo)裝置；運動學(xué)計算；同步帶傳動；受力仿真分析AbstractIn the research of liquid crystal optical phased array applied in the tracking / target acquisition (APT) technology, a controlled simulation of random targets, which were controlled device is a simulated target A typical

3、mechatronic devices is needed in the vertical plane of the far-field Tracking System. In this paper, the primary interest is the research and design of the mechanical structure of the device, five kinds of device body configuration is proposed, and the paper mainly focuses on analysis of the "r

4、obotic arm" configuration and "imitation polar" configuration. Using MATLAB to finish the kinematics calculations of these two configurations, compares the results of the calculations qualitatively, selects the "imitation polar" configuration for the device's body config

5、uration. In the mechanical design of the device, the device is divided into a linear motion unit and rotation unit, and is designed respectively. In the design of Linear motion unit, by comparing the various forms of rail and transmission mode, a linear slide rails and drive to achieve synchronous l

6、inear motor unit is chose. Finally, the whole device is performed the three-dimensional design and simulation analysis of the force by using SolidWorks2008.Keywords: Randomized controlled; Simulated target device; Kinematics calculation; belt drive; Force Simulation and Analysis目錄摘要IAbstractII第1章 緒論

7、31.1 課題研究背景31.2 課題研究內(nèi)容及意義3第2章 系統(tǒng)設(shè)計的基本知識32.1 跟瞄系統(tǒng)介紹32.2 跟瞄實驗系統(tǒng)3第3章 方案優(yōu)選33.1 設(shè)計目標(biāo)33.2 提出多種方案33.3 方案論證33.3.1 方案4的運動學(xué)分析33.2.2 方案5的運動學(xué)分析33.2.3 定性比較33.4 本章小結(jié)3第4章 機械設(shè)計及仿真34.1 總體設(shè)計34.1.1 直線運動單元實現(xiàn)方案34.1.2 轉(zhuǎn)動單元實現(xiàn)方案34.1.3 驅(qū)動類型選擇34.2 直線運動單元設(shè)計34.2.1 同步帶及帶輪設(shè)計34.2.2 線性滑塊導(dǎo)軌設(shè)計34.2.4 SolidWorks設(shè)計及仿真34.3 轉(zhuǎn)動單元設(shè)計34.3.1

8、建立約束方程34.3.2 搖臂設(shè)計34.3.3 減速器設(shè)計34.3.4 SolidWorks設(shè)計及仿真34.4 本章小結(jié)3結(jié)論3參考文獻3致謝3附錄1 圖紙3:43第1章 緒論1.1 課題研究背景光學(xué)相控陣(OPA)技術(shù)在軍用和民用光束掃描方面具有廣闊的應(yīng)用前景,除在激光顯示、激光通信和激光照排等方面外,最重要的應(yīng)用是相控陣激光雷達1、空間激光通信等軍事應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的光束掃描通常是采用一個轉(zhuǎn)鏡或振鏡來實現(xiàn)的。這種采用機械運動的方法光損耗小,掃描范圍大和結(jié)構(gòu)簡單,但是其掃描速度和精度相對較低。為了提高光束掃描速度,減小器件的體積重量,適應(yīng)空間等特殊領(lǐng)域應(yīng)用的需要,人們正在對光學(xué)相控陣技術(shù)進行深

9、入的研究2。近年來基于液晶的光學(xué)相控陣技術(shù)得到了較快的發(fā)展,這種技術(shù)的主要優(yōu)點是具有相對低的控制電壓和可以較為方便地形成光束的二維掃描。目前,在液晶相控陣技術(shù)的制作方面,雷聲(Raytheon)公司的研究成果具有一定代表性。它的這種液晶相控陣技術(shù)具有較大的孔徑(約4 cm×4 cm),約有43000個獨立的相位調(diào)制單元,實現(xiàn)了±20°較大角度的掃描,指向控制精度達微弧度量級。此外,他們正在發(fā)展口徑尺寸在10 cm×10 cm以上,相控單元更多,偏轉(zhuǎn)范圍更大的光學(xué)相控陣器件近年來,在美國國防高級研究計劃局(DAPRA)的“靈巧控制光束(STAB)”項目支持

10、下,Raytheon/Rockwell,空軍高級研究實驗室等均獲得資助從事光學(xué)相控陣技術(shù)研究。2005年,雷聲公司得到美國國防高級研究計劃局的“自適應(yīng)光相控陣鎖定單元”技術(shù)開發(fā)項目合同,開發(fā)應(yīng)用于激光通信和激光成像的電掃描激光束控制技術(shù)。2007年美國空軍研究實驗室展示了研制的二維光束偏轉(zhuǎn)器件，其方位和仰俯視場角為±300mrad，光束偏轉(zhuǎn)分辨率為2mrad，幀速率為3.125KHz，掃描角速度為24mrad/s。基于液晶的光學(xué)相控陣技術(shù)在目標(biāo)捕獲、高精度跟蹤/瞄準(zhǔn)中的應(yīng)用不斷深入，促使我們給予足夠的重視。在研究跟蹤/瞄準(zhǔn)應(yīng)用時，為了驗證整個跟瞄系統(tǒng)的可行性，需要對系統(tǒng)的性能進行測試

11、。模擬目標(biāo)二維運動臺為系統(tǒng)提供跟瞄目標(biāo)，因此，設(shè)計一套隨機可控的、運行靈活的模擬目標(biāo)二維運動臺是課題的迫切需求。1.2 課題研究內(nèi)容及意義該運動臺是“基于光學(xué)相控陣敏感控制技術(shù)”研究課題的組成部分，通過該設(shè)計，學(xué)習(xí)關(guān)于機電運動控制的理論和技術(shù)，綜合運動機械、電子、控制知識，提高解決實際問題的能力。模擬目標(biāo)二維運動臺實現(xiàn)隨機可控，是一套典型的機電一體化系統(tǒng)。本文主要對模擬目標(biāo)二維運動臺的機構(gòu)系統(tǒng)進行設(shè)計。本文研究內(nèi)容主要包括運動臺機構(gòu)方案優(yōu)選和機械設(shè)計及仿真分析兩部分。即包括：（1） 深入分析運動臺機構(gòu)的構(gòu)型，提出各種可行方案，使用MATLAB對方案進行運動學(xué)計算，最終選取最合適構(gòu)型方案；（2）

12、 在SolidWorks2008環(huán)境下設(shè)計機械結(jié)構(gòu)；（3） 在SolidWorks2008環(huán)境下對機械結(jié)構(gòu)進行仿真分析。第2章 系統(tǒng)設(shè)計的基本知識2.1 跟瞄系統(tǒng)介紹攝像機受控光束目標(biāo)準(zhǔn)直SLM擴束器激光器圖2-1 目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)示意圖跟瞄系統(tǒng)3主要由光束動態(tài)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與目標(biāo)圖像采集裝置兩部分組成，其中光束動態(tài)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)核心部件為美國BNS公司提供的液晶空間光調(diào)制器。攝像機采集目標(biāo)的運動信息，經(jīng)過計算機圖像處理，提取出目標(biāo)的運動信息，然后根據(jù)運動信息控制空間光調(diào)制器，對光束進行調(diào)制，以實現(xiàn)光束對目標(biāo)的動態(tài)跟蹤。其原理示意圖如圖2-1所示。2.2 跟瞄實驗系統(tǒng)為了驗證整個跟瞄系統(tǒng)的可行性，需要對該系統(tǒng)

13、的性能進行測試。圖2-2是整個跟瞄系統(tǒng)實驗裝置圖。照明光束目標(biāo)SLM光闌擴束激光受控光束偏振器擴束分光鏡反射鏡衰減器反射光透鏡CCD照明光束目標(biāo)SLM光闌擴束激光受控光束偏振器擴束分光鏡反射鏡衰減器反射光透鏡CCD圖2-2 系統(tǒng)實驗裝置示意圖第3章 方案優(yōu)選以機電一體化技術(shù)為核心的現(xiàn)代機械系統(tǒng)的發(fā)展，要求相應(yīng)的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。一般地，機構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的過程如圖3-1所示。YYYNNN設(shè)計目標(biāo)基本工作原理拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計驅(qū)動設(shè)計運動尺度設(shè)計滿足運動學(xué)需求動力參數(shù)設(shè)計滿足動力學(xué)要求控制設(shè)計滿足控制需求優(yōu)選設(shè)計方案改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變驅(qū)動設(shè)計改變運動尺度改變動力參數(shù)改變控制設(shè)計圖3-1 機械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的一般

14、過程機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計是一個從預(yù)定目標(biāo)出發(fā)，不斷進行綜合（提出多種方案）、分析（方案性能分析）和決策（方案優(yōu)選）的過程。3.1 設(shè)計目標(biāo)運動臺為跟瞄系統(tǒng)提供模擬目標(biāo)，系統(tǒng)的視場以及跟瞄距離決定模擬目標(biāo)最小運動范圍；跟瞄效果的驗證要求運動臺能夠提供模擬目標(biāo)的準(zhǔn)確運動信息，這對運動臺的定位精度提出了要求；跟瞄系統(tǒng)的反應(yīng)時間對運動臺的運行速度也提出了要求，同時運動臺的靈活性及可操作性對實驗者的工作效率也有很大的影響。綜合這些方面，“基于光學(xué)相控陣敏感控制技術(shù)”研究課題對運動臺提出的設(shè)計目標(biāo)為：（1） 模擬目標(biāo)運動范圍能達到1000mm×1000mm；（2） 模擬目標(biāo)運動路徑隨機可控；（3） 模擬

15、目標(biāo)運動速度：0.5m/min至2m/min；（4） 運動臺定位精度：±5mm；（5） 運動臺結(jié)構(gòu)簡單，體積小。3.2 提出多種方案機構(gòu)根據(jù)運動鏈的形式可以分為閉環(huán)和開環(huán)兩種，開環(huán)機構(gòu)因為工作范圍大，運行靈活及可操作性好等特點，在低負(fù)載的條件及普通精度要求下，開環(huán)機構(gòu)能很好的滿足設(shè)計要求，其次，對于二自由度的開環(huán)機構(gòu)還具有：（1）驅(qū)動件少，構(gòu)件少；（2）運動耦合較弱，容易解耦；（3）控制簡單方便；（4）制造容易，價格低廉；（5）正向反向求解簡單等特點4-7。對于運動臺，其運行范圍和運行靈活性要求高，定位精度要求普通，所以，運動臺機構(gòu)設(shè)計主要考慮開環(huán)形式。運動臺實現(xiàn)平面隨機運動，單開鏈

16、串聯(lián)機構(gòu)8是常見的平面二自由度開環(huán)機構(gòu)，其由P副（移動副）與R副（轉(zhuǎn)動副）構(gòu)成。 P副與R副的組合構(gòu)成的單開鏈串聯(lián)機構(gòu)方案如表3-1。表3-1 組合方案類型兩個移動副組成X-Y坐標(biāo)系（方案1）兩個移動副組成仿射坐標(biāo)系(方案2)一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副組成極坐標(biāo)系（方案3）兩個轉(zhuǎn)動副組成的“機器手”（方案4）一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副組成仿極坐標(biāo)系（方案5）3.3 方案論證機構(gòu)的設(shè)計主要依賴設(shè)計的經(jīng)驗、聯(lián)想或類推性思維方法，近幾年，有進一步發(fā)展定性和定量分析相結(jié)合、專家經(jīng)驗判定與計算機輔助決策相結(jié)合方法，以在較大范圍內(nèi)篩選新機構(gòu)?！盎诠鈱W(xué)相控陣敏感控制技術(shù)”研究課題只要求模擬目標(biāo)實現(xiàn)平面運動功能，這

17、種平面運動裝置的機構(gòu)方案相對比較簡單，所以對組合方案的優(yōu)選，以研討會形式與定量定性分析形式進行。通過召開研討會，初步判定方案4和方案5的可行性大，所有重點對方案4和方案5進行比較，從中選取最合適方案。3.3.1 方案4的運動學(xué)分析 機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)由兩個轉(zhuǎn)動副組成，旋轉(zhuǎn)的兩個轉(zhuǎn)動副的軸線互相平行，其機構(gòu)運動簡圖如圖3-2所示，機械效果圖如圖3-3所示。圖3-2 機構(gòu)運動簡圖圖3-3 機械效果圖 機構(gòu)的運動學(xué)正、反解運動學(xué)中的主要參數(shù)：位置、位移、速度、加速度和時間。運動學(xué)分析主要研究機構(gòu)正反解問題。當(dāng)給定機構(gòu)上平臺的位姿參數(shù)，求解各輸入關(guān)節(jié)的位置參數(shù)是機構(gòu)的運動學(xué)位

18、姿反解問題。當(dāng)給定機構(gòu)各輸入節(jié)點的位置參數(shù)，求解機構(gòu)上平臺的位姿參數(shù)是機構(gòu)的運動學(xué)正解問題。最為普遍的分析方法有兩種：數(shù)值解法和解析解法9。解析法是通過消元法消去機構(gòu)約束方程中的未知數(shù)，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個未知數(shù)的多項式。該方法能夠求得全部的解。輸入輸出的誤差效應(yīng)可以定量地表示出來，并可以避免奇異問題，在理論和應(yīng)用上都有重要意義。本文求得的是解析解。圖3-2為機構(gòu)簡圖，靜坐標(biāo)R(0-xy)建立在固定平臺上，i為桿i的轉(zhuǎn)角，兩桿長度都為l，(r,)為極徑和極角。x0y12圖3-4 坐標(biāo)系正解解析式如式。通過極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式及幾何關(guān)系式可以得到兩個反解解析式。其中各變量的取值范圍：3.2.

19、1.3 速度分析式對時間進行微分即得到速度關(guān)系式。寫成矩陣形式為。如果矩陣A為可逆矩陣，式可以寫成式形式。式就是機構(gòu)的輸入輸出速度關(guān)系表達式，矩陣A-1就是雅克比矩陣。 機工作空間分析工作空間分析是設(shè)計機構(gòu)的首要環(huán)節(jié)。機構(gòu)的工作空間是機構(gòu)操作器的工作區(qū)域，是衡量機構(gòu)性能的重要指標(biāo)。根據(jù)操作器工作時的位姿特點，工作空間可分為可達工作空間和靈活工作空間。可達工作空間是指操作器上某一參考點可以到達的所有點的集合，這種工作空間不考慮操作的位姿。靈活工作空間是指操作器上某一參考點可以從任何方向到達的點的集合。 同樣的機構(gòu)尺寸，串聯(lián)機構(gòu)比并聯(lián)機構(gòu)工作空間大；具備同樣的工作空間，串聯(lián)機構(gòu)比并聯(lián)

20、機構(gòu)小。 由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)在工作空間分析方面與并聯(lián)機構(gòu)比較相似，所有可以運用并聯(lián)機構(gòu)工作空間的求解方法來進行求解。Ficher采用固定6個位姿參數(shù)中的3個姿態(tài)參數(shù)和一個位置參數(shù)，而讓其他兩個交換研究了6自由度并聯(lián)機器人的工作空間。Gosselin則利用圓弧相交的方法來確定并聯(lián)機器人的定姿態(tài)工作空間，并給出了工作空間的3維表示。此法以求工作空間的邊界為目的，效率較高，且可以直接計算工作空間的體積，本文采用Gosselin10方法。圓弧軌跡最大軌跡圖3-5 Gosselin方法示意圖工作空間計算公式：R為最大軌跡圓弧的半徑。 機構(gòu)的運動學(xué)計算MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、

21、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，其具有強大的科學(xué)計算機數(shù)據(jù)處理能力和出色的圖形處理功能，正是由于它的這些優(yōu)點，所以選擇MATLAB作為我們的控制計算工具。運動臺的運行曲線通過分段的斜線擬合而成，所以運動學(xué)仿真曲線選擇斜線作為仿真曲線具有代表性。斜線方程設(shè)為：y=x，兩桿長設(shè)為30cm。MATLAB仿真代碼：l=30;Vy(1)=3;for i=1:1t=5:0.01:10;Vx=3;Vy(i+1)=Vy(i)+2;x=Vx*t;y=Vy(i)*t;r=sqrt(x.2+y.2);j=acos(y./x);j2=2*acos(r/(2*l);j1=j-0.5*j2;a11=l

22、*(-sin(j1)-sin(j1+j2);a12=l*(-sin(j1+j2);a21=l*(cos(j1)+cos(j1+j2);a22=l*(cos(j1+j2);for k=1:501A=a11(k) a12(k);a21(k) a22(k);B=Vx;Vy(i);C=inv(A)*B;D(k)=C(1)*180/pi;E(k)=C(2)*180/pi;endsubplot(2,1,1)plot(x,D),title('桿1角速度')xlabel('x'); ylabel('度/s');grid onhold onsubplot(2,1,

23、2)plot(x,E),title('桿2角速度')xlabel('x'); ylabel('度/s');grid onhold onend仿真結(jié)果如圖3-6所示。圖3-6 速度仿真曲線兩曲線橫坐標(biāo)為x，縱坐標(biāo)為桿角速度，角速度單位為度/s，曲線水平區(qū)間為（15,30cm）。從圖3-6可以看出桿1的最大角速度為11.5/s左右，最大角速度位置x=15cm，桿2的最大角速度為8.5/s左右，最大角速度位置x=30cm，桿1和桿2都作變速運動，兩桿的角加速度大約等于14/s2，兩條角速度曲線都沒有出現(xiàn)振蕩情況。3.2.2 方案5的運動學(xué)分析3.2.2

24、.1 機構(gòu)的運動簡圖機構(gòu)由一個轉(zhuǎn)動副和一個移動副組成，移動副軸線與轉(zhuǎn)動副的軸線互相垂直，其機構(gòu)運動簡圖如圖3-7所示。圖3-7 機構(gòu)運動簡圖 機構(gòu)的運動學(xué)正、反解圖3-7為該機構(gòu)的示意圖,搖桿的長度為l1，移動副軸線離原點的垂直距離為l。根據(jù)該機構(gòu)的幾何約束關(guān)系,列寫關(guān)系方程如下(其中R(0-xy)為靜平臺坐標(biāo)系,搖桿與x軸正向所夾的傾角為),運動學(xué)反解就是要從已知(x,y)解出(r,),過程如下：xx1x2y1y2yl圖3-8 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖式為平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式。式中t1,t2參量為形成矩陣用。式寫成矩陣形式得到式和式：由式和式可以推出式其中x2=l1,y2=0，最后得到正解關(guān)

25、系式。由式可以得到兩個反解解析式、。 機構(gòu)的速度分析式對時間進行微分得到式。式的矩陣形式為式。其中如果A是可逆矩陣，那么式可以寫成形式。式（3-16）就是圖所示機構(gòu)的輸入輸出速度關(guān)系表達式,矩陣A-1就是其速度雅可比矩陣。 工作空間分析最大軌跡圓弧軌跡圖3-9 Gosselin方法示意圖工作空間計算公式：R為圓弧軌跡半徑，L為水平位移。 機構(gòu)的運動學(xué)計算仿真曲線選擇斜線，斜線方程為：y=x-500，桿長設(shè)為500mm，水平速度設(shè)為33mm/s,垂直速度設(shè)為33mm/s。MATLAB代碼：n=1:20;x=33*n;y=33*n-500;j=asin(y

26、/500);l=x-500*cos(j);if 0<=l<=1000dj=diff(j);dl=diff(l);dj1=dj/pi*180;subplot(2,1,1)stem(dj1),title('搖桿角速度')xlabel('時間'); ylabel('度/s');subplot(2,1,2)stem(dl),title('水平速度')xlabel('時間'); ylabel('mm/s');end仿真結(jié)果如圖3-9所示。圖3-10 速度仿真曲線曲線橫坐標(biāo)為時間，單位為秒，縱坐標(biāo)為

27、速度。運行時間為（0,20s），搖桿的最大角速度為8.5/s左右，最大角速度發(fā)生在x=0mm附近，最大線速度為40mm/s左右。兩輸入量都作變速運動，兩速度曲線都沒有出現(xiàn)振蕩情況。3.2.3 定性比較方案5相對方案4反解簡單，其運動耦合相對較弱，從運動學(xué)計算結(jié)果可以得出方案5比方案4控制簡單，從機構(gòu)機械實現(xiàn)尺度分析，方案5比方案4的剛度要高，綜合這幾方面，“仿極坐標(biāo)系”方案相對于“機器手”方案具有特點：（1） 運動耦合較弱；（2） 控制簡單方便；（3） 正、反解求解容易；（4） 剛度相對較高；（5） 負(fù)載相對較高。同時，“機器手”方案相對于“仿射坐標(biāo)系”方案也具有靈活性高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小等優(yōu)

28、點。通過對方案4和方案5比較分析，認(rèn)為方案5更符合設(shè)計要求，實現(xiàn)容易，所以確定方案5為最終方案。3.4 本章小結(jié)本章明確了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，根據(jù)滿足工作原理要求及結(jié)合機構(gòu)拓?fù)鋵W(xué)提出了多種方案，重點剖析了“機器手”方案和“仿極坐標(biāo)系”方案，通過對兩個方案進行運動學(xué)分析和仿真計算，定量比較了它們的工作空間大小和控制難易程度，同時結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，對兩個方案進行了定性比較，優(yōu)選出了最符合設(shè)計要求的機構(gòu)方案。第4章 機械設(shè)計及仿真4.1 總體設(shè)計模擬目標(biāo)二維運動臺的機構(gòu)由一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，在機械設(shè)計過程中可以把運動臺分為直線運動單元和轉(zhuǎn)動單元兩部分，即分別對這兩個單元進行設(shè)計。4.1.1 直線運動

29、單元實現(xiàn)方案直線運動單元是典型的電控位移系統(tǒng)。工業(yè)上，電控位移系統(tǒng)分為三個組成部分：位移臺，驅(qū)動電機，控制器。位移臺是系統(tǒng)的關(guān)鍵件，主要技術(shù)指標(biāo)如位移精度、行程、負(fù)載、穩(wěn)定性、適用環(huán)境、外形尺寸均由其決定。直線運動單元的機械設(shè)計就是對位移臺進行設(shè)計。電控位移臺的關(guān)鍵是傳動方式、導(dǎo)軌、機體材質(zhì)和加工質(zhì)量。為了保證高精度的傳動和定位要求，目前多采用同步齒帶或滾珠絲桿傳動系統(tǒng)。同步齒帶相對于滾珠絲桿傳動具有傳動速度高，結(jié)構(gòu)緊湊，無需潤滑，傳動機構(gòu)質(zhì)量輕，傳動距離遠等特點，所以，這里直線運動單元采用同步齒帶傳動方式。導(dǎo)軌品質(zhì)對電控位移臺運動平穩(wěn)性，承載大小影響最大，目前常用的導(dǎo)軌形式主要由燕尾導(dǎo)軌，V

30、型導(dǎo)軌副，線性軸承，線性滑塊，其性能的比較如表4-1所示，根據(jù)課題要求及實驗室實際條件，選擇線性滑塊作為直線運動模塊的導(dǎo)軌形式。表4-1 各式導(dǎo)軌性能比較燕尾導(dǎo)軌V性導(dǎo)軌副線性軸承線性滑塊摩擦力高(0.25-0.35)低(0.003)低（0.002）低（0.003-0.005）剛性高高中高承載高高中高行程大中中大用途粗定位精密定位一般用途精密定位4.1.2 轉(zhuǎn)動單元實現(xiàn)方案轉(zhuǎn)動單元是典型的電控旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。電控旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以分為三個部分：驅(qū)動電機，減速器，控制器，其中減速器是關(guān)鍵部分。減速器合理的結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的材質(zhì)，精密的加工時保證轉(zhuǎn)動時無晃動、偏擺、空回、噪音，定位精度高，承載大，速度快，壽命長的關(guān)

31、鍵因素，并可保證靈活的整體結(jié)構(gòu)如外形尺寸、形狀、中心孔等。減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器。減速器的類別、品種、型式很多，目前已制定為行（國）標(biāo)的減速器有40余種。減速器的類別是根據(jù)所采用的齒輪齒形、齒廓曲線劃分；減速器的品種是根據(jù)使用的需要而設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)的減速器；減速器的型式是在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)齒面硬度、傳動級數(shù)、出軸型式、裝配型式、安裝型式、聯(lián)接型式等因素而設(shè)計的不同特性的減速器。目前減速器所采用的齒輪齒形有斜齒輪、渦輪蝸桿、傘齒輪和圓柱齒輪，它們都有各自的特點和適用的范圍，其中渦輪蝸桿傳動的速比

32、大，體積小，單頭有的能自鎖，不用另加自動裝置就能停在任意位置等，正是因為渦輪蝸桿傳動具有這些優(yōu)點，所有轉(zhuǎn)動單元中的減速機選擇渦輪蝸桿類型。4.1.3 驅(qū)動類型選擇步進電機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機。通常所說的步進電機一般是指機電體化設(shè)備包括步進電機及其驅(qū)動器，當(dāng)步進電機驅(qū)動器接受到一個脈沖之后就動步進電機轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步距角。步進電機不像其它電機那樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是以一定的步距角一步一步做增量運動因此而得名。所以通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電機轉(zhuǎn)動的角位移，達到精確定位的目的:同時也可以通過控制脈沖頻率來控制步進電機轉(zhuǎn)動速度和加速度，達到調(diào)速的目的。除此

33、之外步進電機還具有以下一些優(yōu)點:（1） 無刷：步進電機是無刷結(jié)構(gòu)電機，與帶有換向器和電刷等易損部件的傳統(tǒng)有刷電機相比而言可靠性更高；（2） 與負(fù)載無關(guān)：不超載時步進電機能夠按照設(shè)定的速度運行；（3） 動態(tài)響應(yīng)快：易于啟動、停止和反轉(zhuǎn)；（4） 保持轉(zhuǎn)矩：停止時能夠自鎖；（5） 無累積誤差：雖然步進電機每轉(zhuǎn)動一步的角位移與標(biāo)稱的步距角具有一定的誤差(3-5%)，但是轉(zhuǎn)動一周后累積的誤差和為零。（6） 步距角與環(huán)境無關(guān)：步進電機的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的，溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無關(guān)。（7） 易于控制：只需控制脈沖的頻率和個數(shù)，即可達到定位、調(diào)速目的。（8） 價格低廉：步進電機相對于同樣用于定

34、位領(lǐng)域交、直流伺服電機而言具有較高的性價比。正是由于這些優(yōu)點，使得由步進電機及其驅(qū)動控制器構(gòu)成的開環(huán)數(shù)控定位系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。4.2 直線運動單元設(shè)計4.2.1 同步帶及帶輪設(shè)計同步帶傳動是近年幾十年發(fā)展起來的一種新型傳動，它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。由于帶的工作面呈齒形，與帶輪的齒槽作嚙合傳動，并由帶的抗拉層承受負(fù)載，以保持帶的節(jié)線長度不變，故帶和帶輪之間沒有相對滑動，可以實現(xiàn)帶和帶輪之間的同步傳動。它除了傳遞運動動力外，還可以進行高精度的定位運動，精密輸送。同步帶按齒形可以分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶。早期同步帶的齒形大多為梯形，

35、圓弧齒同步帶是近幾十年發(fā)展的新型同步帶，其結(jié)構(gòu)性能和承載能力都比梯形齒好，因為直線運動模塊要求精密定位，所有同步帶傳動選擇圓弧齒同步帶類型。圓弧齒同步帶現(xiàn)在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，一種是以美國uniroyal公司為代表生產(chǎn)的HTD同步帶，結(jié)構(gòu)為半圓弧，現(xiàn)有3M、5M、8M、14M、20M等幾種型號；另一種是以美國Goodyear公司為代表生產(chǎn)的STPD同步帶（平頂圓弧齒），現(xiàn)有S4.5M、S8M、S14M等幾種型號，國內(nèi)生產(chǎn)同步帶的多數(shù)企業(yè)采用的是HTD同步標(biāo)準(zhǔn)。綜合這幾方面，直線運動單元的同步帶傳動選擇HTD圓弧齒同步帶。（1） HTD圓弧齒同步帶傳動的設(shè)計計算見表4-2。表4-2 圓弧齒同步帶傳動設(shè)計計

36、算序號計算項目符號單位計算公式及參數(shù)選定計算結(jié)果說明1設(shè)計功率kw0.83×10-32選定帶型節(jié)距mm根據(jù)和選取5M同時考慮抗拉力選取表4-2（續(xù)表）3小帶輪齒數(shù)Z1=24Z1的選取考慮結(jié)構(gòu)4大帶輪齒數(shù)Z2=245初定中心距mma0=1380根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定6帶長mmLp=3080按標(biāo)準(zhǔn)選取7實際中心距mm8安裝量調(diào)整量mmmmI=3.56S=1.279要求帶寬mm1510緊邊張力松邊張力NN25511壓軸力N3012帶輪設(shè)計（2） HTD圓弧齒同步帶輪設(shè)計l 同步帶輪輪輻選型：實心輪輻；l 5M同步帶輪輪齒參數(shù)見表4-2；表4-2 圓弧齒同步帶輪齒槽型節(jié)距槽深齒槽圓弧半徑齒頂圓角半

37、徑齒槽寬兩倍節(jié)頂距齒形角5M52.161.560.48-0.523.251.14414l 帶輪兩邊加擋圈，擋圈尺寸見表4-3，安裝量加19.1；l 輪寬：；表4-3 帶輪擋圈尺寸槽型擋圈最小高度擋圈厚度5M3.51.5l 帶輪輪齒節(jié)距偏差：任意兩相鄰齒±0.03，90弧內(nèi)累積±0.08；l 帶輪外徑極限偏差：表4-4 帶輪公差帶輪端面圓跳動公差帶輪徑向圓跳動公差帶輪平行度公差帶輪圓柱度公差1630.02（3） 成品型號：l HTD3060-5M-15，上海五同同步帶有限公司；l P24-5M-16, 上海五同同步帶有限公司。4.2.2 線性滑塊導(dǎo)軌設(shè)計線

38、性滑塊導(dǎo)軌也叫做直線滾動導(dǎo)軌，其廣泛應(yīng)用于精密機床、數(shù)控機床、測量機和測量儀器等。直線滾動導(dǎo)軌是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉颍够瑝K與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，其動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度，其還具有以下優(yōu)點：（1） 使驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機械的十分之一；（2） 起瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍；（3） 適應(yīng)高速直線運動；（4） 能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度；（5） 可以簡化機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造。 直線滾動導(dǎo)軌副支承類型選擇直線滾動導(dǎo)軌副的支承分

39、為滾動體不循環(huán)和滾動體循環(huán)兩種，滾動體循環(huán)支承相對于滾動體不循環(huán)支承具有行程長度不受限制，運動精度和性能更高等特點，運動臺要求運行范圍大，因此選擇滾動體循環(huán)的直線滾動導(dǎo)軌支承。（安裝基面精銑、精刨） 直線滾動導(dǎo)軌副類型選擇GGB（四方向等載荷型）垂向上、下和左右水平額定載荷等同，用途較廣，且剛度高，適用于機器人等機構(gòu)，所以直線導(dǎo)軌副選擇此類型。 成品選型上海滬達軸承有限公司，HRW17CA2UUM+670M。 直線滾動導(dǎo)軌副各主要參數(shù)圖4-1 HRW型LM軌道表4-5 HRW型LM軌道標(biāo)準(zhǔn)長度和最大長度公稱型號LM軌道的標(biāo)準(zhǔn)長度標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距FG最大長度HR

40、W17100,190,310,470,55040151900(800)圖4-2 HRW-CAM型滑塊參數(shù)圖表4-6 HRW-CAM型滑塊參數(shù)公稱型號外形尺寸LM滑塊尺寸高度M寬度W長度LBCHSL1TT1KNEHRW17CAM176050.853263.3M433.65.6614.542圖4-3 HRW型LM軌道參數(shù)圖表4-7 HRW型LM軌道參數(shù)潤滑脂用螺紋接頭LM軌道尺寸基本額定負(fù)荷質(zhì)量寬度W1W2W3高度M1節(jié)距Fd1×d2×hCkNC0kNLM滑塊KgLM軌道Kg/mPB1073313.5189404.5*7.5*5.34.3

41、使用上的注意事項（1） 安裝面靠肩的高度和角部的形狀表4-8 安裝面靠肩的高度和圓角半徑公稱型號圓角半徑r(最大)LM軌道部靠肩的高度H1LM滑塊部靠肩的高度H2EHRW170.4242.5（2） 各方向的額定負(fù)荷和容許力矩、精度規(guī)格、徑向間隙詳細(xì)見：http:/www.thk-4.2.4 SolidWorks設(shè)計及仿真SolidWorks公司是一家專業(yè)從事三維機械設(shè)計、工程分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件研發(fā)和銷售的國際性公司，其產(chǎn)品SolidWorks是世界上第一套基于windows系統(tǒng)開發(fā)的三維CAD軟件。該軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，并成為主流三維CAD軟件市場的標(biāo)準(zhǔn)，是目前最優(yōu)秀的中檔三維CA

42、D軟件之一，在全球擁有超過50萬的用戶。選擇SolidWorks作為設(shè)計工具能夠提高設(shè)計者的工作效率，對于運動臺機械設(shè)計，SolidWorks是其理想的機械設(shè)計工具。（1） 直線運動單元三維裝配圖如圖4-5所示。圖4-5 三維裝配圖（2） 爆炸視圖如圖4-6所示。圖4-6 爆炸視圖（3） SolidWorks仿真分析SimulationXpress為SolidWorks 用戶提供了易于使用的分析工具。SimulationXpress通過在計算機上測試用戶的設(shè)計而取代昂貴并費時的實地測試可幫助降低成本。SimulationXpress可以評估設(shè)計的安全性，評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。SimulationX

43、press的向?qū)Ы缑嬉龑?dǎo)完成五個步驟以指定材質(zhì)、約束、載荷，并進行分析和查看結(jié)果。SimulationXpress支持對單實體的分析；對于多實體零件，可以一次分析一個實體；對于裝配體，可以一次分析一個實體的物理模擬效應(yīng)。l 輪殼分析結(jié)果最低安全系數(shù)：24.41，應(yīng)力分布圖如圖4-7所示。表4-9 最大與最小應(yīng)力位置表類型最小位置最大位置應(yīng)力185.97 N/m2(22.45mm,15mm,0mm)1.13e+006 N/m2(-27mm,-8.86mm,-20.15mm)圖4-7 應(yīng)力分布圖解l 位移圖解：表4-10 最大與最小位移位置表類型最小位置最大位置合位移0 mm(-27.3mm,-1

44、9mm,-24.65mm)0.00 mm(10mm,0mm,-10mm)圖4-8 位移圖解從應(yīng)力分析圖解可以看出其應(yīng)力主要集中在側(cè)面螺釘孔附近，仿真結(jié)果接近實際情況。輪殼的最低安全系數(shù)為24.41，遠大于1，結(jié)構(gòu)形狀及尺寸合理，無須優(yōu)化再設(shè)計。l 導(dǎo)軌架分析結(jié)果最低安全系數(shù)：3.41，應(yīng)力分布如圖4-9所示。表4-11 最大與最小應(yīng)力位置表類型最小位置最大位置應(yīng)力460.75 N/m2(0mm,-8.46mm,21.06mm)8.08e+007N/m2(757.89mm,-11,95mm,22.5mm)圖4-9應(yīng)力分布圖解l 位移圖解：表4-12 最大與最小位移位置表類型最小位置最大位置合位移

45、0 mm(695 mm,-13 mm,20 mm)1.02mm(1450 mm,13.5 mm,-25 mm)圖4-10 位移圖解由圖4-9可以看出導(dǎo)軌架應(yīng)力主要集中在中間位置，導(dǎo)軌架的應(yīng)變分析可以類比懸臂梁，其中間位置為它的支承點，所以應(yīng)力仿真結(jié)果接近實際情況。輪殼的最低安全系數(shù)為3.41，大于1，結(jié)構(gòu)形狀及尺寸合理，無須優(yōu)化再設(shè)計。4.3 轉(zhuǎn)動單元設(shè)計4.3.1 建立約束方程設(shè)搖桿尺度為，對公式進行全微分得到誤差公式。分析誤差公式得到關(guān)于和的兩個極大值，如式。那么按式，對于構(gòu)件的精度需符合式。4.3.2 搖臂設(shè)計可以把搖臂簡化成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁在簡單載荷作用下變形，其最大變形量為： 根據(jù)

46、幾何關(guān)系公式推出式： 其中，目標(biāo)質(zhì)量為。選用材料為鋁合金，鋁合金的彈性模量，密度,抗剪切模量。設(shè)計搖臂為方形，這樣利于安裝目標(biāo)，設(shè)搖臂寬為，高為，則：將，以及彈性模量代入方程組得到。將代入系統(tǒng)約束方程得到方程，系統(tǒng)的最大允許誤差為。由綜合得到不等式。而綜合公式和，在的情況下，取。4.3.3 減速器設(shè)計減速機是一種相對精密的機械，應(yīng)用它的目標(biāo)是下降轉(zhuǎn)速，增添轉(zhuǎn)矩。在目前用于傳遞動力與活動的機構(gòu)中，減速機的利用范疇相當(dāng)普遍。幾乎在各式機械的傳動體系中都可以見到它的蹤影，從交通工具的船舶、汽車、機車，建筑用的重型機具，機械產(chǎn)業(yè)所用的加工機具及主動化生產(chǎn)裝備，到日常生涯中常見的家電，鐘表等等.其運用從

47、大動力的傳輸工作，到小負(fù)荷,蒸汽鍋爐，準(zhǔn)確的角度傳輸都可以見到減速機的運用。蝸輪蝸桿減速機的最大特點是具有反向自鎖功效，可以有較大的減速比，輸進軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。 （1） 計算減速比運動臺運行速度1米/分鐘-2米/分鐘，約為16.7mm/s-33.4mm/s。MATLAB仿真計算，仿真運行曲線為斜線，水平和垂直運行速度為33.4mm/s。仿真結(jié)果如圖4-11所示。圖4-11 仿真曲線從圖4-11可以看出，搖桿的最大角速度為4/s左右，即0.66r/min。步進電機在0-160r/min運行時轉(zhuǎn)矩沒有明顯變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速可以計算出減速機

48、的實際輸入功率：減速機工況系數(shù)為，根據(jù)以上數(shù)據(jù)查表得到傳動比為。搖桿角速度為，傳動比，步進電機最高轉(zhuǎn)速：步進電機的最高轉(zhuǎn)速在其正常轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，符合電機轉(zhuǎn)速要求。電機的運行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量分別為：（2） 成品型號：CM030T-50-B3-25-SZDX4.3.4 SolidWorks設(shè)計及仿真（1） SimulationXpress仿真分析l 連桿分析結(jié)果最低安全系數(shù)：0.87，應(yīng)力分布如圖4-12所示。表4-13 最大與最小應(yīng)力位置表類型最小位置最大位置應(yīng)力1895.06N/m2(461.04 mm,4.5 mm,5 mm)3.16e+007N/m2(-47.31 mm,-2.86 mm,5

49、 mm)圖4-12 應(yīng)力分布圖解l 位移圖解：表4-14 最大與最小位移位置表類型最小位置最大位置合位移0 mm(-47.36 mm,0 mm,3.3 mm)5.20 mm(461.04 mm,-4.5 mm,5 mm)圖4-13 位移圖解l 連桿形狀尺寸優(yōu)化橫截面積相同，可以通過改變橫截面的形狀達到提高剛度作用。優(yōu)化得到最低安全系數(shù)：0.98，應(yīng)力分布如圖4-14所示。表4-15 最大與最小應(yīng)力位置表類型最小位置最大位置應(yīng)力1247.2 N/m2(525 mm,-14 mm,-2.5 mm)2.78e+007N/m2(11.65 mm,-4.14 mm,1 mm)圖4-14 應(yīng)力分布圖解l

50、位移圖解：表4-16 最大與最小位移位置表類型最小位置最大位置合位移0 mm(11.6 mm,-7 mm,-0.7 mm)1.36 mm(525 mm,1 mm,2.5 mm)圖4-17 位移圖解4.4 本章小結(jié)本章分析了直線運動單元和轉(zhuǎn)動單元的各種工程實現(xiàn)手段，在此基礎(chǔ)上選擇了符合設(shè)計要求的實現(xiàn)方案。根據(jù)設(shè)計要求，選擇了線性滑塊導(dǎo)軌、同步帶和減速器的型號，計算了搖桿的參數(shù)，利用SolidWorks設(shè)計出了裝置的圖紙，重點對同步帶輪殼、導(dǎo)軌架、搖桿進行了仿真分析，優(yōu)化了它們的尺寸參數(shù)。結(jié)論本文以“基于光學(xué)相控陣敏感控制技術(shù)”研究課題為應(yīng)用背景，對平面運動機構(gòu)構(gòu)型進行了探索，優(yōu)選出了模擬目標(biāo)運動裝置構(gòu)型方案，并利用SolidWorks對裝置進行了三維設(shè)計，得到了裝置的圖紙。本文主要完成了工作包括以下幾個方面：（1） 運用機構(gòu)學(xué)方法，以實現(xiàn)基本工作原理為目標(biāo)，提出了5中裝置的機構(gòu)構(gòu)型；（2） 深入分析了各機構(gòu)構(gòu)型，重點計算了“機器手”構(gòu)型和“仿極坐標(biāo)系”構(gòu)型的運動學(xué)正反解析解，并得出了速度轉(zhuǎn)換公式及速度雅克比