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

1、.哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(shí)，需要在跟瞄系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)豎直平面內(nèi)為系統(tǒng)提供一個(gè)隨機(jī)可控的模擬目標(biāo)，這種隨機(jī)可控模擬目標(biāo)裝置是典型的機(jī)電一體化裝置。本文主要對(duì)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，提出了5種裝置的機(jī)構(gòu)構(gòu)型，重點(diǎn)分析了其中兩種構(gòu)型。使用MATLAB對(duì)這兩種構(gòu)型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，對(duì)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行了定性比較，選取“仿極坐標(biāo)”構(gòu)型為裝置的機(jī)構(gòu)構(gòu)型。在對(duì)裝置進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，把裝置分為了直線運(yùn)動(dòng)單元和轉(zhuǎn)動(dòng)單元，分別設(shè)計(jì)。在對(duì)直線運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)比較各種形式的導(dǎo)軌和傳動(dòng)方式，選擇了線性滑塊導(dǎo)軌和同步帶傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)單元。最終

2、利用SolidWorks2008對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)及受力仿真分析。關(guān)鍵詞：隨機(jī)可控；模擬目標(biāo)裝置；運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算；同步帶傳動(dòng)；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?jī)?nèi)容及意義3第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)32.1 跟瞄系統(tǒng)介紹32.2 跟瞄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)3第3章 方案優(yōu)選33.1 設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析33.2.2 方案5的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析33.2.3 定性比較33.4 本章小結(jié)3第4章 機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真34.1 總體設(shè)計(jì)34.1.1 直線運(yùn)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)方案34.1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)方案34.1.3 驅(qū)動(dòng)類型選擇34.2 直線運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)34.2.1 同步帶及帶輪設(shè)計(jì)34.2.2 線性滑塊導(dǎo)軌設(shè)計(jì)34.2.4 SolidWorks設(shè)計(jì)及仿真34.3 轉(zhuǎn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)34.3.1

8、建立約束方程34.3.2 搖臂設(shè)計(jì)34.3.3 減速器設(shè)計(jì)34.3.4 SolidWorks設(shè)計(jì)及仿真34.4 本章小結(jié)3結(jié)論3參考文獻(xiàn)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(dá)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(gè)轉(zhuǎn)鏡或振鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方法光損耗小,掃描范圍大和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是其掃描速度和精度相對(duì)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(duì)光學(xué)相控陣技術(shù)進(jìn)行深

9、入的研究2。近年來(lái)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(diǎn)是具有相對(duì)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(gè)獨(dú)立的相位調(diào)制單元,實(shí)現(xiàn)了±20°較大角度的掃描,指向控制精度達(dá)微弧度量級(jí)。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(lái),在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DAPRA)的“靈巧控制光束(STAB)”項(xiàng)目支持

10、下,Raytheon/Rockwell,空軍高級(jí)研究實(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“自適應(yīng)光相控陣鎖定單元”技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目合同,開(kāi)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(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室展示了研制的二維光束偏轉(zhuǎn)器件，其方位和仰俯視場(chǎng)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?；谝壕У墓鈱W(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(shí)，為了驗(yàn)證整個(gè)跟瞄系統(tǒng)的可行性，需要對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試

11、。模擬目標(biāo)二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)為系統(tǒng)提供跟瞄目標(biāo)，因此，設(shè)計(jì)一套隨機(jī)可控的、運(yùn)行靈活的模擬目標(biāo)二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)是課題的迫切需求。1.2 課題研究?jī)?nèi)容及意義該運(yùn)動(dòng)臺(tái)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(guò)該設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)關(guān)于機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制的理論和技術(shù)，綜合運(yùn)動(dòng)機(jī)械、電子、控制知識(shí)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。模擬目標(biāo)二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)可控，是一套典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。本文主要對(duì)模擬目標(biāo)二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文研究?jī)?nèi)容主要包括運(yùn)動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)方案優(yōu)選和機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真分析兩部分。即包括：（1） 深入分析運(yùn)動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，提出各種可行方案，使用MATLAB對(duì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，最終選取最合適構(gòu)型方案；（2）

12、 在SolidWorks2008環(huán)境下設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)；（3） 在SolidWorks2008環(huán)境下對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)2.1 跟瞄系統(tǒng)介紹攝像機(jī)受控光束目標(biāo)準(zhǔn)直SLM擴(kuò)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(dòng)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(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)核心部件為美國(guó)BNS公司提供的液晶空間光調(diào)制器。攝像機(jī)采集目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理，提取出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息控制空間光調(diào)制器，對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)光束對(duì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)跟蹤。其原理示意圖如圖2-1所示。2.2 跟瞄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為了驗(yàn)證整個(gè)跟瞄系統(tǒng)的可行性，需要對(duì)該系統(tǒng)

13、的性能進(jìn)行測(cè)試。圖2-2是整個(gè)跟瞄系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖。照明光束目標(biāo)SLM光闌擴(kuò)束激光受控光束偏振器擴(kuò)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(kuò)束激光受控光束偏振器擴(kuò)束分光鏡反射鏡衰減器反射光透鏡CCD圖2-2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖第3章 方案優(yōu)選以機(jī)電一體化技術(shù)為核心的現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展，要求相應(yīng)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般地，機(jī)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程如圖3-1所示。YYYNNN設(shè)計(jì)目標(biāo)基本工作原理拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)尺度設(shè)計(jì)滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)需求動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)滿足動(dòng)力學(xué)要求控制設(shè)計(jì)滿足控制需求優(yōu)選設(shè)計(jì)方案改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)改變運(yùn)動(dòng)尺度改變動(dòng)力參數(shù)改變控制設(shè)計(jì)圖3-1 機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般

14、過(guò)程機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)從預(yù)定目標(biāo)出發(fā)，不斷進(jìn)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(guò)程。3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)臺(tái)為跟瞄系統(tǒng)提供模擬目標(biāo)，系統(tǒng)的視場(chǎng)以及跟瞄距離決定模擬目標(biāo)最小運(yùn)動(dòng)范圍；跟瞄效果的驗(yàn)證要求運(yùn)動(dòng)臺(tái)能夠提供模擬目標(biāo)的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)信息，這對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的定位精度提出了要求；跟瞄系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行速度也提出了要求，同時(shí)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的靈活性及可操作性對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1） 模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)范圍能達(dá)到1000mm×1000mm；（2） 模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑隨機(jī)可控；（3） 模擬

15、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度：0.5m/min至2m/min；（4） 運(yùn)動(dòng)臺(tái)定位精度：±5mm；（5） 運(yùn)動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。3.2 提出多種方案機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈的形式可以分為閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種，開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)因?yàn)楣ぷ鞣秶螅\(yùn)行靈活及可操作性好等特點(diǎn)，在低負(fù)載的條件及普通精度要求下，開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)能很好的滿足設(shè)計(jì)要求，其次，對(duì)于二自由度的開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)還具有：（1）驅(qū)動(dòng)件少，構(gòu)件少；（2）運(yùn)動(dòng)耦合較弱，容易解耦；（3）控制簡(jiǎn)單方便；（4）制造容易，價(jià)格低廉；（5）正向反向求解簡(jiǎn)單等特點(diǎn)4-7。對(duì)于運(yùn)動(dòng)臺(tái)，其運(yùn)行范圍和運(yùn)行靈活性要求高，定位精度要求普通，所以，運(yùn)動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮開(kāi)環(huán)形式。運(yùn)動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)平面隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，單開(kāi)鏈

16、串聯(lián)機(jī)構(gòu)8是常見(jiàn)的平面二自由度開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)，其由P副（移動(dòng)副）與R副（轉(zhuǎn)動(dòng)副）構(gòu)成。 P副與R副的組合構(gòu)成的單開(kāi)鏈串聯(lián)機(jī)構(gòu)方案如表3-1。表3-1 組合方案類型兩個(gè)移動(dòng)副組成X-Y坐標(biāo)系（方案1）兩個(gè)移動(dòng)副組成仿射坐標(biāo)系(方案2)一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成極坐標(biāo)系（方案3）兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的“機(jī)器手”（方案4）一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成仿極坐標(biāo)系（方案5）3.3 方案論證機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要依賴設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)、聯(lián)想或類推性思維方法，近幾年，有進(jìn)一步發(fā)展定性和定量分析相結(jié)合、專家經(jīng)驗(yàn)判定與計(jì)算機(jī)輔助決策相結(jié)合方法，以在較大范圍內(nèi)篩選新機(jī)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(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)功能，這

17、種平面運(yùn)動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)方案相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以對(duì)組合方案的優(yōu)選，以研討會(huì)形式與定量定性分析形式進(jìn)行。通過(guò)召開(kāi)研討會(huì)，初步判定方案4和方案5的可行性大，所有重點(diǎn)對(duì)方案4和方案5進(jìn)行比較，從中選取最合適方案。3.3.1 方案4的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線互相平行，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3-2所示，機(jī)械效果圖如圖3-3所示。圖3-2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖圖3-3 機(jī)械效果圖 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正、反解運(yùn)動(dòng)學(xué)中的主要參數(shù)：位置、位移、速度、加速度和時(shí)間。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要研究機(jī)構(gòu)正反解問(wèn)題。當(dāng)給定機(jī)構(gòu)上平臺(tái)的位姿參數(shù)，求解各輸入關(guān)節(jié)的位置參數(shù)是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位

18、姿反解問(wèn)題。當(dāng)給定機(jī)構(gòu)各輸入節(jié)點(diǎn)的位置參數(shù)，求解機(jī)構(gòu)上平臺(tái)的位姿參數(shù)是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問(wèn)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(guò)消元法消去機(jī)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(gè)未知數(shù)的多項(xiàng)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(lái)，并可以避免奇異問(wèn)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，靜坐標(biāo)R(0-xy)建立在固定平臺(tái)上，i為桿i的轉(zhuǎn)角，兩桿長(zhǎng)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(guò)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式及幾何關(guān)系式可以得到兩個(gè)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(duì)時(shí)間進(jìn)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(jī)構(gòu)的輸入輸出速度關(guān)系表達(dá)式，矩陣A-1就是雅克比矩陣。 機(jī)工作空間分析工作空間分析是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的首要環(huán)節(jié)。機(jī)構(gòu)的工作空間是機(jī)構(gòu)操作器的工作區(qū)域，是衡量機(jī)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。根據(jù)操作器工作時(shí)的位姿特點(diǎn)，工作空間可分為可達(dá)工作空間和靈活工作空間?？蛇_(dá)工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以到達(dá)的所有點(diǎn)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(diǎn)可以從任何方向到達(dá)的點(diǎn)的集合。 同樣的機(jī)構(gòu)尺寸，串聯(lián)機(jī)構(gòu)比并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間大；具備同樣的工作空間，串聯(lián)機(jī)構(gòu)比并聯(lián)

20、機(jī)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(jī)構(gòu)比較相似，所有可以運(yùn)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的求解方法來(lái)進(jìn)行求解。Ficher采用固定6個(gè)位姿參數(shù)中的3個(gè)姿態(tài)參數(shù)和一個(gè)位置參數(shù)，而讓其他兩個(gè)交換研究了6自由度并聯(lián)機(jī)器人的工作空間。Gosselin則利用圓弧相交的方法來(lái)確定并聯(lián)機(jī)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(jì)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(jì)算公式：R為最大軌跡圓弧的半徑。 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算MATLAB 是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、

21、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，其具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)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(diǎn)，所以選擇MATLAB作為我們的控制計(jì)算工具。運(yùn)動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行曲線通過(guò)分段的斜線擬合而成，所以運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，兩桿的角加速度大約等于14/s2，兩條角速度曲線都沒(méi)有出現(xiàn)振蕩情況。3.2.2 方案5的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.2.2

24、.1 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副組成，移動(dòng)副軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線互相垂直，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3-7所示。圖3-7 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正、反解圖3-7為該機(jī)構(gòu)的示意圖,搖桿的長(zhǎng)度為l1，移動(dòng)副軸線離原點(diǎn)的垂直距離為l。根據(jù)該機(jī)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(tái)坐標(biāo)系,搖桿與x軸正向所夾的傾角為),運(yùn)動(dòng)學(xué)反解就是要從已知(x,y)解出(r,),過(guò)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(gè)反解解析式、。 機(jī)構(gòu)的速度分析式對(duì)時(shí)間進(jìn)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(jī)構(gòu)的輸入輸出速度關(guān)系表達(dá)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(jì)算公式：R為圓弧軌跡半徑，L為水平位移。 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算仿真曲線選擇斜線，斜線方程為：y=x-500，桿長(zhǎng)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(shí)間'); ylabel('度/s');subplot(2,1,2)stem(dl),title('水平速度')xlabel('時(shí)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(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)為

27、速度。運(yùn)行時(shí)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(yùn)動(dòng)，兩速度曲線都沒(méi)有出現(xiàn)振蕩情況。3.2.3 定性比較方案5相對(duì)方案4反解簡(jiǎn)單，其運(yùn)動(dòng)耦合相對(duì)較弱，從運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果可以得出方案5比方案4控制簡(jiǎn)單，從機(jī)構(gòu)機(jī)械實(shí)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(duì)于“機(jī)器手”方案具有特點(diǎn)：（1） 運(yùn)動(dòng)耦合較弱；（2） 控制簡(jiǎn)單方便；（3） 正、反解求解容易；（4） 剛度相對(duì)較高；（5） 負(fù)載相對(duì)較高。同時(shí)，“機(jī)器手”方案相對(duì)于“仿射坐標(biāo)系”方案也具有靈活性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小等優(yōu)

28、點(diǎn)。通過(guò)對(duì)方案4和方案5比較分析，認(rèn)為方案5更符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)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(jì)目標(biāo)，根據(jù)滿足工作原理要求及結(jié)合機(jī)構(gòu)拓?fù)鋵W(xué)提出了多種方案，重點(diǎn)剖析了“機(jī)器手”方案和“仿極坐標(biāo)系”方案，通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真計(jì)算，定量比較了它們的工作空間大小和控制難易程度，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了定性比較，優(yōu)選出了最符合設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)方案。第4章 機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真4.1 總體設(shè)計(jì)模擬目標(biāo)二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)的機(jī)構(gòu)由一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中可以把運(yùn)動(dòng)臺(tái)分為直線運(yùn)動(dòng)單元和轉(zhuǎn)動(dòng)單元兩部分，即分別對(duì)這兩個(gè)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.1.1 直線運(yùn)動(dòng)

29、單元實(shí)現(xiàn)方案直線運(yùn)動(dòng)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(gè)組成部分：位移臺(tái)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制器。位移臺(tái)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(yùn)動(dòng)單元的機(jī)械設(shè)計(jì)就是對(duì)位移臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電控位移臺(tái)的關(guān)鍵是傳動(dòng)方式、導(dǎo)軌、機(jī)體材質(zhì)和加工質(zhì)量。為了保證高精度的傳動(dòng)和定位要求，目前多采用同步齒帶或滾珠絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)。同步齒帶相對(duì)于滾珠絲桿傳動(dòng)具有傳動(dòng)速度高，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需潤(rùn)滑，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量輕，傳動(dòng)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，所以，這里直線運(yùn)動(dòng)單元采用同步齒帶傳動(dòng)方式。導(dǎo)軌品質(zhì)對(duì)電控位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件，選擇線性滑塊作為直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)單元實(shí)現(xiàn)方案轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)部分：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(shí)保證轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)晃動(dòng)、偏擺、空回、噪音，定位精度高，承載大，速度快，壽命長(zhǎng)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(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場(chǎng)合也用來(lái)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(guó)）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(jì)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(dòng)級(jí)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(jì)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(diǎn)和適用的范圍，其中渦輪蝸桿傳動(dòng)的速比

32、大，體積小，單頭有的能自鎖，不用另加自動(dòng)裝置就能停在任意位置等，正是因?yàn)闇u輪蝸桿傳動(dòng)具有這些優(yōu)點(diǎn)，所有轉(zhuǎn)動(dòng)單元中的減速機(jī)選擇渦輪蝸桿類型。4.1.3 驅(qū)動(dòng)類型選擇步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機(jī)。通常所說(shuō)的步進(jìn)電機(jī)一般是指機(jī)電體化設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖之后就動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。步進(jìn)電機(jī)不像其它電機(jī)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(yùn)動(dòng)因此而得名。所以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，達(dá)到精確定位的目的:同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。除此

33、之外步進(jìn)電機(jī)還具有以下一些優(yōu)點(diǎn):（1） 無(wú)刷：步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)電機(jī)，與帶有換向器和電刷等易損部件的傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比而言可靠性更高；（2） 與負(fù)載無(wú)關(guān)：不超載時(shí)步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行；（3） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：易于啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)；（4） 保持轉(zhuǎn)矩：停止時(shí)能夠自鎖；（5） 無(wú)累積誤差：雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)一周后累積的誤差和為零。（6） 步距角與環(huán)境無(wú)關(guān)：步進(jìn)電機(jī)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(wú)關(guān)。（7） 易于控制：只需控制脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，即可達(dá)到定位、調(diào)速目的。（8） 價(jià)格低廉：步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于同樣用于定

34、位領(lǐng)域交、直流伺服電機(jī)而言具有較高的性價(jià)比。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的開(kāi)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(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)4.2.1 同步帶及帶輪設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)是近年幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型傳動(dòng)，它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。由于帶的工作面呈齒形，與帶輪的齒槽作嚙合傳動(dòng)，并由帶的抗拉層承受負(fù)載，以保持帶的節(jié)線長(zhǎng)度不變，故帶和帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)帶和帶輪之間的同步傳動(dòng)。它除了傳遞運(yùn)動(dòng)動(dòng)力外，還可以進(jìn)行高精度的定位運(yùn)動(dòng)，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?yàn)橹本€運(yùn)動(dòng)模塊要求精密定位，所有同步帶傳動(dòng)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(guó)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(hào)；另一種是以美國(guó)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(hào)，國(guó)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(yùn)動(dòng)單元的同步帶傳動(dòng)選擇HTD圓弧齒同步帶。（1） HTD圓弧齒同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算見(jiàn)表4-2。表4-2 圓弧齒同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)

36、算序號(hào)計(jì)算項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式及參數(shù)選定計(jì)算結(jié)果說(shuō)明1設(shè)計(jì)功率kw0.83×10-32選定帶型節(jié)距mm根據(jù)和選取5M同時(shí)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(zhǎng)mmLp=3080按標(biāo)準(zhǔn)選取7實(shí)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(jì)（2） HTD圓弧齒同步帶輪設(shè)計(jì)l 同步帶輪輪輻選型：實(shí)心輪輻；l 5M同步帶輪輪齒參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)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(dòng)公差帶輪徑向圓跳動(dòng)公差帶輪平行度公差帶輪圓柱度公差1630.02（3） 成品型號(hào)：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(jì)線

38、性滑塊導(dǎo)軌也叫做直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，其廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、測(cè)量機(jī)和測(cè)量?jī)x器等。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，其動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)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(diǎn)：（1） 使驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一；（2） 起瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍；（3） 適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)；（4） 能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度；（5） 可以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造。 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副支承類型選擇直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的支承分

39、為滾動(dòng)體不循環(huán)和滾動(dòng)體循環(huán)兩種，滾動(dòng)體循環(huán)支承相對(duì)于滾動(dòng)體不循環(huán)支承具有行程長(zhǎng)度不受限制，運(yùn)動(dòng)精度和性能更高等特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)臺(tái)要求運(yùn)行范圍大，因此選擇滾動(dòng)體循環(huán)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌支承。（安裝基面精銑、精刨） 直線滾動(dòng)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(jī)器人等機(jī)構(gòu)，所以直線導(dǎo)軌副選擇此類型。 成品選型上海滬達(dá)軸承有限公司，HRW17CA2UUM+670M。 直線滾動(dòng)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(zhǎng)度和最大長(zhǎng)度公稱型號(hào)LM軌道的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距FG最大長(zhǎng)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(hào)外形尺寸LM滑塊尺寸高度M寬度W長(zhǎng)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(rùn)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(xiàng)（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(hào)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(jiàn)：http:/www.thk-4.2.4 SolidWorks設(shè)計(jì)及仿真SolidWorks公司是一家專業(yè)從事三維機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件研發(fā)和銷售的國(guó)際性公司，其產(chǎn)品SolidWorks是世界上第一套基于windows系統(tǒng)開(kāi)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(chǎng)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(guò)50萬(wàn)的用戶。選擇SolidWorks作為設(shè)計(jì)工具能夠提高設(shè)計(jì)者的工作效率，對(duì)于運(yùn)動(dòng)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)，SolidWorks是其理想的機(jī)械設(shè)計(jì)工具。（1） 直線運(yùn)動(dòng)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(guò)在計(jì)算機(jī)上測(cè)試用戶的設(shè)計(jì)而取代昂貴并費(fèi)時(shí)的實(shí)地測(cè)試可幫助降低成本。SimulationXpress可以評(píng)估設(shè)計(jì)的安全性，評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。SimulationX

43、press的向?qū)Ы缑嬉龑?dǎo)完成五個(gè)步驟以指定材質(zhì)、約束、載荷，并進(jìn)行分析和查看結(jié)果。SimulationXpress支持對(duì)單實(shí)體的分析；對(duì)于多實(shí)體零件，可以一次分析一個(gè)實(shí)體；對(duì)于裝配體，可以一次分析一個(gè)實(shí)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(shí)際情況。輪殼的最低安全系數(shù)為24.41，遠(yuǎn)大于1，結(jié)構(gòu)形狀及尺寸合理，無(wú)須優(yōu)化再設(shè)計(jì)。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(diǎn)，所以應(yīng)力仿真結(jié)果接近實(shí)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(wú)須優(yōu)化再設(shè)計(jì)。4.3 轉(zhuǎn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)4.3.1 建立約束方程設(shè)搖桿尺度為，對(duì)公式進(jìn)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(gè)極大值，如式。那么按式，對(duì)于構(gòu)件的精度需符合式。4.3.2 搖臂設(shè)計(jì)可以把搖臂簡(jiǎn)化成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁在簡(jiǎn)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(jì)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(jì)減速機(jī)是一種相對(duì)精密的機(jī)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(dòng)力與活動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，減速機(jī)的利用范疇相當(dāng)普遍。幾乎在各式機(jī)械的傳動(dòng)體系中都可以見(jiàn)到它的蹤影，從交通工具的船舶、汽車、機(jī)車，建筑用的重型機(jī)具，機(jī)械產(chǎn)業(yè)所用的加工機(jī)具及主動(dòng)化生產(chǎn)裝備，到日常生涯中常見(jiàn)的家電，鐘表等等.其運(yùn)用從

47、大動(dòng)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(jiàn)到減速機(jī)的運(yùn)用。蝸輪蝸桿減速機(jī)的最大特點(diǎn)是具有反向自鎖功效，可以有較大的減速比，輸進(jìn)軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。 （1） 計(jì)算減速比運(yùn)動(dòng)臺(tái)運(yùn)行速度1米/分鐘-2米/分鐘，約為16.7mm/s-33.4mm/s。MATLAB仿真計(jì)算，仿真運(yùn)行曲線為斜線，水平和垂直運(yùn)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(jìn)電機(jī)在0-160r/min運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有明顯變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出減速機(jī)

48、的實(shí)際輸入功率：減速機(jī)工況系數(shù)為，根據(jù)以上數(shù)據(jù)查表得到傳動(dòng)比為。搖桿角速度為，傳動(dòng)比，步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速：步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在其正常轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，符合電機(jī)轉(zhuǎn)速要求。電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為：（2） 成品型號(hào)：CM030T-50-B3-25-SZDX4.3.4 SolidWorks設(shè)計(jì)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(guò)改變橫截面的形狀達(dá)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(yùn)動(dòng)單元和轉(zhuǎn)動(dòng)單元的各種工程實(shí)現(xiàn)手段，在此基礎(chǔ)上選擇了符合設(shè)計(jì)要求的實(shí)現(xiàn)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇了線性滑塊導(dǎo)軌、同步帶和減速器的型號(hào)，計(jì)算了搖桿的參數(shù)，利用SolidWorks設(shè)計(jì)出了裝置的圖紙，重點(diǎn)對(duì)同步帶輪殼、導(dǎo)軌架、搖桿進(jìn)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(duì)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行了探索，優(yōu)選出了模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置構(gòu)型方案，并利用SolidWorks對(duì)裝置進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，得到了裝置的圖紙。本文主要完成了工作包括以下幾個(gè)方面：（1） 運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)基本工作原理為目標(biāo)，提出了5中裝置的機(jī)構(gòu)構(gòu)型；（2） 深入分析了各機(jī)構(gòu)構(gòu)型，重點(diǎn)計(jì)算了“機(jī)器手”構(gòu)型和“仿極坐標(biāo)系”構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解析解，并得出了速度轉(zhuǎn)換公式及速度雅克比