畢業(yè)設(shè)計（論文）-仿生分布式驅(qū)動撲翼設(shè)計-機(jī)械鳥

#-圖2-4曲柄滑塊撲動機(jī)構(gòu)空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)比上述的方案要多一個自由度的設(shè)計，如圖2-5所示，可以明顯看出其撲動是完全對稱的，所以其左右搖桿的撲動幅度相同，但其物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制造和裝配的精度要求非常高，且設(shè)計時需要用到復(fù)雜的運(yùn)動關(guān)節(jié)比如萬向聯(lián)軸器來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計要求，從而導(dǎo)致其實(shí)際制作樣機(jī)的成本非常高。雙曲柄撲動機(jī)構(gòu)應(yīng)用在仿生分布式驅(qū)動撲翼器上最多的一種形式，其傳統(tǒng)形式如圖2-6a)所示，其采用兩個曲柄4、5來分別帶動兩側(cè)的搖桿6、7運(yùn)動,其優(yōu)點(diǎn)是齒輪驅(qū)動力矩較大，機(jī)構(gòu)位置對稱，左右搖桿之前干擾較小。缺點(diǎn)是，

由于動力小齒輪同時驅(qū)動兩個大齒輪，導(dǎo)致其左右搖桿撲動時存在固定的相位差，因此撲動形態(tài)不能完全對稱。為解決完全對稱問題，有一種優(yōu)化方案如圖2-6b）所示，其讓動力小齒輪安裝在大齒輪的一側(cè)，直接驅(qū)動其中一個大齒輪,另一個大齒輪3由齒輪2帶動反向運(yùn)動，這樣，搖桿8、9的撲動就完全對稱a）傳統(tǒng)的雙曲柄撲動機(jī)構(gòu)b）優(yōu)化后的雙曲柄撲動機(jī)構(gòu)通過對以上四種常見撲動形式的對比分析與優(yōu)化，結(jié)合課題樣機(jī)的設(shè)計需求，采用改進(jìn)后的雙曲柄搖桿撲動機(jī)構(gòu)方案，同時為了實(shí)現(xiàn)模擬大鳥如海鷗飛行時翅膀在上下?lián)鋭拥耐瑫r還有展向上的折曲運(yùn)動，樣機(jī)的翅膀采用兩段翼設(shè)計，并且引入一個輔助的兩桿三副的二級桿組來實(shí)現(xiàn)外翼的折疊與收攏運(yùn)動，機(jī)構(gòu)簡圖如圖2-7所示。這樣整個撲動機(jī)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了只通過一個齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)過傳動系統(tǒng)后就帶動兩側(cè)的翅膀同時實(shí)現(xiàn)撲動和折疊收攏兩個方向的運(yùn)動的目的。傳動方案的設(shè)計傳動方案設(shè)計，首先確定驅(qū)動源的類型，然后結(jié)合各種考慮因素確定系統(tǒng)的傳動比。目前,很多飛機(jī)設(shè)計根據(jù)不同類型選擇對應(yīng)于一個合適的驅(qū)動源,對于較小的模仿昆蟲仿生分布式驅(qū)動撲翼器,更多的選擇,壓電空心杯電機(jī)驅(qū)動和肌肉和模型船舶機(jī)械根據(jù)是否使用刷子刷換向可分為兩種電機(jī)和無刷電機(jī),無刷電機(jī)相對于無刷直流電機(jī),由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，往往可以達(dá)到足夠的高速和功率。由于本課題預(yù)先設(shè)計的撲翼飛機(jī)翼展較大，需要較大的驅(qū)動力矩，因此樣機(jī)的主動力電機(jī)采用穩(wěn)定的無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動源。(1)電機(jī)的選型由之前確定的撲動方案可知，主功率電機(jī)將驅(qū)動兩個大齒輪運(yùn)動進(jìn)而帶動之后的搖桿機(jī)構(gòu)完成撲動運(yùn)動，所以電機(jī)需要提供穩(wěn)定且足夠的驅(qū)動力。實(shí)際設(shè)計中，通常根據(jù)樣機(jī)所需功率來選擇電機(jī)型號，而仿生分布式驅(qū)動撲翼器所需功率由以下公式計算得出：P=C其中：C-升力安全系數(shù)，在計算時綜合考慮取安全值T-在樣機(jī)向下?lián)鋭舆^程中翅膀根部所受的氣動力矩;ω-撲翼角速度；μ-整個機(jī)構(gòu)的傳動效率，取為0.7。對于中的力矩T有力矩公式：T=Fl其中，由第二章中的鳥類飛行受力情況分析可知，大鳥在撲動飛行時，其兩側(cè)翼上的升力應(yīng)分別承擔(dān)一半的自身重量，所以先取F=mg/2.考慮到大型鳥類在撲動飛行時，其升力主要來源于外翼段，遂將實(shí)際產(chǎn)生氣動力的等效作用點(diǎn)取為在翅膀一側(cè)的2/3展長處，BPZ=(2/3)x(Z7/2)=0.6m。故有撲動力矩T=Fl=1.323N。對于式3-1中的撲翼角速度勸由之前所確定的撲動方案和撲動頻率/,可以計算得出其最大角速度約為12rad/so故可得電機(jī)的額定功率：P=CTωμ由此估算的電機(jī)額定功率并考慮所設(shè)計的樣機(jī)翼展較大，需要選用扭矩大的電機(jī)，因此最后選用一款型號為朗宇X2206的外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)作為樣機(jī)的主功率電機(jī)，其具體參數(shù)如下表2-2所示，可以看出其輸出功率為120W,質(zhì)量為25g,滿足課題設(shè)計需求。根據(jù)參數(shù)可計算出電機(jī)所能提供的轉(zhuǎn)矩:T=9550(2)減速傳動比的設(shè)計直流無刷電機(jī)由于轉(zhuǎn)速很快，而所設(shè)計的撲翼樣機(jī)的頻率平均為4Hz,且電機(jī)的扭矩很小而樣機(jī)的設(shè)計尺寸和重量都偏大，顯然不可能直接用電機(jī)驅(qū)動樣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這會導(dǎo)致樣機(jī)所需的力矩不夠且會損壞電機(jī)，所以在電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間需要加入減速機(jī)構(gòu)。在前述確定的撲動方案中，樣機(jī)采用直齒輪進(jìn)行減速設(shè)計，便于加工和設(shè)計方便，且齒輪減速系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，符合撲翼樣機(jī)的設(shè)計需求。設(shè)計中為了使傳動平穩(wěn)可靠，減速系統(tǒng)擬采用三級齒輪減速。減速傳動設(shè)計簡圖如圖2-8所示，其中無刷電機(jī)與齒輪1相固連，齒輪2和3、5和6分別設(shè)計成一整體，采用3D打印一體成型，齒輪6與此前設(shè)計的撲動機(jī)構(gòu)的中的曲柄相連，齒輪7與6完全一樣，用以對稱驅(qū)動另一側(cè)的曲柄轉(zhuǎn)動。由上述電機(jī)的KU值為1500,可以計算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速n=KVxU=1500x7.4=11100r/min由于電機(jī)轉(zhuǎn)速、撲動頻率和減速比之間有如下關(guān)系:n=60fi由之前確定的撲翼樣機(jī)的頻率為4Hz,故可以求得初步減速比z:?=

確定了傳動比后，就要確定各級齒輪的具體參數(shù)，考慮到齒輪加工與實(shí)際裝配的便捷性，取所有的減速齒輪的模數(shù)為1,壓力角為20。，最后優(yōu)化取整后得到的各減速齒輪的參數(shù)如表2-3所示。根據(jù)上述參數(shù)最后得到的減速比:?=滿足之前計算的設(shè)計條件。在確定了傳動方案設(shè)計中的各個齒輪的模數(shù)和齒數(shù)后，為了減輕整體樣機(jī)的質(zhì)量，將減速齒輪設(shè)計成輪輻式，在SolidWorks中進(jìn)行零件建模和基本的裝配約束，如圖2-9所示。圖2-9減速機(jī)構(gòu)三維建模圖尾翼方案設(shè)計通過上文對鳥類的運(yùn)動情況的分析，可以得知對鳥類來說，翅膀是其所需氣動力的來源，而尾翼的作用是輔助其進(jìn)行轉(zhuǎn)向和俯仰運(yùn)動。鳥類在需要轉(zhuǎn)向時，例如右轉(zhuǎn)時，需要右翼下垂，左翼上揚(yáng)，從而使兩翼的撲動幅度不等從而在翅膀兩側(cè)產(chǎn)生升力和推力差。由以上分析可知，自然鳥類的轉(zhuǎn)向是依靠雙翼的撲動幅度的相位差和尾翼尾羽的輔助來進(jìn)行的，但實(shí)際中比較難設(shè)計出雙翼撲動幅度不等且有相位差的樣機(jī)，且本課題的樣機(jī)設(shè)計尺寸大、質(zhì)量大，這種非對稱的撲動設(shè)計也會給樣機(jī)的平穩(wěn)性帶來困難。因此為了簡化機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和增大樣機(jī)的可操作性，本課題在設(shè)計時采用控制尾翼來產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和俯仰時所需的力矩，這種控制方法在固定翼飛行器上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其實(shí)用性和穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證。參考之前設(shè)計出的比較成功的仿生分布式驅(qū)動撲翼器，尾翼的類型大致分為仿鳥單片式尾翼、平尾+垂尾和倒V型尾翼三種⑴］,如圖2-10所示。a）仿鳥單片式尾翼 b）平尾+垂尾 c）倒V型尾翼圖2-10常見的尾翼類型爾結(jié)合課題設(shè)計的功能需求，選擇能提供更大轉(zhuǎn)向力矩和俯仰力矩的平尾+垂尾的尾翼類型，其中平尾的作用主要是在飛行器進(jìn)行俯仰運(yùn)動時，提供相應(yīng)的升力，例如在飛行器做上仰運(yùn)動時，平尾尾翼此時的俯仰角為負(fù)，產(chǎn)生負(fù)升力。垂尾的作用主要體現(xiàn)在飛行器轉(zhuǎn)向飛行時，配合撲翼樣機(jī)的副翼協(xié)調(diào)其轉(zhuǎn)向。這里僅給出大致的尾翼方案，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是在樣機(jī)機(jī)身核心撲動機(jī)構(gòu)設(shè)計完成后進(jìn)行的，會在第四章中詳細(xì)給出。內(nèi)外翼扭轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計通過觀察海鷗飛行時的翅膀姿態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)海鷗在一次撲動周期中翅膀的扭轉(zhuǎn)情況是有差異的，其伴隨著翅膀的上下?lián)鋭佑姓瓜蛏系恼壅惯\(yùn)動，還有弦向上的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且扭轉(zhuǎn)角的大小沿翼展方向上是不同的，通常是呈非線性變化。在下?lián)潆A段氣流相對翼型剖面形成正攻角，而在上撲階段翅膀內(nèi)段攻角為正，翅膀外段攻角為負(fù)。之前的撲翼樣機(jī)的設(shè)計往往都直接忽略掉內(nèi)翼的攻角扭轉(zhuǎn)，然而實(shí)際上在上撲階段內(nèi)段翼的攻角變化的作用是不可忽視的，故本課題采用了內(nèi)外翼扭轉(zhuǎn)獨(dú)立控制的設(shè)計方案，以求能更好的模擬海鷗的飛行姿態(tài)從而得到更好的仿生效果和氣動性能。(1)外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計參考之前的樣機(jī)設(shè)計中的外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，新設(shè)計的外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖4-6所示，整個外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由外翼桿、扭轉(zhuǎn)舵機(jī)、外翼桿固定件、舵機(jī)搖臂和外翼舵機(jī)支座構(gòu)成。其設(shè)計方案是，因?yàn)橥庖項U離撲動中心較遠(yuǎn)，受到的振動較小，為了減小機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，設(shè)計時外翼扭轉(zhuǎn)直接將外翼桿作為扭轉(zhuǎn)桿，而不再增加額外的桿件。首先將外翼舵機(jī)支座通過螺釘和膠水固定在內(nèi)外翼的較接件上，舵機(jī)安裝在舵機(jī)支座上，舵機(jī)的輸出端與舵機(jī)搖臂相連，舵機(jī)搖臂與外翼桿固定件用螺絲螺母連接，使其可以相互轉(zhuǎn)動，外翼桿固定件與外翼桿之間用膠水進(jìn)行固連，這樣舵機(jī)的轉(zhuǎn)動就可以通過舵機(jī)搖臂、外翼桿固定件傳遞給外翼桿，通過控制舵機(jī)的行程和角度變化就可以控制外翼桿的扭轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)外翼上的攻角變化。(2)內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖4-7所示，整個內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由內(nèi)翼桿、扭轉(zhuǎn)桿、扭轉(zhuǎn)支撐桿、連接件、扭轉(zhuǎn)桿固定件、舵機(jī)和舵機(jī)搖臂組成?？紤]到內(nèi)翼桿離樣機(jī)撲動中心很近，內(nèi)翼桿在樣機(jī)撲動時所受到的作用力和振動遠(yuǎn)大于外翼桿,此時如果像外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計一樣直接在桿上進(jìn)行扭轉(zhuǎn)則不可行，會影響內(nèi)翼上下?lián)鋭拥姆€(wěn)定性。故本課題采用了一種全新的方式進(jìn)行設(shè)計，雖然會略微增大整機(jī)質(zhì)量，但能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的內(nèi)翼主動扭轉(zhuǎn)。其具體的設(shè)計方案是，將外翼舵機(jī)支座固定在減速機(jī)構(gòu)的機(jī)架上，扭轉(zhuǎn)桿與兩個內(nèi)翼翼型用膠水進(jìn)行固連，扭轉(zhuǎn)支撐桿用連接件分別連接扭轉(zhuǎn)桿和內(nèi)翼桿，使整個內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在撲動過程中與樣機(jī)保持在一個展向面上，并且內(nèi)翼段的兩個翼型前部與內(nèi)翼桿之間不可固連，其兩者之前會有一個攻角的變化，需要在翼型前端對應(yīng)部分鏤空出相對應(yīng)的弧線。這樣，通過控制外翼舵機(jī)的輸出就可以通過舵機(jī)搖臂和扭轉(zhuǎn)桿固定件傳遞給扭轉(zhuǎn)桿，而扭轉(zhuǎn)桿與翼型固連，就可以通過舵機(jī)的輸出變化控制內(nèi)翼翼型的攻角變化，也就實(shí)現(xiàn)了對樣機(jī)內(nèi)翼段的扭轉(zhuǎn)控制。

三維建模設(shè)計軟件介紹SolidWorks是世界上第一個基于windows的三維CAD系統(tǒng)。SolidWorks順應(yīng)CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，成為近兩年來CAD/CAM行業(yè)最賺錢的公司。在良好的財務(wù)狀況和用戶支持下，SolidWorks每年都有幾十項甚至上百項技術(shù)創(chuàng)新，并獲得多項榮譽(yù)。從1995年到1999年，該系統(tǒng)在全球計算機(jī)平臺CAD系統(tǒng)評價中獲得第一名；從1995年到現(xiàn)在，該系統(tǒng)獲得了17個國際獎項，其中美國權(quán)威CAD專業(yè)雜志cadence連續(xù)四年獲得SolidWorks最佳編輯獎，以表彰其創(chuàng)新性，活力與質(zhì)樸。到目前為止，SolidWorks已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了易用性、穩(wěn)定性和創(chuàng)新性這三個原則。有了它，設(shè)計人員可以縮短設(shè)計時間，快速有效地將產(chǎn)品投放市場。SolidWorks憑借其卓越的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)耀眼的明星，也成為華爾街的寵兒。最后，在1997年，達(dá)索以3.1億美元的高市值收購了SolidWorks。公司原有的風(fēng)險投資家和股東，擁有1300萬美元的風(fēng)險投資，取得了較高的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。合并后，SolidWorks繼續(xù)保持原有品牌和獨(dú)立運(yùn)營的管理團(tuán)隊，成為CAD行業(yè)的一家高素質(zhì)專業(yè)公司。SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計軟件已成為達(dá)索公司最具競爭力的CAD產(chǎn)品。SolidWorks由于采用了windowsole技術(shù)、直觀的設(shè)計技術(shù)、先進(jìn)的Parasolid內(nèi)核（劍橋大學(xué)提供）以及與第三方軟件良好的集成技術(shù)，已經(jīng)成為世界上安裝最多、使用最好的軟件。數(shù)據(jù)顯示，全球共發(fā)放SolidWorks軟件許可證約28萬份，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通運(yùn)輸、模具、電子通信、醫(yī)療器械、娛樂、日用品/消費(fèi)品、離散制造等行業(yè)。約31000家企業(yè)分布在全球100多個國家。在教育市場，來自全球4300所教育機(jī)構(gòu)的近14.5萬名學(xué)生每年通過SolidWorks培訓(xùn)課程。據(jù)世界著名人才網(wǎng)站搜索顯示，與其他3DCAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關(guān)的招聘廣告比其他軟件的總和還要多。這客觀上說明越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)使用SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計，全球用戶每年使用SolidWorks5500萬小時。建立模型先對各個重要零部件進(jìn)行設(shè)計，完成之后對其他零部件進(jìn)行設(shè)計，最后進(jìn)行裝配。圖7-1部件建模展示圖7-2部件建模展示圖7-3裝配體建模展示

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