哈工大現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法大作業(yè)

1、班號(hào)：學(xué)號(hào)：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：500600mm臺(tái)面跳動(dòng)：0.02mm，臺(tái)面平面度：0.02mm臺(tái)面布置T型槽，便于負(fù)載安裝方位轉(zhuǎn)角范圍：120具有機(jī)械限位和鎖緊機(jī)構(gòu)角位置測(cè)量精度：5角位置測(cè)量重復(fù)性：3角速度范圍：0.001/s60/s2.設(shè)計(jì)流程如上圖所示，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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。2.1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(hù)可能存在的

2、功能需求，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。2.2總體方案設(shè)計(jì)部分我們首先利用SysML語(yǔ)言來(lái)明確各部分功能的參數(shù)以及參數(shù)約束之間的關(guān)系，然后綜合考慮各種參數(shù)，設(shè)計(jì)出整體的設(shè)計(jì)草圖。2.3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(mǎn)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(lái)進(jìn)行三維建模，并將3D圖進(jìn)行投影，得

3、出適合工業(yè)加工的2D圖，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。2.4設(shè)計(jì)總結(jié)部分對(duì)整個(gè)過(guò)程中進(jìn)行反思，考慮這個(gè)過(guò)程中存在的不足以及設(shè)計(jì)過(guò)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。3.QFD設(shè)計(jì)QFD(全稱(chēng)Qualification Function Deployment)是進(jìn)行設(shè)計(jì)總體規(guī)劃的工具?？梢愿鶕?jù)消費(fèi)者的需求與需求的重要性來(lái)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(hù)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100，以防止把每一

4、項(xiàng)都標(biāo)注得很重要，無(wú)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(hù)的進(jìn)行調(diào)查問(wèn)卷，然后根據(jù)客戶(hù)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(hù)需求的功能的滿(mǎn)足程度，將各列里的數(shù)字加起來(lái)，即為該設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)的

5、重要程度，重要程度越大，說(shuō)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(hù)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。4.總體方案設(shè)計(jì)（Configuration design）SysML語(yǔ)言是UML語(yǔ)言(Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言，一種面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)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(yǔ)言，用于對(duì)由軟硬件、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(shuō)明、分析、設(shè)計(jì)及校驗(yàn)。

6、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。圖產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)與圖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(guó)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的余量來(lái)供限位塊安裝之用。綜上所述，結(jié)合后續(xù)過(guò)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(guò)盈配

7、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(huà)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(guò)程中，使用的是catia軟件，輸出模型為igs，由于abaqus和catia同屬達(dá)索公司旗下產(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

8、導(dǎo)入到abaqus中在此過(guò)程中，需要注意的是證書(shū)的正確打開(kāi)否則不能打開(kāi)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 4.劃分網(wǎng)格后進(jìn)行有限元分析，分析的結(jié)果，應(yīng)力云圖如下;應(yīng)力云圖所示，添加轉(zhuǎn)矩的地方變粗，說(shuō)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(shuō)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(huà)結(jié)果，沒(méi)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(shuō)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(lái)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)

9、，就是方便快捷而且精確直觀，試想要是通過(guò)傳統(tǒng)的驗(yàn)算方法查閱手冊(cè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，不僅對(duì)于計(jì)算著是一個(gè)很復(fù)雜枯燥的過(guò)程，而且極大可能出現(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(jiàn)在設(shè)計(jì)復(fù)雜的、滿(mǎn)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(xiàn)X-Y PLOT如下圖所示：6.ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真6.1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)

10、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的輸入和輸出 需要通過(guò)ADAMS/View或ADAMS/Solver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的變量，表示控制程序的輸出。通過(guò)定義輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)ADAMS和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。（3）構(gòu)造控制系統(tǒng)方框圖 控制系統(tǒng)方框圖是用MATLAB、MATRIX 或

11、EASY5等控制分析軟件編寫(xiě)的整個(gè)系統(tǒng)的控制圖，ADAMS/View的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型被設(shè)置為控制圖中的一個(gè)模塊。（4）機(jī)電系統(tǒng)仿真分析 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。6.2雷達(dá)天線(xiàn)協(xié)同仿真本次大作業(yè)演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的雷達(dá)天線(xiàn)定點(diǎn)問(wèn)題，在雷達(dá)天線(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)中添加控制系統(tǒng)來(lái)控制雷達(dá)天線(xiàn)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。6.3構(gòu)造ADAMS/View樣機(jī)機(jī)械模型在ADAMS/View中建好的樣機(jī)機(jī)械模型如圖所示。該模型主要由馬達(dá)、減速齒輪、轉(zhuǎn)盤(pán)、支撐桿、仰角軸承及其天線(xiàn)組成，它們之間通過(guò)一定的約束關(guān)系連接在了一起。圖9 雷達(dá)天線(xiàn)樣機(jī)機(jī)械模型6.4確定ADAMS的輸入和輸出雷達(dá)天線(xiàn)的機(jī)械系

12、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?，向雷達(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(xiàn)仰角的方位角（azimuth_position）和馬達(dá)轉(zhuǎn)速（rotor_velocity）。ADAMS/Controls程序和控制程序MATLAB之間，通過(guò)相互傳遞狀態(tài)變量進(jìn)行信息交流。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(lái)。給出了定義狀態(tài)變量的對(duì)話(huà)框。模型中共定義了4個(gè)狀態(tài)變量：天線(xiàn)方位角（azimuth_position），控制力矩（control_torque），天線(xiàn)高低角（e

13、levation_position），馬達(dá)轉(zhuǎn)速（rotor_velocity）。定義好狀態(tài)變量后就可以通過(guò)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(guò)程如下圖所示6.5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(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式。 而當(dāng)消除了轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)后，只剩下天線(xiàn)的上下的角度擺動(dòng)。仿真圖像如下。 查看各個(gè)參數(shù)是否需要修改，是否正確，檢查無(wú)誤后，可以選擇輸出路徑，然后導(dǎo)出adams的雷達(dá)模型。6.6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(guò)ADA

14、MS方框圖添加控制系統(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，輸入ant_test（ant_test文件的全名為ant_test.m，是在ADAMS/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：3）在輸入提示符處，輸入who命令，顯示文件中定義的變量列表，可以選擇以上顯示的任何一個(gè)變量名，檢驗(yàn)變量。例如，如果輸入ADAMS_outputs，Matlab將顯示機(jī)械系統(tǒng)中定義的所有輸出：ADAMS_outputsrotor_velocity!azimuth_po

15、sition。 （2）輸入ADAMS模塊 1） 在matlab窗口點(diǎn)擊open,然后選擇antenna的后綴為mdl的文件，即可在顯示adams_sys的模塊窗口，如下圖所示。adams_sys文件的全名是adams_sys_.mdl，該文件是運(yùn)行ant_test.m時(shí)自動(dòng)生成的，每個(gè)模型都會(huì)生成這個(gè)相同的文件，但是文件的內(nèi)容會(huì)有所不同。2） 雙擊antenna1窗口中的adams_sub模塊，顯示adams_sub模塊的子系統(tǒng)如下圖所示。同時(shí)雙擊antenna1窗口中的三個(gè)顯示器，就可以顯示出三個(gè)顯示器，如下圖所示。（3）設(shè)置仿真參數(shù)1） 在新顯示的Simulink窗口中，雙擊MSC Sof

16、tware模塊，顯示MSC Software模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框，如下圖所示。2） 在Output Files Prefix文本輸入框，設(shè)置輸出文件名mytest。文件名應(yīng)該用單引號(hào)括起來(lái)。ADAMS/Controls將以文件名mytest保存仿真分析結(jié)果。ADAMS/Controls輸出仿真結(jié)果(.res)、要求(.req)和圖形(.gra)等三種類(lèi)型的仿真分析結(jié)果文件，在本例題中，分別是mytest.res、mytest.req和mytest.gra文件。3） 在仿真分析模式（Simulation mode）欄，選擇discrete參數(shù)。仿真分析模式定義了ADAMS程序求解機(jī)械系統(tǒng)方程的方式，以

17、及控制程序求解控制系統(tǒng)方程的方式。4） 在動(dòng)畫(huà)顯示（Animation mode）欄，選擇interactive參數(shù)。動(dòng)畫(huà)顯示決定了在ADAMS/View中動(dòng)態(tài)顯示跟蹤仿真結(jié)果的方式。（4）控制系統(tǒng)建模在開(kāi)始已經(jīng)由系統(tǒng)自動(dòng)生成，所以可以跳過(guò)該步驟。6.7機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析（1）設(shè)置仿真參數(shù)1） 在Simulink工具菜單欄，選擇Simulation菜單。2） 在彈出的下一層菜單中，選擇Parameteres，顯示參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框。3） 設(shè)置仿真時(shí)間，在Start Time欄，輸入0.0，設(shè)置開(kāi)始時(shí)間。在End Time欄，輸入0.25，設(shè)置結(jié)束時(shí)間。4） 在仿真類(lèi)型的第一個(gè)選擇欄，選擇vari

18、able step mode參數(shù)。第二個(gè)選擇欄，選擇ode15s參數(shù)。5） 對(duì)于其他各項(xiàng)參數(shù)，取默認(rèn)值。6） 選擇OK按鈕，關(guān)閉Matlab仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框。（2）執(zhí)行機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析在Simulation菜單，選擇Start命令，開(kāi)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。ADAMS接收來(lái)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(xiàn)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(guò)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/V

19、iew自動(dòng)關(guān)閉新顯示的窗口。仿真過(guò)程如下圖所示（3）暫停仿真分析利用ADAMS/Controls程序的互交式對(duì)話(huà)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)圖形。具體方法如下：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。2） 返回到ADAMS/View窗口，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(jué)效果。3） 如果需要繼續(xù)進(jìn)行仿真分析，可以

20、在Simulink的Simulation菜單，選擇Start命令。程序繼續(xù)開(kāi)始仿真分析。 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0.02秒之后的波形后光榮卡死，所以matlab的后續(xù)輸出無(wú)法完成，請(qǐng)老師諒解。（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_uout的仿真結(jié)果曲線(xiàn)。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/N.m)title(雷達(dá)天線(xiàn)輸入力矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn))Matlab添加X(jué)軸和Y軸的標(biāo)題，以及控制力矩圖標(biāo)題，如圖所示。7.大作業(yè)的感想以及課程感悟7.1大作業(yè)的感想結(jié)合本次大作業(yè)的完成，讓我對(duì)于書(shū)本上的知識(shí)運(yùn)用更加熟