./班號：1108110班號：1108110學號：1110811005姓名：崔曉蒙20XX春季學期"機電產品現(xiàn)代設計方法"課程大作業(yè)一作業(yè)題目：雷達轉臺設計學生：評閱教師：作業(yè)成績：1.設計任務雷達底座轉臺設計：一個回轉自由度承載能力：500kg被測件最大尺寸：Ф500×600mm臺面跳動：0.02mm,臺面平面度：0.02mm臺面布置T型槽,便于負載安裝方位轉角圍：±120°具有機械限位和鎖緊機構角位置測量精度：±5′角位置測量重復性：±3′角速度圍：0.001°/s～60°/s2.設計流程如上圖所示,整個設計過程分為功能設計、總體方案設計、詳細設計和設計總結四部分。2.1功能設計部分要結合所給出的性能要求以及我們設計的轉臺的目標客戶可能存在的功能需求,對轉臺的功能進行定義。然后將轉臺的功能細化為小的功能單元,對應于一個個要實現(xiàn)功能的結構單元。然后利用QFD圖對要實現(xiàn)的各種功能實現(xiàn)綜合評估,評價出功能需求的相對重要性及解決方案的相對重要性。2.2總體方案設計部分我們首先利用SysML語言來明確各部分功能的參數(shù)以及參數(shù)約束之間的關系,然后綜合考慮各種參數(shù),設計出整體的設計草圖。2.3詳細設計部分首先要使得零件實現(xiàn)其所對應的功能,使其滿足其精度及強度的要求。在此基礎上,要綜合考慮工件的可加工性,可裝配性以及價格等因素,從而選出最符合我們需求的設計。然后根據確定的參數(shù)和方案,利用三維建模軟件CATIA來進行三維建模,并將3D圖進行投影,得出適合工業(yè)加工的2D圖,完成整個設計。2.4設計總結部分對整個過程中進行反思,考慮這個過程中存在的不足以及設計過程種學到的知識,以便應用于以后的設計當中。3.QFD設計QFD<全稱QualificationFunctionDeployment>是進行設計總體規(guī)劃的工具。可以根據消費者的需求與需求的重要性來對工程設計做出相應的規(guī)劃。如圖所示,其中第一縱行代表了安全性高,價格便宜,角度定位精度高及重復定位精度高等一系列的客戶可能對所設計的轉臺所提出的要求。第三列<Importanceofwhats>用數(shù)字顯示出各功能的重要性。數(shù)字越大,所對應的功能越重要,所有數(shù)字之和為100,以防止把每一項都標注得很重要,無法得出比較重要的功能。參數(shù)的分配,理論上應是根據對客戶的進行調查問卷,然后根據客戶的答復,給第一列中的功能按重要性賦值得到的相對重要性的餅狀圖如下。定位精度、重復定位精度、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、伺服電機等對第一列的為了實現(xiàn)功能的設計。這里將所有能想到的設計列出。屋頂代表著各功能之間的關系。它表示了各種設計之間的關系,相互促進<+>或者相互限制<->.以此可以對設計有個宏觀的綜合的考慮得到一個中性的方案。而中間的主體矩陣部分起到衡量橫行上的設計單元對客戶需求的功能的滿足程度,將各列里的數(shù)字加起來,即為該設計方案所對應的重要程度,重要程度越大,說明越應該重點設計。如圖所示,我們得到個設計方案的相對重要程度如下。從圖中我們可以看出,為了實現(xiàn)客戶所需求的功能,軸的設計以及電機的選擇顯得至關重要。這意味著在后續(xù)的設計中,應該著重設計這部分。4.總體方案設計〔ConfigurationdesignSysML語言是UML語言<UnifiedModelingLanguage,統(tǒng)模語言,一種面向對象的標準建模語言,用于軟件系統(tǒng)的可視化建模>在系統(tǒng)工程應用領域的延續(xù)和擴展,是近年提出的用于系統(tǒng)體系結構設計的多用途建模語言,用于對由軟硬件、數(shù)據和人綜合而成的復雜系統(tǒng)的集成體系結構進行可視化的說明、分析、設計及校驗。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４－３１產品初步結構與ＳｙｓＭＬ圖5.底座轉臺關鍵件有限元分析軸的設計與有限元分析由上邊我們得出的軸的初步的尺寸.由國家標準,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的余量來供限位塊安裝之用。綜上所述,結合后續(xù)過程中對尺寸的一些細微調整,我們的到如下軸的尺寸。切軸的兩端分別用于和轉臺臺面和諧波減速器的柔輪相連,因此,這兩個表表面的精度要求較高,根據經驗取。同樣,由于軸頸處要與軸承過盈配合,對軸的表面精度同樣要求較高。因此也需要在此處標注表面的加工精度。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,在收扭矩時會產生較大的集中應力,因此,我們需要知道此時的軸的強度及強度是否能達到要求。因此我們仿真軸受的轉矩時,其各部分的受力情況以及軸的轉角。軸仿真受的力矩圖及仿真結果如下：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,使用的是catia軟件,輸出模型為igs,由于abaqus和catia同屬達索公司旗下產品,具有更好的兼容性,幸運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.設置各項參數(shù)后劃分網格,劃分結果如下4.劃分網格后進行有限元分析,分析的結果,應力云圖如下;應力云圖所示,添加轉矩的地方變粗,說明形變在這個地方比較大,集中于此。軸的兩端顏色由深藍色到淺藍最后到綠色再到黃色,說明應力在逐漸的加大,由顏色對應的應力關系可以得知整個軸的應力應變。具有直觀生動的優(yōu)點。而對于這個輸出的動畫結果,沒有紅色的部分,大部分軸上的顏色都比較淺,呈現(xiàn)藍色,說明該軸的危險的地方是軸的兩端,中間則比較安全,整體來看,整個軸符合安全要求。輸出應力云圖的結果體現(xiàn)了現(xiàn)代設計工具的一個很大的優(yōu)勢,就是方便快捷而且精確直觀,試想要是通過傳統(tǒng)的驗算方法查閱手冊根據經驗公式來計算,不僅對于計算著是一個很復雜枯燥的過程,而且極大可能出現(xiàn)錯誤,對于整體的應力應變情況也不能有清楚的體現(xiàn),可見在設計復雜的、滿足現(xiàn)代產品需求的零部件時候,現(xiàn)代化工具的重要性。5.最上部外圓的應變曲線X-YPLOT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基本步驟,如圖8所示。圖8ADAMS/Controls分析步驟〔1構造ADAMS/View樣機模型使用ADAMS/Controls模塊進行機電一體化系統(tǒng)聯(lián)合分析前,首先應該構造ADAMS/View的機械系統(tǒng)樣機模型,或者輸入已經構造好的機械系統(tǒng)樣機模型。機械系統(tǒng)樣機模型中包括幾何模型、各種約束和作用力等?！?確定ADAMS的輸入和輸出需要通過ADAMS/View或ADAMS/Solver中的信息文件或啟動文件,確定ADAMS的輸入和輸出。這里,輸出是指進入控制程序的變量,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。通過定義輸入和輸出,實現(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該設置為變量,而輸出可以是變量或是測量值?！?構造控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖是用MATLAB、MATRIX或EASY5等控制分析軟件編寫的整個系統(tǒng)的控制圖,ADAMS/View的機械系統(tǒng)樣機模型被設置為控制圖中的一個模塊。〔4機電系統(tǒng)仿真分析最后,可以對機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析。6.2雷達天線協(xié)同仿真本次大作業(yè)演示了一個簡單的雷達天線定點問題,在雷達天線機械系統(tǒng)中添加控制系統(tǒng)來控制雷達天線跟蹤衛(wèi)星信號。6.3構造ADAMS/View樣機機械模型在ADAMS/View中建好的樣機機械模型如圖所示。該模型主要由馬達、減速齒輪、轉盤、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系連接在了一起。圖9雷達天線樣機機械模型6.4確定ADAMS的輸入和輸出雷達天線的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的輸入和輸出關系,如圖所示?？梢钥吹?向雷達的機械系統(tǒng)輸入一個控制力矩〔control_torque,雷達的機械系統(tǒng)則向控制系統(tǒng)輸出天線仰角的方位角〔azimuth_position和馬達轉速〔rotor_velocity。ADAMS/Controls程序和控制程序MATLAB之間,通過相互傳遞狀態(tài)變量進行信息交流。因此必須將樣機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)變量的對話框。模型中共定義了4個狀態(tài)變量：天線方位角〔azimuth_position,控制力矩〔control_torque,天線高低角〔elevation_position,馬達轉速〔rotor_velocity。定義好狀態(tài)變量后就可以通過ADAMS/Controls接口定義機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的輸入輸出變量。該過程如下圖所示6.5雷達的運動仿真如下圖所示,在運動仿真模塊中設置步數(shù)和終止時間,然后就可以得出雷達天線的運動軌跡,以及轉臺的運動方式。而當消除了轉盤的運動后,只剩下天線的上下的角度擺動。仿真圖像如下。查看各個參數(shù)是否需要修改,是否正確,檢查無誤后,可以選擇輸出路徑,然后導出adams的雷達模型。6.6構造控制系統(tǒng)方框圖〔1啟動Matlab程序控制系統(tǒng)建模的目的是建立一個機械和控制一體化的樣機模型,通過ADAMS方框圖添加控制系統(tǒng),實現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模,基本步驟如下：啟動Matlab程序,顯示Matlab命令窗口界面。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中定義后自動輸出的,Matlab返回相應的結果。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變量名,檢驗變量。例如,如果輸入ADAMS_outputs,Matlab將顯示機械系統(tǒng)中定義的所有輸出：ADAMS_outputs＝rotor_velocity!azimuth_position?！?輸入ADAMS模塊在matlab窗口點擊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,該文件是運行ant_test.m時自動生成的,每個模型都會生成這個相同的文件,但是文件的容會有所不同。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。同時雙擊antenna1窗口中的三個顯示器,就可以顯示出三個顯示器,如下圖所示。〔3設置仿真參數(shù)在新顯示的Simulink窗口中,雙擊MSCSoftware模塊,顯示MSCSoftware模塊參數(shù)對話框,如下圖所示。在OutputFilesPrefix文本輸入框,設置輸出文件名’mytest’。文件名應該用單引號括起來。ADAMS/Controls將以文件名mytest保存仿真分析結果。ADAMS/Controls輸出仿真結果<.res>、要求<.req>和圖形<.gra>等三種類型的仿真分析結果文件,在本例題中,分別是mytest.res、mytest.req和mytest.gra文件。在仿真分析模式〔Simulationmode欄,選擇discrete參數(shù)。仿真分析模式定義了ADAMS程序求解機械系統(tǒng)方程的方式,以及控制程序求解控制系統(tǒng)方程的方式。在動畫顯示〔Animationmode欄,選擇interactive參數(shù)。動畫顯示決定了在ADAMS/View中動態(tài)顯示跟蹤仿真結果的方式?！?控制系統(tǒng)建模在開始已經由系統(tǒng)自動生成,所以可以跳過該步驟。6.7機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析〔1設置仿真參數(shù)在Simulink工具菜單欄,選擇Simulation菜單。在彈出的下一層菜單中,選擇Parameteres,顯示參數(shù)設置對話框。設置仿真時間,在StartTime欄,輸入0.0,設置開始時間。在EndTime欄,輸入0.25,設置結束時間。在仿真類型的第一個選擇欄,選擇variablestepmode參數(shù)。第二個選擇欄,選擇ode15s參數(shù)。對于其他各項參數(shù),取默認值。選擇OK按鈕,關閉Matlab仿真參數(shù)設置對話框?！?執(zhí)行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析在Simulation菜單,選擇Start命令,開始進行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析。程序將顯示一個新的ADAMS/View窗口,顯示仿真分析結果。ADAMS接收來自Matlab的控制輸入信息,產生相應的運動。同時,向Matlab的控制系統(tǒng)提供天線仰角的方位角azimuth_position和馬達轉速rotor_velocity的實時值。通過這種方式,機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。完成仿真分析以后,ADAMS/View自動關閉新顯示的窗口。仿真過程如下圖所示〔3暫停仿真分析利用ADAMS/Controls程序的互交式對話功能,可以使Matlab暫停分析,以便能夠更仔細的觀察和監(jiān)控ADAMS/View中的樣機圖形。具體方法如下：在ADAMS/View顯示窗口的左上方,實時顯示仿真分析進程時間。當仿真分析時間達到.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窗口,暫停仿真時,可以利用ADAMS/View主工具箱的各種視圖方向工具,改變樣機模型的視圖方向,獲得最佳視覺效果。如果需要繼續(xù)進行仿真分析,可以在Simulink的Simulation菜單,選擇Start命令。程序繼續(xù)開始仿真分析。但是很遺憾,由于電腦原因,matlab,adams等軟件工作時候,電腦運行很慢,在輸出了0.02秒之后的波形后光榮卡死,所以matlab的后續(xù)輸出無法完成,請老師諒解?！?在Matlab程序中繪制仿真分析結果利用Matlab的繪圖命令,可以繪制Matlab產生的任何數(shù)據。在本例中,將控制力矩ADAMS_uout的仿真結果曲線。ADAMS_uout數(shù)據隱含在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題的方法是,在Matlab命令窗口的輸入命令提示符處,輸入>>xlabel<‘時間/s’>>>ylabel<‘控制力矩/N.m’>>>title<‘雷達天線輸入力矩隨時間變化曲線’>Matlab添加X軸和Y軸的標題,以及控制力矩圖標題,如圖所示。7.大作業(yè)的感想以及課程感悟7.1大作業(yè)的感想結合本次大作業(yè)的完成,讓我對