机械毕业设计1080两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计.docx

机械毕业设计1080两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计.docx

《机械毕业设计1080两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械毕业设计1080两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

机械毕业设计1080两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计

两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计

专业：

机械设计制造及其自动化

学生：

指导教师：

完成日期：

2014年5月30日

摘要

风洞试验设备是一个国家航空航天事业发展的基础设施,对国家的航空航天事业、武器装备研制以及国民经济的发展发挥着非常重要的作用。

风洞试验是研制新型飞行器必不可少的重要环节。

每一种新型飞行器的研制都需要在风洞中进行大量的试验。

串联机构的发展曾经带动了空间机构学的发展，近20年来并联机构的发展再次促进了空间机构学的发展。

今天，为了我国的科技进步，自主创新性及在一些新兴产业和领域开辟自己独特的道路，基于串联机构与并联机构的特点，混联机构成为各种高端技术应用一个新的热点。

本文对两（少）自由度机构的现状和发展趋势以及风洞试验进行了简略的阐述，在此基础上进行两自由度运动机构的结构设计；介绍SolidWorks软件和对所设计的两自由度运动机构装置进行的三维造型过程；对所设计的运动机构的主要节点进行的强度校核和力学性能的分析；在校核的基础上选择了合适的电机；最后对本课题做一个总结和展望。

关键词：

串联，两自由度，风洞试验，三维造型。

Abstract

Windtunneltestingfacilitiesareinfrastructuresfortheaeronauticsandastronauticsofanation,whichareimportantforaviationandspaceflightcareer,weapondevelopmentandnationaleconomy.Itisanimportantandindispensablepartofthedevelopmentofnewtypesofaircraftforthewindtunneltest.Developmentofeachnewaircraftneedscarryoutalargenumberoftestsinawindtunnel.

Thedevelopmentoftheseriesmechanismshavecontributedtothestudyofspacemechanism,andnearly20yearsoftheparallelmechanismhavepromotedthedevelopmentofthespacemechanismagain.Atthepresent,inordertoadvanceofscienceandtechnologyofChina,independentinnovationandopenuptheuniquewayinsomenewindustriesandfields,basedonthecharacteristicsofseriesmechanismsandparallelmechanism,parallel-seriesinstitutionsbecomeahotnewareaofallhigh-endtechnologyapplications.

Inthispaper,abriefdescriptionofcurrentsituationanddevelopmentoftwo（few）degreeoffreedommechanismandwindtunnelexperiment,furtherforstructuredesigntothetwodegreesoffreedommotionmechanism;introductionofSolidWorkssoftwareandprocessforthedesignoftwodegreesoffreedommovementmechanismunitforthree-dimensionalmodeling;strengthcheckandmechanicalpropertiesanalysisforthemainnodesofmovementmechanism,basedonthatselectsuitablemotor;finallythisprojectmakesasummaryandprospected.

Keywords:

Series,Twodegreeoffreedom,windtunnel,Three-dimensionalmodeling.

第一章绪论

1.1课题背景、目的及意义

因为空气看不见、摸不着,要对其进行测量并不是那么容易,尤其是飞行器在空中飞行的时候，很难去测量气流对飞行器的作用力,釆集飞行器在飞行时的数据点,并且建立气动和运动学模型的计算机数值仿真,对于某些模型有时候难以建立,于是想到能否将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,即是在地面上人为地创造一个“天空”,以此来模拟飞行器在空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据,并且实现多次反复试验采集数据,从而缩短飞行器研发的时间、降低飞行器的制造成本,得到更为准确可靠的数据结果。

随着现代化工业进程的发展，两（少）自由度运动机构在各领域的运用也日益增加，其作用也越来越显著，通过本次设计一方面可以锻炼自己的动手和学习能力，把书本知识运用到实际，另一方面也可以让我们把握住现代信息社会的脉搏，为以后工作和学习确立明确的方向与目标。

1.1.1课题背景

国外从上世纪九十年代开始,提出了一种能够揭示大迎角高机动飞行时气动/运动的非线性耦合特性,进而进行过失评估,且低成本、低风险的风洞虚拟飞行试验（WindTunnelBasedVirtualFlightTesting,WTBVFT）的概念风洞虚拟飞行试验是指把飞行器模型安装在风洞巾具有2个旋转自由度的专用支撑裝置上,在保持模型质心位置不变的同时,让模型的2个姿态角可以自由运动或者按照飞行器的飞行要求加以实时舵面操纵控制,较为真实地模拟飞行器的机动运动过程,可同时测量飞行器气动和运动参数,检验飞行器响应和操纵控制特性,从而达到气动/运动一体化研究,探索气动/运动耦合机理的目的。

随着现代科学技术（如制造技术、机器人技术、生物科学技术等）的发展，对各种机械设备性能的要求越来越高，航空航天事业这种需求更为严格，混联机构在这种需求下就产生和演化了。

目前国内外的机构选型主要呈现以下两种趋势:

一种是传统的串联机构，串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输人，若联接点设在前置机构中作简单运动的构件上，即形成所谓的串联式组合。

其主要优点是工作空间大，灵活性与可操作性较好,技术积累较成熟,但刚度差、定位精度低是应用于装置的致命不足；另一种是选用并联机构,并联机构，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

并联机构的特点：

（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；

（2）承载能力大;（3）微动精度高;（4）运动负荷小;（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。

其主要优点具有高力/力矩输出,刚性好,无积累误差,输出加速度大,响应比串联机构快,但工作空间小,灵活性差。

人们为克服并联机构工作空间小和串联机构响应较慢的缺点,提出了集串、并联机构优点的一身的串并联混联机构。

混联机构的应用已经涉及到多个领域，如串并联微操作机器人系统的研究，PRS-XY型混联机床机构的研究，实现滚法中医推拿并串混联机器人的研究等等。

混联机构混合了并联机构和串联机构,并兼具两者优点,在很大程度上解决了纯并联机构空间小的缺点。

同时混联机构的运动学正、逆解求解时需要建立复杂的方程,求解困难是困扰专家学者的主要问题之一。

1.1.2课题目的及意义

发展机器人技术是推进经济结构战略性调整、以信息化提升我国制造与自动化技术水平、加快实现工业化的迫切需要;是促进我国传统制造行业与老工业基地的技术改造与产业升级，推动我国制造业“两个根本性转变”,实现跨越式发展的迫切需求;是瞄准国际前沿,力求超越提高综合国力,增强国际地位的迫切需求因此开发具有自主知识产全的产品也显得尤为重要。

本课题主要内容是研究两自由度运动机构的设计。

根据风洞动态实验的要求，设计两自由度动态运动装置。

该装置为串联和并联的混合机构，要求实现空间两自由度冗余运动。

利用三维造型软件对装置进行造型设计，ADAMS对其进行仿真，模拟出装置的运动状态以及求解出各部件的位移、速度、加速度。

并联机构刚度大、运动惯性小、精度高的优点十分明显。

尽管它的工作空间和灵活性受到一定限制,但与串联机构能够在结构和性能上形成互补关系,可完成串联机构难以完成的任务,从而扩大了机构的应用范围,可以相信随着并串联机构理论和设计方法的研究的成熟必将促进机构在各领域的应用。

1.2本课题研究内容

本文首先利用三维造型软件SolidWorks对两自由度风洞实验运动装置机械结构进行三维造型，然后运用虚拟样机技术对其进行几何学建模，并对其进行初步的运动学和动力学分析。

在具体操作时，采用了ADAMS软件作为辅助分析工具。

ADAMS软件是目前在机构运动学、动力学以及样机参数化分析等方面功能比较强大的软件之一，并联机构运动的复杂性可以利用ADAMS提供的这些功能进行分析，并可以方便、快捷地得到可视化的结果和分析过程中的各种参数及线图，为后继的研究分析工作提供比较直观的可参考依据。

本文具体研究工作主要包括以下几个方面：

第一章论述了课题的背景及课题研究的意义，提出本文的主要研究的内容。

第二章简要介绍风洞，两（少）自由度运动装置的基础理论研究

第三章简要介绍了设计的两自由度运动装置的机械原理，校核几处连接处的强度和载荷

第四章简述了三维造型软件和设计的两自由度运动机构的三维造型过程

第五章是简要介绍选择的电机及其性能

最后是结论部分，对全文进行总结，并对进一步研究进行一些展望。

第二章风动，两（少）自由度运动装置的基础理论研究

2.1风洞试验及应用

风洞（windtunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空洞动力实验最常用、最有效的工具。

其中风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。

它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。

风洞作实验的依据是运动的相对性原理。

实验时，常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型。

这种方法，流动条件容易控制，可重复地、经济地取得实验数据。

为使实验结果准确,实验时的流动必须与实际流动状态相似,即必须满足相似的要求。

但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。

此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。

航空航天飞行器研制的发展与风动试验设备密切相关，对空气动力学问题的探究促进了风洞的诞生。

风洞试