两自由度风洞实验运动装置机械结构总体的设计.docx

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两自由度风洞实验运动装置机械结构总体的设计

选题、审题表

学院

选题

教师

姓名

专业

专业技术职务

申报课题名称

两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计

课题性质

①

②

③

④

⑤

⑥

课题来源

A

B

C

D

√

√

课题简介

该装置用于风洞实验测量，采用尾撑模型，实现垂直运动和俯仰运动，共两个自由度。

风洞最大风速为80m/s。

由于风洞实验的要求，机构部分不能进入风洞实验范围，因此，该机构的支撑部分和悬伸部分长度较长，如何提高其支撑刚性和低俗运动的平稳性，是该课题重点考虑的问题。

设计（论文）

要求

（包括应具备的条件）

学生具有较好的机械设计理论基础，能熟练掌握二维和三维的制图软件，具有比较强的独立研究和探索能力，具有较强的主动沟通意识。

课题预计

工作量大小

大

适中

小

课题预计

难易程度

难

一般

易

√

√

所在专业审定意见：

负责人（签名）：

年月日

院主管领导意见：

签名：

年月日

任务书

1、本毕业设计（论文）课题应达到的目的：

通过毕业设计，了解相关行业的发展状况，熟悉机械设计的过程，熟悉常用的机械设计软件和二维三维绘图软件，培养独立进行开发研究的能力。

2、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

1．两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计

2．完整的机械设计过程及其说明

3．完成二维或三维的设计图纸绘制

任务书

1、对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业设计论文、

图表、实物样品等）：

1.完成外文专业资料的翻译；

2.两自由度风洞试验运动装置原理示意图；

3.两自由度风洞试验运动装置试验结果；

4毕业实习报告；

5.毕业论文；

4、主要参考文献：

［1］REINM,etal.Ground-BasedSimulationOfComplexManeuversOfADelta-WingAircraft［J］.AIAAJournalOfAircraft,2008,45

（1）：

286-291.

［2］BERGMANNA.ModernWindTunnelTechniquesforunsteadytesting［J］.NNFM，2009，102：

59-77

[3]DavidJ.Korsmeyer,JoanD.Walton,BruceL.GilbaughandDennisJ.KogaoDARWIN—REMOTEACCESSANDDATAVISUALIZATIONELEMENTS.AIAA96-2250.

[4]FeliceCennamol,FrancescoFusco,MicheleInverno,AlessandroMasil,AndreaRuggiero.AMemotcControlledMeasurementforKducationandTrainingofExperimentsinWindTunnel.MTC2004-InstrumentationandMeasurementTechnologyConferencesComo,Italy,18-20May2004.

[5]樊昌,张连河.基于WebService的风洞信息数字解决方案.航空计算技术.2007,37（4）:

124-128.

[6]文福安,杨光.并联机器人机构概述[J].机械科学与技术,2000,19

（1）:

69-72.

[7]江平宇,陈献国.基于Web的同步远程协同产品设计的实现.机械工程学报,2002,38（3）:

34-38

[8]邹建文;王安庆;林中达;基亍Web的火电厂远程监控及故障诊断系统开发机屯工程技术,2010.1

[9]吴晓峰,王瑞华;韩永生;远程监控与故障诊断系统的研究与应用自动化仪表,2009,30（3）:

22-25

[10]何焱;张光伟;马媛媛;基于Internet的设备远程监控与故障诊断机电工程技术,2005.9

[11]毛红保,徐卿;梁伟.基丁-Web的远程故障诊断技术研究.计算机下程与设计,2005.3

[12]陈运奇;卢喜烈;张丽娟,等.远程心电监测系统在区域协同医疗中的应用.医学信

息学杂志,2009,30（6）:

15-19

[13]李伟;李澎林;李平,等.基于CSCW和FMS的远程协同教学平台实现.浙江工业大学学报,2009,37（4）:

416-420

[14]朱朝,王国胜,梁益华,杨永.一个CFD计算作业调度系统的设计与实现.2006,36（4）:

130-131

[15]朱韶峰，黄吉．风洞模拟相似参数的实用探讨[J]．科技通报，1989，（6）．

任务书

5、本毕业设计（论文）课题工作进度计划

起止日期

工作内容

查阅相关资料

论文翻译

开题报告

毕业设计（论文）任务书

毕业实习报告

毕业论文

所在专业审核意见：

负责人：

年月日

学院意见：

院长：

年月日

实习报告

生产实习是我们机械设计专业学习的一个重要环节，是将课堂上学到的理论知识与实际相结合的一个很好的机会，对强化我们所学到的知识和检测所学知识的掌握程度有很好的帮助。

为期3个月的生产实习，我选择了杭州中久自控有限公司，在杭州中久有限公司实习当中，我们学到了许多课本上没有的知识，掌握CAD,Pro/E,Solidworks软件，受益匪浅。

1.通过杭州中久自控有限公司生产实习，深入生产第一线进行观察和调查研究，获取必要的感性知识和使自己全面地了解杭州中久自控有限公司的生产组织形式以及生产过程，了解和掌握本专业基础的生产实际知识，巩固和加深已学过的理论知识。

2.在实习期间，通过对典型零件机械加工工艺的分析，以及零件加工过程中所用的机床，夹具、量具等工艺装备，把理论知识和实践相结合起来，让我们的考察，分析和解决问题的工作能力得到有效的提高。

3.通过实习，广泛接触机械工程师和工人技术人员的专题报告，学习他们的好的生产经验，技术革新和成果，实践中的经验，学习他们在机械行中的敬业精神。

4.通过在杭州中久自控有限公司实习，掌握一台设备从毛坯到产品的整个生产过程，组织管理，设备选择和车间布置等方面的知识，扩大知识面，开阔了视野。

（二）生产实习的要求

为了达到上述实习目的，生产实习的内容和要求有：

1.机械零件的加工

根据实习公司的产品，选定几台设备作为实习工作对象，通过对非标零件机械加工工艺的学习，掌握各类机器零件加工工艺的特点，掌握各画图软件，了解工艺在工厂中所用的机床，刀具，夹具的工作原理以及定位方式，在此基础上指定其中几个典型的零件进行重点的分析研究，要求如下：

（1）阅读和查阅典型零件的零件图及其加工图，了解该零件在机床中的功用及工作条件，零件的结构特点及要求，分析此零件的加工工序、工艺。

（2）大致了解毛坯的制造工艺过程，找出铸（锻）件、型材的分型（模）面。

（3）深入了解零件的制造工艺过程以及零件的制造前所需要的哪些处理，找出现场加工工艺情况；

2.装配工艺

（1）了解机械的装配组织形式和装配工艺方法和装配工艺所需要注意的精度、平行度、垂直度的要求。

（2）了解个中装配方法中的优、缺点，如何避免缺点；及装配方法使用类型、要求。

（3）了解典型装配工具在装配方法中的工作原理，结构特点和使用方法。

（三）生产实习的内容

1.工作台面加工需要注意：

平行度，平面度，精度等；工作台面表面需要进行淬火处理；在安装时需要用百分表进行精度调整而且精度的调整要与国家标准来对照；

2.夹紧与孔的大小，接触面的面积大小，水平面是否水平有着密切的联系；

3.加工工件时需要考虑效率、成本、和精度，具体要求由工厂情况而定；

4.发黑处理：

强制性的氧化措施

5.工作台的加工先加工工作台面，再以工作台面为粗基准加工导轨面；

6.镗床夹具由主要部分组一个完整的镗床夹具，应该由夹具体、定位装置、夹紧装置、带有引导元件的导向支架及套筒、镗杆等主要部分组成。

7.钻床夹具的主要类型钻床夹具简称钻模，主要用于加工孔及螺纹。

它主要由钻套、钻模板、定位及夹紧装置夹具体组成。

8.铣刀类型选择

根据被加工零件的几何形状，选择刀具的类型有：

1）加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀，

2）铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀，

3）铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀，

4）孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具，

9.加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，是具备两种机床功能的组合机床。

它的最大特点是工序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。

10.加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处，主要在于它附有刀库和自动换刀装置。

三：

感受

实习中，在机械工程师及技术人员的带领学到了很多。

让我对原先在课本上许多不很明白的东西在实践观察中有了新的领悟和认识。

在这个科技时代中，高技术产品品种类繁多，生产工艺、生产流程也各不相同，但不管何种产品，从原料加工到制成产品都是遵循一定的生产原理，通过一些主要设备及工艺流程来完成的。

本次实习使我第一次亲身感受了所学知识与实际的应用，理论与实际的相结合，让我也大开眼界，这次生产实习对于我以后正式工作也受益菲浅。

在短短的三个月中，让我初步的认识了这个社会，对于以后工作、做人所应把握的方向，也有所启发！

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。

风洞试验设备的发展随着风洞的建设分别经历了低速风洞、高速风洞、超声速风洞、跨声速风洞、超高速风洞和特种风洞的发展阶段。

为了满足航天事业的需求，风洞设备的发展又经历了更新改造、稳定发展和新概念的发展。

世界上大部分的发达国家都对空气动力试验机构的研究给予了高度的重视。

1871年，英国的温霍姆建造了世界上第一座风洞试验设备。

德国于1907年成立了哥庭根空气动力试验院，并花巨资建立了许多低速、高速、超高速和特种风洞试验设备，同时也是世界上领先先研制出弹道导弹和喷气式飞机的国家。

美国在上个世纪80年代推出了“星球大战”计划，于1915年成立了国家空气动力研究机构并把作为基础学科的空气动力学放在了主要学科的位置上。

20世纪80年代，各国家开始对风洞的各种性能进行改造，美国计划将20m×36m的全尺寸风洞改造为无回声试验段。

NASA的高空风洞（AWT）也进行了改造，风速由Ma=0.6增加到了0.9，增加了声学试验和风洞结冰的能力。

1999年，法国完成了直径8m的SIMA风洞声学试验段的改造，有效的抑制了飞速在0.85Ma内，频率为200HZ到2kHZ风洞的噪声。

2001年，法国对F1低速风洞进行了试验改造，可吸收声音的频率范围达到600HZ到25kHZ。

英国为了改善飞机及其增升系统在空气动力风洞试验的精度，英国皇家航空研究院在法恩巴勒建立了一座大型增压的5m低速风洞，该风洞可以在恒定的M数下改变Re，可以在接近于真实的Re数下进行大尺度发动机短舱或半模试验。

随着航空航天领域的快速发展，一些新兴的经济强国也开始重视风洞设备的建设。

1996年，日本三菱重工建立了一座试验段的出口3m高2.5m的静音风洞，该风洞设计制造过程中使用了降低噪声的新技术。

1998年，韩国在大田市建立了一座在设计、扩展性及流场等方面功能比较强大的现代化的4m×3m风洞试验设备。

20世纪60年代，我国风洞试验设备的建设才开始起步，于1977年建造了亚洲最大的低速