机电产品设计大作业.docx
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机电产品设计大作业
课程名称：
机电产品现代设计方法
上课时间：
2015年春季
现代设计方法的底座转台设计
姓名：
学号：
11
班级：
1208
所在学院：
机电工程学院
任课教师：
张旭堂
一、设计任务
雷达底座转台设计：
一个回转自由度
设计对象
转台模型
具体设计参数要求：
承载能力：
500kg
被测件最大尺寸：
Ф500×600mm
台面跳动：
0.02mm，台面平面度：
0.02mm
台面布置T型槽，便于负载安装
方位转角范围：
±120°
具有机械限位和锁紧机构
角位置测量精度：
±5′
角位置测量重复性：
±3′
角速度范围：
0.001°/s～60°/s
二、设计流程
（一）功能设计
1.功能分析与分解
我们要结合所给出的性能要求以及我们设计的转台的目标客户可能存在的功能需求，对转台的功能进行定义。
然后将转台的功能细化为一个个小的功能单元，对应于一个个要实现功能的结构单元，为后续的设计打下基础。
然后利用QFD图对要实现的各种功能实现综合评估，评价出功能需求的相对重要性及解决方案的相对重要性，在以后的设计中，要对比较重要的功能投入比较多的精力重点设计。
对我们要实现的功能进行分解，得出我们要实现大负载、有限转角、控制旋转精度、及必要的支撑结构等四个主要功能。
功能分解图如下
转台功能分解图示
2.QFD设计
QFD（全称QualificationFunctionDeployment）一种用来进行设计总体规划的工具。
QFD的主要功能是实现工程设计与消费者的需求的精确连接，根据消费者的需求与需求的重要性来对工程设计做出相应的规划。
需求——功能对应关系QFD图
根据功能需求的质量屋可以计算出各部分功能的相对重要性，其相对重要性如上图所示。
其中第一纵行代表了安全性高，价格便宜，角度定位精度高及重复定位精度高等一系列的客户可能对所设计的转台所提出的要求。
第三列用数字显示出各功能的重要性。
数字越大，所对应的功能越重要，所有数字之和为100，以防止把每一项都标注得很重要，造成无法得出比较重要的功能的现象。
至于参数的分配，理论上应该是根据对客户的进行调查问卷，然后根据客户的答复，给第一列中的功能按重要性赋值得到的相对重要性的柱状图如上。
我们发现定位精度、重复定位精度、可靠性、安全性为主要考察功能，重要性参数确定的比较合理。
由图中可以看出，驱动元件转速、传感器精度、传感器分辨力及其灵敏度等相对重要程度较高。
这意味着在后续的设计中，应该着重设计这部分。
功能重要性图
根据上面的功能技术的质量屋可以计算出各部分技术的相对重要性，其相对重要性如上图的柱状图所示。
由图可以看出，电动机、编码器、感应同步器、压电加速度传感器等的重要程度较高，也说明在实现用户所要求的功能目标的众多技术手段中，上述这些技术相对更适合所设计的系统。
例如，在动力源的选择上，既有液压马达，又有电动机，综合考虑其他因素后，电动机的重要性明显高于液压马达，由此可知系统的动力源应该选用电动机而不是液压马达，这样有利于和其他技术手段之间的协调性和兼容性。
综上所述可知动力源的选择是电动机，位置传感器选择编码盘，加速度传感器选择是压电加速度传感器，变速机构综合考虑是选用可以变速的电动机代替变速机构，故电动机应该选用可以变速的电动机。
（二）总体方案设计
SysML语言是UML语言（UnifiedModelingLanguage，统一建模语言，一种面向对象的标准建模语言，用于软件系统的可视化建模）在系统工程应用领域的延续和扩展，是近年提出的用于系统体系结构设计的多用途建模语言，用于对由软硬件、数据和人综合而成的复杂系统的集成体系结构进行可视化的说明、分析、设计及校验。
在这里我们绘制参数图如下。
在下面的参数图中，我们确定了系统中各部件的相互约束情况。
功能参数约束
结构图
三、详细设计
（一）底座转台关键件的有限元分析
台面结构的有限元分析
接下来我们考虑台面的设计。
台面的直径受载荷的最大直径限制，因为载荷的要求为Ф500×600mm，留下100mm余量，则台面的直径为Ф600。
对于台面厚度的确定，主要需要考虑台面的强度、以及台面在载荷的作用下的变形情况。
由于这已经超出材料力学的范围，因此我们无法定量地去实施计算。
我们决定用如上图所示的仿真模型来进行仿真。
最终确定台面厚度取50mm可以得到一个比较好的结果。
台面取50mm厚时其三维仿真图如下
台面应力分析
台面变形图轴的应力分析
（二）ADAMS/MATLAB联合仿真
航天产品中机电类产品占据了大多数，在传统的机电一体化系统设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立一个模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后建造一个物理样机，进行机械系统和控制系统的联合调试。
如果发现问题，机械工程师和控制工程师又需要回到各自的模型中，修改机械系统和控制系统，然后再进行物理样机联合调试，下图说明了这个过程。
调试过程图解
使用MSC.ADAMS仿真软件，机械工程师和控制工程师可以共享同一个样机模型，进行设计、调试和试验。
可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。
下图说明了这个过程。
/
样机调试
显然，利用虚拟样机技术对机电一体化系统进行联合设计、调试和试验的方法，同传统的设计方法相比较具有明显的优势，可以大大地提高设计效率，缩短开发周期，降低开发产品的成本，获得优化的机电一体化系统整体性能。
MSC.ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是美国MSC公司的旗帜产品，是虚拟样机领域非常优秀的软件。
它的功能很强大，如：
给用户提供了友好的界面、快速简便的建模功能、强大的函数库、交互式仿真和动画显示功能等等。
另外，MSC.ADAMS/Controls模块提供了与许多控制系统软件（如MATLAB，MATRIXX，EASYS5等）的接口功能。
利用这些软件，可以把机械系统仿真与控制系统仿真结合起来[1]。
为此，本报告专门就ADAMS中如何实现机械和控制一体化仿真做一个总结。
（三）ADAMS中实现控制的方法介绍：
在ADAMS中使用控制器来实现控制有六种方法。
其中有三种方法在ADAMS内部就能够实现，不需要其它外部程序代码；另外三种方法需要使用ADAMS外部程序代码才能实现。
下面简单的介绍一下这六种方法。
3.1方法一：
使用控制定律定义力或扭矩函数
使用控制定律来定义力或扭矩的函数表达式是ADAMS中最直接的一种使用控制器的方法，为了便于说明这种方法，下面用一个简单的例子来说明。
在某模型中扭矩的表达式为：
F（time）=-20.0*WY（MAR_1），这个表达式的意思是扭矩是基于Y方向的角速度其增益为20的阻尼扭矩。
如果这个函数是连续的，那么系统就具有很高的非线性，我们可使用STEP函数来控制相关的控制力或控制扭矩的开或关。
3.2方法二：
使用ADAMS/View内部的控制工具箱
利用ADAMS/View的控制工具箱，可以直接在ADAMS/View样机模型中添加控制模块，完成机电一体化系统的仿真分析。
该控制工具箱提供了简单的线性控制模块和滤波模块，可以方便的实现前置滤波、PID控制及其它连续时间单元的模拟仿真。
3.3方法三：
用FORTRAN或C来写子程序来实现
用FORTRAN或C写的用户子程序可以通过编译后连接到ADAMS可执行程序中去。
在应用程序中，用户自定义子程序能够很好的执行控制规律而且能很好的连接到ADAMS模型中适当的物体上。
该方法属于ADAMS二次开发的内容。
3.4方法四：
使用ADAMS/Linear模块导出状态矩阵的方法
用户可以指定输入（比如控制力矩）、输出（比如角速度和偏差），从而输出状态矩阵，这些状态矩阵能被MATLAB或Matrix-X识别，但是要注意的是模型中的平衡配置要是线性化的。
这种方法最大的优点是在外部代码中所有控制规律的设计是为该模型所用的。
3.5方法五：
使用ADAMS/Controls进行协同仿真
使用ADAMS/Controls模块，可以将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软件有机地连接起来，实现将复杂的控制添加到机械系统样机模型中，对机电一体化的系统进行联合仿真分析。
ADAMS/Controls模块支持同MATLAB、MATRIX、EASY5等控制分析软件进行联合分析。
3.6方法六：
控制框图转换成C/Fortran代码导入到ADAMS中实现
该方法是把Simulink或者MSC.EASY5中的控制框图转换成C/Fortran代码后导入到ADAMS中作为一个广义状态方程来实现。
这种仿真完全是在ADAMS内部执行，需要适时工作空间MATLAB/Simulink或者MSC.EASY5v7.1以及MSC.ADAMSv2003SP1的支持。
（四）雷达天线协同仿真
一）天线模型的分析：
1、方位角马达通过旋转副约束与大地相连；
2、减速齿轮通过旋转副与大地相连；
3、圆盘通过旋转副约束与大地相连；
4、高位轴承通过固定副约束与天线支撑相连；
5、天线支撑通过固定副约束与圆盘相连；
6、天线通过旋转副约束与高位轴承相连。
该实例演示了一个简单的雷达天线定点问题，在雷达天线机械系统中添加控制系统来控制雷达天线跟踪卫星信号。
二）构造ADAMS/View样机机械模型
在ADAMS/View中建好的样机机械模型如图9所示。
该模型主要由马达、减速齿轮、转盘、支撑杆、仰角轴承及其天线组成，它们之间通过一定的约束关系连接在了一起。
雷达天线样机机械模型
三）确定ADAMS的输入和输出
雷达天线的机械系统和控制系统之间的输入和输出关系，如图10所示。
从图10可以看到，向雷达的机械系统输入一个控制力矩（control_torque），雷达的机械系统则向控制系统输出天线仰角的方位角（azimuth_position）和马达转速（rotor_velocity）。
雷达天线的输入和输出
ADAMS/Controls程序和控制程序MATLAB之间，通过相互传递状态变量进行信息交流。
因此必须将样机模型的输入和输出变量，及其输入和输出变量引用的输入和输出函数，同一组状态变量联系起来。
图11给出了定义状态变量的对话框。
模型中共定义了4个状态变量：
天线方位角（azimuth_position），控制力矩（control_torque），天线高低角（elevation_position），马达转速（rotor_velocity）。
定义好状态变量后就可以通过ADAMS/Controls接口定义机械系统和控制系统间的输入输出变量。
四）构造控制系统方框图
控制系统建模的目的是建立一个机械和控制一体化的样机模型，通过ADAMS方框图添加控制系统，实现控制系统的建模，基本步骤如下：
具体步骤如下：
（1）启动Matlab程序
1）启动Matlab程序，显示Matlab命令窗口界面。
2）在Matlab命令输入提示符”>>”或”?
”处，输入ant_test（ant_test文件的全名为ant_test.m，是在ADAMS/Controls中定义后自动输出的），Matlab返回相应的结果。
%%%INFO:
ADAMSplantactuatorsnames:
1control_torque
%%%INFO:
ADAMSplantsensorsnames:
1azimuth_position
2rotor_velocity
3）在输入提示符处，输入who命令，显示文件中定义的变量列表，
Matlab返回相应的结果：
ADAMS_execADAMS_inputsADAMS_outputsADAMS_poutput
ADAMS_staticADAMS_uy_idsADAMS_initADAMS_modeADAMS_pinputADAMS_prefixADAMS_sysdir
可以选择以上显示的任何一个变量名，检验变量。
例如，如果输入ADAMS_outputs，Matlab将显示机械系统中定义的所有输出：
ADAMS_outputs＝rotor_velocity!
azimuth_position。
（2）输入ADAMS模块
1）在Matlab输入提示符处，输入adams_sys，显示adams_sys的模块窗口，如图12所示。
adams_sys文件的全名是adams_sys_.mdl，该文件是运行ant_test.m时自动生成的，每个模型都会生成这个相同的文件，但是文件的内容会有所不同。
adams_sys模块窗口
2）在File菜单，选择New，打开一个新的类似于图12的空白窗口，为方便起见，将此窗口称为antenna1。
3）用鼠标将图12中的adams_sub模块连同两个输出显示器，拖到新打开的antennal窗口中。
4）双击antenna1窗口中的adams_sub模块，显示adams_sub模块的子系统如图13所示。
adams_sub模块的子系统
（3）设置仿真参数
1）在新显示的Simulink窗口中，如图13所示，双击MSCSoftware模块，显示MSCSoftware模块参数对话框，如图14所示。
MSCSoftware模块参数设置对话框
2）在OutputFilesPrefix文本输入框，设置输出文件名’mytest’。
文件名应该用单引号括起来。
ADAMS/Controls将以文件名mytest保存仿真分析结果。
ADAMS/Controls输出仿真结果（.res）、要求（.req）和图形（.gra）等三种类型的仿真分析结果文件，在本例题中，分别是mytest.res、mytest.req和mytest.gra文件。
3）在仿真分析模式（Simulationmode）栏，选择discrete参数。
仿真分析模式定义了ADAMS程序求解机械系统方程的方式，以及控制程序求解控制系统方程的方式。
4）在动画显示（Animationmode）栏，选择interactive参数。
动画显示决定了在ADAMS/View中动态显示跟踪仿真结果的方式。
5）选择Aplly。
6）选择OK。
（4）控制系统建模
控制系统的建模需要利用Matlab程序的Simulink工具箱，建模方法如下：
1）在Matlab命令窗口，启动Simulink，显示Simulink工具库窗口。
2）双击Simulink工具库窗口的每个图标，显示各自的子工具库窗口。
3）在已经打开的antenna1窗口中，根据控制系统的具体需要，在Simulink工具库窗口中选择有关图形模块，并拖到Simulink建模窗口中。
4）按照图15所示的控制系统图，完成各控制图标以及adams_sysm模块之间的连接和参数设置。
5）在File菜单，选则Save命令，将控制系统的Simulink文件存盘。
控制系统图
在ADAMS的ADAMS/Controls模块的例题目录中（ADAMS程序安装目录下的controls/examples/antenna），保存有一个已经完成建模的控制系统Simulink文件，文件名为antenna.mdl。
也可以直接从Simulink窗口中，读出antenna.mdl文件，然后进行机电系统联合仿真分析。
使用antenna.mdl模块中的MSCSoftware模块的参数进行重新设置，如图15所示。
五）机电系统联合仿真分析
（1）设置仿真参数
1）在Simulink工具菜单栏，如图15所示，选择Simulation菜单。
2）在弹出的下一层菜单中，选择Parameteres，显示参数设置对话框。
3）设置仿真时间，在StartTime栏，输入0.0，设置开始时间。
在EndTime栏，输入0.25，设置结束时间。
4）在仿真类型的第一个选择栏，选择variablestepmode参数。
第二个选择栏，选择ode15s参数。
5）对于其他各项参数，取默认值。
6）选择OK按钮，关闭Matlab仿真参数设置对话框。
（2）执行机电系统联合仿真分析
在Simulation菜单，选择Start命令，开始进行机电系统联合仿真分析。
程序将显示一个新的ADAMS/View窗口，显示仿真分析结果。
ADAMS接收来自Matlab的控制输入信息，产生相应的运动。
同时，向Matlab的控制系统提供天线仰角的方位角azimuth_position和马达转速rotor_velocity的实时值。
通过这种方式，机械系统和控制系统实现闭环控制。
完成仿真分析以后，ADAMS/View自动关闭新显示的窗口。
（3）暂停仿真分析
利用ADAMS/Controls程序的互交式对话功能，可以使Matlab暂停分析，以便能够更仔细的观察和监控ADAMS/View中的样机图形。
具体方法如下：
1）在ADAMS/View显示窗口的左上方，实时显示仿真分析进程时间。
当仿真分析时间达到.1s，马上在Simulink的Simulation菜单，选择Pause命令，Matlab将暂停仿真分析。
2）返回到ADAMS/View窗口，暂停仿真时，可以利用ADAMS/View主工具箱的各种视图方向工具，改变样机模型的视图方向，获得最佳视觉效果。
3）如果需要继续进行仿真分析，可以在Simulink的Simulation菜单，选择Start命令。
程序继续开始仿真分析。
（4）在Matlab程序中绘制仿真分析结果
利用Matlab的绘图命令，可以绘制Matlab产生的任何数据。
在本例中，将控制力矩ADAMS_uout的仿真结果曲线。
ADAMS_uout数据隐含在adams_sub模块中，如图15所示。
绘制力矩图方法如下：
在Matlab命令窗口的输入命令提示符处，输入
>>plot（ADAMS_tout,ADAMS_uout）
为控制力矩图添加标题的方法是，在Matlab命令窗口的输入命令提示符处，输入
>>xlabel（‘时间/s’）
>>ylabel（‘控制力矩/N.m’）
>>title（‘雷达天线输入力矩随时间变化曲线’）
Matlab添加X轴和Y轴的标题，以及控制力矩图标题，如图16所示。
控制力矩随时间变化曲线
四、设计总结
本次大作业的任务在设计手段上，进行了QFD进行设计，先进行产品的总体设计，在了解各个部分组成的前提下，在这次大作业中，强调运用时下的现代设计手段，是今后真正从事机电系统设计工作所需要的基础与方法。
针对最终的联合仿真结果对整个机电系统的工作情况进行了分析，为机电产品实体的制造和生产提出了指导性的意见。
它的基本技术依托是计算机技术，各种系统建模软件和仿真软件的操作使用也对我们设计着提出了很高的要求，这对我们来说是一个学习和能力提高的过程。
在这个转台底座的机电系统设计过程中，依托计算机的多系统联合建模仿真，来进行典型机电产品的设计，在计算机仿真，然后借助有限元分析等等，缩短设计周期，提高准确度，节省设计材料等等优势，现代设计手段在设计过程中的优势十分明显。
通过设计此次大作业，我熟悉了解掌握了将Adams的操作与运用，学习了解了很多新的软件。
使我认识到新型软件的学习对于我们专业将来的发展有很大的作用，借助这些新型软件，我们不仅可以对于3D模型有更清晰的认识，同时对于我们机械的学习，理论系统的认识有更加形象的认识与学习，这改变了我对之前传统机械制造的看法，这是这次大作业对我来说比较重要的意义。
在此次作业完成过程中，老师以及同学的帮助起了很大作用，非常感谢！
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