设计项目_设计原理与方法Ⅱ

1、1,“设计原理与方法”课程 设计项目,2014年3月,2,项目一：月球车行走系统设计与分析,项目二：船闸人字门启闭机设计与分析,3,项目一：月球车行走系统设计与分析,月球车(lunar rover)：一种可实现在月球表面着陆、行驶、探测、考察、收集与分析样品、信息获取与传输的专用车辆，无人驾驶，太阳能电池和蓄电池联合供电。,应用背景与设计总体要求,行走系统(locomotion system)功能与性能的基本要求：具有较高的地形适应能力和通过能力，能适应月球的复杂地理环境和气候环境，具有前进、后退、转弯、爬坡、越障、避障等功能；体积小，质量轻，耗功低。,4,行走系统设计与分析的总体要求：提出一种月球车行走系统实现原理与结构方案，完成机械系统设计、结构设计、运动过程仿真与动力学分析。 技术要求及数据：直流电机驱动；最大外形尺寸：900mm(长)600mm(宽)450mm(高)；总质量不超过50kg；移动速度不小于0.1m/s。,5,月球车行走系统典型案例及功能原理分析,轮式行走机构,各轮悬挂并独立驱动，能偏转和适应高度变化。,6,7,8,9,摇臂转向架式月球车机构原理图,空间连杆机构悬架

2、,10,A mobile robot for rough terrain,11,12,13,14,15,16,17,中间轮，不偏转， 单自由度，一个电机驱动,18,19,前、后轮，偏转， 两自由度，两个电机驱动,20,21,履带式行走机构,22,23,24,25,26,27,28,29,履带的变异：链条+防滑块,30,31,32,33,34,腿式行走机构,35,36,月球车行走系统建模与仿真分析实例,建模【地面模型、车辆模型】与仿真,37,模型中，所编制的轮胎属性为： VERTICAL_STIFFNESS = 400.0 VERTICAL_DAMPING = 3.5 ROLLING_RESISTANCE = 0.0 CSLIP = 1000.0 CALPHA = 800.0 UMIN = 0.9 UMAX = 1.0 RELAX_LENGTH_X = 0.05 RELAX_LENGTH_Y = 0.15,38,进行仿真时，所添加的驱动有两类： 一是牵引驱动，分别添加在六个轮胎上，轮1的驱动函数为STEP( time , 0 , 0 , 5 , 180d)，即轮1转速在5秒内从0加速到1

3、80d/s，之后以180d/s匀速转动，其余五轮根据所建立数学模型的速度关系给定转速。 二是转向驱动，分别添加在前后四个角轮上，对内侧的前后两轮，驱动函数为STEP( time , 0 , 0 , 5 , 20.0d )，即在5秒内轮胎转向角从0d增加到20d，之后保持20d的转向角；对外侧的前后两轮，驱动函数为STEP( time , 0 , 0 , 5 , 12.24d )，即在5秒内轮胎转向角从0d增加到12.24d，之后保持12.24d的转向角。这里内外侧转向角的关系根据纯滚动转向要求确定，算得仿真的理论转弯半径为R=1324.1mm。,39,设定某一运动轨迹情况下的质心坐标变化曲线,40,质心速度变化曲线 还可分析车身角速度变化规律,41,质心合成速度变化曲线,42,运动轨迹,43,质量为50kg(空载)，有效载荷20kg；外形尺寸为860 mm600 mm450mm；车轮直径为220mm；车轮宽度为150 mm。月球车在仿真月面运行过程中为刚性车轮与软地面相互作用。,摇臂转向架式月球车机构原理图及三维模型,引自【胡明等。基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真】,44,A

4、DAMS动力学仿真,动力学仿真环境,45,46,47,48,49,项目任务内容及要求,查阅相关资料，了解设计背景及要求，熟悉相关设计、分析方法及软件使用； 提出一种月球车行走系统实现原理与结构方案，确定传动系统、执行系统方案，完成机械系统总体方案设计； 按总质量不超过50kg、移动速度不小于0.1m/s，并估计摩擦等载荷，进行电机选择计算【建议采用Maxon直流伺服电机，配Maxon行星齿轮减速器】； 机械系统主要尺寸参数设计计算（主要环节的运动尺寸，传动比，转速，转矩，功率等）；【注；不必进行传动机构的工作能力计算】,50,机械系统结构设计：构建三维模型【软件自定】，截取三维模型图片若干张，绘制二维装配图1张和关键零件工作图3张； 分别针对直行及转弯过程，建立各轮转角参数关系和力学关系（位移分析和受力分析）； 构建月面模型，基本要求：平面；更高要求：复杂曲面【形状自定】 【ADAMS软件】 ； 月球车行走系统三维仿真建模与参数设置【ADAMS软件】，截取仿真图片若干张；,51,设定月球车行走路径，进行运动学仿真，获取质心位置坐标及速度、加速度的变化规律，车身相对质心转角参数及角速度、

5、角加速度的变化规律，各电机转角、角速度、角加速度的变化规律； 进行动力学仿真，获取各电机转矩的变化规律； 将月球车行走系统仿真运动过程生成视频文件； 整理设计资料，编写设计报告。,52,装配图视图：除必须视图外，还应考虑是否需要附加局部剖视图、放大图等；尺寸标注：外形尺寸、安装尺寸、装配尺寸、特性尺寸等；标题栏、零件的序号、图号和明细表【明细表中非标件、标准件分别编号，非标件编号: 1, 2, 3, ； 标准件编号：B1, B2, B3, ，标准件国标代号及规格参数查机械设计手册】；技术特性数据；技术要求；学号、姓名，完成日期。 零件图必须包括制造和检验零件所需的全部内容：必须的视图和尺寸；尺寸公差和几何公差，表面粗糙度；材料，零件名，图号，零件数量，技术要求等；对于传动零件（如齿轮、链轮等），还需用表格列出主要几何参数、精度等级、精度检验项目及数据等；学号、姓名，完成日期。,图纸要求,53,封面格式 标题：设计原理与方法项目设计报告月球车行走系统设计与分析 姓名、学号、指导教师、日期 中英文摘要及关键词中文摘要200字左右，关键词35个 目录 正文设计任务与要求，分析、计算、推导详细

6、过程与结果描述（配必要的图表），设计方案简图，程序框图，计算数据列表，计算结果线图，数据选定或设定依据陈述，所建模型截图，仿真过程截图，仿真结果截图，等,设计报告撰写内容与格式要求,54,心得体会、收获，意见与建议必须有，单独一页(作为最后一页)，下方注出班级学号、日期并签名 参考文献 附录如程序清单等 用word2003排版，公式编辑器编辑公式，软件绘制曲线和插图，表格、插图均需顺序编号并配图名（位于插图下方）、表名（位于表格上方），所设计的装配图、零件图以图片形式插入正文相关位置 设计方案描述完整，推导、计算正确，文字简练通顺，编排整齐、格式统一，正文注明页次，定义标题，自动生成目录；封面、摘要、目录、正文、附录编辑成一个doc文件，总字数不少于1万字,55,纸质文档设计报告1份（A4纸打印，装订成册）； 装配图纸1张（0号）、零件图纸3张（3号或4号）。 电子版文档 设计报告（应合成为word 2003版本的1个doc文件）；二维设计图纸的电子版源文件（dwg等）；二维设计图纸的pdf文件；三维设计模型、仿真模型的截屏图片至少6张（jpeg）；运动过程仿真的视频文件（mp4，wm

7、v等常用格式）1个。 将纸质文档装入资料袋，将设计报告封面复制1份粘贴在资料袋正面，于第17周交。 以班级学号中文姓名作为文件夹名和设计报告文件名，电子版所有文件打包发送邮件：,文档提交要求,56,几点说明,方案设计、传动机构设计、运动分析、受力分析、仿真建模等工作，多参阅相关资料和专利文献； Maxon直流伺服电机及相配减速器的产品样本网上查找； 除给定参数外，其他参数自行确定，软件使用问题自行解决； 各人独立完成项目工作，严禁抄袭，完成项目的方法、手段可以交流和互助； 自主把握工作进度，所列各项任务内容尽心尽力完成； 将安排若干次课堂讨论，交流项目进展情况； 本设计及课堂交流情况计入课程成绩。,57,项目二：船闸人字门启闭机设计与分析,船闸(ship lock)利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的厢形通航建筑物；,应用背景与设计总体要求,58,59,60,闸门为船闸的咽喉，与阀门、启闭机、输水系统共同作用，克服上下游水位差，使船舶顺利过闸；常用人字闸门(miter gate )；,61,62,63,64,65,启闭机(headstoc

8、k gear)控制船闸闸门开闭的设备，对确保船闸运行的安全性起着重要作用。,室外部分,66,室内部分,67,启闭机设计与分析的总体要求：提出一种船闸人字门启闭机实现原理与结构方案，完成机械系统设计、结构设计、运动过程仿真与动力学分析。 技术要求及数据：驱动方式可以是液压式或三相异步电机驱动；单扇门重：40t；单扇门尺寸：9580mm(宽) 10500mm(高)1100mm(厚)；开门（或闭门）转角90，开门（或闭门）运行时间：不超过120s。,68,船闸人字门启闭机典型案例及功能原理分析,四连杆式启闭机,液压缸齿轮齿条机构曲柄摇杆机构ABCD。 或：电机减速器曲柄摇杆机构ABCD。 特点：输出力矩和阻力距吻合；门摆角和极限位置不便调整；效率低。,69,伺服式液压直接驱动启闭机,特点：液压伺服控制，可实现无级变速运行，以降低动水阻力矩；结构简单，抗冲击；与阻力距相悖；易泄漏，维护成本高。,液压缸直连式启闭机,70,滚珠丝杆传动式启闭机,1电机减速机组；2扭矩限制器；3滚珠丝杆；4螺母导套；5轴承；6推拉杆；7缓冲器；8闸门,特点：运行平稳、可靠性高、同步性好、传动效率高、环保无污染、维修

9、使用方便、使用寿命长。,转动副采用球铰,71,室内部分,72,73,螺母导套与导轨连接结构,2轨道；6螺母；7轨道座；8丝杆；16弧形托板；17轨底板；23弧形槽,74,项目任务内容及要求,查阅相关资料，了解设计背景及要求，掌握运河船闸人字门的工况特点和启闭机的设计规范，熟悉相关设计、分析方法及软件使用； 提出一种船闸人字门启闭机实现原理与结构方案，确定驱动方式及传动系统、执行系统方案，完成机械系统总体方案设计； 查阅资料，获取人字门启闭过程中的载荷特性及变化规律，结合给定数据，进行原动机选择计算；,75,机械系统主要尺寸参数设计计算（主要环节的运动尺寸，传动比，转速，转矩，功率等），关键件工作能力计算； 机械系统结构设计：构建三维模型【软件自定】，截取三维模型图片若干张，绘制二维装配图1张和关键零件工作图3张； 针对启闭过程，建立传动机构位置参数关系和力学关系（位移分析和受力分析）； 启闭机三维仿真建模（可以只针对执行机构）与参数设置【ADAMS软件】，截取仿真图片若干张；,76,设定人字门启闭过程的运动规律，进行运动学仿真，获取执行机构输入构件的（角）位移、（角）速度及（角）加速度变化规律，原动机输入参数的（角）位移、（角）速度、（角）加速度变化规律； 进行动力学仿真，获取执行机构输入构件所需的输入力（或力矩）的变化规律，原动机驱动力（或力矩）的变化规律； 将启闭机仿真运动过程生成视频文件； 整理设计资料，编写设计报告。,77,装配图视图：除必须视图外，还应考虑是否需要附加局部剖视图、放大图等；尺寸标注：外形尺寸、安装尺寸、装配尺寸、特性尺寸等；标题栏、零件的序号、图号和明细表【明细表中非标件、标准件分别编号，非标件编号: 1, 2, 3, ； 标准件编号：B1, B2, B3, ，标准件国标代号及规格参数查机械设计手册】；技术特性数据；技术要求；学号、姓名，完成日期。 零件图必须包括制造和检验零件所需的全部内容：必须的视图和尺寸；尺寸公差和几何公差，表面粗糙度；材料，零件名，图号，零件数量，技术要求等；对于传动零件（如齿轮、链轮等），还需用表格列出主要几何参数、精度等级、精度检验项目及数据等；学号、姓名，完成日期。,

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