机电产品现代设计方法大作业概要

1、课程名称：机电产品现代设计方法上课时间：2014年春季雷达底座转台设计姓 名：学 号：班 级：1108103所在学院：机电工程学院任课教师：金天国 张旭堂161设计任务雷达底座转台设计： 一个回转自由度，如下图1.1所示。图1.1承载能力：500kg被测件最大尺寸： 500600mm台面跳动：0.02mm台面平面度：0.02mm台面布置T型槽，便于安装负载方位转角范围：120具有机械限位和锁紧机构角度位置测量精度：5角度位置测量重复性：3角速范围：0.001/s60/s2设计流程根据机电产品现代设计方法，其设计流程大致如下图2.1所示。图2.1根据上图所示，整个设计过程可分为四个阶段：功能设计、总体方案设计、详细设计和设计。功能设计部分，是在结合所给出的重要性的要求及用户可能的功能目标需求的前提下，对转台的功能进行定义分析，将每一个功能细化为一个个的功能元，利用QFD图对实现各种功能的所对应的技术的相对重要性进行分析，相对重要性较高的功能技术便是设计的重点所在。总体方案设计部分，通过利用SysML语言来明确各部分之间的功能参数和参数约束关系，并完成草图的设计。详细设计部分，需要使得零件

2、实现其预定的功能，并保证其精度和强度的设计要求。在详细设计阶段主要是利用cad等三维建模软件，完成系统的3D图，并生产对应的2D图，完成整个设计。对于重要的零部件需要利用有限元软件进行仿真分析，保证其可靠性。最后还需要应用动力学和运动学仿真软件进行相关的动力学和运动学分析，确定设计系统满足功能目标要求。设计总结部分，是对整个设计过程进行反思和总结，考虑整个设计过程中存在的不足和所运用的相关知识。3.QFD需求-功能-技术分析QFD(全称Qualification Function Deployment)，是用来对所设计的系统进行总体设计规划的工具。QFD主要功能是能够实现工程设计与消费者或用户需求之间的紧密连接，根据消费者需求和用户目标实现对设计过程的实时修改和控制，把用户的功能目标在整个设计过程中得以体现，并根据需求的重要性对整个系统做出相应的设计规划，有重点的进行设计。本设计根据用户对于雷达底座转台的功能重要性的需求，首先给出其需求和功能之间的联系，如下图3.1所示的质量屋，屋顶为系统的功能，包括驱动元件的转速、体积、重量，及传动元件和传感器的可靠性等，左侧围用户对于系统的功能目标

3、的需求，由用户直接给出的功能，如角度位置测量精度：5、角度位置测量重复性：3、角速范围：0.001/s60/s等和用户潜在的功能需求，如人机交互、成本、节能等方面的需求组成。图3.1中各功能需求后面的数字代表着这些功能的相对重要性，即importance of whats，其数字越大代表其重要性越高，用户对于这些需求的重要性之和应该等于100。质量屋屋顶代表各部分功能之间的相互联系，分为positive、negative和不明确三种情况。图3.1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，其相对重要性如下图3.2所示。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。图3.2在功能需求关系确定之后，可以进一步根据功能的重要性建立与实现相关功能的技术手段之间的重要性和联系，如下图3.3功能技术图所示。功能技术图的屋顶是实现相关功能可能用到的相应技术手段，与功能需求图相同，屋顶不同的符号表示不同技术手段之间的相关性，也分为positive、negative和不明确三种情况。左侧是在功能需求图的基础上，把功能需求图中得到的有关功能及其对应的重要性移

4、植到功能技术图中。具体情况可以参看图3.3所示，图的最下方是计算所得的相关技术手段的对应的重要程度的数值。图3.3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，其相对重要性如下图3.4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，这样个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。图3.44.总体方案设计SysML语言是UML语言(Unified Modeling Language，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

5、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。图4.1 用SolidWorks软件进行产品初步建模如下图所示：图 4.25底座转台关键件有限元分析5.1台面结构有限元分析在考虑转台的台面尺寸设计时，由于所要求的载荷的尺寸为500600mm，故台面尺寸应该大于或等于该尺寸，为了保证安装的可靠和操作方便，可以给台面留下一定的余量，因此，选择台面的尺寸为600，留下100mm的余量，其台面图如下图5.1图所示。台面图5.1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厚时其应力应变图如下：应变图5.2应力图5.36.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

6、，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。图6.1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。图6.2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(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) 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

7、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，MATRIX X，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。图6.3该协同仿真分析包括以下四个基本步骤，如下图所示。图6.4（1）构造ADAMS/View样机模型 使用ADAMS/Controls模块进行机电一体化系统联合分析前，首先应该构造ADAMS/View的机械系统样机模型，或者输入已经构造好的机械系统样机模型。机械系统样机模型中包括几何模型、各种约束和作用力等。（2）确定ADAMS的输入和输出 需要通过ADAMS/View或ADAMS/Solver中的信息文件或启动文件，确定ADAMS的输入和输出。这里，输出是指进入控制程序的变量，表示从ADAMS/Controls输出到控制程序的变量。而输入是指从控制程序返回到ADAMS的变量，表示控制程序的输出。通过定义输入和输出，实现ADAMS和其他控制程序之间的信息封闭循环。这里所有程序的输入都应该设置

8、为变量，而输出可以是变量或是测量值。（3）构造控制系统方框图 控制系统方框图是用MATLAB、MATRIX 或EASY5等控制分析软件编写的整个系统的控制图，ADAMS/View的机械系统样机模型被设置为控制图中的一个模块。（4）机电系统仿真分析 最后，可以对机电一体化系统的机械系统和控制系统进行联合仿真分析。在ADAMS/View中建好的样机机械模型如图18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。图6.5（6）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）。图6.6图6.7ADAMS/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1

9、1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。（7）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 : ADAMS plant actuators names :1 control_torque% INFO : ADAMS plant sensors names :1 azimuth_position2 rotor_velocity3） 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_exec ADAMS_inputs ADAMS_outputs ADAMS_poutput ADAMS_static ADAMS_uy_ids ADAMS_init ADAMS_mode ADAMS_pinpu

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