本科毕业设计-跟瞄系统装置的机械结构研究和设计.docx

哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)摘要研究液晶光学相控阵在跟踪/瞄准捕获（APT）技术中的应用时，需要在跟瞄系统远场竖直平面内为系统提供一个随机可控的模拟目标，这种随机可控模拟目标装置是典型的机电一体化装置。本文主要对装置的机械结构进行了研究和设计，提出了5种装置的机构构型，重点分析了其中两种构型。使用MATLAB对这两种构型进行了运动学计算，对运算的结果进行了定性比较，选取“仿极坐标”构型为装置的机构构型。在对装置进行机械设计时，把装置分为了直线运动单元和转动单元，分别设计。在对直线运动单元进行设计时，通过比较各种形式的导轨和传动方式，选择了线性滑块导轨和同步带传动来实现直线运动单元。最终利用SolidWorks2008对整个装置进行了三维设计及受力仿真分析。关键词：随机可控；模拟目标装置；运动学计算；同步带传动；受力仿真分析AbstractIn the research of liquid crystal optical phased array applied in the tracking / target acquisition (APT) technology, a controlled simulation of random targets, which were controlled device is a simulated target A typical mechatronic devices is needed in the vertical plane of the far-field Tracking System. In this paper, the primary interest is the research and design of the mechanical structure of the device, five kinds of device body configuration is proposed, and the paper mainly focuses on analysis of the robotic arm configuration and imitation polar configuration. Using MATLAB to finish the kinematics calculations of these two configurations, compares the results of the calculations qualitatively, selects the imitation polar configuration for the devices body configuration. In the mechanical design of the device, the device is divided into a linear motion unit and rotation unit, and is designed respectively. In the design of Linear motion unit, by comparing the various forms of rail and transmission mode, a linear slide rails and drive to achieve synchronous linear motor unit is chose. Finally, the whole device is performed the three-dimensional design and simulation analysis of the force by using SolidWorks2008.Keywords: Randomized controlled; Simulated target device; Kinematics calculation; belt drive; Force Simulation and Analysis目录摘要IAbstractII第1章 绪论31.1 课题研究背景31.2 课题研究内容及意义3第2章 系统设计的基本知识32.1 跟瞄系统介绍32.2 跟瞄实验系统3第3章 方案优选33.1 设计目标33.2 提出多种方案33.3 方案论证33.3.1 方案4的运动学分析33.2.2 方案5的运动学分析33.2.3 定性比较33.4 本章小结3第4章 机械设计及仿真34.1 总体设计34.1.1 直线运动单元实现方案34.1.2 转动单元实现方案34.1.3 驱动类型选择34.2 直线运动单元设计34.2.1 同步带及带轮设计34.2.2 线性滑块导轨设计34.2.4 SolidWorks设计及仿真34.3 转动单元设计34.3.1 建立约束方程34.3.2 摇臂设计34.3.3 减速器设计34.3.4 SolidWorks设计及仿真34.4 本章小结3结论3参考文献3致谢3附录1 图纸342第1章 绪论1.1 课题研究背景光学相控阵(OPA)技术在军用和民用光束扫描方面具有广阔的应用前景,除在激光显示、激光通信和激光照排等方面外,最重要的应用是相控阵激光雷达1、空间激光通信等军事应用领域。传统的光束扫描通常是采用一个转镜或振镜来实现的。这种采用机械运动的方法光损耗小,扫描范围大和结构简单,但是其扫描速度和精度相对较低。为了提高光束扫描速度,减小器件的体积重量,适应空间等特殊领域应用的需要,人们正在对光学相控阵技术进行深入的研究2。近年来基于液晶的光学相控阵技术得到了较快的发展,这种技术的主要优点是具有相对低的控制电压和可以较为方便地形成光束的二维扫描。目前,在液晶相控阵技术的制作方面,雷声(Raytheon)公司的研究成果具有一定代表性。它的这种液晶相控阵技术具有较大的孔径(约4 cm4 cm),约有43000个独立的相位调制单元,实现了20较大角度的扫描,指向控制精度达微弧度量级。此外,他们正在发展口径尺寸在10 cm10 cm以上,相控单元更多,偏转范围更大的光学相控阵器件近年来,在美国国防高级研究计划局(DAPRA)的“灵巧控制光束(STAB)”项目支持下,Raytheon/Rockwell,空军高级研究实验室等均获得资助从事光学相控阵技术研究。2005年,雷声公司得到美国国防高级研究计划局的“自适应光相控阵锁定单元”技术开发项目合同,开发应用于激光通信和激光成像的电扫描激光束控制技术。2007年美国空军研究实验室展示了研制的二维光束偏转器件，其方位和仰俯视场角为300mrad，光束偏转分辨率为2mrad，帧速率为3.125KHz，扫描角速度为24mrad/s。基于液晶的光学相控阵技术在目标捕获、高精度跟踪/瞄准中的应用不断深入，促使我们给予足够的重视。在研究跟踪/瞄准应用时，为了验证整个跟瞄系统的可行性，需要对系统的性能进行测试。模拟目标二维运动台为系统提供跟瞄目标，因此，设计一套随机可控的、运行灵活的模拟目标二维运动台是课题的迫切需求。1.2 课题研究内容及意义该运动台是“基于光学相控阵敏感控制技术”研究课题的组成部分，通过该设计，学习关于机电运动控制的理论和技术，综合运动机械、电子、控制知识，提高解决实际问题的能力。模拟目标二维运动台实现随机可控，是一套典型的机电一体化系统。本文主要对模拟目标二维运动台的机构系统进行设计。本文研究内容主要包括运动台机构方案优选和机械设计及仿真分析两部分。即包括：（1） 深入分析运动台机构的构型，提出各种可行方案，使用MATLAB对方案进行运动学计算，最终选取最合适构型方案；（2） 在SolidWorks2008环境下设计机械结构；（3） 在SolidWorks2008环境下对机械结构进行仿真分析。第2章 系统设计的基本知识2.1 跟瞄系统介绍摄像机受控光束目标准直SLM扩束器激光器图2-1 目标跟踪系统示意图跟瞄系统3主要由光束动态偏转系统与目标图像采集装置两部分组成，其中光束动态偏转系统核心部件为美国BNS公司提供的液晶空间光调制器。摄像机采集目标的运动信息，经过计算机图像处理，提取出目标的运动信息，然后根据运动信息控制空间光调制器，对光束进行调制，以实现光束对目标的动态跟踪。其原理示意图如图2-1所示。2.2 跟瞄实验系统为了验证整个跟瞄系统的可行性，需要对该系统的性能进行测试。图2-2是整个跟瞄系统实验装置图。照明光束目标SLM光阑扩束激光受控光束偏振器扩束分光镜反射镜衰减器反射光透镜CCD照明光束目标SLM光阑扩束激光受控光束偏振器扩束分光镜反射镜衰减器反射光透镜CCD图2-2 系统实验装置示意图第3章 方案优选以机电一体化技术为核心的现代机械系统的发展，要求相应的机构优化设计。一般地，机构系统优化设计的过程如图3-1所示。YYYNNN设计目标基本工作原理拓扑构型设计驱动设计运动尺度设计满足运动学需求动力参数设计满足动力学要求控制设计满足控制需求优选设计方案改变拓扑结构改变驱动设计改变运动尺度改变动力参数改变控制设计图3-1 机械系统优化设计的一般过程机构系统设计是一个从预定目标出发，不断进行综合（提出多种方案）、分析（方案性能分析）和决策（方案优选）的过程。3.1 设计目标运动台为跟瞄系统提供模拟目标，系统的视场以及跟瞄距离决定模拟目标最小运动范围；跟瞄效果的验证要求运动台能够提供模拟目标的准确运动信息，这对运动台的定位精度提出了要求；跟瞄系统的反应时间对运动台的运行速度也提出了要求，同时运动台的灵活性及可操作性对实验者的工作效率也有很大的影响。综合这些方面，“基于光学相控阵敏感控制技术”研究课题对运动台提出的设计目标为：（1） 模拟目标运动范围能达到1000mm1000mm；（2） 模拟目标运动路径随机可控；（3） 模拟目标运动速度：0.5m/min至2m/min；（4） 运动台定位精度：5mm；（5） 运动台结构简单，体积小。3.2 提出多种方案机构根据运动链的形式可以分为闭环和开环两种，开环机构因为工作范围大，运行灵活及可操作性好等特点，在低负载的条件及普通精度要求下，开环机构能很好的满足设计要求，其次，对于二自由度的开环机构还具有：（1）驱动件少，构件少；（2）运动耦合较弱，容易解耦；（3）控制简单方便；（4）制造容易，价格低廉；（5）正向反向求解简单等特点4-7。对于运动台，其运行范围和运行灵活性要求高，定位精度要求普通，所以，运动台机构设计主要考虑开环形式。运动台实现平面随机运动，单开链串联机构8是常见的平面二自由度开环机构，其由P副（移动副）与R副（转动副）构成。 P副与R副的组合构成的单开链串联机构方案如表3-1。表3-1 组合方案类型两个移动副组成X-Y坐标系（方案1）两个移动副组成仿射坐标系(方案2)一个移动副和一个转动副组成极坐标系（方案3）两个转动副组成的“机器手”（方案4）一个移动副和一个转动副组成仿极坐标系（方案5）3.3 方案论证机构的设计主要依赖设计的经验、联想或类推性思维方法，近几年，有进一步发展定性和定量分析相结合、专家经验判定与计算机辅助决策相结合方法，以在较大范围内筛选新机构。“基于光学相控阵敏感控制技术”研究课题只要求模拟目标实现平面运动功能，这种平面运动装置的机构方案相对比较简单，所以对组合方案的优选，以研讨会形式与定量定性分析形式进行。通过召开研讨会，初步判定方案4和方案5的可行性大，所有重点对方案4和方案5进行比较，从中选取最合适方案。3.3.1 方案4的运动学分析 机构运动简图机构由两个转动副组成，旋转的两个转动副的轴线互相平行，其机构运动简图如图3-2所示，机械效果图如图3-3所示。图3-2 机构运动简图图3-3 机械效果图 机构的运动学正、反解运动学中的主要参数：位置、位移、速度、加速度和时间。运动学分析主要研究机构正反解问题。当给定机构上平台的位姿参数，求解各输入关节的位置参数是机构的运动学位姿反解问题。当给定机构各输入节点的位置参数，求解机构上平台的位姿参数是机构的运动学正解问题。最为普遍的分析方法有两种：数值解法和解析解法9。解析法是通过消元法消去机构约束方程中的未知数，从而获得输入输出方程中仅含一个未知数的多项式。该方法能够求得全部的解。输入输出的误差效应可以定量地表示出来，并可以避免奇异问题，在理论和应用上都有重要意义。本文求得的是解析解。图3-2为机构简图，静坐标R(0-xy)建立在固定平台上，i为杆i的转角，两杆长度都为l，(r,)为极径和极角。x0y12图3-4 坐标系正解解析式如式。通过极坐标转换公式及几何关系式可以得到两个反解解析式。其中各变量的取值范围： 速度分析式对时间进行微分即得到速度关系式。写成矩阵形式为。如果矩阵A为可逆矩阵，式可以写成式形式。式就是机构的输入输出速度关系表达式，矩阵A-1就是雅克比矩阵。 机工作空间分析工作空间分析是设计机构的首要环节。机构的工作空间是机构操作器的工作区域，是衡量机构性能的重要指标。根据操作器工作时的位姿特点，工作空间可分为可达工作空间和灵活工作空间。可达工作空间是指操作器上某一参考点可以到达的所有点的集合，这种工作空间不考虑操作的位姿。灵活工作空间是指操作器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合。 同样的机构尺寸，串联机构比并联机构工作空间大；具备同样的工作空间，串联机构比并联机构小。 由于串联结构在工作空间分析方面与并联机构比较相似，所有可以运用并联机构工作空间的求解方法来进行求解。Ficher采用固定6个位姿参数中的3个姿态参数和一个位置参数，而让其他两个交换研究了6自由度并联机器人的工作空间。Gosselin则利用圆弧相交的方法来确定并联机器人的定姿态工作空间，并给出了工作空间的3维表示。此法以求工作空间的边界为目的，效率较高，且可以直接计算工作空间的体积，本文采用Gosselin10方法。圆弧轨迹最大轨迹图3-5 Gosselin方法示意图工作空间计算公式：R为最大轨迹圆弧的半径。 机构的运动学计算MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，其具有强大的科学计算机数据处理能力和出色的图形处理功能，正是由于它的这些优点，所以选择MATLAB作为我们的控制计算工具。运动台的运行曲线通过分段的斜线拟合而成，所以运动学仿真曲线选择斜线作为仿真曲线具有代表性。斜线方程设为：y=x，两杆长设为30cm。MATLAB仿真代码：l=30;Vy(1)=3;for i=1:1t=5:0.01:10;Vx=3;Vy(i+1)=Vy(i)+2;x=Vx*t;y=Vy(i)*t;r=sqrt(x.2+y.2);j=acos(y./x);j2=2*acos(r/(2*l);j1=j-0.5*j2;a11=l*(-sin(j1)-sin(j1+j2);a12=l*(-sin(j1+j2);a21=l*(cos(j1)+cos(j1+j2);a22=l*(cos(j1+j2);for k=1:501A=a11(k) a12(k);a21(k) a22(k);B=Vx;Vy(i);C=inv(A)*B;D(k)=C(1)*180/pi;E(k)=C(2)*180/pi;endsubplot(2,1,1)plot(x,D),title(杆1角速度)xlabel(x); ylabel(度/s);grid onhold onsubplot(2,1,2)plot(x,E),title(杆2角速度)xlabel(x); ylabel(度/s);grid onhold onend仿真结果如图3-6所示。图3-6 速度仿真曲线两曲线横坐标为x，纵坐标为杆角速度，角速度单位为度/s，曲线水平区间为（15,30cm）。从图3-6可以看出杆1的最大角速度为11.5/s左右，最大角速度位置x=15cm，杆2的最大角速度为8.5/s左右，最大角速度位置x=30cm，杆1和杆2都作变速运动，两杆的角加速度大约等于14/s2，两条角速度曲线都没有出现振荡情况。3.2.2 方案5的运动学分析 机构的运动简图机构由一个转动副和一个移动副组成，移动副轴线与转动副的轴线互相垂直，其机构运动简图如图3-7所示。图3-7 机构运动简图 机构的运动学正、反解图3-7为该机构的示意图,摇杆的长度为l1，移动副轴线离原点的垂直距离为l。根据该机构的几何约束关系,列写关系方程如下(其中R(0-xy)为静平台坐标系,摇杆与x轴正向所夹的倾角为),运动学反解就是要从已知(x,y)解出(r,),过程如下：xx1x2y1y2yl图3-8 坐标转换示意图式为平面坐标转换公式。式中t1,t2参量为形成矩阵用。式写成矩阵形式得到式和式：由式和式可以推出式其中x2=l1,y2=0，最后得到正解关系式。由式可以得到两个反解解析式、。 机构的速度分析式对时间进行微分得到式。式的矩阵形式为式。其中如果A是可逆矩阵，那么式可以写成形式。式（3-16）就是图所示机构的输入输出速度关系表达式,矩阵A-1就是其速度雅可比矩阵。 工作空间分析最大轨迹圆弧轨迹图3-9 Gosselin方法示意图工作空间计算公式：R为圆弧轨迹半径，L为水平位移。 机构的运动学计算仿真曲线选择斜线，斜线方程为：y=x-500，杆长设为500mm，水平速度设为33mm/s,垂直速度设为33mm/s。MATLAB代码：n=1:20;x=33*n;y=33*n-500;j=asin(y/500);l=x-500*cos(j);if 0=l=1000dj=diff(j);dl=diff(l);dj1=dj/pi*180;subplot(2,1,1)stem(dj1),title(摇杆角速度)xlabel(时间); ylabel(度/s);subplot(2,1,2)stem(dl),title(水平速度)xlabel(时间); ylabel(mm/s);end仿真结果如图3-9所示。图3-10 速度仿真曲线曲线横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为速度。运行时间为（0,20s），摇杆的最大角速度为8.5/s左右，最大角速度发生在x=0mm附近，最大线速度为40mm/s左右。两输入量都作变速运动，两速度曲线都没有出现振荡情况。3.2.3 定性比较方案5相对方案4反解简单，其运动耦合相对较弱，从运动学计算结果可以得出方案5比方案4控制简单，从机构机械实现尺度分析，方案5比方案4的刚度要高，综合这几方面，“仿极坐标系”方案相对于“机器手”方案具有特点：（1） 运动耦合较弱；（2） 控制简单方便；（3） 正、反解求解容易；（4） 刚度相对较高；（5） 负载相对较高。同时，“机器手”方案相对于“仿射坐标系”方案也具有灵活性高，结构简单，体积小等优点。通过对方案4和方案5比较分析，认为方案5更符合设计要求，实现容易，所以确定方案5为最终方案。3.4 本章小结本章明确了系统的设计目标，根据满足工作原理要求及结合机构拓扑学提出了多种方案，重点剖析了“机器手”方案和“仿极坐标系”方案，通过对两个方案进行运动学分析和仿真计算，定量比较了它们的工作空间大小和控制难易程度，同时结合设计经验，对两个方案进行了定性比较，优选出了最符合设计要求的机构方案。第4章 机械设计及仿真4.1 总体设计模拟目标二维运动台的机构由一个移动副和一个转动副构成，在机械设计过程中可以把运动台分为直线运动单元和转动单元两部分，即分别对这两个单元进行设计。4.1.1 直线运动单元实现方案直线运动单元是典型的电控位移系统。工业上，电控位移系统分为三个组成部分：位移台，驱动电机，控制器。位移台是系统的关键件，主要技术指标如位移精度、行程、负载、稳定性、适用环境、外形尺寸均由其决定。直线运动单元的机械设计就是对位移台进行设计。电控位移台的关键是传动方式、导轨、机体材质和加工质量。为了保证高精度的传动和定位要求，目前多采用同步齿带或滚珠丝杆传动系统。同步齿带相对于滚珠丝杆传动具有传动速度高，结构紧凑，无需润滑，传动机构质量轻，传动距离远等特点，所以，这里直线运动单元采用同步齿带传动方式。导轨品质对电控位移台运动平稳性，承载大小影响最大，目前常用的导轨形式主要由燕尾导轨，V型导轨副，线性轴承，线性滑块，其性能的比较如表4-1所示，根据课题要求及实验室实际条件，选择线性滑块作为直线运动模块的导轨形式。表4-1 各式导轨性能比较燕尾导轨V性导轨副线性轴承线性滑块摩擦力高(0.25-0.35)低(0.003)低（0.002）低（0.003-0.005）刚性高高中高承载高高中高行程大中中大用途粗定位精密定位一般用途精密定位4.1.2 转动单元实现方案转动单元是典型的电控旋转系统。电控旋转系统可以分为三个部分：驱动电机，减速器，控制器，其中减速器是关键部分。减速器合理的结构，优良的材质，精密的加工时保证转动时无晃动、偏摆、空回、噪音，定位精度高，承载大，速度快，寿命长的关键因素，并可保证灵活的整体结构如外形尺寸、形状、中心孔等。减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速器的类别、品种、型式很多，目前已制定为行（国）标的减速器有40余种。减速器的类别是根据所采用的齿轮齿形、齿廓曲线划分；减速器的品种是根据使用的需要而设计的不同结构的减速器；减速器的型式是在基本结构的基础上根据齿面硬度、传动级数、出轴型式、装配型式、安装型式、联接型式等因素而设计的不同特性的减速器。目前减速器所采用的齿轮齿形有斜齿轮、涡轮蜗杆、伞齿轮和圆柱齿轮，它们都有各自的特点和适用的范围，其中涡轮蜗杆传动的速比大，体积小，单头有的能自锁，不用另加自动装置就能停在任意位置等，正是因为涡轮蜗杆传动具有这些优点，所有转动单元中的减速机选择涡轮蜗杆类型。4.1.3 驱动类型选择步进电机是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。通常所说的步进电机一般是指机电体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就动步进电机转动一个固定的角度即步距角。步进电机不像其它电机那样连续旋转，而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名。所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的:同时也可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。除此之外步进电机还具有以下一些优点:（1） 无刷：步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件的传统有刷电机相比而言可靠性更高；（2） 与负载无关：不超载时步进电机能够按照设定的速度运行；（3） 动态响应快：易于启动、停止和反转；（4） 保持转矩：停止时能够自锁；（5） 无累积误差：虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定的误差(3-5%)，但是转动一周后累积的误差和为零。（6） 步距角与环境无关：步进电机的固有步距角是由本身构造决定的，温度、电压、电流等使用环境无关。（7） 易于控制：只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。（8） 价格低廉：步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言具有较高的性价比。正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。4.2 直线运动单元设计4.2.1 同步带及带轮设计同步带传动是近年几十年发展起来的一种新型传动，它综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带的工作面呈齿形，与带轮的齿槽作啮合传动，并由带的抗拉层承受负载，以保持带的节线长度不变，故带和带轮之间没有相对滑动，可以实现带和带轮之间的同步传动。它除了传递运动动力外，还可以进行高精度的定位运动，精密输送。同步带按齿形可以分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带。早期同步带的齿形大多为梯形，圆弧齿同步带是近几十年发展的新型同步带，其结构性能和承载能力都比梯形齿好，因为直线运动模块要求精密定位，所有同步带传动选择圆弧齿同步带类型。圆弧齿同步带现在产品标准，一种是以美国uniroyal公司为代表生产的HTD同步带，结构为半圆弧，现有3M、5M、8M、14M、20M等几种型号；另一种是以美国Goodyear公司为代表生产的STPD同步带（平顶圆弧齿），现有S4.5M、S8M、S14M等几种型号，国内生产同步带的多数企业采用的是HTD同步标准。综合这几方面，直线运动单元的同步带传动选择HTD圆弧齿同步带。（1） HTD圆弧齿同步带传动的设计计算见表4-2。表4-2 圆弧齿同步带传动设计计算序号计算项目符号单位计算公式及参数选定计算结果说明1设计功率kw0.8310-32选定带型节距mm根据和选取5M同时考虑抗拉力选取表4-2（续表）3小带轮齿数Z1=24Z1的选取考虑结构4大带轮齿数Z2=245初定中心距mma0=1380根据结构要求确定6带长mmLp=3080按标准选取7实际中心距mm8安装量调整量mmmmI=3.56S=1.279要求带宽mm1510紧边张力松边张力NN25511压轴力N3012带轮设计（2） HTD圆弧齿同步带轮设计l 同步带轮轮辐选型：实心轮辐；l 5M同步带轮轮齿参数见表4-2；表4-2 圆弧齿同步带轮齿槽型节距槽深齿槽圆弧半径齿顶圆角半径齿槽宽两倍节顶距齿形角5M52.161.560.48-0.523.251.14414l 带轮两边加挡圈，挡圈尺寸见表4-3，安装量加19.1；l 轮宽：；表4-3 带轮挡圈尺寸槽型挡圈最小高度挡圈厚度5M3.51.5l 带轮轮齿节距偏差：任意两相邻齿0.03，90弧内累积0.08；l 带轮外径极限偏差：表4-4 带轮公差带轮端面圆跳动公差带轮径向圆跳动公差带轮平行度公差带轮圆柱度公差1630.02（3） 成品型号：l HTD3060-5M-15，上海五同同步带有限公司；l P24-5M-16, 上海五同同步带有限公司。4.2.2 线性滑块导轨设计线性滑块导轨也叫做直线滚动导轨，其广泛应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。直线滚动导轨是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，其动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度，其还具有以下优点：（1） 使驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一；（2） 起瞬时速度比滑动导轨提高约10倍；（3） 适应高速直线运动；（4） 能实现高定位精度和重复定位精度；（5） 可以简化机械结构的设计与制造。 直线滚动导轨副支承类型选择直线滚动导轨副的支承分为滚动体不循环和滚动体循环两种，滚动体循环支承相对于滚动体不循环支承具有行程长度不受限制，运动精度和性能更高等特点，运动台要求运行范围大，因此选择滚动体循环的直线滚动导轨支承。（安装基面精铣、精刨） 直线滚动导轨副类型选择GGB（四方向等载荷型）垂向上、下和左右水平额定载荷等同，用途较广，且刚度高，适用于机器人等机构，所以直线导轨副选择此类型。 成品选型上海沪达轴承有限公司，HRW17CA2UUM+670M。 直线滚动导轨副各主要参数图4-1 HRW型LM轨道表4-5 HRW型LM轨道标准长度和最大长度公称型号LM轨道的标准长度标准节距FG最大长度HRW17100,190,310,470,55040151900(800)图4-2 HRW-CAM型滑块参数图表4-6 HRW-CAM型滑块参数公称型号外形尺寸LM滑块尺寸高度M宽度W长度LBCHSL1TT1KNEHRW17CAM176050.853263.3M433.65.6614.542图4-3 HRW型LM轨道参数图表4-7 HRW型LM轨道参数润滑脂用螺纹接头LM轨道尺寸基本额定负荷质量宽度W1W2W3高度M1节距Fd1d2hCkNC0kNLM滑块KgLM轨道Kg/mPB1073313.5189404.5*7.5*5.34.3 使用上的注意事项（1） 安装面靠肩的高度和角部的形状表4-8 安装面靠肩的高度和圆角半径公称型号圆角半径r(最大)LM轨道部靠肩的高度H1LM滑块部靠肩的高度H2EHRW170.4242.5（2） 各方向的额定负荷和容许力矩、精度规格、径向间隙详细见：/ProductShow.asp?ArticleID=1144.2.4 SolidWorks设计及仿真SolidWorks公司是一家专业从事三维机械设计、工程分析、产品数据管理软件研发和销售的国际性公司，其产品SolidWorks是世界上第一套基于windows系统开发的三维CAD软件。该软件以参数化特征造型为基础，并成为主流三维CAD软件市场的标准，是目前最优秀的中档三维CAD软件之一，在全球拥有超过50万的用户。选择SolidWorks作为设计工具能够提高设计者的工作效率，对于运动台机械设计，SolidWorks是其理想的机械设计工具。（1） 直线运动单元三维装配图如图4-5所示。图4-5 三维装配图（2） 爆炸视图如图4-6所示。图4-6 爆炸视图（3） SolidWorks仿真分析SimulationXpress为SolidWorks 用户提供了易于使用的分析工具。SimulationXpress通过在计算机上测试用户的设计而取代昂贵并费时的实地测试可帮助降低成本。SimulationXpress可以评估设计的安全性，评估结果的准确性。SimulationXpress的向导界面引导完成五个步骤以指定材质、约束、载荷，并进行分析和查看结果。SimulationXpress支持对单实体的分析；对于多实体零件，可以一次分析一个实体；对于装配体，可以一次分析一个实体的物理模拟效应。l 轮壳分析结果最低安全系数：24.41，应力分布图如图4-7所示。表4-9 最大与最小应力位置表类型最小位置最大位置应力185.97 N/m2(22.45mm,15mm,0mm)1.13e+006 N/m2(-27mm,-8.86mm,-20.15mm)图4-7 应力分布图解l 位移图解：表4-10 最大与最小位移位置表类型最小位置最大位置合位移0 mm(-27.3mm,-19mm,-24.65mm)0.00 mm(10mm,0mm,-10mm)图4-8 位移图解从应力分析图解可以看出其应力主要集中在侧面螺钉孔附近，仿真结果接近实际情况。轮壳的最低安全系数为24.41，远大于1，结构形状及尺寸合理，无须优化再设计。l 导轨架分析结果最低安全系数：3.41，应力分布如图4-9所示。表4-11 最大与最小应力位置表类型最小位置最大位置应力460.75 N/m2(0mm,-8.46mm,21.06mm)8.08e+007N/m2(757.89mm,-11,95mm,22.5mm)图4-9应力分布图解l 位移图解：表4-12 最大与最小位移位置表类型最小位置最大位置合位移0 mm(695 mm,-13 mm,20 mm)1.02mm(1450 mm,13.5 mm,-25 mm)图4-10 位移图解由图4-9可以看出导轨架应力主要集中在中间位置，导轨架的应变分析可以类比悬臂梁，其中间位置为它的支承点，所以应力仿真结果接近实际情况。轮壳的最低安全系数为3.41，大于1，结构形状及尺寸合理，无须优化再设计。4.3 转动单元设计4.3.1 建立约束方程设摇杆尺度为，对公式进行全微分得到误差公式。分析误差公式得到关于和的两个极大值，如式。那么按式，对于构件的精度需符合式。4.3.2 摇臂设计可以把摇臂简化成悬臂梁结构，悬臂梁在简单载荷作用下变形，其最大变形量为： 根据几何关系公式推出式： 其中，目标质量为。选用材料为铝合金，铝合金的弹性模量，密度,抗剪切模量。设计摇臂为方形，这样利于安装目标，设摇臂宽为，高为，则：将，以及弹性模量代入方程组得到。将代入系统约束方程得到方程，系统的最大允许误差为。由综合得到不等式。而综合公式和，在的情况下，取。4.3.3 减速器设计减速机是一种相对精密的机械，应用它的目标是下降转速，增添转矩。在目前用于传递动力与活动的机构中，减速机的利用范畴相当普遍。几乎在各式机械的传动体系中都可以见到它的踪影，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械产业所用的加工机具及主动化生产装备，到日常生涯中常见的家电，钟表等等.其运用从大动力的传输工作，到小负荷,蒸汽锅炉，准确的角度传输都可以见到减速机的运用。蜗轮蜗杆减速机的最大特点是具有反向自锁功效，可以有较大的减速比，输进轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。（1） 计算减速比运动台运行速度1米/分钟-2米/分钟，约为16.7mm/s-33.4mm/s。MATLAB仿真计算，仿真运行曲线为斜线，水平和垂直运行速度为33.4mm/s。仿真结果如图4-11所示。图4-11 仿真曲线从图4-11可以看出，摇杆的最大角速度为4/s左右，即0.66r/min。步进电机在0-160r/min运行时转矩没有明显变化，负载转矩为：通过负载转矩和输出转速可以计算出减速机的实际输入功率：减速机工况系数为，根据以上数据查表得到传动比为。摇杆角速度为，传动比，步进电机最高转速：步进电机的最高转速在其正常转速范围之内，符合电机转速要求。电机的运行转矩和转动惯量分别为：（2） 成品型号：CM030T-50-B3-25-SZDX4.3.4 SolidWorks设计及仿真（1） SimulationXpress仿真分析l 连杆分析结果最低安全系数：0.87，应力分布如图4-12所示。表4-13 最大与最小应力位置表类型最小位置最大位置应力1895.06N/m2(461.04 mm,4.5 mm,5 mm)3.16e+007N/m2(-47.31 mm,-2.86 mm,5 mm)图4-12 应力分布图解l 位移图解：表4-14 最大与最小位移位置表类型最小位置最大位置合位移0 mm(-47.36 mm,0 mm,3.3 mm)5.20 mm(461.04 mm,-4.5 mm,5 mm)图4-13 位移图解l 连杆形状尺寸优化横截面积相同，可以通过改变横截面的形状达到提高刚度作用。优化得到最低安全系数：0.98，应力分布如图4-14所示。表4-15 最大与最小应力位置表类型最小位置最大位置应力1247.2 N/m2(525 mm,-14 mm,-2.5 mm)2.78e+007N/m2(11.65 mm,-4.14 mm,1 mm)图4-14 应力分布图解l 位移图解：表4-16 最大与最小位移位置表类型最小位置最大位置合位移0 mm(11.6 mm,-7 mm,-0.7 mm)1.36 mm(525 mm,1 mm,2.5 mm)图4-17 位移图解4.4 本章小结本章分析了直线运动单元和转动单元的各种工程实现手段，在此基础上选择了符合设计要求的实现方案。根据设计要求，选择了线性滑块导轨、同步带和减速器的型号，计算了摇杆的参数，利用SolidWorks设计出了装置的图纸，重点对同步带轮壳、导轨架、摇杆进行了仿真分析，优化了它们的尺寸参数。结论本文以“基于光学相控阵敏感控制技术”研究课题为应用背景，对平面运动机构构型进行了探索，优选出了模拟目标运动装置构型方案，并利用SolidWorks对装置进行了三维设计，得到了装置的图纸。本文主要完成了工作包括以下几个方面：（1） 运用机构学方法，以实现基本工作原理为目标，提出了5中装置的机构构型；（2） 深入分析了各机构构型，重点计算了“机器手”构型和“仿极坐标系”构型的运动学正反解析解，并得出了速度转换公式及速度雅克比矩阵；（3） 基于MATLAB仿真计算了构