用于教学水洞的两自由度转动机构总体设计

1、 水洞两自由度转动机构设计专 业：机械设计制造及其自动化学 生：指导教师：完成日期：2014年5月30日扬州大学广陵学院学院摘要水洞像风洞一样，是流体力学基本研究的主要工具。在水洞中可以研究如流动与实验物体之间的作用力，边界层现象,湍流，特别是气浊水弹性现象和自由液面现象。本文水洞实验运动平台的实验要求，对试验装置的俯仰和偏转的两自由度运动机构进行设计和分析。本文对水洞试验的国内外发展现状和发展意义以及两自由度机构的现状进行了阐述，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

2、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，水洞，三维造型。 全套图纸，加AbstractThe water tunnel is the main hydromechanics fundamental researchvehicle as well as the wind tunnel. The action between the flow and theexperiment object, the boundary layer phenomenon and turbulence flowespecially cavitation,

3、 hydroelasticity phenomenon and free surface phenomenon can be studied in the water tunnel.The requirement ofwater tunnel experimentplatformexperiment,design and analysis oftwo degree of freedommotion mechanismof testing device on thepitch and yaw.The development present situation and the developmen

4、tsignificance andstatus of twodegree of freedom mechanismbased on the domesticwater tunnel experimentanddiscussed。further for structure design to the two degrees of freedom motion mechanism; introduction of SolidWorks software and process for the design of two degrees of freedom movement mechanism u

5、nit for three-dimensional modeling ; strength check and mechanical properties analysis for the main nodes of movement mechanism, based on that select suitable motor; finally this project makes a summary and prospected.Key words:Series, Two degree of freedom, wind tunnel, Three-dimensional modeling.

6、摘要目录 Abstract第一章 绪论11.1课题背景及意义1 1.1.1研究现状21.2本课题研究内容4第二章 两（少）自由度运动机构的基础理论基础62.1两（少）自由度运动机构的基础理论62.2两（少）自由度运动机构的发展趋势7第三章 两自由度运动机构的结构方案设计和分析83.1两自由度水洞运动机构的机构原理83.2两自由度水洞试验设计方案对比8 3.3强度校核.10第四章 两自由度运动机构的三维造型及结构分析134.1三维造型软件SolidWorks简介134.1.1启动SolidWorks和界面简介144.1.2快捷键和快捷菜单174.1.3模块简介184.2自由度运动机构的三维造型过

7、程194.2.1用SolidWorks对各零部件进行造型194.2.2用SolidWorks各零部件进行装配25第五章 电机的选择265.1电机的简述265.2电机的选择265.3本章小结27总结29参考文献31致 谢32第1章 绪论1.1课题背景及意义在实验流体力学领域内，风洞测试和水洞测试是实验的两种主要形式。水洞是一种水动力学实验和研究设备，其中有导引良好的，可控制的水流。在水洞中实验物体是静止的（或是转动的，例如船舶螺旋桨），水是流动的。就水洞的布置与运转而言，它与亚声速风洞类似，只是实验介质不同。典型的重力式水洞如图所示图1-1非循环重力式水洞示意图对于水洞的应用来讲，其研究的现象与

8、亚声速风洞的研究现象类似，比如流动与实验物体之间的作用力，边界层现象和湍流。此外，水洞还可以用来研究水动力学中特有的现象，特别是空化，水弹性现象和自由液面现象。空化 空化是由于在流动的动力作用下局部压力降低而引起的水的蒸发所以它依赖于试验水流中的绝对压力这个现象使在一定条件下可达到的流动速度不得超过一定的限度，因此在实际上很重要利用水洞能够改变试验段的绝对压力而不改变其他的流动特性的特点，在水洞中用光学方法和声学方法观测到了空化现象它是一个白色泡沫状的区域。水弹性 试验物体的弹性特性和水流之间的相互作用叫做水弹性它与气动弹性类似，但支配水弹性的流动现象与支配气动弹性的流动现象不同，因为两者的流

9、动介质在密度上有很大的差别水弹性是水洞研究中最重要的问题之一自由液面现象 自由液面水洞能够研究自由液面现象。综上所述，无论是商业上的应用还是军事上的应用,水洞的建立对于水力学的研究具有很高的价值。1.1.1研究现状实验水洞的前驱可以追溯到 1895 年帕森斯建造的第一个空化实验水洞,其又在 1910 于英国沃尔森德（Wallsend）1建造了一座大型水洞，其用途为研究空化状态下的螺旋桨实验。在欧洲，直至第二次世界大战这一段期间还曾建造了其他几个研究螺旋桨的水洞。当时在帕森斯水洞基础上已有不少改善和改进，但新水洞的基本原理还是相同的。1938年投入运行的荷兰船舶模型池2的直径91.4厘米（36

10、英寸）大型水洞即为一例。在同一时期，对空化现象的普遍关心，促使开展文透里计与其他受约束的管道实验，设置转为单个水翼剖面实验的循环系统，以及为水泵和水轮机研究用的变压循环系统。这些研究工作的进展大部分在欧洲。在美国，1934 年加州理工学院水力机械实验室为研究水泵建制了水流循环系统。这些循环系统所具有的特性和测试设备均体现在以后的水洞中。第二次世界大战期间，战时问题的迫切需要，加速发展了可供各种物体和部件进行实验的通用水洞。在美国，第一个这种水洞是柯乃普等人和戴利介绍的加州理工学院1942 年建置并在 1947 年重建改善的高速水洞。这一装置是现代化设备的前驱，它具有专门控制设备和比以前更高精度

11、，更多样化的量测附属设备。它对以后的水洞具有广泛的影响。其基本特性包括下列各部分：1.工作段，可以安装模型并进行观察；2.水流循环系统，基本上包括水泵和管路，用以保持水流通过工作段；3.空气重溶系统，当工作段发生空化时重溶可能从水中释放出来的任何掺入的气泡；4.含气量控制系统， 使水流重溶解空气量保持为任何需要的常量；5.控制系统，用以调节工作段的压力，流速和温度，并使之保持在任一组规定数值；6.天秤，用它可将模型放置在不同位置，并可量测作用在模型上的动水作用力。此水洞的基本特色，均已体现在一些最重要的现代化水洞中。为了避免进入扩散段的水流过早出现空化现象，促使了另一个水洞型式，即自由射流水洞

12、，如早期在哥廷根建成的水平射流二维水洞，以及在圣安东尼瀑布实验室兴建的自由射流垂直式的圆断面水洞。除此之外，还有自由面水洞，它是研究物体稍微潜水或插入自由面的一种设备。水下导弹，水翼，水柱和某些类型的水工建筑物均为实例。顾名思义，这种水洞的唯一特征是其自由面工作断有改变水面以上空气压力的设施。加州理工学院自由面水洞就是一个实例。国内在水洞实验这方面的研究虽然不如国外先进，但是也建立了一批水洞设施，比较著名的是中国船舶重工集团公司第七 0 二所的水洞实验室。还有很多位于大学内的水洞实验室，比如 1983 年西安工业大学由黄景泉教授带头建造的用于科研和教学的水洞实验室，再比如上海交通大学的重力式空

13、泡水洞、徐汇校区的国内最早（1958）的封闭循环式水洞以及哈尔滨工程大学的重力式低噪声水洞，其基本设计方法都借鉴了国外的水洞设计经验。由于本文研究的对象为重力式水洞，关于这方面的文献，柴恭纯，刘春阳3介绍了一座可调速，可调压的非循环重力式水洞。此类水洞不需要驱动水流的动力设备，且无设备的噪声干扰，不仅投资经济，建造周期短，而且易于提高实验质量，有助于深化研究工作。然而，世界上投入使用的大型重力式水洞为数甚少，其原因除地点选择及布置比较困难外，运行技术上还存在着水洞实验段水速和静压不能独立调节的困难，严重地限制了它的应用。 关于水洞部件的研究，收缩段是水洞的重要部件，它的主要作用是提高实验段的流

14、动品质，即改善流场的均匀性，稳定性及降低湍流度。在实际水洞中，既有轴对称的圆截面收缩段，又有矩形截面的收缩段。在三元收缩段中，流动在横向发生变化，壁面的顺压梯度随着横向位置不同而改变，收缩段的出口流动均匀性的情况也与轴对称收缩段不同。随着计算流体力学的发展，收缩段的研究转变为根据真实条件对收缩段进行优化设计，这方面也已经有了不少研究4-8。关于水洞设计中的收缩曲线，由于水洞跟低速风洞设计上的近似，本文在水洞设计上借鉴了低速风洞的一些经验9-13。国内风洞设计中多推荐采用 Witozinsky 曲线，即维氏曲线；近年来美国风洞设计常采用五次方程；文献14推荐使用双三次曲线，林超强、苏耀西、洪流等

15、15对采用以上曲线的矩形风洞设计进行了研究给出了流动的三元性质对壁面逆压梯度和出口速度均匀性影响的数值结果。 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，例如医疗器械的发展对微型高精度设备的要求，制造业设备的高速度，高精度，高强度需求，等等。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，这里介绍一下， 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

16、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。 SolidWorks是特征造型软件的新秀，向广大机械设计人员提供用户界面更好、运行环境更大众化的实体造型实用功能，它将零件三维造型与装配设计、二维出图融为一体，可使工业界迅速普及三维产品设计技术。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。Sol

17、idWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。1.2本课题研究内容 本文首先利用三维造型软件SolidWorks对两自由度运动机构装置进行三维造型，其次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

18、主要包括以下几个方面：第一章论述了课题的工程背景和课题的研究意义，提出了本文的主要研究内容。第二章介绍两（少）自由度运动机构的基础理论研究 第三章简要介绍了设计的两自由度运动机构的机械原理，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2章 两（少）自由度运动机构的基础理论研究2.1两（少）自由度运动机构的基础理论一个不受任何约束的自由体在空间有6个自由度，即3个方向移动的自由度和3个方向的转动的自由度。如果构件受到不同程度的约束，自由度将不同程度地减少，

19、这类机构的自由度在2-5之间。在机器人的运动机构中，少自由度运动机构占着很大的比重。少自由度运动机构的特点是： 1.工作空间大； 2.驱动件少，构件少； 3.控制方便简单； 4.制造容易，价格低廉； 5.正向求解容易。 也真是因为以上特点，少自由度运动机构在实际领域中有着广泛的应用前景。而在机器人运动机构中，两自由度运动机构可以根据需要可以采用不同结构。比如两自由度解耦球面机构、两自由度闭链机构和平面两自由度机构等等。香港科技大学研制的并联机器人样机采用的就是平面2自由度驱动冗余机构。通过增加一个串联分支同时增加一个驱动，构建了平面2自由度驱动冗余并联机器人，这种驱动冗余并联机器人的特点在于能

20、克服瞬时自运动奇异而改善机构的灵巧性，同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空间。由于由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性，既减少了工作空间内的奇异，同时增加了机器人的承载能力和刚度，能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务。2.1两（少）自由度运动机构的发展趋势 由于多自由度运动机构存在建模困难，运动耦合和对元件精度要求高等不足，而且在许多情况下并不需要六自由度机构，低于六自由度即可满足实际要求。因此，近年来一些少自由度机构成为新的研究热点，少自由度机构具有结构简单、造价低等特点，在实际领域中有着广泛的应用前景。同时少自由度机构的出现，构的许多结构、运动学等方面的性质尚未被认识，目前国内

21、外现有的空间机构综合与组成原理不成熟，仍存在许多待解决的问题。因此分析少自由度机构的结构特性及运动特性，对少自由度机构的应用具有重要的理论意义，而且具有极高的研究价值。大大丰富了运动机构的机理，拓宽了这些新机理的应用前景。但有些少自由度机构的许多结构、运动学等方面的性质尚未被认识，目前国内外现有的空间机构综合与组成原理不成熟，仍存在许多待解决的问题。因此分析少自由度机构的结构特性及运动特性，对少自由度机构的应用具有重要的理论意义，而且具有极高的研究价值。第三章 两自由度运动机构的结构方案设计对比和分析3.1两自由度水洞试验设计方案机构原理 该机构用于教学水洞，教学水洞的最大水流速为3m/s,要

22、求机构实现模型在水洞中的俯仰和偏航的两自由度转动。由于转动的角度较大，一般采用串联机构结构。该机构装配在水洞上盖处，要求防水、轻质和运动可靠。运用齿轮和螺杆来实现俯仰和偏航的两自由度转动3.2两自由度水洞试验设计方案机构原理对比图下面是两个方案设计图方案1图3-1所示为齿轮传动的水洞两自由度转动机构1:电机 2:搭板 3:齿轮 4：大板 5：轴 6：俯仰零件 7：连杆 8：电机9：机架 10：轴承 11蜗轮蜗杆方案2图3-2所示为蜗轮蜗杆传动的水洞两自由度转动机构对比两种方案蜗轮蜗杆的优缺点：优点，有比较大的传动比，非常紧凑的结构，能够平稳的传动，噪声也非常小，其自身能够使用自锁性能。缺点，传

23、动摩擦损失比较大，效率也很低，成本比较大齿轮传动的优缺点：优点是使用的圆周速度和功率范围广，效率较高，传动比稳定，寿命长，工作可靠性高，可实现平行轴，任意角交错轴之间传动缺点，要求较高的制造和安装精度，不适宜远距离两轴之间传动综上所述，齿轮传动的方案比较适合。3.3强度校核本设计的两自由度运动机构中，所涉及到的强度校核和受力分析较少，只需要对几处连接处进行强度校核和受力分析即可。图3-3所示为空心杆的校核位置图3-4所示为搭板的校核位置大板和空心管，搭板和电机等都是通过螺栓连接的，选择拧紧螺栓使连接在承受工作载荷之前预先受到预紧力作用。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接

24、件出现缝隙或发生相对位移。经验也证明适当选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性以及连接件的疲劳强度都是有利的。通常规定，拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80%。对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力，按下列关系确定：碳素钢螺栓 合金钢螺栓 （3-1）式中：螺栓材料的屈服极限 螺栓危险截面的面积，在承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接下，螺栓的总拉力 （3-2）上式中称为螺栓的相对刚度，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为 （3-3）查相关资料，选择螺栓的材料为35#钢，屈服强度和抗拉强度，在末端15kg载荷下： 。所选择的M6，M10螺栓符合强度要求。第4章 两自由度运动机

25、构的三维造型及结构分析4.1三维造型软件SolidWorks简介SolidWorks是特征造型软件的新秀，向广大机械设计人员提供用户界面更好、运行环境更大众化的实体造型实用功能，它将零件三维造型与装配设计、二维出图融为一体，可使工业界迅速普及三维产品设计技术。Solidworks是一套智能型的高级CAD/CAE/CAM组合软件，它集设计、加工、分析功能于一身，能方便地进行三维实体设计、加工制造以及动力学及热力学的各项分析。SolidWorks系统有以下特点：1.Solidworks是一个基于造型的三维机械设计软件，它的基本设计思路：实体造型-虚拟装配-二维图样。通过零件三维造型可以画出3D效果

26、的零件图，并可以用这些3D零件生成二维的工程图和三维的装配体。2.SolidWorks是通过给点尺寸来驱动的。改变尺寸就可以改变零件的大小和形状。3.SolidWorks模型包括零件、装配及工程图等。零件、装配和工程图是一个模型的不同表现形式，对其中任意一个的改动都会使其它两个自动跟着改变。4.SolidWorks可以利用特征造型来建立零件的模型。用来生成零件的特征包括形状特征（圆角、倒角、孔等）和操作特征（拉伸、扫描、旋转、放样等）。4.1.1启动SolidWorks和界面简介 安装SolidWorks后，在Windows的操作环境下，选择【开始】【程序】【SolidWorks 2006】【

27、SolidWorks 2006】命令，或者在桌面双击SolidWorks 2006的快捷方式图标，就可以启动SolidWorks2006，也可以直接双击打开已经做好的SolidWorks文件，启动SolidWorks 2006。图4-1是SolidWorks 2006启动后的界面。图4-1 SolidWorks界面这个界面只是显示几个下拉菜单和标准工具栏，选择下拉菜单【文件】【新建】命令，或单击标准工具栏中按钮，出现“新建SolidWorks文件”对话框，如图4-2所示。 图4-2 “新建SolidWorks文件”对话框这里提供了类文件模板，每类模板有零件、装配体和工程图三种文件类型，可以根据

28、自己的需要选择一种类型进行操作。这里先选择零件，单击【确定】按钮，则出现图4-3所示的新建SolidWorks零件界面。图4-3 新建SolidWorks零件界面这里有下拉菜单和工具栏，整个界面分成两个区域，一个是控制区，另一个是图形区。在控制区有三个管理器，分别是特征设计树、属性管理器和组态管理器，可以进行编辑。在图形区显示造型，进行选择对象和绘制图形。特别是下拉菜单几乎包括了SolidWorks 2006所有的命令，如果在常用工具栏没有显示的不常用的命令，可以在菜单里找到；常用工具栏的命令按钮，可以自己根据实际使用的情况自己确定，后面将介绍工具按钮的设置。其中图形区的视图选择按钮，是Sol

29、idWorks 2006新增功能，单击倒三角按钮，可以选择不同的视图显示方式，如图4-4所示。若在图4-3中单击下拉菜单【文件】【打开】命令，或单击标准工具栏中按钮，出现“打开”文件对话框，如图4-5所示。其中具体操作就是Windows界面的操作，相信大家自己应该会做的。 图4-4 视图选择按钮 图4-5 “打开”文件对话框然后单击【文件】【保存】命令，或单击标准工具栏中按钮，出现“另存为”对话框，如图4-6所示。这时，读者就可以选择自己保存文件的类型进行保存。如果想把文件换成其他类型，只需单击【文件】【另存为】命令，在出现的“另存为”对话框中选择新的文件类型进行保存。 图4-6 “另存为”对

30、话框4.1.2快捷键和快捷菜单 使用快捷键和快捷菜单及其鼠标是提高作图速度及其准确的重要方式，在Windows操作里面有很多使用它们的，这里主要介绍SolidWorks快捷命令的使用和鼠标的特殊用法，简单介绍如下：（1）快捷键快捷键的使用和Windows的快捷格式基本上一样，用Ctrl+字母，就可以进行快捷操作，这里就不详细介绍了。（2）快捷菜单在没有执行命令时，常用快捷菜单有四种：一个是图形区的，一个是零件特征表面的，一个是特征设计树里面单击其中一个特征，还有就是工具栏里面的，单击右键后就出现如图4-7所示快捷菜单。在有命令执行时，单击不同的位置，也会出现不同的快捷菜单，这里就不一一介绍了，

31、读者可以自己在实践中慢慢体会。 零件特征表面 特征设计树 图形区 工具栏图4-7 快捷菜单（3）鼠标按键功能左键：可以选择功能选项或者操作对象。右键：显示快捷菜单。中键：只能在图形区使用，一般用于旋转、平移和缩放。在零件图和装配体的环境下，按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现旋转；在零件图和装配体的环境下，先按住Ctrl键，然后按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现平移；在工程图的环境下，按住鼠标的中键，就可以实现平移；先按住Shift键，然后按住鼠标中键移动鼠标就可以实现缩放，如果是带滚轮的鼠标，直接转动滚轮就可以实现缩放。4.1.3模块简介在SolidWorks软件里有零件建模、装配体、工程

32、图等基本模块，因为SolidWorks 软件是一套基于特征的、参数化的三维设计软件，符合工程设计思维，并可以与 CAMWorks 及 DesignWork 等模块构成一套设计与制造结合的CAD/CAM/CAE 系统，使用它可以提高设计精度和设计效率；可以用插件的形式加进其他专业模块（如工业设计、模具设计、管路设计等）。其特征是指可以用参数驱动的实体模型，是一个实体或者零件的具体构成之一，对应一形状，具有工程上的意义；因此这里的基于特征就是零件模型是由各种特征生成的，零件的设计其实就是各种特征的叠加。参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束，各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示，其变量可以

33、是常数，也可以是代数式；若一个特征的变量参数发生变化，则这个零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小将发生变化，与这个参数有关的内容都自动改变，用户不需要自己修改。这里介绍一下零件建模、装配体、工程图等基本模块的特点。（1）零件建模：SolidWorks提供了基于特征的、参数化的实体建模功能，可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、放样等操作完成零件的建模。建模后的零件，可以生成零件的工程图，还可以插入装配体中形成装配关系，并且生成数控代码，直接进行零件加工。（2）装配体：在SolidWorks中自上而下生成新零件时，要参考其他零件并保持这种参数关系，在装配环境里，

34、可以方便地设计和修改零部件。在自下而上的设计中，可利用已有的三维零件模型，将两个或者多个零件按照一定的约束关系进行组装，形成产品的虚拟装配，还可以进行运动分析、干涉检查等，因此可以形成产品的真实效果图。（3）工程图：利用零件及其装配实体模型，可以自动生成零件及装配的工程图，需要指定模型的投影方向或者剖切位置等，就可以得到需要的图形，且工程图是全相关的，当修改图纸的尺寸时，零件模型，各个视图、装配体都自动更新。4.2自由度运动机构的三维造型过程4.2.1用SolidWorks对各零部件进行造型以简单的“空心柱”为例（1）打开SolidWorks界面后，单击【文件】【新建】命令或者单击按钮，出现“

35、新建SolidWorks文件”对话框，选择【零件】命令后单击【确定】按钮，出现一个新建文件的界面，首先单击【保存】按钮，将这个文件保存为“空心柱”。（2）在控制区单击【前视基准面】，然后在草图绘制工具栏单击按钮，出现如图4-8所示的草图绘制界面；在图形区单击鼠标右键，取消选中快捷菜单的【显示网格线】复选框，在图形区就没有网格线了。在作图的过程中，由于实行参数化，对于网格一般不应用，所以在以后的作图中，都去掉网格。图4-8 草图绘制界面（3） 单击绘制【圆】按钮，在图形区过原点绘制圆，然后再绘制圆。需要注意各条图线之间的几何关系。不需要具体确定尺寸，只需确定其形状即可，实际大小是在参数化的尺寸标

36、注中确定的。（4）单击工具栏【智能尺寸】按钮，标注尺寸，标注一条直线的长度，就单击这条直线，就会自动标注尺寸了，此时的尺寸不是所要求的尺寸，鼠标确定尺寸的位置，单击鼠标左键，就会出现【修改】对话框，在对话框中输入实际尺寸大小，单击按钮或者按回车键即可；标注圆或者圆弧的尺寸是一样的。标注结束后，图形如图4-9所示。 4-9零件草图 （5）单击特征工具栏的【拉伸凸台、基体】按钮后，在【属性管理器】中的【从（F）】的【开始条件】选择【草图基准面】选项，【深度】栏输入700mm后，单击按钮，即可出现图4-10所示图形。 4-10零件三维造型图（6）点击【参考几何体】选择【基准面】后，单击【前视基准面】

37、，即可出现图4-11所示图形。4-11零件基准面 （7）单击【草绘】后选择【基准面2】，然后单击【圆形】按钮，同样不需要具体确定尺寸，只需确定其形状即可，实际大小是在参数化的尺寸标注中确定的。单击工具栏【智能尺寸】按钮，标注尺寸，在【修改】对话框，在对话框中输入实际尺寸大小，单击按钮或者按回车键即可。标注结束后，图形如图4-12所示。4-12零件草图（8）单击特征工具栏的【拉伸凸台、基体】按钮后，在【属性管理器】中的【从（F）】的【开始条件】选择【草图基准面】选项，【深度】栏输入20mm后，单击按钮，即可出现图4-13所示图形。4-13零件三维造型图选中刚拉伸的凸台，重复前面的拉伸切除动作，即

38、可出现如图所示的图形4-14零件三维造型图 （9）单击【草图】后点击零件，单击绘制【圆】按钮，在【半径长度】中输入9mm，单击按钮，共绘制4个圆，单击按钮；单击工具栏【智能尺寸】按钮，修改数值。单击按钮即可出现图4-15所示图形。4-15零件草图（10）单击特征工具栏的【拉伸切除】按钮后，在【属性管理器】中的【从（F）】的【开始条件】选择【草图基准面】选项，【深度】栏输入10mm后，单击按钮，即可出现图4-16所示图形。4-16零件三维造型图 （11）在与上面相同的位置画圆，过程与前面两个步骤相同最后得到的图形如4-17所示图4-17零件三维造型图 根据上面的过程，依次可以把电机，齿轮，空心轴

39、和俯仰零件等所有三维零件造型画出来。4.2.2用SolidWorks各零部件进行装配 打开SolidWorks界面后，单击【文件】【新建】命令或者单击按钮，出现“新建SolidWorks文件”对话框，选择【装配体】命令后单击【确定】按钮，出现一个新建文件的界面，首先单击【保存】按钮，将这个文件保存为“弯刀机构装配”。（1） 单击【配合】按钮后，依次选中空心柱，俯仰零件，轴套，齿轮，电机等零件，在配合特征里【重合】，即完成配合。（2） 按照装配的要求逐步完成配合，即可完俯仰机构的装配。如图4-18所示图4-18所示为三维装配图 第5章 电机的选择5.1电机的简述 电机（英文：Electric m

40、achinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M（旧标准用D）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。最常用的电动是步进电机和直流刷式伺服电机。选择步进电机是因为它们可以在没有开环反馈传感器的系统中运行。步进电机是可靠性和成本效益高，常用于不需要急加速，高速转动和伺服电动机的位置准确性的机构。刷式直流伺服电机可以达到更高的速度，并提供比步进电机平滑的低速操作与更精细的位置分辨率，但它们都需要一个或多个反馈传感器的封闭回路，这样了增加系统的成本和复杂性。5.2电机的选择根据所处的课题背景和性能的分析，选择型号为KBMS

41、-25H04-A的Kollmorgen电机和FAULHABER 4490H036B-K1300电机型号为KBMS-25H04-A的电机属于Kollmorgen AKM 系列无刷伺服电机，AKM 无刷伺服电机以广泛的标准产品提供前所未有的选择范围和灵活性，允许工程师针对电机具体特性选择最优化的最好的伺服电机。AKM 高性能伺服电机能够提供广泛的安装、连接、转速、反馈和其它选项。AKM电机有25种法兰/铁芯堆叠组合，拥有高扭矩/密度比和高加速度，可输出极其平滑的性能。AKM电机拥有适合全球电压标准的各种绕组设计，与S200、S300和S600高性能伺服驱动器配套使用，可提供最优化的性能。电机有0.

42、1653Nm连续转矩输出，可适合各种应用需求。转速可达8000 rpm，可满足高速应用要求。 精选的旋转变压器、整流编码器或智能反馈装置（SFD），可以满足广泛的驱动和系统要求。紧凑（高转矩/体积比），可在狭小空间中获得最大的转矩。相同的转矩值具有多种法兰尺寸，可以优化安装和惯量匹配能力。5-1 kollmorgen电机转配图FAULHABER 4490H036B-K1300电机采用FAULHABER空心杯专利技术制作，转动惯量小、启动电压低、空载电流小，最高转速达100 000rpm。由于摒弃了机械结构的换向系统，因此运行平稳、噪音极低。名义电压从148V DC，功率最大212W，直径范围1

43、.944mm，长5.590mm，最大输出转矩2758mNm，配FAULHABER减速箱后，最大输出转矩高达20Nm。可与各种增量式、绝对式编码器、调速驱动器等器件集成为一体，犹如有刷电机般简单易用，可选配“线性霍尔传感器”，配合专用驱动器实现高精度调速与定位控制时，无需编码器。5-2 FAULHABER电机零件图5.3本章小结 通过计算和分析，在设计电机的过程，选择了两个角接触球轴承在上部，通过查找资料和阅读文献，这种设计是有不足之处的，而更为科学的设计是两个角接触球分上下布置，这样电机的机构更加合理和力学性能更优。总结本文阐述了水洞的研究背景和发展趋势及其两（少）自由度运动机构的基础理论和发

44、展趋势。，设计串联部分的两自由度运动机构，以三维造型软件SolidWorks为绘图工具，设计出符合两自由度运动机构。并且介绍了三维造型软件SolidWorks和三维造型过程，校核了两自由度运动机构中连接处的强度和齿轮的校核。Solidworks是一套智能型的高级CAD/CAE/CAM组合软件，它集设计、加工、分析功能于一身，能方便地进行三维实体设计、加工制造以及动力学及热力学的各项分析。通过这段时间的学习，我不仅对该软件的使用变得更加得心应手，而且对三维造型过程有了更深一步的理解。本文的研究从总体来说，在三维造型的基础上和力学分析的结论中，本次设计的两自由度运动机构是满足要求的。在另外，从大量

45、的关于少自由度的研究文献也可以看出，虽然关于少自由度机构各方面的研究工作取得了很大的进展，但是，还有大量的工作需要进一步研究和开展，展望未来，还有这样一些难点有待我们继续钻研。 在这次设计中给我感受最深的就是我们应该加强同学与老师之间的相互合作与配合，老师在其中起着很大作用，他时刻地洞察着你的进展情况，关键时候给你指明了方向，让你向着他理想的目标前进。同时，我们作为学生要能理解老师的一番苦意，我们要有进取心，持之以恒的精神，遇到困难不能气馁，只有这样才能让指导老师看到成功的希望。我相信，在以后的工作学习中，我会更加努力，全身心地投入社会，做出我理想的成绩！参考文献1邹继明、杨世彦、程树康、郝燕玲,两自由度电机速度雅可比矩阵,微电机,2003.32 曹茹. solidworks 2009三维设计及应用教程（第2版）M，北京：机械工业出版社,2009,9.26-49.3 李幼涵. 伺服运动控制系统的机构及应用M. 北京:机械工业出版社，2006,8.72-89.4 宋爱平，尤飞，褚辉生. CAD/CAM技术综合实训指导书. 北京：机械工业出版社，2006. 15 何克敏,屠兴. 低湍流度风洞及其设计J.气动实验与测量控制,1988,2(2):9216.6 纪明刚，陈国定，吴立言，等. 机械设计（第八版），北京：高等教育出版社，2006.