哈工大现代设计方法大作业

./班号：1108110班号：1108110学号：1110811005姓名：崔晓蒙20XX春季学期"机电产品现代设计方法"课程大作业一作业题目：雷达转台设计学生：评阅教师：作业成绩：1.设计任务雷达底座转台设计：一个回转自由度承载能力：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′角速度围：0.001°/s～60°/s2.设计流程如上图所示,整个设计过程分为功能设计、总体方案设计、详细设计和设计总结四部分。2.1功能设计部分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小的功能单元,对应于一个个要实现功能的结构单元。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。2.2总体方案设计部分我们首先利用SysML语言来明确各部分功能的参数以及参数约束之间的关系,然后综合考虑各种参数,设计出整体的设计草图。2.3详细设计部分首先要使得零件实现其所对应的功能,使其满足其精度及强度的要求。在此基础上,要综合考虑工件的可加工性,可装配性以及价格等因素,从而选出最符合我们需求的设计。然后根据确定的参数和方案,利用三维建模软件CATIA来进行三维建模,并将3D图进行投影,得出适合工业加工的2D图,完成整个设计。2.4设计总结部分对整个过程中进行反思,考虑这个过程中存在的不足以及设计过程种学到的知识,以便应用于以后的设计当中。3.QFD设计QFD<全称QualificationFunctionDeployment>是进行设计总体规划的工具。可以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。如图所示,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<Importanceofwhats>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,无法得出比较重要的功能。参数的分配,理论上应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饼状图如下。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。其中第一行代表了重量、伺服电机等对第一列的为了实现功能的设计。这里将所有能想到的设计列出。屋顶代表着各功能之间的关系。它表示了各种设计之间的关系,相互促进<+>或者相互限制<->.以此可以对设计有个宏观的综合的考虑得到一个中性的方案。而中间的主体矩阵部分起到衡量横行上的设计单元对客户需求的功能的满足程度,将各列里的数字加起来,即为该设计方案所对应的重要程度,重要程度越大,说明越应该重点设计。如图所示,我们得到个设计方案的相对重要程度如下。从图中我们可以看出,为了实现客户所需求的功能,轴的设计以及电机的选择显得至关重要。这意味着在后续的设计中,应该着重设计这部分。4.总体方案设计〔ConfigurationdesignSysML语言是UML语言<UnifiedModelingLanguage,统模语言,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。图４－３１产品初步结构与ＳｙｓＭＬ图5.底座转台关键件有限元分析轴的设计与有限元分析由上边我们得出的轴的初步的尺寸.由国家标准,我们查到尺寸和轴颈大致配合的轴承的尺寸与轴承配合处轴的直径d1=100mm,长度为34mm。轴肩直径109mm。且我们要在轴上装以用于限位的撞块,则轴还需要加粗,以使得轴上可以留有6mm的余量来供限位块安装之用。综上所述,结合后续过程中对尺寸的一些细微调整,我们的到如下轴的尺寸。切轴的两端分别用于和转台台面和谐波减速器的柔轮相连,因此,这两个表表面的精度要求较高,根据经验取。同样,由于轴颈处要与轴承过盈配合,对轴的表面精度同样要求较高。因此也需要在此处标注表面的加工精度。由以上分析,我们可以得到如下图所示的轴的尺寸。由于阶梯轴尺寸变化处,在收扭矩时会产生较大的集中应力,因此,我们需要知道此时的轴的强度及强度是否能达到要求。因此我们仿真轴受的转矩时,其各部分的受力情况以及轴的转角。轴仿真受的力矩图及仿真结果如下：1.在catia中画出等比例模型所有上图中参数与模型的参数完全相同。在此过程中,使用的是catia软件,输出模型为igs,由于abaqus和catia同属达索公司旗下产品,具有更好的兼容性,幸运的是我最常用的也是电脑中唯一安装的三维建模软件就是catia。省去了许多麻烦。2.将igs文件导入到abaqus中在此过程中,需要注意的是证书的正确打开否则不能打开abaqus软件。3.设置各项参数后划分网格,划分结果如下4.划分网格后进行有限元分析,分析的结果,应力云图如下;应力云图所示,添加转矩的地方变粗,说明形变在这个地方比较大,集中于此。轴的两端颜色由深蓝色到浅蓝最后到绿色再到黄色,说明应力在逐渐的加大,由颜色对应的应力关系可以得知整个轴的应力应变。具有直观生动的优点。而对于这个输出的动画结果,没有红色的部分,大部分轴上的颜色都比较浅,呈现蓝色,说明该轴的危险的地方是轴的两端,中间则比较安全,整体来看,整个轴符合安全要求。输出应力云图的结果体现了现代设计工具的一个很大的优势,就是方便快捷而且精确直观,试想要是通过传统的验算方法查阅手册根据经验公式来计算,不仅对于计算着是一个很复杂枯燥的过程,而且极大可能出现错误,对于整体的应力应变情况也不能有清楚的体现,可见在设计复杂的、满足现代产品需求的零部件时候,现代化工具的重要性。5.最上部外圆的应变曲线X-YPLOT如下图所示：6.ADAMS/MATLAB联合仿真6.1协同仿真基本步骤该协同仿真分析包括以下四个基本步骤,如图8所示。图8ADAMS/Controls分析步骤〔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。6.2雷达天线协同仿真本次大作业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。6.3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9雷达天线样机机械模型6.4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,如图所示。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。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。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。该过程如下图所示6.5雷达的运动仿真如下图所示,在运动仿真模块中设置步数和终止时间,然后就可以得出雷达天线的运动轨迹,以及转台的运动方式。而当消除了转盘的运动后,只剩下天线的上下的角度摆动。仿真图像如下。查看各个参数是否需要修改,是否正确,检查无误后,可以选择输出路径,然后导出adams的雷达模型。6.6构造控制系统方框图〔1启动Matlab程序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：启动Matlab程序,显示Matlab命令窗口界面。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。如下图所示：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,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模块在matlab窗口点击open,然后选择antenna的后缀为mdl的文件,即可在显示adams_sys的模块窗口,如下图所示。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,但是文件的容会有所不同。双击antenna1窗口中的adams_sub模块,显示adams_sub模块的子系统如下图所示。同时双击antenna1窗口中的三个显示器,就可以显示出三个显示器,如下图所示。〔3设置仿真参数在新显示的Simulink窗口中,双击MSCSoftware模块,显示MSCSoftware模块参数对话框,如下图所示。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。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。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。〔4控制系统建模在开始已经由系统自动生成,所以可以跳过该步骤。6.7机电系统联合仿真分析〔1设置仿真参数在Simulink工具菜单栏,选择Simulation菜单。在弹出的下一层菜单中,选择Parameteres,显示参数设置对话框。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。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。对于其他各项参数,取默认值。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。仿真过程如下图所示〔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：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。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。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。但是很遗憾,由于电脑原因,matlab,adams等软件工作时候,电脑运行很慢,在输出了0.02秒之后的波形后光荣卡死,所以matlab的后续输出无法完成,请老师谅解。〔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,如图所示。7.大作业的感想以及课程感悟7.1大作业的感想结合本次大作业的完成,让我对