哈工大机电产品现代设计方法大作业

雷达底座转台设计

姓名:

学号:

班级:

所在学院：机电工程学院

任课教师：张旭堂

设计任务:

雷达底座转台设计：一个回转自由度.

>ADAIS/V，”7005.0,O

力

刍

4叁

回

la®]

前

川

Incmtnent[300

,11]包

■,I五I・|

承载能力：500kg

被测件最大尺寸：中500X600mm

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

方位转角范围：±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'

角速度范围:0.001°/s~60°/s

二设计思路：

(-)设计流程:

设计流程与设计内容和设计方法

1

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大部分。

其中，在功能设计部分，我们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一个个小的功能单元，对应于一个个要实

现功能的结构单元，为后续的设计打下基础。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，在以后的设计中，要对比较重要的功能投入比较多

的精力重点设计。

在总体方案设计部分，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。

在详细设计部分，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多方面因素，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。

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。

(二)QFD设计：

QFD(全称QualificationFunctionDeployment)一种用来进行设计总体规划的工具。QFD的主要功

能是实现工程设计与消费者的需求的精确连接，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2.4所示，其中第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…项都标注得很重要，造

成无法得出比较重要的功能的现象。至于参数的分配，理论上应该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。我们发现定位精度、

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。

2

（三）总体方案设计（Configurationdesign）

SysML语言是UML语言（UnifiedModelingLanguage,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。

产品初步结构与SysML图

三任务实现过程:

3

3.1底座转台关键件有限元分析：

1.底座转台关键件有限元分析：

在Ansys中运行file->import->IGSE...导入该模型；或者按照以下步骤创建零件模型。

运行Preprocessor->Modeling->Volumns->Cy1inder->SolideCylinder,弹出如下对话框，在对话

框中输入相应数值，点0K生成零件模型。

(11•2<1«1u>«口“HetCuliIwtfliM|u>>3.

'i“、va-3j«♦»]5

a—ww

KpajtjjmJranmr^

C

一®•

J；至

d电

8m

M至

J西

e、

g

■c

a»i.o

nc»i»»4«»/

一■aUe“124”l

C»li»4«r

K”r«>•i

IO晨J

®

回

•

・

・•

89*«*•<••

B***«/

2.选择单元类型：

运行Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete,选择Structural中的Solid.由于10个结点的单

元计算精度要比8个结点的计算精度高，故选择“Tetl0node92”单元，如图2。

|AMST$Bulni>>tr*ir3QlilitrInn--X

jjwj图

公of>>(■•«(>

uw«r“Tn««

Rr"”《*

RTalk0,”・<：••»

S«l«(i«a

C«a«r«lP»B(>r*c

T«P«1*K*C*1

rr«bBatten

IFiaisb

3.材料属性设置：

运行Preprocessor->MaterialProps>MaterialModels,弹出如卜所示对话框，依次双击Structural,

Linear,Elastic,Isotropic,弹出图所示对话框。

4

•刃刍3刃@'

I*(•<«■•••«

)t(>**•«•••«*

n(1••••(tn9

St«>lCMAIMI«

S•alMtal，・w

B0•«•<••1L»WMV

QTa*e***t«>«Sa，l,

Qri””—”■・“■

ffl

WBatkiac

SCX««k>BCCult

?H...7CU1«

3*r«K>”0.7

S/C”

KrtATuas»«■

es■>>«・一”•，，x«!”

SLaMa

.SFath

:€■■■>>>r“t>v”

：T・e«l>，《，♦,1”♦

：T*rU«c*r>lV»l

■MT“1

：•，

1Fv"

附：常用材料的弹性模量和泊松比

名称弹性模量E/GPa切变模量G/GPa泊松比M

灰、白口铸铁115~160450.23-0.27

球墨铸铁151~160610.25-0.29

碳钢200〜220810.24-0.28

合金钢210810.25~0.3

铸钢17570〜840.25〜0.29

轧制磷育铜115420.32-0.35

轧制钱黄铜110400.35

铸铅青铜105420.25

硬铝合金7127

冷拔黄铜91〜9935〜370.32〜0.42

轧制纯铜110400.31-0.34

轧制锌84320.27

轨制铝6926〜270.32-0.36

铅1770.42

4.网格划分：

运行Preprocessor->Meshing->SizeCntrl->ManualSize->Global->Size设置划分网格的大小。

AL-

.PJ司旦切•:倒・工M切U

ymWUJ"中曰$1

ANSYS

5

运行Mesh->MeshTool,弹出如图所示对话框,在Shape选项栏后面，选择Tri和Free,单击Mesh

弹出选择实体对话框，选择一个实体进行网格划分。

5.施加约束：

选择菜单Solution->DefineLoads->Apply->Structure->Displacement->OnNodes,选择若干节点.

6

ultiphy;iciQtilitylenu

EiUL*«t口“l^roK*lr

回国回创金囹Si国可圄曳I].空a塞A

B/U-4

ABTS1・《12

/3AA金

6.施加载荷：

选择菜单Solution->DefineLoads->Apply->Structure->Pressure->OnAreas,弹出如图所示对话框。拾

取一个或多个面，单击0K按钮。弹出如图所示对话框。在VALUE选项栏中填写受力。

7.求解:

运行Solution->Solve->CurrentLS,弹出如图所示对话框。

7

Apply口■»ROToxi

8结果显示

运行GeneralPostprooPlotResults>ContourPlot>NodalSolu,弹如图所示对话框，运

DOFSolution>Displacementvectorsum和Stress>vonMisesstress,分别显示分析结果的位移云图和应力云

图。

ANSYS]

应变图

应力图

8

3.2ADAMS/MATLAB联合仿真：

3.2.1整体思路：

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，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。

物

理

物

试

理

样

验

性

和

机

能

评估

制

・控制系统参数―控制模型+调试和试验造

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。

机械系统建模

虚

虚

拟

拟

试

共享模型样

验

机

控制系统建模

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(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)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。该协同仿真分析包括以下四个基本步骤：

(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。

9

(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。

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。

3.2.2ADAMS运动仿真：

1.建立转台模型：

该模型由底座，转轴及转台组成。设置转台直径600mm,厚度50mm。与之前ansys

构建的仿真模型相对应。

10

2.设定约束：

设定转轴与底座之间为绕Y轴旋转约束，设定台面与转轴之间为锁定约束。

3.模型轴侧图：

轴侧视图下的模型如图:

11

4.运动函数：

对底座与转轴的旋转约束设定运动函数为30d*time即单位时间旋转30度。

5.测量曲线：

测量转台上表面边缘上一点与底座上表面边缘上一点的距离，运行方阵可得如图所示

的曲线。由图可知曲线呈近似线性增长斜率0.08。

12

3.2.3联合仿真：

以下内容涉及到adams联合仿真的内容，由于对其不是特别熟悉，在操作中多次出现

错误，初步判断是建模以及程序代码方面的错误，虽经过多次修改，仍然无法实现目标。

在此，展示操作过程中的仿真过程中的探究图片，并借助例程对整体设计思路进行分析。

仿真过程截图：

13

(-)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)0

输入控制力矩-------------------输出方位角和马达速度

------►ADAMS模型--------

MATLAB控制系统<

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。图11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。

14

（-）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：

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:ADAMSplantactuatorsnames:

1control_torque

%%%INFO:ADAMSplantsensorsnames:

1azimuth_position

2rotor_velocity

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，

Matlab返回相应的结果：

ADAMS_execADAMS_inputsADAMS_outputsADAMS_poutputADAMS_static

ADAMS_uy_idsADAMS_initADAMS_modeADAMS_pinput

ADAMS_prefixADAMS_sysdir

可以选择以上显示的任何•个变量名，检验变量。例如，如果输入ADAMS_oulputs,

Matlab显示机械系统中定义的所有输出：

ADAMS_outputs=rotor_velocity!azimuth_positiono

（三）输入ADAMS模块：

1）在Matlab输入提示符处，输入adams_sys,显示adams_sys的模块窗口，如图

12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，但是文件的内容会有所不同。

15

|[^adams_sys.

2）在File菜单，选择New,打开一个新的类似于图12的空白窗口，为方便起见，

将此窗口称为antennalo

3）用鼠标将图12中的adams_sub模块连同两个输出显示器,拖到新打开的antennal

窗口中。

4）双击antennal窗口中的adams_sub模块，显示adams_sub模块的子系统如图22

所示。

1）设置仿真参数。

2）在新显示的Simulink窗口中，如图13所示，双击MSCSoftware模块，显示MSC

Software模块参数对话框，如图14所示。

16

3）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。

4）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。

5）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。

6）选择Aplly。

7）选择OK。

（四）控制系统建模：

控制系统的建模需要利用Matlab程序的Simulink工具箱，建模方法如下：

1）在Matlab命令窗口，启动Simulink,显示Simulink工具库窗口。

2）双击Simulink工具库窗口的每个图标，显示各自的子工具库窗口。

3）在已经打开的antennal窗口中，根据控制系统的具体需要，在Simulink工具库

17

窗口中选择有关图形模块，并拖到Simulink建模窗口中。

4）按照图15所示的控制系统图，完成各控制图标以及adams_sysm模块之间的连接

和参数设置。

5）在File菜单，选则Save命令，将控制系统的Simulink文件存盘。

在ADAMS的ADAMS/Controls模块的例题目录中（ADAMS程序安装目录

controls/examples/antenna）,保存有一个已经完成建模的控制系统Simulink文件，文件

名为antenna.mdl。也可以直接从Simulink窗口中，读出antenna.mdl文件，然后进行机

电系统联合仿真分析。使用antenna.mdl模块中的MSCSoftware模块的参数进行重新设置。

（五）机电系统联合仿真分析：

（1）设置仿真参数

1）在Simulink工具菜单栏，如图15所示，选择Simulation菜单。

2）在弹出的下一层菜单中，选择Parameteres,显示参数设置对话框。

18

3）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。

4）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odel5s参数。

5）对于其他各项参数，取默认值。

6）选择0K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。

（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