上海交通大学工程硕士学位论文第三...

2.2 结构方案设计
同时这给设备制造商也提出了更高的要求，要求他们能设计制造出更可靠、更 稳定的设备，以占有市场。因为产品性能决定了产品的价值和在市场中的地位，是 机械制造企业核心竞争力的集中体现[7] 。
但是产品从设计到成熟是很难一步到位的。因为设计往往会存在冲突[8] ，无论 是新设计还是对已有产品的改进设计，在设计过程中往往会为保证产品的某些内部 性能而导致产品其他性能的降低。因此设计师在设计过程中既要考虑设计参数的随 机性，又要能进行多参数的设计[9] ，优化平衡各项性能，并在设计过程中预测各零 部件的可靠度[9] ，从而分析预测产品系统可靠度[10] 。同时设计的产品还需经过反复 实验验证、不断改进才能设计出可靠稳定的优性能产品。这在很大程度上取决于设 计者扎实的设计理论基础、类似的参考资料、丰富的经验以及不断创新的精神[11] 。
由于产品在实际使用过程中，使用频率较高，且工作时间较长，因此即使调位 圆柱、调位半圆柱和滑槽材料均选用高耐磨性能的合金钢 GCr15,但是经过一段时间 的使用后，磨损就必然发生了。磨损的发生降低了设备的精度，从而影响了系统测 试精度。同时复位弹簧受到非正常的扭曲，两侧面均受到挤压和拉伸的作用力，大 大降低了复位弹簧的使用寿命，也经常会发生断裂。因此该设备结构无法满足目前 生产的使用条件。
1.2 课题意义
设备的研制成功与否将直接影响着公司的经济效益，可靠稳定的设备将会保证 批量生产的有序进行，一方面公司可以保证能够提供合格的产品供军队使用，确保 军队在作战时的安全和精确攻击目标。另一方面可以帮助公司抢占市场份额，获得 更高的经济效益，同时也将帮助公司创造良好的企业形象和声誉，得到军方的认可， 为后续新型号的研发生产打下基础。
1.3 国内外研究现状
在当今世界范围内，各国都把提高产业竞争力和发展高新技术作为重要的国策 加以实施，以推动本国国民经济的发展[1] 。而装备制造业作为高新技术集成行业， 起着举足轻重的作用。美、日、德等发达国家长期以来都豪无例外地把制造业，尤 其是装备制造业作为经济的主要支柱和强大国力的后盾[2] 。
Finally, we take the experiment on the testing bracket and put it into use to confirm that the research can improve the work efficiency, accuracy and reliability, can give guidance to the production. Meanwhile it can also provide some references to the other related non-standard equipments renovating researches.
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第一章 绪 论
近几年来现代化机器设备大量涌现：机电一体化、集光电技术、气动技术、激 光技术和计算机技术为一体的复杂设备[4] ，其特点是结构复杂、价格昂贵，自动化 程度高，生产率成倍增长。但是这些设备一旦出现故障就会打乱生产计划，造成停 产，带来很大的经济损失[5] 。为此许多发达国家在设备管理上投入了大量的人力、 物力和财力，组织专门的科学技术和管理队伍，设立专门的组织机构进行设备管理 的研究[6] 。这对设备管理人员提出了更高的要求：必须拥有丰富的专业知识和实践 经验，还要不断学习和了解新技术，掌握市场最新信息，对设备能做出正确的分析 和判断，进行设备的维修、报废、升级或更换。
本课题来源于某军工企业的战略需要，随着某型号导弹从研制进入批生产，仅 有的一台舵机测试设备在高频率的使用条件下，设备的弱点已逐渐体现出来：故障 的频繁发生，测试精度的逐渐降低，维修成本逐渐提高，维修难度逐渐提高等等。 每发生一次设备故障，轻则会导致 1～2 天的停产，重则会造成 7 天至半个月左右时 间的停产，严重影响了生产的有序进行，成为目前生产的一个严重的瓶颈。引起了 相关领导的高度重视，研制改进新的测试设备已是当务之急。
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摘要
舵机测试支架结构的力学分析与仿真
摘要
舵机测试支架主要用舵机装配调试使用，随着公司产量的不断提高， 现有的一台测试支架工作效率、测试精度、故障率、维护成本等因素严 重影响了产品质量和生产进度。因此高效率，高精度和高可靠性的设备 改进对公司有着重大的意义。
本文以双向加载驱动作为设计方案，对舵机测试支架进行结构改进。 通过三维 CAD（UG）软件进行结构设计，直观地体现结构设计的合理性， 减少了设计周期。同时对关键零件——复位弹簧，重点在材料、结构、 疲劳方面进行了分析研究，并通过 ANSYS 有限元软件进行了仿真研究， 提高了设计的可靠性。最后对产品进行了寿命试验，结果表明，本文的 研究工作有效地提高了设备的准确性和可靠性，可以直接用于生产指导。 同时，研究成果可以对后续扩展型号产品的测试设备提供一定的借鉴作 用。
舵机测试支架的一个核心部件是复位弹簧（本文研究的重点），主要依靠其自身 的弹性性能提供交变复位力。因此其功能类似于汽车行业广泛应用的钢板弹簧。钢 板弹簧的研究在国外乃至国内的运用已经相当成熟，但是随着行业内的激烈竞争， 对钢板弹簧的要求越来越严格，不仅仅体现在材料上，更是体现在结构上，不断地 优化，要求其轻、巧，工作可靠，寿命高。
1.4 本文研究的主要内容
舵机测试支架是用于产品测试过程中模拟产品在实际工作条件下的加载装置。 其对产品提供在-15°～+15°的对称旋转偏转范围内加载 0 : 0.4N gm 的交变作用力 矩(见下图 1 舵机偏转原理图)。通过测试，提供并采集产品从中心零位偏转至正负 极限位置（±15°）的工作时间。从而通过数据分析，对产品性能进行判定。
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第一章 绪 论
图 sketch
舵机测试支架作为气动舵机工作性能的检测装置，在国内只有仅有的几家军工 企业使用，但由于各自研究的舵机性能技术指标的差异和技术的保密性，相互之间 没有较深的技术交流。因此舵机测试支架设计具有完全独有性，跟通用设备相比， 其设计精度和难度要高出很多，由于没有相关技术资料可以借鉴，设计时只能根据 公司产品的技术参数和要求，凭经验和理论设计出符合使用要求的设备,确保设备满 足结构简单、工作稳定可靠、寿命长，便于使用、维护和修理等的优点。
随着国内外先进制造技术 CAD/CAE/CAM 的发展和不断成熟，一些新产品的设计 依靠 CAD/CAE/CAM 软件技术的应用大大缩短了研发周期,成功推向市场。凭借 CAD 系 统丰富多样的交互方法和造型工具，通过人机对话方式，构思出产品的总体设计方 案[12] ，建立产品的几何模型，在图形显示器上展示产品的形状，并用分层、分块、 局部放大及动态模拟剖面等手段，帮助设计人员精确快速地造型[12] 。通过 CAE 系统 进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流 体动力学分析、声场分析[13] 等等，完善和优化设计方案。最后将设计方案通过计算 机系统完成从原材料到产品的全部制造过程[12] ，即计算机辅助制造技术(CAM)。
我国装备工业起步较晚，在生产效率、经济效益、技术水平、出口竞争力等反 映素质的重要方面，均明显落后于工业化国家和新兴工业化国家[2] 。但是，进入 21 世纪以来,在中央的正确领导下和各方的大力志愿下，我国机床工业高速发展，已建 立起较大规模、较完整的体系，奠定了有利的技术基础，具备相当的市场竞争实力。 整体上说我国机床工业已跨入世界行列第一方阵并进入世界前列，为我国国民经济 发展和国防工业建设做出了重大贡献[3] 。
图 2 老式加载示意图 Fig.2 Old mode of loading force
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第二章 舵机测试支架的结构设计与分析
从上述的运动结构可以看出，本设计存在多处摩擦损伤：滑槽与半圆调位圆柱， 半圆调位圆柱与调位圆柱，调位圆柱与复位弹簧。摩擦是一中比较复杂的现象，与 静摩擦、迟滞效应、Stick-Slip、运动速率和输入信号频率等多种因素有关，这些 非线性问题的影响有很大的差异，人们至今也未能完全洞悉其机理[14] 。
KEY WORDS : gas actuator testing bracket, structure analysis, reset spring , fatigue , finite element analysis
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第一章 绪 论
第一章 绪 论
1.1 课题来源
The improvement for Gas Actuator Testing Bracket is the paper topic, we get the final solution——Both Sides Driving Force. Three dimension CAD designing, more audio-visual to cause it, have been carried on the testing bracket. Take special research on the reset spring according to the material, structure, fatigue etc, and take finite element analysis on reset spring with ANSYS soft, which was easier and convenient to take verification and confirmation. It can help to decrease all kinds of labors power and resources using up.
本次设计的舵机测试支架，同样通过 CAD/CAE 软件进行设计和完善。在结构上有 了巨大的改进，消除了断裂、精度低、工作寿命短的缺点，降低了维护成本。
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第二章 舵机测试支架的结构设计与分析
第二章 舵机测试支架的结构设计与分析
2.1 产品现状
公司现有的一台测试支架(见下图 2 老式加载示意图),当滑槽以自身轴线为回 转中心,作±15°的偏转运动时,调位半圆柱通过滑槽做相同的偏转，并产生一定量 的上下位移。由于调位圆柱的回转中心与滑槽的回转中心不重合，因此当滑槽作偏 转运动时，调位圆柱也会作一定量的偏转运动,从而带动复位弹簧作相应的偏转,并 迫使复位弹簧产生复位弹力,反作用于滑槽,从而使两者产生交互作用力。
关键词： 舵机测试支架，结构分析，复位弹簧，疲劳，有限元
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ABSTRACT
STRUCTURE OF GAS ACTUATOR TESTING BRACKET ANALYSIS AND SIMULATION
ABSTRACT
Gas Actuator Testing Bracket is used for the production testing. The testing bracket now in use has many factors such as work efficiency, accuracy, failure, maintenance cost etc, which has seriously restricted the production quality and productivity. So improving the work efficiency, accuracy and reliability for Gas Actuator Testing Bracket will be more important and significant.