两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计

两自由度风洞实验运动装置机械结构
总体设计
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摘要
风洞试验设备是一个国家航空航天事业发展的基础设施 ,对国家的航空航天事业、武器装备研制以及国民经济的发展发挥着非常重要的作用。

风洞试验是研制新型飞行器必不可少的重要环节。

每一种新型飞行器的研制都需要在风洞中进行大量的试验。

串联机构的发展曾经带动了空间机构学的发展，近20年来并联机构的发展再次促进了空间机构学的发展。

今天，为了我国的科技进步，自主创新性及在一些新兴产业和领域开辟自己独特的道路，基于串联机构与并联机构的特点，混联机构成为各种高端技术应用一个新的热点。

本文对两（少）自由度机构的现状和发展趋势以及风洞试验进行了简略的阐述，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，风洞试验，三维造型。

Abstract
Wind tunnel testing facilities are infrastructures for the aeronautics and astronautics of a nation ,which are important for aviation and spaceflight career ,weapon development and national economy. It is an important and indispensable part of the development of new types of aircraft for the wind tunnel test. Development of each new aircraft needs carry out a large number of tests in a wind tunnel.
The development of the series mechanisms have contributed to the study of space mechanism ,and nearly 20 years of the parallel mechanism have promoted the development of the space mechanism again. At the present,in order to advance of science and technology of China,independent innovation and open up the unique way in some new industries and fields,based on the characteristics of series mechanisms and parallel mechanism,parallel-series institutions become a hot new area of all high-end technology applications .
In this paper, a brief description of current situation and development of two (few) degree of freedom mechanism and wind tunnel experiment, 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 unit 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.
目录
摘要
Abstract
第一章绪论 (1)
1.1课题背景、目的及意义 ................... 错误！未定义书签。

1.1.1课题背景 (1)
1.1.2课题目的及其意义 (2)
1.2本课题研究内容 (3)
第二章风动，两（少）自由度运动机构的基础理论研究 (4)
2.1风洞试验及应用 (4)
2.2两（少）自由度运动机构的基础理论 (7)
2.3两（少）自由度运动机构的发展趋势 (8)
第三章两自由度运动机构的结构方案设计和分析 (9)
3.1五自由度风洞试验设计方案机构原理 (9)
3.2两自由度弯刀运动机构的机构原理 (10)
第四章两自由度运动机构的三维造型及结构分析 (14)
4.1三维造型软件SolidWorks简介............. 错误！未定义书签。

4.1.1启动SolidWorks和界面简介 (16)
4.1.2快捷键和快捷菜单 (19)
4.1.3模块简介 (20)
4.2自由度运动机构的三维造型过程 (21)
4.2.1用SolidWorks对各零部件进行造型 (21)
4.2.2用SolidWorks各零部件进行装配 (26)
第五章电机的选择 (28)
5.1电机的简述 ............................. 错误！未定义书签。

5.2电机的选择 (30)
5.3本章小结 (30)
总结 (31)
参考文献 (32)
致谢 (34)
第一章绪论
1.1课题背景、目的及意义
因为空气看不见、摸不着,要对其进行测量并不是那么容易,尤其是飞行器在空中飞行的时候，很难去测量气流对飞行器的作用力,釆集飞行器在飞行时的数据点,并且建立气动和运动学模型的计算机数值仿真,对于某些模型有时候难以建立,于是想到能否将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,即是在地面上人为地创造一个“天空”,以此来模拟飞行器在空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据,并且实现多次反复试验采集数据,从而缩短飞行器研发的时间、降低飞行器的制造成本,得到更为准确可靠的数据结果。

随着现代化工业进程的发展，两（少）自由度运动机构在各领域的运用也日益增加，其作用也越来越显著，通过本次设计一方面可以锻炼自己的动手和学习能力，把书本知识运用到实际，另一方面也可以让我们把握住现代信息社会的脉搏，为以后工作和学习确立明确的方向与目标。

1.1.1课题背景
国外从上世纪九十年代开始,提出了一种能够揭示大迎角高机动飞行时气动/运动的非线性耦合特性,进而进行过失评估,且低成本、低风险的风洞虚拟飞行试验(Wind TunnelBased Virtual Flight Testing, WTBVFT)的概念风洞虚拟飞行试验是指把飞行器模型安装在风洞巾具有2个旋转自由度的专用支撑裝置上,在保持模型质心位置不变的同时,让模型的2个姿态角可以自由运动或者按照飞行器的飞行要求加以实时舵面操纵控制,较为真实地模拟飞行器的机动运动过程,可同时测量飞行器气动和运动参数,检验飞行器响应和操纵控制特性,从而达到气动/运动一体化研究,探索气动/运动耦合机理的目的。

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，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，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；另一种是选用并联机构 , 并联机构，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

并联机构的特点：（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；（2）承载能力大;（3）微动精度高;（4）运动负荷小;（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。

其主要优点具有高力/ 力矩输出, 刚性好, 无积累误差, 输出加速度大, 响应比串联机构快, 但工作空间小, 灵活性差。

人们为克服并联机构工作空间小和串联机构响应较慢的缺点, 提出了集串、并联机构优点的一身的串并联混联机构。

混联机构的应用已经涉及到多个领域，如串并联微操作机器人系统的研究，PRS- XY 型混联机床机构的研究，实现滚法中医推拿并串混联机器人的研究等等。

混联机构混合了并联机构和串联机构, 并兼具两者优点,在很大程度上解决了纯并联机构空间小的缺点。

同时混联机构的运动学正、逆解求解时需要建立复杂的方程, 求解困难是困扰专家学者的主要问题之一。

1.1.2课题目的及意义
发展机器人技术是推进经济结构战略性调整、以信息化提升我国制造与自动化技术水平、加快实现工业化的迫切需要;是促进我国传统制造行业与老工业基地的技术改造与产业升级，推动我国制造业“两个根本性转变”,实现跨越式发展的迫切需求;是瞄准国际前沿,力求超越提高综合国力,增强国际地位的迫切需求因此开发具有自主知识产全的产品也显得尤为重要。

本课题主要内容是研究两自由度运动机构的设计。

根据风洞动态实验的要求，设计两自由度动态运动装置。

该装置为串联和并联的混合机构，要求实现空间两自由度冗余运动。

利用三维造型软件对装置进行造型设计，ADAMS对其进行仿真，模拟出装置的运动状态以及求解出各部件的位移、速度、加速度。

并联机构刚度大、运动惯性小、精度高的优点十分明显。

尽管它的工作空间和灵活性受到一定限制, 但与串联机构能够在结构和性能上形成互补关系, 可完成串联机构难以完成的任务, 从而扩大了机构的应用范围, 可以相信随着并串联机构理论和设计方法的研究的成熟必将促进机构在各领域的应用。

1.2本课题研究内容
本文首先利用三维造型软件SolidWorks对两自由度风洞实验运动装置机械结构进行三维造型，然后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。

本文具体研究工作主要包括以下几个方面：
第一章论述了课题的背景及课题研究的意义，提出本文的主要研究的内容。

第二章简要介绍风洞，两（少）自由度运动装置的基础理论研究
第三章简要介绍了设计的两自由度运动装置的机械原理，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。

第二章风动，两（少）自由度运动装置的基础理论研究2.1风洞试验及应用
风洞（wind tunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空洞动力实验最常用、最有效的工具。

其中风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。

它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。

风洞作实验的依据是运动的相对性原理。

实验时，常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型。

这种方法，流动条件容易控制，可重复地、经济地取得实验数据。

为使实验结果准确,实验时的流动必须与实际流动状态相似,即必须满足相似的要求。

但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。

此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。

航空航天飞行器研制的发展与风动试验设备密切相关，对空气动力学问题的探究促进了风洞的诞生。

风洞试验设备的发展随着风洞的建设分别经历了低速风洞、高速风洞、超声速风洞、跨声速风洞、超高速风洞和特种风洞的发展阶段。

为了满足航天事业的需求，风洞设备的发展又经历了更新改造、稳定发展和新概念的发展。

世界上大部分的发达国家都对空气动力试验机构的研究给予了高度的重视。

1871年，英国的温霍姆建造了世界上第一座风洞试验设备。

德国于1907年成立了哥庭根空气动力试验院，并花巨资建立了许多低速、高速、超高速和特种风洞试验设备，同时也是世界上领先先研制出弹道导弹和喷气式飞机的国家。

美国在上个世纪80年代推出了“星球大战”计划，于1915年成立了国家空气动力研究机构并把作为基础学科的空气动力学放在了主要学科的位置上。

20世纪80年代，各国家开始对风洞的各种性能进行改造，美国计划将20m ×36m的全尺寸风洞改造为无回声试验段。

NASA的高空风洞（AWT）也进行了改
造，风速由Ma=0.6增加到了0.9，增加了声学试验和风洞结冰的能力。

1999年，法国完成了直径8m的SIMA风洞声学试验段的改造，有效的抑制了飞速在0.85Ma 内，频率为200HZ到2kHZ风洞的噪声。

2001年，法国对F1低速风洞进行了试验改造，可吸收声音的频率范围达到600HZ到25kHZ。

英国为了改善飞机及其增升系统在空气动力风洞试验的精度，英国皇家航空研究院在法恩巴勒建立了一座大型增压的5m低速风洞，该风洞可以在恒定的M数下改变Re，可以在接近于真实的Re数下进行大尺度发动机短舱或半模试验。

随着航空航天领域的快速发展，一些新兴的经济强国也开始重视风洞设备的建设。

1996年，日本三菱重工建立了一座试验段的出口3m高2.5m的静音风洞，该风洞设计制造过程中使用了降低噪声的新技术。

1998年，韩国在大田市建立了一座在设计、扩展性及流场等方面功能比较强大的现代化的4m×3m风洞试验设备。

20世纪60年代，我国风洞试验设备的建设才开始起步，于1977年建造了亚洲最大的低速风洞，该风洞先后进行了上海东方明珠电视塔、杨浦大桥、多枚通信卫星等近千项风洞试验。

1980年5月18日，我国在南太平洋海域成功的发射了一枚远程运载火箭，从此就向世界宣告我国是高水平的飞行器空气动力试验机构的国家。

图2-1 运-8 风洞试验图2-2 全机震颤试验
在我国最受关注的是被航空航天界誉为“功勋风洞”的位于川西的风洞群，该风洞群累计完成了50万余项课题和型号研究试验，是我国综合实力最强、规模最大的国家级空气动力试验、开发和研究机构，其综合的风洞试验能力达到世界先进行列。

该风洞群为我国的国民经济建设和军事武器装备发展等作出重大贡献，如中国空军的主力运输机运-8（图2-1）、“枭龙”战机、“神舟”系列飞船、磁悬浮高速列车等都在这里做过过风洞试验。

2012年3月15日，我国的的8米×6米风洞全机颤振悬挂系统成功的完成某飞机全机颤振试验如图2-2，标志着我国已经具有在大型风洞进行全机颤振试验的能力。

该系统可验证飞机颤振的特性能否满足适航性气动弹性要求，为飞机飞行包线的确定提供了重要依据。

风洞试验的发展将是进一步提高流场品质和增加风洞的模拟能力，减小在跨音速下情况下的洞壁干扰等问题，将风洞发展成为自修正的智能形式。

风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准确。

概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。

与此同时，相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。

1.边界效应或边界干扰：真实飞行时，静止大气是无边界的。

而在风洞中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界附近的流线弯曲，使风洞流场有别于真实飞行的流场。

其影响统称为边界效应或边界干扰。

克服的方法是尽量把风洞试验段做得大一些(风洞总尺寸也相应增大)，并限制或缩小模型尺度，减小边界干扰的影响。

但这将导致风洞造价和驱动功率的大幅度增加，而模型尺度太小会便雷诺数变小。

近年来发展起一种称为"自修正风洞"的技术。

风洞试验段壁面做成
弹性和可调的。

试验过程中，利用计算机，粗略而快速地计算相当于壁面处流线应有的真实形状，使试验段壁面与之逼近，从而基本上消除边界干扰。

2.支架干扰：风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。

支架的存在，产生对模型流场的干扰，称为支架干扰。

虽然可以通过试验方法修正支架的影响，但很难修正干净。

近来，正发展起一种称为"磁悬模型"的技术。

在试验段内产生一可控的磁场，通过磁力使模型悬浮在气流中。

3.相似准则不能满足的影响：风洞实验的理论基础是相似原理。

相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个流场对应的所有相似准则数相等。

风洞试验很难完全满足。

最常见的主要相似准则不满足是亚跨声速风洞的雷诺数不够。

风洞实验尽管有局限性，但有如下四个优点：①能比较准确地控制实验条件，如气流的速度、压力、温度等；②实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便；③实验项目和内容多种多样，实验结果的精确度较高；④实验比较安全，而且效率高、成本低。

因此，风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面，以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中，都有广泛应用。

2.2两（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，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。

也正是因为以上特点，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。

2.3两（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，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和分析
3.1五自由度风洞试验设计方案机构原理
本课题的两自由运动机构的设计是基于“五自由度风洞模拟试验平台”为背景，对五自由度串-并混联机构中的两自由度运动机构-弯刀部件进行设计和分析。

“五自由度风洞模拟试验平台”的五自由度采用串-并混联机构实现实验模型质心在风洞固定点的五自由度的运动。

风洞试验模拟运动平台的结构原理图如图3-1所示。

3-1五自由度风洞试验模拟运动平台的结构原理图
动平台10和下平台1之间由三条运动链并行连接，与下平台1相连的转动关节2、14、15，与动平台10相连的转动关节4、5、11，连接转动关节2和4的是移动关节3，连接转动关节14和5的是移动关节12，连接转动关节15和11的是移动关节13。

这三条运动链具有相同的结构，均为RPR形式的运动链。

三条运动链、基座1和动平台10、以及底座16和下平台1同处于XOY平面内。

动平台10上有一个转动关节，连接了动平台10和弯刀9，使弯刀9相对于动平台10绕XOY平面内的直线MN转动。

弯刀9的另一端通过转动关节8连接末端执行器7，末端执行器的轴线MP与直线MN垂直相交于M点。

M点即为末端执行器转动时所围绕的固定点。

3.2两自由度运动装置的机构原理
两自由度运动机构只需完成2个自由度转动，完成绕末端执行器上某固定点的空间两自由度转动。

动平台10上有一个转动关节，连接了动平台10和弯刀9，使弯刀9相对于动平台10绕XOY平面内的直线MN转动。

弯刀9的另一端通过转动关节8连接末端执行器7，末端执行器的轴线MP与直线MN垂直相交于M点。

M点即为末端执行器转动时所围绕的固定点。

两自由度弯刀运动机构的机构原理如图3-2所示。

3-2两自由度弯刀运动机构的机构原理
本设计的特点是：利用空间串联两自由度转动装置，完成绕末端执行器上某固定点的空间两自由度冗余转动。

结构简单、成本低、容易实施。

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。

弯刀钢管部件和轴套是通过螺栓连接的，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s σ的80%。

对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力0F ，按下列关系确定：
碳素钢螺栓 1s 0A 7.0~6.0F σ）（≤
合金钢螺栓 1s 0A 6.0~5.0F σ）（≤ （3-1） 式中：s σ—螺栓材料的屈服极限
1A —螺栓危险截面的面积，4/d A 211π≈
在承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接下，螺栓的总拉力 F C C C F F m
b b 02++= （3-2） 上式中m
b b C C C +称为螺栓的相对刚度，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为
[]σπ2
1F 3.14d ⨯≥ （3-3）
查相关资料，选择螺栓的材料为35#钢，屈服强度MPa 315s ≥σ和抗拉强度MPa 530≥σ，在末端15kg 载荷下：
N 6.14834
d MPa 3156.0A 6.0F 2
1s 0=⨯⨯=⨯⨯=πσ []mm 52.3F 3.14d 2
1=⨯≥σπ
mm 52.3d 1≥。

所选择的M5螺栓符合强度要求。

第四章两自由度运动机构的三维造型及结构分析
4.1三维造型软件SolidWorks简介
风洞虚拟飞行试验是指把飞行器模型安装在风洞中具有2个旋转自由度的专用支撑装置上,在保持模型质心位置不变的同时,让模型的2个姿态角可以自由运动或者按照飞行器的飞行要求加以实时操纵控制舵面,较为真实地模拟飞行器的机动运动过程,可同时测量飞行器气动和运动参数,检验飞行器响应和操纵控制特性,从而达到气动/运动一体化研究和探索气动/运动耦合机理的目的。

通常在进行机构动力学仿真时,所建立的模型构件为刚性构件,在做运动分析时不会发生弹性变形。

而实际上,在高速、重载的工作条件下,轻质、细长杆件在高速运动时表现出了刚性机构所没有的柔性性能,杆件的弹性变形会导致系统的运动误差和弹性振动。

因此考虑构件的柔性以提高仿真分析精度成为风洞试验平台研究的一项重要内容。

目前对于复杂并联机构动力学的精确仿真分析,多数都是采用有限元法将构件柔性化实现的。

本章利用Solidworks对该风洞试验平台进行实体建模,借助于ANSYS软件生成柔性机构的模态中性文件,在ADAMS中引入ANSYS模态中性文件,构建机械系统仿真的刚柔耦合动力学模型,然后在ADAMS中对该试验平台进行动力学仿真分析,通过仿真分析所生成的数据曲线来分析样机的运动性能。

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。

SolidWorks 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。

ADAMS 软件是世界上应用最广泛且最具权威性的机械系统运动学和动力学仿真分析软件, 该软件以多体系统动力学理论为基础。

利用ADAMS 软件可以建立和测试虚拟样机, 可在计算机上实现复杂机械系统的运动学和动力学仿真分析。

本课题通过ADAMS 对混联机构进行运动学正、逆解求解, 避免了繁琐的计。