（船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)論文）船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計.pdf

大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文摘要根據(jù)大連理工大學(xué)船模試驗水池的現(xiàn)有船模試驗設(shè)備情況，為進一步豐富船模試驗內(nèi)容，本文分別以a w l ) 直線運動平臺1 3 1 和曲柄滑塊機構(gòu)傲為核心運動構(gòu)件，提出了兩套船模強制運動裝置的設(shè)計方案，并分別對兩套方案進行了可行性分析，通過將該船模強制運動裝置應(yīng)用于船模拘束性試驗，可以方便地實現(xiàn)船模在水中的各種運動狀態(tài)。本文設(shè)計的船模強制運動裝置綜合了以往v p m m 與h p m m 。5 1 在運動特性上的優(yōu)點。如有些試驗水池用于船模拘束性試驗的垂直平面運動機構(gòu)( v p m m ) 只能實現(xiàn)船模的強制升沉、縱搖，以及縱搖與升沉的組合運動；對于只設(shè)置了水平面方向上的平面運動機構(gòu)( h p m m ) 的試驗水池，則只能實現(xiàn)船模的強制橫蕩、首搖、首搖與漂角，以及首搖與舵角的組合。本文設(shè)計的船模強制運動裝置同時具備了驅(qū)動船模做橫向、垂向，以及縱向運動的路徑與結(jié)構(gòu)形式，可以實現(xiàn)船模的強制橫搖、橫蕩、首搖、縱搖、升沉、以及橫向運動之間、垂向運動之間、橫向運動與垂向運動之間的某些組合運動模式，并設(shè)計出恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式用于船模與裝置的連接，使船模盡可能在指定方向上受到拘束力的作用，而在其它方向上具有充分的自由度。進而可以通過在適當(dāng)?shù)奈恢蒙习卜哦喾至總鞲衅?，測出所需的水動力與力矩i l ，l 。此外，對核心運動部件a w d 直線運動平臺，以及控制電機，減速器等方案中涉及到的產(chǎn)品做了簡要的介紹，并給出了相關(guān)規(guī)格參數(shù)，為后續(xù)階段的詳細設(shè)計、方案評估，以及經(jīng)濟論證等提供參考。關(guān)鍵詞：a w d 直線運動平臺；曲柄滑塊機構(gòu)；設(shè)計方案；船模強制運動裝置；組合船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計t h ef e a s i b l ea n a l y s i sa n dd e s i g no fs h i pm o d e lm o t i o nm e c h a n i s mi nc o n s t r a i n e dm o d e lt e s ta b s t r a c tt w od e s i g n i n gs c h e m e so fc o n s t r a i n e ds h i pm o d e lm o t i o nm e c h a n i s ma i r cp r o v i d e d , i nw h i c ht h ea w dl i n e a rm o t i o np l a t f o r ma n de r a n k - s l i pb l o c kl i a m e w o r ka r ep e r c e i v e da sl h cm o t i o nc c n t “o ft h cw h o l es y s l e mo nt h eb a s i so ft h ef r a m c w o r ki ne x i s l e n c ei nt h es h i pm o d e it e s t i n 2w a t c rc h a n n e li nt h ed e p a r t m c n to fn a y a la r c h i t e c t t l r eo fd a l j a n1 j n i v c r s i t yo ft e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t hv p m m ( v e r t i e a lp l l l i i c l m o t i o nm e d a a n i s m ) a n dh p m m ( 1 a o r i z o r l t a lp l a n e rm o t i o nm e c h a n i s m ) u s e di ut l a ee o n s t r a i n c , ds h i pm o d e lt e s t , t h es p e c i a l n e so tt h e ma r cr , o m b i n e dt o g e t h e ri nt h es h i pm o t i o nm e e l a a n i s md e s i g n e db yt h ea u t h o r , e g t h ev p m mi sf i x e df o r t h ec o n s t r a i n c ds h i pm o d e it e s ti n8 0 1 ! cw a t e l te h a l t o e l s ，t h er o l l ，h e a v c ，p i t c ha n dt h ee o m b i n a t i o no fh e a v ea n dp i t c h r o l lm o t i o n 啪b ep e r f o r m e do n l y ；i na l l o t h e rd i m e n s i o mn o t1 1 1 0 1 ct h t h eg w a y y a wa n dt h ec o m b i n a t i o no fs w a ya n dy a wm o t i o nc a nb ec a r r i e do u tb yt h eh p m mi ns o 盯l cw a t c rc h a n n e l s n es h i pm o d e lc o h i db ed r i v e na l o n gt h ch o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o ni nt h ep a t h sb yt h es h i pm o t i o nm e c h a n i s mb r o u g h tf o r w a r db yt h ep a p e r f u r t h e r m o r et h ec o n s t r a i n e ds h i pm o d e l sm o v c m c l l to fr o l l ，s w a y ，y a w , h e a w ，p i t c ha n dt h ec o m b i n a t i o no fs o m e ：t w op u r em o t i o n sc o i l l db ea c h i e v e db yt h i sm e c h a n i s m a tt h e 翻i i r i ct i m e , s p e x i a la t t e n t i o ni sp a i dt ot h ec o n n e c l i o nf o r mb e t w e e nt h ef o r e i n gr e do ft h em e c h a n i s ma n dt l a cs h i pm o d e la n dt w od i f f e r e n tk i n do fi o i n i n gs t a u c t u r e 黜u s e df o rt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lm o t i o nr c s p e c t i v e l yi no r d e rt om i n i m u mt h es h e a r i n ga n db e n d i n gf o r c e se x e r t e do nt h ef o r c i n gr o da n di m p r o v et h e cs p a no ft h ew h o l es y s t e m a n dt h es h i pm o d e lc o i l 塒b ec o n s t r a i n e di nt h ed e s i g n a t e dd i r e c t i o na n df r e e - r u n n i n gi no t h e rd i r e c t i o a s b e s i d e s a w dl i n e a rm o t i o np l a t f o r m , s e r v oc l e c t r o m o t o r , r e d u c e ra n do i l i e rp r o d u c t sr e l a t e db yl h et w os c h e m e sa r ei n t r o d u c e db r i e f l ya n ds o i l i es p e c i f i c a t i o n so fo r o d u e t s 盯ep r o v i d e da s t h e f o u n d a t i o n o f f u r t h e ! e v a h m t i o n a n d d e t a i l d e s i g n o f t l a e m e c h a n i s m k e yw o l d s - a w dl i n e a rm o t f e np l a t f o r m ；c r a n k - s l i pb l o c kf r a m e w o r k ；1 ) e s i g n l u gs c h e m e s ；c o n s t r a i n e ds h i pm o d e lm o t i o nm e c h a n i s m ；c o m b i n a t i o n獨創(chuàng)性說明作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：2 生蟠日期：竺墨：2 ：皇大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版權(quán)使用規(guī)定 ，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。作者簽名：邊啦置7 1大翹工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文i 緒論1 i 概述要想簡潔地了解船舶的操縱性，自航船模操縱性試驗的方法是十分有效的，但是要想詳細了解船型要素與操縱性之間的關(guān)系，要知道作用在船體上的流體動力，則必需采用拘束船模操縱性試驗。在拘束船模試驗中，作用在船體上的流體動力是船模運動量和操縱控制量的函數(shù)，運動量是指三個方向的速度( 以同連在船模上的坐標(biāo)系表示為前進l 、橫移v 、轉(zhuǎn)動，)和三個方向的加速度( 、v ，) ，操縱控制量是指舵角6 和螺旋槳轉(zhuǎn)速n 1 5 1 0 為了通過模型試驗來測定這些系數(shù)，必須建立使模型相對于流體產(chǎn)生線速度、角速度和加速度的設(shè)各【“，也導(dǎo)致國內(nèi)外許多船舶研究單位為更好地研究船模及潛器操縱性，大力發(fā)展船模拘束性試驗，建造了很多用于船模拘束性試驗的水池與設(shè)備，其中應(yīng)用較廣的有旋臂水池和平面運動機構(gòu)。1 2 國內(nèi)外拘束船模試驗設(shè)備發(fā)展情況目前，世界上用于拘束船模試驗的工具主要有旋臂水池( r a ) 和平面運動機構(gòu)( p m m ) 。旋臂水池是一種進行拘束船模試驗的專用水池。在圓形水池中心有- 4 , 島，島上裝有一套旋臂裝置，臂的另一端支攆在圓水池壁的軌道上。船?？梢怨潭ㄔ谛鄣娜我晃恢锰幐∮谒婊虺寥胨?，當(dāng)旋臂繞小島中心軸旋轉(zhuǎn)時，帶動船模在水池中作各種半徑的圓形運動。船模處于完全拘束狀態(tài)隨旋臂運動，相當(dāng)于在勻速直線運動上再疊加一個勻角速度轉(zhuǎn)動。此時可以通過多分量測力儀對船模水動力和力矩進行測量，再經(jīng)過分析計算求得操縱運動方程式中的水動力導(dǎo)數(shù)，主要是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)和角速度耦合導(dǎo)數(shù)。世界上最早建造旋臂水池的是美國戴維遜水池，于1 9 4 4 年建成，旋臂直徑僅2 3 m ，其目的是為了研究潛艇的操縱性。其后各國又相繼建造了幾座類似的旋臂水池，表1 1列出了世界各國部分水池的基本情況。由于旋臂水池的試驗內(nèi)容局限性較大，又不能全面解決運動方程式中的水動力導(dǎo)數(shù)求解問題，因此近年來已很少再建造這類水池，而是選擇建造具有平面運動機構(gòu)的寬水池傲為研究船舶操縱性問題的工具1 1 5 j 。船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計表1 1 世界各國旋臂水池摘錄t 丑b 1 - 1e x t r a c to fr a 細t h ew o d d旋臂直徑水深臂端速度功率序號所在地建造年份( m )( m )( m s )( 1 c w )1法國巴黎1 9 4 56 551 02英國哈斯勒1 9 5 75 55 51 62 4 63克羅地亞薩格勒布1 9 5 s3 42 73 54美國華盛頓1 9 6 1舳6 41 5 42 2 9 85俄羅斯圣彼得堡1 9 6 57 06 41 52 1 061 9 6 s4 84 51 22 1 6 0中國無錫最近幾十年來，世界各國大力發(fā)展拘束船模操縱性試驗，研制了各種形式的平面運動機構(gòu)，使之成為深入研究船舶操縱性理論的有力工具，也是比較準(zhǔn)確預(yù)報實船操縱性的試驗手段。平面運動機構(gòu)也是為了解決潛艇操縱性運動方程式中的水動力導(dǎo)數(shù)求取問題而建造的，在1 9 5 7 年美國的m 格特勒和a 古德曼第一個研制出平面運動機構(gòu)后( 如圖1 1 所示) ，這種設(shè)各獲得迅速發(fā)展，由只能用于潛艇操縱性研究的垂直平面運動機構(gòu)( v p m m ) 發(fā)展到可以進行水面船舶操縱性研究的水平平面運動機構(gòu)( h p m m ) 。由最初的小振幅( 幾厘米) 發(fā)展到現(xiàn)在的大振幅( 十幾米) 平面運動拖車( 又稱) ( _ _ y 拖車) 和數(shù)控平面運動拖車( c - p m c ) 【“。平面運動機構(gòu)己被世界各國公認(rèn)為操縱性研究最有效的設(shè)備，表1 2 、1 3 列舉了部分國家平面運動機構(gòu)的相關(guān)信息。2一查塑堅盔塑主里塞生絲墼表1 2 部分國家小振幅平面運動機構(gòu)摘錄嗍t a b ，1 2 e x t n c t o f s m a l l s w i n g p m m i ns o m e c o u n t i i e s水池尺寸o n )車速振幅頻率序號所在單位建造年份( m s巾長寬深y最高最低、( m )( 6 )1美國泰勒水池1 9 5 75 7 5 1 5 8 6 71 0 30 0 2 52 0lo 32荷蘭臺爾富大學(xué)1 9 6 31 4 2 4 2 2 2 550 33日本東京大學(xué)1 9 6 58 5 3 5 2 440 3 53 5丹麥流體動力研究41 9 6 52 4 0 1 2 5 51 40 1所中國哈爾濱船舶工51 9 7 82 5 2 5 x 2 j3o 0 43o 2 5程學(xué)院，6中國上海交通大學(xué)1 9 8 21 1 0 6 340 0 4 12 01 60 1表1 3 部分國家大振幅平面運動機構(gòu)摘錄lt a b l 3e x l r a c to fb i gs w i n gp m mi n o m cc o u n t r i e s序所在單位建造年份水池尺寸( m )車速振幅副拖車車號長寬深( m s )y毒速( m s )( m )( 。)1美國水航公司2 4 0 1 2 x 5 58 513 02日本東京大學(xué)1 9 6 95 0 3 0 3 11 61 01 8丹麥流體動力31 9 7 22 4 0 1 2 61 40 7 5研究所荷蘭國家船模42 5 2 1 0 5 5 593 7 5試驗水池聯(lián)邦德國漢堡51 9 7 63 0 0 1 8 637 33 0 01 9水池瑞典海洋研究61 9 7 98 s ，9 3 53 51 5中心日本三菱重工71 9 7 21 6 0 3 0 3 531 03 02株氏會社日本造船研究81 9 7 88 0 4 5 2 623 52中心3船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖1 1 美國泰勒水池1 m b ) 垂直面的小振幅平面運動機構(gòu)【1 8 】f 姬1 1s m a l ls w i n gv p m mi nd t m b圖1 2 1 3 顯示了哈爾濱工程大學(xué)、中國船舶科學(xué)研究中心用于船模拘束性試驗的垂直平面運動機構(gòu)。圖1 2 哈爾濱工程大學(xué)垂直平面運動機構(gòu)f i 9 1 2 v p m m i n h a l b i n e n g i n e e r i n g u n i v e _ r s i l y4大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文圖1 3 中國船舶科學(xué)研究中心垂直平面運動機構(gòu)【l l 】f i 9 1 3 v p 刪i n c s s r c平面運動機構(gòu)一般是放在拖拽水池的拖車上使用的，小振幅的平面運動機構(gòu)也可以放在循環(huán)水槽中使用。當(dāng)平面運動機構(gòu)向大振幅平面運動拖車發(fā)展的時候，一些國家專門為它配合建造了寬度很大的拖拽水池i l ”。1 3 船模強制運動裝置的特點本文設(shè)計的船模強制運動裝置綜合了以往v p m m 與h p m m 的共同運動特性。如有些試驗水池用于船模拘束性試驗的垂直平面運動機構(gòu)( v p m m ) 只能實現(xiàn)船模的強制升沉、橫搖、級搖，以及縱搖或橫搖與升沉的組合運動；對于只設(shè)置了水平平面運動機構(gòu)( h p m m ) 的試驗水池，則只能實現(xiàn)船模的強制橫蕩、首搖、首搖與漂角，以及首搖與舵角的組合舊。本文設(shè)計的船模強制運動裝置同時具備了驅(qū)動船模做橫向、垂向，以及縱向的運動路徑與結(jié)構(gòu)形式，可以實現(xiàn)船模的強制橫搖、橫蕩、首搖、縱搖、升沉、以及橫向運動之間、垂向運動之間、橫向運動與垂向運動之間的某些組合運動模式，進而可以通過在適當(dāng)?shù)奈恢蒙习卜哦喾至總鞲衅?，測出所需的水動力與力矩。1 4 本文的工作內(nèi)容本文分別以a w d 直線運動平臺和曲柄滑塊機構(gòu)為驅(qū)動船模運動的執(zhí)行機構(gòu)，提出了兩套船模強制運動裝置設(shè)計方案，具體內(nèi)容包括以下幾個方面：一a w d 直線運動平臺為核心運動構(gòu)件的方案分析與設(shè)計( 方案一)該方案選用a w l ：) 直線運動平臺做為主要運動構(gòu)件，進行了船模驅(qū)動裝置縱向、橫5船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計向，以及垂向運動路徑與硬件結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，使船模在首尾或兩舷拘束力的配合作用下可以實現(xiàn)水面上或水面以下的六自由度運動。二a w d 直線運動平臺產(chǎn)品介紹與選型方案一的可行性很大程度上取決于a w d 直線運動平臺的結(jié)構(gòu)性能等指標(biāo)是否滿足船模拘束試驗的要求，因此本文在第3 章對該產(chǎn)品的性能，結(jié)構(gòu)等指標(biāo)傲了介紹，并提供了部分型號平臺的詳細參數(shù)列表，為后續(xù)階段確定平臺具體規(guī)格提供參考。三以曲柄滑塊機構(gòu)為核心運動構(gòu)件的方案分析與設(shè)計( t y 案- - )本文提供的第二套方案是選用曲柄滑塊機構(gòu)做為主要運動構(gòu)件，進行了船模驅(qū)動裝置縱向、橫向，以及垂向運動路徑與硬件結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，使船模在首尾或兩舷拘束力的作用下可以實現(xiàn)水面上或水面以下的六自由度運動。四伺服電機減速器產(chǎn)品介紹、選型與控制船模強制運動裝置是一動態(tài)試驗設(shè)備，對控制電機有特殊的要求?？刂齐姍C除了能實現(xiàn)位置、速度控制外，還應(yīng)該具有較高的動態(tài)響應(yīng)及抗負(fù)載擾動能力強的特點。在本系統(tǒng)中，控制電機選用的是b s h 伺服電機，并在文中對b s h 伺服電機的性能參數(shù)，相應(yīng)減速器的配備，以及控制方式進行了簡要的介紹。6大連理t 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文2 以a w d 直線運動平臺為核心運動構(gòu)件的船模強制運動裝置方案分析與設(shè)計( 方案一)2 ，1 執(zhí)行機構(gòu)運動路徑設(shè)計船模強制運動裝置的功能是使船模在首尾或兩舷拘束力的共同作用下模擬出船舶在水面上六個自由度的運動狀態(tài)，因此，該裝置對船模施加作用力的執(zhí)行機構(gòu)的運動軌跡必須具有) ( - y 吒坐標(biāo)系中的三個坐標(biāo)值均可變化調(diào)整的特性，以滿足試驗運動狀態(tài)的要求，圈2 1 執(zhí)行機構(gòu)的路徑組合形式hf i g2 1f o m 2 so fm o v i n gc o m b i n a t i o n s圖2 1 提供了用于承載執(zhí)行機構(gòu)所需軌道的六種組合模式，在滿足試驗?zāi)康牡那疤?船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計下，為了更好地利用拖車上現(xiàn)有機架結(jié)構(gòu)，如下圖所示圖2 2 試驗水池現(xiàn)有機架f i g2 2b r a c k e t si nt h et e s t i n gc h a n n e l附合要求的軌道組合形式如圖2 3 所示：圖2 3x - y - z 型路徑組合f i 9 2 3 c o m b i n a t i o n o f x - y z p a l h s運動機構(gòu)組合形式t y p e2 和t 忡e3 均提供了x 方向、y 方向、z 方向，即水池縱向、橫向與垂向的運動路徑，但考慮到使橫向放置的軌道兩端都能夠受到機架的支撐力作用，并且執(zhí)行機構(gòu)能夠運行得更加平穩(wěn)，機構(gòu)使用壽命長久等因素，最終選擇較為理想的t y p e2 機構(gòu)形式。根據(jù)采用的導(dǎo)軌組合方案，并以現(xiàn)有機架的實際尺寸為依據(jù)，在s o l i d w o r k s 軟件中進行虛擬建模裝配，如圖2 4 所示：8大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文圖2 4 ) - y z 型三維模型f i g2 43 dm o d e lo f x - y - zp a t h s為使船模的六自由度運動狀態(tài)在較高的精度下得以實現(xiàn)，該試驗裝置采用了具有較高精度的直線定位及傳動設(shè)備- a w d 直線定位平臺，該平臺采用伺服電機配合減速器做為動力驅(qū)動，在滿足橫向、垂向、縱向按要求進行移動的前提下，保證較高的精度。a w d 直線定位平臺采用高精密滾珠絲杠傳動，具有高品質(zhì)導(dǎo)軌承載，運行更加平穩(wěn)、承載大，高剛性、高精度，鋁合金結(jié)構(gòu)，體積小重量輕，行程從0 - - - 1 8 0 0 r a m 連續(xù)可調(diào)。該產(chǎn)品由底座、導(dǎo)軌、絲杠、平臺、連軸器組成，其功能是將電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)過絲杠轉(zhuǎn)換為直線運動，從而可以通過控制電機減速器的輸出轉(zhuǎn)矩，以及轉(zhuǎn)速的大小來實現(xiàn)三個軌道面上精密的定位控制和速度控制( 關(guān)于a w d 宣線定位平臺系列產(chǎn)品，以及選型參考將在下一章中做詳細介紹) 4 1 。2 1 1 縱向運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計9船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖2 5 縱向運動結(jié)構(gòu)f i 9 2 5f r a m e w c k o f l o n g i t u d i n a l m o t i o n驅(qū)動船模做縱向運動的部件結(jié)構(gòu)形式如圖2 5 所示，通過螺栓在原有支架兩側(cè)固定縱向布置的軌道( 如圖2 6 ) ，為縱向運動的支承平臺提供平穩(wěn)的縱向運動路徑，并在縱向移動的平臺上加工出為橫向移動平臺提供橫向運動路徑的軌道( 如圖2 , 7 ) ，平臺的縱向移動可以采用電柳i 一減速器驅(qū)動，也可以依靠手動調(diào)節(jié)其位置，目的是使裝置與船模在合適的位置處相接觸。進而施加拘束力。圖2 6 縱向軌道圖2 7 縱向移動平臺f i g2 , 6l o n g i t u d i n a lp a t hf i g2 7l v i n gp l a t f o r mi nl o n g i t u d i n a lp a t h大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文2 1 2 橫向運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計圖2 8 縱向、橫向運動組合圖f i 9 2 8 c o m b i n a t i o n0 f i 舢g i t i l d i n a la n d t r a n s v e r s em o t i o n圖2 8 為在滿足縱向運動要求的基礎(chǔ)上，增添了橫向放置的移動平臺，具備了這樣的結(jié)構(gòu)形式，橫向移動平臺即可在電機減速器的驅(qū)動下在縱向運動平臺上表面提供的橫向?qū)к壷凶鰴M向的往復(fù)移動。2 1 3 垂向運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計圈2 9 垂向運動與橫向運動平臺的組合飚2 9c o m b i n a t i o no fv e r t i c a la n dt m u s v e r s em o t i o n在圖2 9 中可以明顯地看到：在控制船模垂向位移和速度( 加速度) 的a w d 直線1 l船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計移動平臺的背面根據(jù)橫向運動平臺前表面上提供的凸臺尺寸加工出的兩條矩形梁，利用這樣的結(jié)構(gòu)特點將a w l ) 直線移動平臺固定在橫向運動平臺上，這樣垂向布置的a w d直線運動平臺就可以在橫向平臺的帶動下做橫向往復(fù)運動，也可以同時與縱向運動模式做任意組合。圖2 1 0a w l 3 直線定位平臺零部件的分解及裝配f i g2 1 0d i s a s s e m b l ya a da s s e m b l yo f a w dl i n e a rp l a t f o r m船模的垂向往復(fù)運動由圖2 1 0 中所示的a w d 直線移動平臺來控制實現(xiàn)，該平臺由電機提供轉(zhuǎn)矩，將電機減速器輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)絲杠傳動，轉(zhuǎn)變成機構(gòu)上可移動平臺部分的直線往復(fù)運動。圖2 1 1 縱向，橫向及垂向運動模式組合裝配圖f i 9 2 1 1 a s s e m b l y o f c o m b i n a t i o n m o t i o n i n l o n g i t u d i n a l ，t r a n s v e r s ea n d v e r t i c a l d i r e c t i o n大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文2 2 執(zhí)行機構(gòu)與船模的連接形式設(shè)計強制運動裝置與船模的連接采用圖2 1 2 所示的結(jié)構(gòu)形式：圖2 。1 2 連接過程分解圖f i g2 1 2o m n c c t j n gp w c 8 sb e t w e e nm e c h a n i s ma n ds u pm o d e l機構(gòu)通過垂向布置的a w d 直線運動平臺中可移動部分下端的附加支桿與船模相連接并施加拘束力( 堅桿與平臺，以及堅桿與船模的連接處均采用圖2 1 2 所示的連接形式) 。圖2 1 3 縱搖升沉?xí)r的連接形態(tài)f i g2 1 3c c 帥c “o ni np i t c ho fh e a v em o t i o n1 3圖2 1 4 橫搖、橫蕩時的連接形態(tài)瑰2 1 4c o n n e c t i o ni nr o l lo rs w a ym o t o n船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖2 1 5 首搖( 斜航) 、橫蕩時的連接形態(tài)f i 9 2 1 5 c o n n e c t i o n i n y a w o r s w a y m o t i o n圖2 1 6 首搖( 斜航) 、橫搖時的連接形態(tài)r i 9 2 1 6 c o n e e c l i o n j n y a w o f r o l l m o t i o n圖2 1 3 2 1 6 分別呈現(xiàn)了強制縱搖、升沉、橫搖，橫蕩、首搖( 斜航) 試驗狀態(tài)下，試驗裝置與船模的連接形式。從圖中可以明顯地看出，當(dāng)強制運動裝置對船模施加水平或垂向作用力時，堅桿與船模之問的連接軸，以及相應(yīng)的孔應(yīng)布置在與目標(biāo)位移平面相平行的平面內(nèi)，并且方向與目標(biāo)速度或位移方向接近垂直。此外，加工制造時應(yīng)在連接軸與堅桿接觸，以及連接軸穿過船模連接孔處留有適當(dāng)?shù)沫h(huán)形間隙，并在軸上涂抹足夠的潤滑脂，這樣的結(jié)構(gòu)作用在于：當(dāng)強制運動裝置對船模施加橫向、垂向 縱向) 作用力時，即使船模表面與堅桿之間的角度發(fā)生較大幅度的變化連接軸也可以在堅桿底端連接孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，最大程度地減小堅桿可能受到的剪切力作用，印無論角度發(fā)生怎樣的變化，均可以認(rèn)為堅桿只承受延桿長度方向上的拉力或壓力的作用；堅桿與a w d 直線移動平臺底端也依據(jù)同樣的原則，采取相同的結(jié)構(gòu)連接形式。這樣可以延長堅桿，甚至整個機械系統(tǒng)的使用壽命。圖2 1 7 強制縱搖，升沉裝配圖f i 9 2 1 7 a s s e m b l y o f p i t c h o r h e a v e圈2 ，1 8 強制橫搖、橫蕩、升沉裝配圖f i 9 2 1 8 a s s e m b l y o f r o l l ，s w a y o r h e a v e1 4大連理下大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文圖2 1 9 強制首搖( 斜航) 、橫蕩裝配圈f i 9 2 1 9 a s s e m b l y o f y a w o r s w a y圈2 2 0 強制橫搖，酋搖( 斜航) 裝配圖f i 9 2 2 0 a s s e m b l y o f r o l lo t y a w圖2 1 7 所示的裝配形式可用于強制船模做縱搖或升沉運動，兩臺伺服電機分別控制著兩臺a w d 直線運動平臺，并且兩平臺的下端分別與船模的首尾部相連；通過控制平臺上的兩臺控制電機，按照試驗要求，按規(guī)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，同步或異步旋轉(zhuǎn)時，平臺內(nèi)部的絲杠將圓周運動轉(zhuǎn)化成底端堅桿的垂向往復(fù)運動，即而實現(xiàn)了船模的縱搖或升沉運動。根據(jù)同樣的方法，通過調(diào)整船模與機構(gòu)的相對位置，在橫向控制電機與垂向控制屯機配合作用下，可以實現(xiàn)其它幾種運動形式，裝配圖如圖2 1 8 一1 2 2 0 所示?！? 3 本章小結(jié)本章從船模強制運動裝置的功能出發(fā)，即滿足船模在水中實現(xiàn)六自由度運動的要求，以a w d 直線運動平臺為核心運動構(gòu)件，描述了實現(xiàn)船模在水中延縱向、橫向，以及垂向運動路徑移動的機構(gòu)形式的分析與設(shè)計，以及裝置與船模連接形式的各種組合。大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文3a w d 直線運動平臺產(chǎn)品介紹及選型a w d 直線運動平臺做為方案一中的核心運動構(gòu)件，而且是市場上的加工成品，為此本章將對該產(chǎn)品的性能規(guī)格做較為詳細的介紹，為后續(xù)確定具體的產(chǎn)品型號提供參考。圖3 1 一維國產(chǎn)平臺h圈3 2 平臺導(dǎo)軌【4 lf i 9 3 1o n e d i m e n s i o n p l a t f o r m m a d e i n c h i n ar 9 3 2 0 r b i t o f p l a t f o r m3 1a w l ) 直線定位平臺分類3 1 1 精密型平臺1 精密型平臺特點_ 一、多種平臺寬度可供選擇，可適用于各種場合；- 二、材質(zhì)采用航空硬制鋁，具有最高的承載、質(zhì)量和剛性比一三、整套進口。采用德國高精度導(dǎo)軌、絲杠；四、高水平的加工、裝配工藝，并附加出廠校驗流程；一五、最長1 8 0 0 毫米超大行程、絲杠多種直徑和螺距選擇。2 產(chǎn)品規(guī)格1 ) r d 0 5 8 r 7 d1 7船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖3 3a w d 0 5 8 r t d 型平臺規(guī)格參數(shù) 4 】f i g3 3s p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f a w d 0 5 8 r 7 dp l a t f o r m2 ) a w d 0 7 6 r 9 d圖3 4a w d 0 7 6 r 9 d 型平臺規(guī)格參數(shù)【4 1f 喀3 4s p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f a w d 0 7 6 r 9 dp l a t f o r m圖3 5a w d 0 9 8 r 1 2 d 型平臺規(guī)格參數(shù)f i g3 5s p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f a w d 0 9 8 r 1 2 dp l a t f o r m1 8大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文4 ) a w d l l 0 r 1 2 d 與a w d l l 0 r 1 5 d圖3 6a w d l l 0 r 1 2 d 及a w d i i o r i s d 型平臺規(guī)格參數(shù)f i 9 3 6 s p e c i f i c a t i o n sa n d p a r a m e l e | s o f a w d l l 0 r 1 2 da n d a w d i i o r i s d p i a t f o r m s5 ) a w d l 3 6 r 2 2 d 與a w d l 3 6 r 6 6 d圖3 7 a w d l 3 6 p - , 2 2 d 及a w d l 3 6 r f ；6 d 型平臺規(guī)格參數(shù)1 4 jf i g3 7s p e c i f i c a t l o n sa n dp a m e l e r so f a w d l 3 6 r 2 2 d 孤da w d l 3 6 r 6 6 dp l a t f o r m s3 1 2 經(jīng)濟型平臺1 經(jīng)濟型平臺的特點一、采用鋁合金材質(zhì)，表面陽極氧化工藝處理；- 二、精度適中，質(zhì)量價格比高；一三、采用臺灣高精度方形滾珠導(dǎo)軌、滾珠絲杠；_ 四、結(jié)構(gòu)簡捷、耐用，安裝使用簡便。2 產(chǎn)品規(guī)格船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計1 ) a w d l 0 0 e 1 2 d2 ) a w d l 2 0 e 1 5 ds3 ) a w d l 2 0 e 1 5 dp圖3 , 8a w d l 0 0 e 1 2 d 及a w d l 2 0 e 1 5 d 型平臺規(guī)格參數(shù)【4 1f i 9 3 8 s l e i t i c a t i o n s a n d p a r a n l e r s o f a w d l 0 0 e 1 2 dg a d a w i ) 1 2 0 e 1 5 d p i a t f o r m s3 2 平臺的基本組成1 、底座2 、臺面3 、導(dǎo)軌、絲杠- 4 、軸承加大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文一5 、軸承安裝支架一6 、轉(zhuǎn)接法蘭3 3a w d 平臺的可選附件- 1 、防塵罩( 金屬、風(fēng)琴式)一2 、零點、限位3 、聯(lián)軸器4 、光柵尺3 4 a w d 平臺的重要指標(biāo)( 選型必備)_ l 、定位精度( 絕對精度) 、重復(fù)定位精度、速率精度、分辨率；2 、承載能力、動負(fù)荷、靜負(fù)荷；3 、運動速度；4 、行程；5 、螺距：6 、直線度、平面度；_ 7 、外形尺寸、安裝空間。3 5a w d 平臺的應(yīng)用行業(yè)a w l ) 直線定位平臺因其較高的質(zhì)量和工作性能，現(xiàn)已在很多行業(yè)進行了廣泛的應(yīng)用，并得到了良好的反饋，這些行業(yè)和領(lǐng)域包括：1 光學(xué)2 檢攫l3 醫(yī)療4 半導(dǎo)體5 輸送5 視覺系統(tǒng)6 軍工【4 】船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖3 9x - y - z 型運動平臺【4 1f i g3 9x - y - zm o t i o np l a g o r m上圖為具有垂向、橫向，以及縱向運動路徑的a w d 運動平臺的實物照片。3 6 本章小結(jié)本章對方案一中的核心運動構(gòu)件a w d 直線運動平臺進行了較為詳細的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)說明，并分別對精密型平臺與經(jīng)濟型平臺的特點做了闡述，對后續(xù)階段為裝置設(shè)備做詳細設(shè)計、生產(chǎn)加工設(shè)計，以及經(jīng)濟論證具有較強的參考意義。大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文4 以曲柄滑塊機構(gòu)為核心運動構(gòu)件的船模強制運動裝置方案分析與設(shè)計( 方案二)4 1 益柄滑塊機構(gòu)運動穩(wěn)定性分祈方案中運動機構(gòu)的選擇，應(yīng)確保機構(gòu)具有運動穩(wěn)定、無急回等特性，以防止在運動過程中發(fā)生運動特性不確定，以及發(fā)生急回而產(chǎn)生較大的慣性力作用，這些情況都可能對系統(tǒng)及人員產(chǎn)生不確定的威脅與損害。因此，在進行構(gòu)件布置，以及運動路徑設(shè)計之前，有必要針對方案二中選取的主要運動機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)做簡要的運動特點及穩(wěn)定性分析。圖4 1 曲柄滑塊機構(gòu)簡圖嗍f i 9 4 1s k e t c h o f c r a n k - s 邱b l o c k f r a m e w o r k首先從機構(gòu)的運動穩(wěn)定性上對曲柄滑塊機構(gòu)進行數(shù)學(xué)分析，確定圖4 1 所示曲柄滑塊機構(gòu)的速度矩陣是否為奇異型( s i n g u l a r c o n f i g u r a t i o n s ) ，進而得知機構(gòu)運動性是否確定。在完整約束系統(tǒng)中可以用下列形式表示其顯約束方程： ( 吼，口，j 9 ) 一0 f 一1 ，乏一j ( 2 1 )此處- 2 l + 只，根據(jù)式f - m 一2 一只，式中，為獨立的閉合鏈數(shù)，只為高副數(shù)目。對于一般機構(gòu)，自由度f 可寫成f t m n( 2 2 )船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計將( 2 1 ) 式對時間微分，得搖扣妒j 乜令一級坐標(biāo)數(shù)為f ，用( q 1 ，日2 7 j 魴) 代表；第二級坐標(biāo)數(shù)為，用( 萌，仍? _ ) 表示，于是方程式( 2 3 ) 成為黯；，+ 箍交- o ，分j q 4 或用矩陣形式寫成a q ，- b q( 2 5 )州i k 】。褂占l b 】i 一斟娜鰣撇蹴一，有解時行列式d e “_ o ，若d e t a 一0 ，矩陣4 稱為奇異矩陣，式( 2 5 ) 無解。機構(gòu)速度矩陣d e h - 0 時稱為奇異型或奇異形位，此時機構(gòu)運動不確定。若曲柄為主動構(gòu)件，則一級坐標(biāo)為昵，二級坐標(biāo)為吧，s ，約束方程組為仨茹囂囂二小n - - a 2 $ 1 1 1 妒2 9 0 s 中2 。1 0 】i q s i n 竹+ 2 s i l l 仍- o“l(fā) 口2i大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文a - 如d圖4 2 嘲h 9 4 , 2著機構(gòu)處于曲柄與連桿共線位置如上圖所示，則吼- 仍一0 ，此時d e h _ 0 ，機構(gòu)并不屬于奇異型，因此得出的結(jié)論為：從數(shù)學(xué)分析的角度來看鰒柄滑塊機構(gòu)具有穩(wěn)定的運動特性，可以做為方案中船模強制運動裝置的主要運動構(gòu)件。如果主動件為滑塊，則一級坐標(biāo)為s ，二級坐標(biāo)為硯及訖，扣l 囂“a 2 囂li4 l c o s 吼s 吼i則當(dāng)張一仍一0 時，d e 糾一0 ，此時機構(gòu)屬于奇異形位，此種情況下機構(gòu)運動不穩(wěn)定 5 1 。4 ，2 曲柄滑塊機構(gòu)運動特性的模擬考慮列現(xiàn)有機架形式，以及空間大小等外界環(huán)境因素的影響，方案選擇偏置式曲柄滑塊機構(gòu)做為船模運動的主要驅(qū)動機構(gòu)，為確定控制與船模接觸的兩支桿的滑塊在垂直或水平方向上的運動特性，現(xiàn)假設(shè)下面機構(gòu)圖中曲柄長度r = 2 5 0 m m 。連抒l = 1 0 0 0 m m ，偏置距離e 巧0 m m ，主動構(gòu)件曲柄與水平方向的夾角為口，角速度。，= 1 ，角加速度e 。= o 。趴少i ，：l一圖4 3 偏置式曲柄滑塊機構(gòu)嗍f i g4 3c r a n k - s f i pb 1 0 c kf r m e w o aw i t ho f f t船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計令；a ；旦k ；則滑塊的位移、速度、加速度與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系表達式分別為： ，陪扣) 峨1 觸 叫”一r q ( 血吼+ 丟肌血2 0 + 膳伽q )口。一一r ；( o o s 島+ a c o s 2 b 一斌s i n 0 1 )下面使用m a t l a b 軟件對滑塊c 的運動特性進行模擬，擺動幅度即曲柄半徑分別取0 5 m m 、1 0 r a m 、2 0 m m 、5 0 m m 、1 0 0 r a m 、1 5 0 r a m 和2 0 0 r a m ，如圖4 4 _ - 4 6 所示。圖4 4 曲柄轉(zhuǎn)角滑塊位移關(guān)系曲線f i g4 4c u i v eo fr e l a t i o nb e t w e e nc r a n ka n g l ea n ds l i pb l o c kd i s p l a c e m e n tti*t2，大勰工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文圖4 5 曲柄轉(zhuǎn)角滑塊速度關(guān)系曲線f i 9 4 5 c u r v e o f r e l a t i o n b e t w e e n c r a n k a n g l ea n d s a p b l o c k v e l o c i t ya 晴d n d 圖4 6 曲柄轉(zhuǎn)角滑塊加速度關(guān)系曲線f i g4 6c u r v eo fr e l a t i o nb e t w e e nc r a n ka n g l ea n ds l i pb l o c ka c c e l e r a t i o n從圖4 4 - - 4 6 中可以看出，在此機構(gòu)中，滑塊延滑軌的位移、速度、加速度都具有嚴(yán)格的對稱性，并且在拐點處過渡圓滑，即可認(rèn)為在整個運動周期不存在急回現(xiàn)象。說明該機構(gòu)的運動平穩(wěn)，滑塊在運動的過程中不受到或受到較小的慣性力作用( 由于慣性載荷會對機構(gòu)造成損害，因此在設(shè)計中應(yīng)盡量避免或減小) 。4 3 執(zhí)行機構(gòu)運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖4 7 ) 【- y _ z 運動路徑設(shè)計圖f i g4 7p l a no f x - y - zp a t h s此方案采用與方案一同樣的運動模式，如圖4 7 所示，即要求船模強制運動裝置可以提供橫向、縱向，以及垂向的運動路徑，不同之處在于橫向，以及垂向的運動是靠曲柄滑塊機構(gòu)做為執(zhí)行機械來實現(xiàn)的，下面將從縱向、橫向、垂向運動路徑，以及連接方式幾個方面加以詳細說明。4 3 1 縱向運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4 , 8 縱向運動構(gòu)架圖4 9 縱向軌道設(shè)計圖f i 9 4 8 f r a m e w o r k o f l o n g i t u d i n a l m o t i o nf i g , * 9 p l a n o f l o n g i t u d i n a l o r b i t大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文縱向結(jié)構(gòu)的設(shè)計是在原有紅色支架的兩側(cè)用螺栓固定縱向布置的平行導(dǎo)軌，如上圖所示，使得橫向放置的橫向?qū)к壙梢愿鶕?jù)試驗要求，以及船模的放置情況，在縱向軌道內(nèi)自由滑動( 可以由絲杠傳動或手動調(diào)節(jié)來完成) 。4 3 2 橫向運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4 1 0 縱向與橫向運動組合f i g4 1 0c o m b i a a t i o ao f l o n g i t u d i n a la n dt r a m v e r s em o t i o n船模的橫向運動由鑲嵌在橫向軌道槽內(nèi)的“工”形滑塊來帶動，滑塊做為圖4 1 0 中動力系統(tǒng)的運動輸出構(gòu)件，將圓盤的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運動，其往復(fù)運動幅度可以通過調(diào)整從動轉(zhuǎn)盤與主動轉(zhuǎn)盤之間的偏心距來實現(xiàn)，并由電機配合減速器提供適當(dāng)?shù)妮敵鲛D(zhuǎn)矩。船模強制運動裝置可行性方案分析與設(shè)計圖4 1 1 橫向運動系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)計示意圖f i g4 1 1p l a no f t r a n s v e r a eo r b i t將橫向運動系統(tǒng)中橫向?qū)к墶ⅰ發(fā) ”形滑塊、連桿、從動輪，以及主動輪的三維模型圖轉(zhuǎn)換成工程圖紙，做為后期加工設(shè)計的參考，如圖4 1 1 所示。4 3 3 垂向運動路徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文圖4 1 2 垂向運動構(gòu)架爆炸視圖f 恁4 1 2d i s a s s e m b l yp l a no fv e r t i c a lm o v i