大作業(yè)指導書(機電產(chǎn)品現(xiàn)代設計方法)

1、大作業(yè)指導書（機電產(chǎn)品現(xiàn)代設計方法）金天國 編2014年5月一 要求：大作業(yè)：主題：利用現(xiàn)代設計方法進行典型機電產(chǎn)品設計題目可以自定，字數(shù)10000字左右圖 基于現(xiàn)代設計方法的產(chǎn)品設計組成框架（一）設計任務雷達底座轉(zhuǎn)臺設計： 一個回轉(zhuǎn)自由度 圖設計對象承載能力：500kg被測件最大尺寸：500×600mm臺面跳動：0.02mm，臺面平面度：0.02mm臺面布置T型槽，便于負載安裝方位轉(zhuǎn)角范圍：±120°具有機械限位和鎖緊機構(gòu)角位置測量精度：±5角位置測量重復性：±3角速度范圍：0.001°/s60°/s二、大作業(yè)具體規(guī)范：（

2、一）設計流程圖 設計流程與設計內(nèi)容和設計方法上圖所示，整個設計過程分為功能設計、總體方案設計、詳細設計和設計總結(jié)四大部分。其中，在功能設計部分，我們要結(jié)合所給出的性能要求以及我們設計的轉(zhuǎn)臺的目標客戶可能存在的功能需求，對轉(zhuǎn)臺的功能進行定義。然后將轉(zhuǎn)臺的功能細化為一個個小的功能單元，對應于一個個要實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)單元，為后續(xù)的設計打下基礎。然后利用QFD圖對要實現(xiàn)的各種功能實現(xiàn)綜合評估，評價出功能需求的相對重要性及解決方案的相對重要性，在以后的設計中，要對比較重要的功能投入比較多的精力重點設計。在總體方案設計部分，我們首先利用SysML語言來明確各部分功能的參數(shù)以及參數(shù)約束之間的關系，然后綜合考慮

3、各種參數(shù)，設計出整體的設計草圖。在詳細設計部分，首先要使得零件實現(xiàn)其所對應的功能，使其滿足其精度及強度的要求。在此基礎上，要綜合考慮工件的可加工性，可裝配性以及價格等多方面因素，從而選出最符合我們需求的設計。然后根據(jù)確定的參數(shù)和方案，利用三維建模軟件CATIA來進行三維建模，并將3D圖進行投影，得出適合工業(yè)加工的2D圖，完成整個設計。設計總結(jié)部分，對整個過程中進行反思，考慮這個過程中存在的不足以及設計過程種學到的知識，以便應用于以后的設計當中。（二）QFD設計QFD(全稱Qualification Function Deployment)一種用來進行設計總體規(guī)劃的工具。QFD的主要功能是實現(xiàn)工

4、程設計與消費者的需求的精確連接，根據(jù)消費者的需求與需求的重要性來對工程設計做出相應的規(guī)劃。如圖2.4所示，其中第一縱行代表了安全性高，價格便宜，角度定位精度高及重復定位精度高等一系列的客戶可能對所設計的轉(zhuǎn)臺所提出的要求。第三列(Importance of whats)用數(shù)字顯示出各功能的重要性。數(shù)字越大，所對應的功能越重要，所有數(shù)字之和為100，以防止把每一項都標注得很重要，造成無法得出比較重要的功能的現(xiàn)象。至于參數(shù)的分配，理論上應該是根據(jù)對客戶的進行調(diào)查問卷，然后根據(jù)客戶的答復，給第一列中的功能按重要性賦值得到的相對重要性的餅狀圖如下。我們發(fā)現(xiàn)定位精度、重復定位精度、可靠性、安全性為主要考察

5、功能，重要性參數(shù)確定的比較合理。其中第一行代表了重量、伺服電機等對第一列的為了實現(xiàn)功能的設計。這里將所有能想到的設計列出。屋頂代表著各功能之間的關系。它表示了各種設計之間的關系，相互促進(+)或者相互限制(-). 以此可以對設計有個宏觀的綜合的考慮得到一個中性的方案。而中間的主體矩陣部分起到衡量橫行上的設計單元對客戶需求的功能的滿足程度，將各列里的數(shù)字加起來，即為該設計方案所對應的重要程度，重要程度越大，說明越應該重點設計。如圖所示，我們得到個設計方案的相對重要程度如下。從圖中我們可以看出，為了實現(xiàn)客戶所需求的功能，軸的設計以及電機的選擇顯得至關重要。這意味著在后續(xù)的設計中，應該著重設計這部分

6、。（三）總體方案設計（Configuration design）SysML語言是UML語言(Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言，一種面向?qū)ο蟮臉藴式ＵZ言，用于軟件系統(tǒng)的可視化建模)在系統(tǒng)工程應用領域的延續(xù)和擴展，是近年提出的用于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的多用途建模語言，用于對由軟硬件、數(shù)據(jù)和人綜合而成的復雜系統(tǒng)的集成體系結(jié)構(gòu)進行可視化的說明、分析、設計及校驗。在這里我們繪制參數(shù)圖如下。在下面的參數(shù)圖中，我們確定了系統(tǒng)中各部件的相互約束情況。圖產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)與圖（四） 底座轉(zhuǎn)臺關鍵件有限元分析（一）臺面結(jié)構(gòu)有限元分析接下來我們考慮臺面的設計。臺面的直徑受載荷的最大直徑限制，

7、因為載荷的要求為500×600mm，留下100mm余量，則臺面的直徑為600。圖 臺面負載圖對于臺面厚度的確定，主要需要考慮臺面的強度、以及臺面在載荷的作用下的變形情況。由于這已經(jīng)超出材料力學的范圍，因此我們無法定量地去實施計算。我們決定用如上圖所示的仿真模型來進行仿真。最終確定臺面厚度取50mm可以得到一個比較好的結(jié)果。臺面取50mm厚時其三維仿真圖如下 圖 臺面各點受力情況（五）ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真1引言航天產(chǎn)品中機電類產(chǎn)品占據(jù)了大多數(shù)，在傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)設計過程中，機械工程師和控制工程師雖然在共同設計開發(fā)一個系統(tǒng)，但是他們各自都需要建立一個模型，然后分別采用不同

8、的分析軟件，對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行獨立的設計、調(diào)試和試驗，最后建造一個物理樣機，進行機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)問題， 機械工程師和控制工程師又需要回到各自的模型中，修改機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，然后再進行物理樣機聯(lián)合調(diào)試，圖1說明了這個過程。圖1 傳統(tǒng)機電產(chǎn)品開發(fā)方法使用MSC.ADAMS仿真軟件，機械工程師和控制工程師可以共享同一個樣機模型，進行設計、調(diào)試和試驗?？梢岳锰摂M樣機對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行反復的聯(lián)合調(diào)試，直到獲得滿意的設計效果，然后進行物理樣機的建造和調(diào)試。圖2說明了這個過程。圖2 虛擬樣機產(chǎn)品開發(fā)新方法顯然，利用虛擬樣機技術對機電一體化系統(tǒng)進行聯(lián)合設計、調(diào)試和試驗的方

9、法，同傳統(tǒng)的設計方法相比較具有明顯的優(yōu)勢，可以大大地提高設計效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)產(chǎn)品的成本，獲得優(yōu)化的機電一體化系統(tǒng)整體性能。MSC.ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) 軟件是美國MSC公司的旗幟產(chǎn)品，是虛擬樣機領域非常優(yōu)秀的軟件。它的功能很強大，如：給用戶提供了友好的界面、快速簡便的建模功能、強大的函數(shù)庫、交互式仿真和動畫顯示功能等等。另外，MSC.ADAMS/Controls模塊提供了與許多控制系統(tǒng)軟件( 如MATLAB，MATRIX X，EASYS5等)的接口功能。利用這些軟件，可以把機械系統(tǒng)仿真與控制系統(tǒng)

10、仿真結(jié)合起來1。為此，本報告專門就ADAMS中如何實現(xiàn)機械和控制一體化仿真做一個總結(jié)。2ADAMS中實現(xiàn)控制的方法介紹2在ADAMS中使用控制器來實現(xiàn)控制有六種方法。其中有三種方法在ADAMS內(nèi)部就能夠?qū)崿F(xiàn)，不需要其它外部程序代碼；另外三種方法需要使用ADAMS外部程序代碼才能實現(xiàn)。下面簡單的介紹一下這六種方法。2.1方法一：使用控制定律定義力或扭矩函數(shù)使用控制定律來定義力或扭矩的函數(shù)表達式是ADAMS中最直接的一種使用控制器的方法，為了便于說明這種方法，下面用一個簡單的例子來說明。在某模型中扭矩的表達式為：F(time)=-20.0*WY(MAR_1)，這個表達式的意思是扭矩是基于Y方向的角

11、速度其增益為20的阻尼扭矩。如果這個函數(shù)是連續(xù)的，那么系統(tǒng)就具有很高的非線性，我們可使用STEP函數(shù)來控制相關的控制力或控制扭矩的開或關。2.2方法二：使用ADAMS/View內(nèi)部的控制工具箱利用ADAMS/View的控制工具箱，可以直接在ADAMS/View樣機模型中添加控制模塊，完成機電一體化系統(tǒng)的仿真分析。該控制工具箱提供了簡單的線性控制模塊和濾波模塊，可以方便的實現(xiàn)前置濾波、PID控制及其它連續(xù)時間單元的模擬仿真。2.3方法三：用FORTRAN或C來寫子程序來實現(xiàn)用FORTRAN或C寫的用戶子程序可以通過編譯后連接到ADAMS可執(zhí)行程序中去。在應用程序中，用戶自定義子程序能夠很好的執(zhí)行

12、控制規(guī)律而且能很好的連接到ADAMS模型中適當?shù)奈矬w上。該方法屬于ADAMS二次開發(fā)的內(nèi)容。2.4方法四：使用ADAMS/Linear模塊導出狀態(tài)矩陣的方法用戶可以指定輸入（比如控制力矩）、輸出（比如角速度和偏差），從而輸出狀態(tài)矩陣，這些狀態(tài)矩陣能被MATLAB或Matrix-X識別，但是要注意的是模型中的平衡配置要是線性化的。這種方法最大的優(yōu)點是在外部代碼中所有控制規(guī)律的設計是為該模型所用的。2.5方法五：使用ADAMS/Controls進行協(xié)同仿真使用ADAMS/Controls模塊，可以將機械系統(tǒng)仿真分析工具同控制設計仿真軟件有機地連接起來，實現(xiàn)將復雜的控制添加到機械系統(tǒng)樣機模型中，對機

13、電一體化的系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析。ADAMS/Controls模塊支持同MATLAB、MATRIX 、EASY5等控制分析軟件進行聯(lián)合分析。2.6方法六：控制框圖轉(zhuǎn)換成C/Fortran代碼導入到ADAMS中實現(xiàn)該方法是把Simulink或者MSC.EASY5中的控制框圖轉(zhuǎn)換成C/Fortran代碼后導入到ADAMS中作為一個廣義狀態(tài)方程來實現(xiàn)。這種仿真完全是在ADAMS內(nèi)部執(zhí)行，需要適時工作空間MATLAB/Simulink或者MSC.EASY5 v7.1以及MSC.ADAMS v2003 SP1的支持。3應用實例前面對在ADAMS中實現(xiàn)控制的六種方法做了簡單的介紹，事實上在實際應用中不可能用

14、到每種方法，因此接下來只對其中的三種方法進行實例應用分析。3.1實例一：使用控制定律定義扭矩函數(shù)3該例子介紹了不使用控制包的元素而直接使用力矩函數(shù)來定義反饋閉環(huán)控制，模型中沒有使用狀態(tài)變量、傳遞函數(shù)等。圖3顯示了該例的可視化界面。這個特殊模型演示了一個指針始終跟蹤一個做來回平移運動的方塊的過程，模型中使用了兩個測量來作為一個力矩值的輸入和輸出?？刂葡到y(tǒng)模仿了一個比例-積分類型的控制器，因此我們能用距離測量來估算比例部分，而用速度測量來找出控制器的積分部分。圖4給出了控制回路框圖，其中模型中的距離誤差測量設置為：DX(slider_center, Pointer.tip, Pointer.tip

15、)，DX是ADAMS中的位移函數(shù)。模型中的速度誤差測量設置為：VX(slider_center,Pointer.tip, Pointer.tip,Pointer.tip)，VX是ADAMS中速度函數(shù)。上述兩個函數(shù)中的slider_center和Pointer.tip分別表示滑塊中心和指針頂點的marker點。圖3 使用力矩函數(shù)來實現(xiàn)控制回路的例子圖4 控制回路框圖上述兩個測量乘以增益后求和作為控制力矩的輸入函數(shù)，其表達式為：Function10*DX(slider_center, Pointer.tip,Pointer.tip) +10*VX(Slider.slider_center, Poi

16、nter.tip,Pointer.tip, Pointer.tip)。我們能夠方便的修改增益值來控制指針跟蹤滑塊的靈敏度。3.2實例二：使用ADAMS/View內(nèi)部的控制工具箱4這個例子演示了在Adams/view中使用內(nèi)部的控制工具箱的流程。模型中由兩個運動部件、一個強迫運動和一個單向的扭矩組成，其中模型如圖5所示。圖5 使用ADAMS/View內(nèi)部控制工具箱來實現(xiàn)控制的例子模型中連桿構(gòu)件與地面之間是一個鉸鏈連接，在鉸鏈上施加了一個自由振蕩運動；桶構(gòu)件和連桿之間也是靠一個鉸鏈連接，在桶和連桿構(gòu)件之間施加了一個控制扭矩來控制桶始終保持水平。其控制框圖如圖6所示。圖6 控制框圖根據(jù)上面的控制框圖

17、，我們在ADAMS/view中添加框圖中的每個元素，從build菜單中選擇controls toolkit，接著再選擇standard controls blocks打開創(chuàng)建控制框圖的對話框，如圖7所示。圖7 控制環(huán)節(jié)定義面板使用上述的控制環(huán)節(jié)定義面板，我們可以方便的定義控制輸入函數(shù)，控制求和函數(shù)，控制增益，積分，低通過濾，導通延遲過濾，以及PID控制等等。但是，使用控制工具箱只能處理線性的簡單控制回路，對于復雜的非線性的控制回路還得要和其它專門的控制系統(tǒng)分析程序接口才能完成仿真。通過該控制面板我們在上述的模型中定義了兩個控制輸入desired和actual，一個控制求和以及一個控制增益K。定

18、義好后進行仿真，圖5中的連桿在轉(zhuǎn)動過程中，連桿上的桶始終保持水平狀態(tài)。3.3實例三：使用ADAMS/Controls進行協(xié)同仿真53.3.1協(xié)同仿真基本步驟該協(xié)同仿真分析包括以下四個基本步驟，如圖8所示。圖8 ADAMS/Controls分析步驟（1）構(gòu)造ADAMS/View樣機模型 使用ADAMS/Controls模塊進行機電一體化系統(tǒng)聯(lián)合分析前，首先應該構(gòu)造ADAMS/View的機械系統(tǒng)樣機模型，或者輸入已經(jīng)構(gòu)造好的機械系統(tǒng)樣機模型。機械系統(tǒng)樣機模型中包括幾何模型、各種約束和作用力等。（2）確定ADAMS的輸入和輸出 需要通過ADAMS/View或ADAMS/Solver中的信息文件或啟動

19、文件，確定ADAMS的輸入和輸出。這里，輸出是指進入控制程序的變量，表示從ADAMS/Controls輸出到控制程序的變量。而輸入是指從控制程序返回到ADAMS的變量，表示控制程序的輸出。通過定義輸入和輸出，實現(xiàn)ADAMS和其他控制程序之間的信息封閉循環(huán)。這里所有程序的輸入都應該設置為變量，而輸出可以是變量或是測量值。（3）構(gòu)造控制系統(tǒng)方框圖 控制系統(tǒng)方框圖是用MATLAB、MATRIX 或EASY5等控制分析軟件編寫的整個系統(tǒng)的控制圖，ADAMS/View的機械系統(tǒng)樣機模型被設置為控制圖中的一個模塊。（4）機電系統(tǒng)仿真分析 最后，可以對機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析。3.

20、3.2某雷達天線協(xié)同仿真該實例演示了一個簡單的雷達天線定點問題，在雷達天線機械系統(tǒng)中添加控制系統(tǒng)來控制雷達天線跟蹤衛(wèi)星信號。3.3.2.1構(gòu)造ADAMS/View樣機機械模型在ADAMS/View中建好的樣機機械模型如圖9所示。該模型主要由馬達、減速齒輪、轉(zhuǎn)盤、支撐桿、仰角軸承及其天線組成，它們之間通過一定的約束關系連接在了一起。圖9 雷達天線樣機機械模型3.3.2.2確定ADAMS的輸入和輸出雷達天線的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的輸入和輸出關系，如圖10所示。從圖10可以看到，向雷達的機械系統(tǒng)輸入一個控制力矩（control_torque），雷達的機械系統(tǒng)則向控制系統(tǒng)輸出天線仰角的方位角（azi

21、muth_position）和馬達轉(zhuǎn)速（rotor_velocity）。圖10 雷達天線的輸入和輸出圖11 建立狀態(tài)變量ADAMS/Controls程序和控制程序MATLAB之間，通過相互傳遞狀態(tài)變量進行信息交流。因此必須將樣機模型的輸入和輸出變量，及其輸入和輸出變量引用的輸入和輸出函數(shù)，同一組狀態(tài)變量聯(lián)系起來。圖11給出了定義狀態(tài)變量的對話框。模型中共定義了4個狀態(tài)變量：天線方位角（azimuth_position），控制力矩（control_torque），天線高低角（elevation_position），馬達轉(zhuǎn)速（rotor_velocity）。定義好狀態(tài)變量后就可以通過ADAMS/C

22、ontrols接口定義機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的輸入輸出變量。3.3.2.3構(gòu)造控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)建模的目的是建立一個機械和控制一體化的樣機模型，通過ADAMS方框圖添加控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模，基本步驟如下：具體步驟如下：（1） 啟動Matlab程序1） 啟動Matlab程序，顯示Matlab命令窗口界面。2） 在Matlab命令輸入提示符”>>”或”?” 處，輸入ant_test（ant_test文件的全名為ant_test.m，是在ADAMS/Controls中定義后自動輸出的），Matlab返回相應的結(jié)果。% INFO : ADAMS plant actuators n

23、ames :1 control_torque% INFO : ADAMS plant sensors names :1 azimuth_position2 rotor_velocity3） 在輸入提示符處，輸入who命令，顯示文件中定義的變量列表，Matlab返回相應的結(jié)果：ADAMS_exec ADAMS_inputs ADAMS_outputs ADAMS_poutput ADAMS_static ADAMS_uy_ids ADAMS_init ADAMS_mode ADAMS_pinput ADAMS_prefix ADAMS_sysdir可以選擇以上顯示的任何一個變量名，檢驗變量。例如

24、，如果輸入ADAMS_outputs，Matlab將顯示機械系統(tǒng)中定義的所有輸出：ADAMS_outputsrotor_velocity!azimuth_position。 （2） 輸入ADAMS模塊 1） 在Matlab輸入提示符處，輸入adams_sys，顯示adams_sys的模塊窗口，如圖12所示。adams_sys文件的全名是adams_sys_.mdl，該文件是運行ant_test.m時自動生成的，每個模型都會生成這個相同的文件，但是文件的內(nèi)容會有所不同。圖12 adams_sys模塊窗口2） 在File菜單，選擇New，打開一個新的類似于圖12的空白窗口，為方便起見，將此窗口稱為

25、antenna1。3） 用鼠標將圖12中的adams_sub模塊連同兩個輸出顯示器，拖到新打開的antennal窗口中。4） 雙擊antenna1窗口中的adams_sub模塊，顯示adams_sub模塊的子系統(tǒng)如圖13所示。圖13 adams_sub模塊的子系統(tǒng)（3） 設置仿真參數(shù)1） 在新顯示的Simulink窗口中，如圖13所示，雙擊MSC Software模塊，顯示MSC Software模塊參數(shù)對話框，如圖14所示。圖14 MSC Software模塊參數(shù)設置對話框2） 在Output Files Prefix文本輸入框，設置輸出文件名mytest。文件名應該用單引號括起來。ADAM

26、S/Controls將以文件名mytest保存仿真分析結(jié)果。ADAMS/Controls輸出仿真結(jié)果(.res)、要求(.req)和圖形(.gra)等三種類型的仿真分析結(jié)果文件，在本例題中，分別是mytest.res、mytest.req和mytest.gra文件。3） 在仿真分析模式（Simulation mode）欄，選擇discrete參數(shù)。仿真分析模式定義了ADAMS程序求解機械系統(tǒng)方程的方式，以及控制程序求解控制系統(tǒng)方程的方式。4） 在動畫顯示（Animation mode）欄，選擇interactive參數(shù)。動畫顯示決定了在ADAMS/View中動態(tài)顯示跟蹤仿真結(jié)果的方式。5） 選

27、擇Aplly。6） 選擇OK。（4） 控制系統(tǒng)建模控制系統(tǒng)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，啟動Simulink，顯示Simulink工具庫窗口。2） 雙擊Simulink工具庫窗口的每個圖標，顯示各自的子工具庫窗口。3） 在已經(jīng)打開的antenna1窗口中，根據(jù)控制系統(tǒng)的具體需要，在Simulink工具庫窗口中選擇有關圖形模塊，并拖到Simulink建模窗口中。4） 按照圖15所示的控制系統(tǒng)圖，完成各控制圖標以及adams_sysm模塊之間的連接和參數(shù)設置。5） 在File菜單，選則Save命令，將控制系統(tǒng)的Simulink文

28、件存盤。圖15 控制系統(tǒng)圖在ADAMS的ADAMS/Controls模塊的例題目錄中（ADAMS程序安裝目錄下的controls/examples/antenna），保存有一個已經(jīng)完成建模的控制系統(tǒng)Simulink文件，文件名為antenna.mdl。也可以直接從Simulink窗口中，讀出antenna.mdl文件，然后進行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析。使用antenna.mdl模塊中的MSC Software模塊的參數(shù)進行重新設置，如圖15所示。3.3.2.4機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析（1） 設置仿真參數(shù)1） 在Simulink工具菜單欄，如圖15所示，選擇Simulation菜單。2） 在彈出的下一層菜單中，選擇Parameteres，顯示參數(shù)設置對話框。3） 設置仿真時間，在Start Time欄，輸入0.0，設置開始時間。在End Time欄，輸入0.25，設置結(jié)束時間。4） 在仿真類型的第一個選擇欄，選擇variable step mode參數(shù)。第二個選擇欄，選擇ode15s參數(shù)。5） 對于其他各項參數(shù)，取默認值。6） 選擇OK按鈕