哈工大機電產(chǎn)品現(xiàn)代設計方法大作業(yè)

雷達底座轉臺設計

姓名:

學號:

班級:

所在學院：機電工程學院

任課教師：張旭堂

設計任務:

雷達底座轉臺設計：一個回轉自由度.

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承載能力：500kg

被測件最大尺寸：中500X600mm

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

方位轉角范圍：±120°

具有機械限位和鎖緊機構

角位置測量精度：±5'

角位置測量重復性：±3'

角速度范圍:0.001°/s~60°/s

二設計思路：

(-)設計流程:

設計流程與設計內容和設計方法

1

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四大部分。

其中，在功能設計部分，我們要結合所給出的性能要求以及我們設計的轉臺的目標客戶可能存在的

功能需求，對轉臺的功能進行定義。然后將轉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)功能的結構單元，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QualificationFunctionDeployment)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臺所提出的要求。第三列(Importanceofwhats)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…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。

2

（三）總體方案設計（Configurationdesign）

SysML語言是UML語言（UnifiedModelingLanguage,統(tǒng)一建模語言，一種面向對象的標準建模語

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)體系結構

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)的集成體系結構進行可視化的

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。

產(chǎn)品初步結構與SysML圖

三任務實現(xiàn)過程:

3

3.1底座轉臺關鍵件有限元分析：

1.底座轉臺關鍵件有限元分析：

在Ansys中運行file->import->IGSE...導入該模型；或者按照以下步驟創(chuàng)建零件模型。

運行Preprocessor->Modeling->Volumns->Cy1inder->SolideCylinder,彈出如下對話框，在對話

框中輸入相應數(shù)值，點0K生成零件模型。

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2.選擇單元類型：

運行Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete,選擇Structural中的Solid.由于10個結點的單

元計算精度要比8個結點的計算精度高，故選擇“Tetl0node92”單元，如圖2。

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3.材料屬性設置：

運行Preprocessor->MaterialProps>MaterialModels,彈出如卜所示對話框，依次雙擊Structural,

Linear,Elastic,Isotropic,彈出圖所示對話框。

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附：常用材料的彈性模量和泊松比

名稱彈性模量E/GPa切變模量G/GPa泊松比M

灰、白口鑄鐵115~160450.23-0.27

球墨鑄鐵151~160610.25-0.29

碳鋼200?220810.24-0.28

合金鋼210810.25~0.3

鑄鋼17570?840.25?0.29

軋制磷育銅115420.32-0.35

軋制錢黃銅110400.35

鑄鉛青銅105420.25

硬鋁合金7127

冷拔黃銅91?9935?370.32?0.42

軋制純銅110400.31-0.34

軋制鋅84320.27

軌制鋁6926?270.32-0.36

鉛1770.42

4.網(wǎng)格劃分：

運行Preprocessor->Meshing->SizeCntrl->ManualSize->Global->Size設置劃分網(wǎng)格的大小。

AL-

.PJ司旦切?:倒?工M切U

ymWUJ"中曰$1

ANSYS

5

運行Mesh->MeshTool,彈出如圖所示對話框,在Shape選項欄后面，選擇Tri和Free,單擊Mesh

彈出選擇實體對話框，選擇一個實體進行網(wǎng)格劃分。

5.施加約束：

選擇菜單Solution->DefineLoads->Apply->Structure->Displacement->OnNodes,選擇若干節(jié)點.

6

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6.施加載荷：

選擇菜單Solution->DefineLoads->Apply->Structure->Pressure->OnAreas,彈出如圖所示對話框。拾

取一個或多個面，單擊0K按鈕。彈出如圖所示對話框。在VALUE選項欄中填寫受力。

7.求解:

運行Solution->Solve->CurrentLS,彈出如圖所示對話框。

7

Apply口■?ROToxi

8結果顯示

運行GeneralPostprooPlotResults>ContourPlot>NodalSolu,彈如圖所示對話框，運

DOFSolution>Displacementvectorsum和Stress>vonMisesstress,分別顯示分析結果的位移云圖和應力云

圖。

ANSYS]

應變圖

應力圖

8

3.2ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真：

3.2.1整體思路：

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)

合調試，下圖說明了這個過程。

物

理

物

試

理

樣

驗

性

和

機

能

評估

制

?控制系統(tǒng)參數(shù)―控制模型+調試和試驗造

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、調試和試驗。可以利用虛擬樣機對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行反復的聯(lián)合調試，直到

獲得滿意的設計效果，然后進行物理樣機的建造和調試。下圖說明了這個過程。

機械系統(tǒng)建模

虛

虛

擬

擬

試

共享模型樣

驗

機

控制系統(tǒng)建模

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、調試和試驗的方法，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(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)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)仿真結合起來。該協(xié)同仿真分析包括以下四個基本步驟：

(1)構造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，首先應該構造ADAMS/View的機械系統(tǒng)樣機模型，或者輸入已經(jīng)構造好的機械系統(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。

9

(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。

在ADAMS/View中建好的樣機機械模型如圖18所示。該模型主要由馬達、減速齒輪、

轉盤、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。

3.2.2ADAMS運動仿真：

1.建立轉臺模型：

該模型由底座，轉軸及轉臺組成。設置轉臺直徑600mm,厚度50mm。與之前ansys

構建的仿真模型相對應。

10

2.設定約束：

設定轉軸與底座之間為繞Y軸旋轉約束，設定臺面與轉軸之間為鎖定約束。

3.模型軸側圖：

軸側視圖下的模型如圖:

11

4.運動函數(shù)：

對底座與轉軸的旋轉約束設定運動函數(shù)為30d*time即單位時間旋轉30度。

5.測量曲線：

測量轉臺上表面邊緣上一點與底座上表面邊緣上一點的距離，運行方陣可得如圖所示

的曲線。由圖可知曲線呈近似線性增長斜率0.08。

12

3.2.3聯(lián)合仿真：

以下內容涉及到adams聯(lián)合仿真的內容，由于對其不是特別熟悉，在操作中多次出現(xiàn)

錯誤，初步判斷是建模以及程序代碼方面的錯誤，雖經(jīng)過多次修改，仍然無法實現(xiàn)目標。

在此，展示操作過程中的仿真過程中的探究圖片，并借助例程對整體設計思路進行分析。

仿真過程截圖：

13

(-)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(azimuth_position)和馬達轉速(rotor_velocity)0

輸入控制力矩-------------------輸出方位角和馬達速度

------?ADAMS模型--------

MATLAB控制系統(tǒng)<

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),馬達轉速(rotor_velocity)(>

定義好狀態(tài)變量后就可以通過ADAMS/Controls接口定義機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的輸

入輸出變量。

14

（-）構造控制系統(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：

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

相應的結果。

%%%INFO:ADAMSplantactuatorsnames:

1control_torque

%%%INFO:ADAMSplantsensorsnames:

1azimuth_position

2rotor_velocity

3）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返回相應的結果：

ADAMS_execADAMS_inputsADAMS_outputsADAMS_poutputADAMS_static

ADAMS_uy_idsADAMS_initADAMS_modeADAMS_pinput

ADAMS_prefixADAMS_sysdir

可以選擇以上顯示的任何?個變量名，檢驗變量。例如，如果輸入ADAMS_oulputs,

Matlab顯示機械系統(tǒng)中定義的所有輸出：

ADAMS_outputs=rotor_velocity!azimuth_positiono

（三）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，但是文件的內容會有所不同。

15

|[^adams_sys.

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antennalo

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antennal窗口中的adams_sub模塊，顯示adams_sub模塊的子系統(tǒng)如圖22

所示。

1）設置仿真參數(shù)。

2）在新顯示的Simulink窗口中，如圖13所示，雙擊MSCSoftware模塊，顯示MSC

Software模塊參數(shù)對話框，如圖14所示。

16

3）在OutputFilesPrefix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。ADAMS/Controls將以文件名mytest保存仿真分析結果。

ADAMS/Controls輸出仿真結果（.res）、要求（.req）和圖形（.gra）等三種類型的

仿真分析結果文件，在本例題中，分別是mytest.res>mytest.req和mytest.gra

文件。

4）在仿真分析模式（Simulationmode）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。

5）在動畫顯示（Animationmode）欄，選擇interactive參數(shù)。動畫顯示決定了在

ADAMS/View中動態(tài)顯示跟蹤仿真結果的方式。

6）選擇Aplly。

7）選擇OK。

（四）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antennal窗口中，根據(jù)控制系統(tǒng)的具體需要，在Simulink工具庫

17

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文件存盤。

在ADAMS的ADAMS/Controls模塊的例題目錄中（ADAMS程序安裝目錄

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MSCSoftware模塊的參數(shù)進行重新設置。

（五）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。

18

3）設置仿真時間，在StartTime欄，輸入0.0,設置開始時間。在EndTime欄，

輸入0.25,設置結束時間。

4）在仿真類型的第一個選擇欄，選擇variablestepmode參數(shù)。第二個選擇欄，

選擇odel5s參數(shù)。

5）對于其他各項參數(shù)，取默認值。

6）選擇0K按鈕，關閉Matlab仿真參數(shù)設置對話框。

（2）執(zhí)行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

在Simulation菜單，選擇Start命令，開始進行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析。程序將顯示

一個新的ADAMS/View窗口，顯示仿真分析結果。

ADAMS接收來自Matlab的控制輸入信息，產(chǎn)生相應的運動。同時，向Matlab的控制系

統(tǒng)提供天線仰角的方位角azimuth_position和馬達轉速rotor_velocity的實時值。通過

這種方式，機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。

完成仿真分析以后，ADAMS/View自動關閉新顯示的窗口。

（3）暫停仿真分析

利用ADAMS/Controls程序的互交式對話功能，可以使Matlab暫停分析，以便能夠更仔

細