畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-仿生分布式驅(qū)動(dòng)撲翼設(shè)計(jì)-機(jī)械鳥(niǎo)

#-圖2-4曲柄滑塊撲動(dòng)機(jī)構(gòu)空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)比上述的方案要多一個(gè)自由度的設(shè)計(jì)，如圖2-5所示，可以明顯看出其撲動(dòng)是完全對(duì)稱的，所以其左右搖桿的撲動(dòng)幅度相同，但其物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)制造和裝配的精度要求非常高，且設(shè)計(jì)時(shí)需要用到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)比如萬(wàn)向聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致其實(shí)際制作樣機(jī)的成本非常高。雙曲柄撲動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在仿生分布式驅(qū)動(dòng)撲翼器上最多的一種形式，其傳統(tǒng)形式如圖2-6a)所示，其采用兩個(gè)曲柄4、5來(lái)分別帶動(dòng)兩側(cè)的搖桿6、7運(yùn)動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是齒輪驅(qū)動(dòng)力矩較大，機(jī)構(gòu)位置對(duì)稱，左右搖桿之前干擾較小。缺點(diǎn)是，

由于動(dòng)力小齒輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大齒輪，導(dǎo)致其左右搖桿撲動(dòng)時(shí)存在固定的相位差，因此撲動(dòng)形態(tài)不能完全對(duì)稱。為解決完全對(duì)稱問(wèn)題，有一種優(yōu)化方案如圖2-6b）所示，其讓動(dòng)力小齒輪安裝在大齒輪的一側(cè)，直接驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)大齒輪,另一個(gè)大齒輪3由齒輪2帶動(dòng)反向運(yùn)動(dòng)，這樣，搖桿8、9的撲動(dòng)就完全對(duì)稱a）傳統(tǒng)的雙曲柄撲動(dòng)機(jī)構(gòu)b）優(yōu)化后的雙曲柄撲動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)以上四種常見(jiàn)撲動(dòng)形式的對(duì)比分析與優(yōu)化，結(jié)合課題樣機(jī)的設(shè)計(jì)需求，采用改進(jìn)后的雙曲柄搖桿撲動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)模擬大鳥(niǎo)如海鷗飛行時(shí)翅膀在上下?lián)鋭?dòng)的同時(shí)還有展向上的折曲運(yùn)動(dòng)，樣機(jī)的翅膀采用兩段翼設(shè)計(jì)，并且引入一個(gè)輔助的兩桿三副的二級(jí)桿組來(lái)實(shí)現(xiàn)外翼的折疊與收攏運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-7所示。這樣整個(gè)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了只通過(guò)一個(gè)齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)后就帶動(dòng)兩側(cè)的翅膀同時(shí)實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)和折疊收攏兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)的目的。傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，首先確定驅(qū)動(dòng)源的類型，然后結(jié)合各種考慮因素確定系統(tǒng)的傳動(dòng)比。目前,很多飛機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)不同類型選擇對(duì)應(yīng)于一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)源,對(duì)于較小的模仿昆蟲(chóng)仿生分布式驅(qū)動(dòng)撲翼器,更多的選擇,壓電空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)和肌肉和模型船舶機(jī)械根據(jù)是否使用刷子刷換向可分為兩種電機(jī)和無(wú)刷電機(jī),無(wú)刷電機(jī)相對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī),由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，往往可以達(dá)到足夠的高速和功率。由于本課題預(yù)先設(shè)計(jì)的撲翼飛機(jī)翼展較大，需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩，因此樣機(jī)的主動(dòng)力電機(jī)采用穩(wěn)定的無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。(1)電機(jī)的選型由之前確定的撲動(dòng)方案可知，主功率電機(jī)將驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大齒輪運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)之后的搖桿機(jī)構(gòu)完成撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以電機(jī)需要提供穩(wěn)定且足夠的驅(qū)動(dòng)力。實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)樣機(jī)所需功率來(lái)選擇電機(jī)型號(hào)，而仿生分布式驅(qū)動(dòng)撲翼器所需功率由以下公式計(jì)算得出：P=C其中：C-升力安全系數(shù)，在計(jì)算時(shí)綜合考慮取安全值T-在樣機(jī)向下?lián)鋭?dòng)過(guò)程中翅膀根部所受的氣動(dòng)力矩;ω-撲翼角速度；μ-整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，取為0.7。對(duì)于中的力矩T有力矩公式：T=Fl其中，由第二章中的鳥(niǎo)類飛行受力情況分析可知，大鳥(niǎo)在撲動(dòng)飛行時(shí)，其兩側(cè)翼上的升力應(yīng)分別承擔(dān)一半的自身重量，所以先取F=mg/2.考慮到大型鳥(niǎo)類在撲動(dòng)飛行時(shí)，其升力主要來(lái)源于外翼段，遂將實(shí)際產(chǎn)生氣動(dòng)力的等效作用點(diǎn)取為在翅膀一側(cè)的2/3展長(zhǎng)處，BPZ=(2/3)x(Z7/2)=0.6m。故有撲動(dòng)力矩T=Fl=1.323N。對(duì)于式3-1中的撲翼角速度勸由之前所確定的撲動(dòng)方案和撲動(dòng)頻率/,可以計(jì)算得出其最大角速度約為12rad/so故可得電機(jī)的額定功率：P=CTωμ由此估算的電機(jī)額定功率并考慮所設(shè)計(jì)的樣機(jī)翼展較大，需要選用扭矩大的電機(jī)，因此最后選用一款型號(hào)為朗宇X2206的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)作為樣機(jī)的主功率電機(jī)，其具體參數(shù)如下表2-2所示，可以看出其輸出功率為120W,質(zhì)量為25g,滿足課題設(shè)計(jì)需求。根據(jù)參數(shù)可計(jì)算出電機(jī)所能提供的轉(zhuǎn)矩:T=9550(2)減速傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)直流無(wú)刷電機(jī)由于轉(zhuǎn)速很快，而所設(shè)計(jì)的撲翼樣機(jī)的頻率平均為4Hz,且電機(jī)的扭矩很小而樣機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸和重量都偏大，顯然不可能直接用電機(jī)驅(qū)動(dòng)樣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致樣機(jī)所需的力矩不夠且會(huì)損壞電機(jī)，所以在電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間需要加入減速機(jī)構(gòu)。在前述確定的撲動(dòng)方案中，樣機(jī)采用直齒輪進(jìn)行減速設(shè)計(jì)，便于加工和設(shè)計(jì)方便，且齒輪減速系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，符合撲翼樣機(jī)的設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)中為了使傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，減速系統(tǒng)擬采用三級(jí)齒輪減速。減速傳動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖2-8所示，其中無(wú)刷電機(jī)與齒輪1相固連，齒輪2和3、5和6分別設(shè)計(jì)成一整體，采用3D打印一體成型，齒輪6與此前設(shè)計(jì)的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的中的曲柄相連，齒輪7與6完全一樣，用以對(duì)稱驅(qū)動(dòng)另一側(cè)的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。由上述電機(jī)的KU值為1500,可以計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速n=KVxU=1500x7.4=11100r/min由于電機(jī)轉(zhuǎn)速、撲動(dòng)頻率和減速比之間有如下關(guān)系:n=60fi由之前確定的撲翼樣機(jī)的頻率為4Hz,故可以求得初步減速比z:?=

確定了傳動(dòng)比后，就要確定各級(jí)齒輪的具體參數(shù)，考慮到齒輪加工與實(shí)際裝配的便捷性，取所有的減速齒輪的模數(shù)為1,壓力角為20。，最后優(yōu)化取整后得到的各減速齒輪的參數(shù)如表2-3所示。根據(jù)上述參數(shù)最后得到的減速比:?=滿足之前計(jì)算的設(shè)計(jì)條件。在確定了傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)中的各個(gè)齒輪的模數(shù)和齒數(shù)后，為了減輕整體樣機(jī)的質(zhì)量，將減速齒輪設(shè)計(jì)成輪輻式，在SolidWorks中進(jìn)行零件建模和基本的裝配約束，如圖2-9所示。圖2-9減速機(jī)構(gòu)三維建模圖尾翼方案設(shè)計(jì)通過(guò)上文對(duì)鳥(niǎo)類的運(yùn)動(dòng)情況的分析，可以得知對(duì)鳥(niǎo)類來(lái)說(shuō)，翅膀是其所需氣動(dòng)力的來(lái)源，而尾翼的作用是輔助其進(jìn)行轉(zhuǎn)向和俯仰運(yùn)動(dòng)。鳥(niǎo)類在需要轉(zhuǎn)向時(shí)，例如右轉(zhuǎn)時(shí)，需要右翼下垂，左翼上揚(yáng)，從而使兩翼的撲動(dòng)幅度不等從而在翅膀兩側(cè)產(chǎn)生升力和推力差。由以上分析可知，自然鳥(niǎo)類的轉(zhuǎn)向是依靠雙翼的撲動(dòng)幅度的相位差和尾翼尾羽的輔助來(lái)進(jìn)行的，但實(shí)際中比較難設(shè)計(jì)出雙翼?yè)鋭?dòng)幅度不等且有相位差的樣機(jī)，且本課題的樣機(jī)設(shè)計(jì)尺寸大、質(zhì)量大，這種非對(duì)稱的撲動(dòng)設(shè)計(jì)也會(huì)給樣機(jī)的平穩(wěn)性帶來(lái)困難。因此為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和增大樣機(jī)的可操作性，本課題在設(shè)計(jì)時(shí)采用控制尾翼來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和俯仰時(shí)所需的力矩，這種控制方法在固定翼飛行器上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其實(shí)用性和穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證。參考之前設(shè)計(jì)出的比較成功的仿生分布式驅(qū)動(dòng)撲翼器，尾翼的類型大致分為仿鳥(niǎo)單片式尾翼、平尾+垂尾和倒V型尾翼三種⑴］,如圖2-10所示。a）仿鳥(niǎo)單片式尾翼 b）平尾+垂尾 c）倒V型尾翼圖2-10常見(jiàn)的尾翼類型爾結(jié)合課題設(shè)計(jì)的功能需求，選擇能提供更大轉(zhuǎn)向力矩和俯仰力矩的平尾+垂尾的尾翼類型，其中平尾的作用主要是在飛行器進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，提供相應(yīng)的升力，例如在飛行器做上仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，平尾尾翼此時(shí)的俯仰角為負(fù)，產(chǎn)生負(fù)升力。垂尾的作用主要體現(xiàn)在飛行器轉(zhuǎn)向飛行時(shí)，配合撲翼樣機(jī)的副翼協(xié)調(diào)其轉(zhuǎn)向。這里僅給出大致的尾翼方案，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在樣機(jī)機(jī)身核心撲動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的，會(huì)在第四章中詳細(xì)給出。內(nèi)外翼扭轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)觀察海鷗飛行時(shí)的翅膀姿態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)海鷗在一次撲動(dòng)周期中翅膀的扭轉(zhuǎn)情況是有差異的，其伴隨著翅膀的上下?lián)鋭?dòng)有展向上的折展運(yùn)動(dòng)，還有弦向上的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且扭轉(zhuǎn)角的大小沿翼展方向上是不同的，通常是呈非線性變化。在下?lián)潆A段氣流相對(duì)翼型剖面形成正攻角，而在上撲階段翅膀內(nèi)段攻角為正，翅膀外段攻角為負(fù)。之前的撲翼樣機(jī)的設(shè)計(jì)往往都直接忽略掉內(nèi)翼的攻角扭轉(zhuǎn)，然而實(shí)際上在上撲階段內(nèi)段翼的攻角變化的作用是不可忽視的，故本課題采用了內(nèi)外翼扭轉(zhuǎn)獨(dú)立控制的設(shè)計(jì)方案，以求能更好的模擬海鷗的飛行姿態(tài)從而得到更好的仿生效果和氣動(dòng)性能。(1)外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參考之前的樣機(jī)設(shè)計(jì)中的外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，新設(shè)計(jì)的外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖4-6所示，整個(gè)外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由外翼?xiàng)U、扭轉(zhuǎn)舵機(jī)、外翼?xiàng)U固定件、舵機(jī)搖臂和外翼舵機(jī)支座構(gòu)成。其設(shè)計(jì)方案是，因?yàn)橥庖項(xiàng)U離撲動(dòng)中心較遠(yuǎn)，受到的振動(dòng)較小，為了減小機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)時(shí)外翼扭轉(zhuǎn)直接將外翼?xiàng)U作為扭轉(zhuǎn)桿，而不再增加額外的桿件。首先將外翼舵機(jī)支座通過(guò)螺釘和膠水固定在內(nèi)外翼的較接件上，舵機(jī)安裝在舵機(jī)支座上，舵機(jī)的輸出端與舵機(jī)搖臂相連，舵機(jī)搖臂與外翼?xiàng)U固定件用螺絲螺母連接，使其可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，外翼?xiàng)U固定件與外翼?xiàng)U之間用膠水進(jìn)行固連，這樣舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以通過(guò)舵機(jī)搖臂、外翼?xiàng)U固定件傳遞給外翼?xiàng)U，通過(guò)控制舵機(jī)的行程和角度變化就可以控制外翼?xiàng)U的扭轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)外翼上的攻角變化。(2)內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖4-7所示，整個(gè)內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由內(nèi)翼?xiàng)U、扭轉(zhuǎn)桿、扭轉(zhuǎn)支撐桿、連接件、扭轉(zhuǎn)桿固定件、舵機(jī)和舵機(jī)搖臂組成?？紤]到內(nèi)翼?xiàng)U離樣機(jī)撲動(dòng)中心很近，內(nèi)翼?xiàng)U在樣機(jī)撲動(dòng)時(shí)所受到的作用力和振動(dòng)遠(yuǎn)大于外翼?xiàng)U,此時(shí)如果像外翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣直接在桿上進(jìn)行扭轉(zhuǎn)則不可行，會(huì)影響內(nèi)翼上下?lián)鋭?dòng)的穩(wěn)定性。故本課題采用了一種全新的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然會(huì)略微增大整機(jī)質(zhì)量，但能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的內(nèi)翼主動(dòng)扭轉(zhuǎn)。其具體的設(shè)計(jì)方案是，將外翼舵機(jī)支座固定在減速機(jī)構(gòu)的機(jī)架上，扭轉(zhuǎn)桿與兩個(gè)內(nèi)翼翼型用膠水進(jìn)行固連，扭轉(zhuǎn)支撐桿用連接件分別連接扭轉(zhuǎn)桿和內(nèi)翼?xiàng)U，使整個(gè)內(nèi)翼扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在撲動(dòng)過(guò)程中與樣機(jī)保持在一個(gè)展向面上，并且內(nèi)翼段的兩個(gè)翼型前部與內(nèi)翼?xiàng)U之間不可固連，其兩者之前會(huì)有一個(gè)攻角的變化，需要在翼型前端對(duì)應(yīng)部分鏤空出相對(duì)應(yīng)的弧線。這樣，通過(guò)控制外翼舵機(jī)的輸出就可以通過(guò)舵機(jī)搖臂和扭轉(zhuǎn)桿固定件傳遞給扭轉(zhuǎn)桿，而扭轉(zhuǎn)桿與翼型固連，就可以通過(guò)舵機(jī)的輸出變化控制內(nèi)翼翼型的攻角變化，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣機(jī)內(nèi)翼段的扭轉(zhuǎn)控制。

三維建模設(shè)計(jì)軟件介紹SolidWorks是世界上第一個(gè)基于windows的三維CAD系統(tǒng)。SolidWorks順應(yīng)CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，成為近兩年來(lái)CAD/CAM行業(yè)最賺錢的公司。在良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持下，SolidWorks每年都有幾十項(xiàng)甚至上百項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，并獲得多項(xiàng)榮譽(yù)。從1995年到1999年，該系統(tǒng)在全球計(jì)算機(jī)平臺(tái)CAD系統(tǒng)評(píng)價(jià)中獲得第一名；從1995年到現(xiàn)在，該系統(tǒng)獲得了17個(gè)國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)，其中美國(guó)權(quán)威CAD專業(yè)雜志cadence連續(xù)四年獲得SolidWorks最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰其創(chuàng)新性，活力與質(zhì)樸。到目前為止，SolidWorks已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了易用性、穩(wěn)定性和創(chuàng)新性這三個(gè)原則。有了它，設(shè)計(jì)人員可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，快速有效地將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。SolidWorks憑借其卓越的技術(shù)和市場(chǎng)表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)耀眼的明星，也成為華爾街的寵兒。最后，在1997年，達(dá)索以3.1億美元的高市值收購(gòu)了SolidWorks。公司原有的風(fēng)險(xiǎn)投資家和股東，擁有1300萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，取得了較高的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。合并后，SolidWorks繼續(xù)保持原有品牌和獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的管理團(tuán)隊(duì)，成為CAD行業(yè)的一家高素質(zhì)專業(yè)公司。SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件已成為達(dá)索公司最具競(jìng)爭(zhēng)力的CAD產(chǎn)品。SolidWorks由于采用了windowsole技術(shù)、直觀的設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的Parasolid內(nèi)核（劍橋大學(xué)提供）以及與第三方軟件良好的集成技術(shù)，已經(jīng)成為世界上安裝最多、使用最好的軟件。數(shù)據(jù)顯示，全球共發(fā)放SolidWorks軟件許可證約28萬(wàn)份，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國(guó)防、交通運(yùn)輸、模具、電子通信、醫(yī)療器械、娛樂(lè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等行業(yè)。約31000家企業(yè)分布在全球100多個(gè)國(guó)家。在教育市場(chǎng)，來(lái)自全球4300所教育機(jī)構(gòu)的近14.5萬(wàn)名學(xué)生每年通過(guò)SolidWorks培訓(xùn)課程。據(jù)世界著名人才網(wǎng)站搜索顯示，與其他3DCAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關(guān)的招聘廣告比其他軟件的總和還要多。這客觀上說(shuō)明越來(lái)越多的工程師使用SolidWorks，越來(lái)越多的企業(yè)使用SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球用戶每年使用SolidWorks5500萬(wàn)小時(shí)。建立模型先對(duì)各個(gè)重要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成之后對(duì)其他零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行裝配。圖7-1部件建模展示圖7-2部件建模展示圖7-3裝配體建模展示

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