三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì),三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì),自由度,微型,飛行器,模擬,摹擬,轉(zhuǎn)臺(tái),設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
設(shè)計(jì)的模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度，有效載荷重量為300—500克，有效
載荷空間為Φ150mm，能夠模擬微型飛行器飛行時(shí)的航向角（偏轉(zhuǎn)角）、俯仰
角、橫滾角（滾轉(zhuǎn)角），模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1. 收集資料、撰寫開題報(bào)告 第1周-第2周
2. 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)方案的選擇及評(píng)價(jià) 第2周-第5周
3. 轉(zhuǎn)臺(tái)裝配圖及零件圖的設(shè)計(jì) 第5周-第10周
4. 相關(guān)外文翻譯 第10周-第11周
5. 撰寫畢業(yè)論文 第11周-第12周
Ⅳ 、主 要參考資料：
1 璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001；
2 孫桓，陳作模主編.機(jī)械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2002；
3 徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12；
4 王昆等主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：高等教育出版社，2004；
航空工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)類 0881054 班
學(xué)生（簽名）：
填寫日期： 2012 年 3 月 10 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
系主任（簽名）：
附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書首頁(yè)。
學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名： 鄒金生 日期：2012年5月30日
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
作者簽名： 鄒金生 日期：2012年5月30日
導(dǎo)師簽名： 日期：2012年5月30日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目： 三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)
系 別： 航空與機(jī)械工程系
專業(yè)名稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào)： 088105442
學(xué)生姓名： 鄒金生
指導(dǎo)教師： 朱保利
二O一 二 年 五 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 088105442
學(xué) 生 姓 名 鄒金生
指 導(dǎo) 教 師 朱保利
填 表 日 期 2012 年 3 月 12 日
一、選題的依據(jù)及意義：
選題的依據(jù)
隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)水平的提高，逐步的由大型化轉(zhuǎn)向小型化，轉(zhuǎn)化成微型化。在此發(fā)展的過(guò)程中，機(jī)械制造技術(shù)的水平與制造業(yè)也得到了有個(gè)較快的發(fā)展，它反映的是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平。新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使得新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，與原有的事物相比，其體積是越來(lái)越小。機(jī)械工業(yè)歷來(lái)都是發(fā)達(dá)國(guó)家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)。從70年代開始，由于各國(guó)政府重視和發(fā)展高新技術(shù)，特別是微電子技術(shù)，微機(jī)技術(shù)的引入，使傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生了質(zhì)的變化，使其煥發(fā)了新的生命，形成了一個(gè)嶄新的現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)。
一個(gè)國(guó)家需安全、穩(wěn)定，其國(guó)防技術(shù)就不能落后于其它國(guó)家。目前，各國(guó)在國(guó)防建設(shè)的投入是越來(lái)越多，逐年增加，為的就是研制出新的產(chǎn)品，使自己有優(yōu)越于其他國(guó)家?，F(xiàn)代軍隊(duì)的裝備越來(lái)越重視其輕型化、技術(shù)化、現(xiàn)代化等。如：微型沖鋒槍、微型機(jī)器人等。飛機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是必不可少的，其發(fā)展趨勢(shì)也是向無(wú)人駕駛，微型化發(fā)展。
在微型飛行器的研制過(guò)程中，飛行仿真實(shí)驗(yàn)是必不可少的重要步驟。飛行仿真實(shí)驗(yàn)主要分為測(cè)試飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)性能的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和測(cè)試飛機(jī)動(dòng)態(tài)控制性各種機(jī)載傳感器性能的地面半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)。只有通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，獲取足夠多的飛行器性能數(shù)據(jù)，確證飛行器的外形設(shè)計(jì)符合動(dòng)力學(xué)要求，控制系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性以及各種機(jī)載穩(wěn)定性以及各種機(jī)載儀器能夠在模擬工作環(huán)境中正常工作，才能進(jìn)行飛行器的試飛工作。
我國(guó)也在研制開發(fā)微型飛行器的行列中的一員，因此也就需要進(jìn)行飛行仿真實(shí)驗(yàn)必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——模擬轉(zhuǎn)臺(tái)。為了加快我國(guó)微型飛行器的事業(yè)的發(fā)展，我選擇了三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題。
課題的意義
在微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，三軸搖擺臺(tái)是半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。它可以按照實(shí)驗(yàn)要求，提供飛行器飛行時(shí)的航向角、俯仰角、橫滾角以及飛行擾動(dòng)，實(shí)時(shí)模擬飛行器在空氣飛行的姿態(tài)。通過(guò)模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測(cè)試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動(dòng)時(shí)控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時(shí)，還可以測(cè)試飛行器攜帶的機(jī)載傳感器在模擬飛行條件下的工作狀況。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：
目前，在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的研究開發(fā)方面，多采用齒輪傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般是三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)能提供飛行器飛行時(shí)的航向角（偏轉(zhuǎn)角）、俯仰角、橫滾角（滾轉(zhuǎn)角），即只有三個(gè)自由度。這種三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，并不能完全模擬飛行器在空中的姿態(tài)。它采用三層轉(zhuǎn)臺(tái)提供三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際使用時(shí)，由三個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。下層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的航向角，中層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的俯仰角，上層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的橫滾角。
飛行器在空中飛行時(shí)，有六自由度，所以在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)是具有五個(gè)或六個(gè)自由度，要能真實(shí)的模擬飛行器在空中受到的各種力以及影響，并且使其智能化，即由計(jì)算機(jī)控制，以增加模擬的準(zhǔn)確性。
三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
研究?jī)?nèi)容：
1．搜集畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，包括參考圖紙、技術(shù)論文及外文資料。
2．對(duì)相關(guān)類型的模擬轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析比較，并確定出新的傳動(dòng)方案，繪制出相應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)圖。
3．繪制結(jié)構(gòu)圖，包括展開圖和剖截圖，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的計(jì)算。
4．綜合計(jì)算結(jié)果及圖，進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。
5．確定方案并進(jìn)性設(shè)計(jì)記錄的修改、整理。
6．繪制總裝配圖。
7．確定驅(qū)動(dòng)方式，并確定驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源。
8．撰寫說(shuō)明書。
9．翻譯外文資料。
實(shí)驗(yàn)方案：
方案一、方案二、方案三：
方案一中，主要采用的是齒輪、軸機(jī)構(gòu)。把實(shí)現(xiàn)其功能分為三層轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，各層轉(zhuǎn)臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。方案一中存在較多的缺陷：一是機(jī)構(gòu)不夠緊湊，實(shí)現(xiàn)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)功能是靠的是支架，這樣不但不好定位而且使整個(gè)機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；二是實(shí)驗(yàn)時(shí)，三層轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心必須是在飛行器的運(yùn)動(dòng)中心上的，而此機(jī)構(gòu)較難以保證。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心較難控制，難以保證三軸同心。所以此運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上是不合理的，不能在實(shí)踐中得到運(yùn)用。
方案二中，采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。這是利用了蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)中心較容易控制，設(shè)計(jì)過(guò)程中當(dāng)中，應(yīng)使飛行器的工作轉(zhuǎn)臺(tái)位于蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)中心，這樣就可以確保同心的要求。在第一層轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)中，采用嚙合作用，使整個(gè)上層轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)中心同樣也是在飛行器的運(yùn)動(dòng)中心之上的。在此機(jī)構(gòu)當(dāng)中還采用了軟軸機(jī)構(gòu)，充分利用了軟軸的旋轉(zhuǎn)特性。利用軟軸來(lái)模擬飛行器的橫滾，軟軸直接連接于工作臺(tái)之上的，同時(shí)也可以直接的與步進(jìn)電機(jī)連接，使整個(gè)機(jī)構(gòu)較為緊湊。驅(qū)動(dòng)軟軸的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿的電機(jī)列于運(yùn)動(dòng)中心兩側(cè)，這樣有利于整個(gè)工作轉(zhuǎn)臺(tái)的平衡，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高精度，同時(shí)也便于三軸的同心。此方案總結(jié)來(lái)說(shuō)比較合理，在實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的同時(shí)，也確保了其運(yùn)動(dòng)中心在同一軸線上。能較好的確保運(yùn)動(dòng)精度和準(zhǔn)確度。
方案三第一層轉(zhuǎn)臺(tái)采用齒輪嚙合，保證工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心在齒輪的運(yùn)動(dòng)中心，再利用兩根軟軸來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)，與兩根軟軸連接的步進(jìn)電機(jī)分布于軸的兩端，便于平衡，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其精確度較高。
總述三種方案，方案三較為方便、緊湊。設(shè)計(jì)過(guò)程中也較為簡(jiǎn)單在本書中就不予于設(shè)計(jì)與介紹。在本書中主要介紹方案二。對(duì)方案二的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：
1） 設(shè)計(jì)的模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度，有效載荷重量為300—500克，有效載荷空間為Φ150mm，能夠模擬微型飛行器飛行時(shí)的航向角（偏轉(zhuǎn)角）、俯仰角、橫滾角（滾轉(zhuǎn)角）以及飛行擾動(dòng)，實(shí)時(shí)模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。
2） 繪制的結(jié)構(gòu)圖包括展開圖和剖截圖。
3） 翻譯的外文資料應(yīng)在五千字符以上。
4） 所擬設(shè)計(jì)中涉及標(biāo)準(zhǔn)一律執(zhí)行國(guó)標(biāo)（新）和ISO。
特色：較高的精度，便于控制，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。
工作進(jìn)度：
1） 收集資料、撰寫開題報(bào)告 第1周-第2周
2） 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)方案的選擇及評(píng)價(jià) 第2周-第5周
3） 轉(zhuǎn)臺(tái)裝配圖及零件圖的設(shè)計(jì) 第5周-第10周
4） 相關(guān)外文翻譯 第10周-第11周
5） 撰寫畢業(yè)論文 第11周-第12周
五、參考文獻(xiàn)
（1） 許洪基，雷光主編 現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè) 第2版 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社 2002
（2）鄧星鐘 主編 機(jī)電傳動(dòng)控制（第三版） 武漢：華中科技大學(xué)出版社 2001年
（3）濮良貴，紀(jì)名剛 主編 機(jī)械設(shè)計(jì) 第7版 北京：高等教育出版社 2001
（4）孫桓，陳作模 主編 機(jī)械原理 第5版 北京：高等教育出版社
（5）王世剛 主編 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社2001
（6）王啟義 主編 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 北京：冶金工業(yè)出版社 2002
（7）李振清 主編 機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 兵器工業(yè)出版社出版
（8）王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn) 主編 機(jī)械設(shè)計(jì)-機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 北京： 高等教育出版社，1996
（9）唐金松 主編 簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第2版 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社 2000
（10）中國(guó)紡織大學(xué)工程圖學(xué)教研室等編 畫法幾何及工程制圖 第四版上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1999
三自由度微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：鄒金生 班 級(jí)：0881054
指導(dǎo)老師：朱保利
摘要：在微型飛行器的研制過(guò)程中，飛行仿真實(shí)驗(yàn)是必不可少的，飛行仿真實(shí)驗(yàn)主要分為測(cè)試飛機(jī)動(dòng)力性能的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和測(cè)試飛機(jī)動(dòng)態(tài)控制性能。三軸搖擺臺(tái)是半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。
本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于微型飛行器半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)的多功能飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)可作為低速扎的三軸搖擺臺(tái)，也可以作為高速旋轉(zhuǎn)的一維旋轉(zhuǎn)臺(tái)使用，轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的軸系來(lái)實(shí)現(xiàn)所需模擬的三個(gè)轉(zhuǎn)角。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)中采用了齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、軟軸機(jī)構(gòu)來(lái)模擬其三個(gè)運(yùn)動(dòng)。
本產(chǎn)品的主要功能是在控制系統(tǒng)的作用下，能精確做如下運(yùn)動(dòng)：手動(dòng)步進(jìn)，手動(dòng)步退，自動(dòng)步進(jìn)，自動(dòng)步退。所設(shè)計(jì)的模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、可控性較好、功能也較強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵字：飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái) 仿真實(shí)驗(yàn) 微型飛行器 搖擺臺(tái)
指導(dǎo)老師簽名：
A Small Flight Simulator with three-axes
Name: Zou Jin Sheng Class: 088105442
Supervisor： Bao li Zhu
Abstract: In miniature aircraft research and manufacture process, flying imitate experiment is essential , flying imitate experiment primarily includes experiment for check the airplane motive function and check airplane dynamic control fuction.
A semi-substance simulation test system is developed for the text and experiment of micro sensors and micro measuring units used in micro aerial vehicles. The simulator is designed with double functions. The bottom mechanism provides yawing angular motions. The middle mechanism provides pitching angular motion. And the top mechanism provides rolling angular motion. When the bottom mechanism is used individually, the system works as a rotating table. The mechanical system is constructed with three independent axes to fulfill the corresponding three angular motions. It adopted gear organization, worm, soft stalk organization to imitate three movement in the design.
The main function of this product is under the control system, can do movement accurately as follows :step forward as hand control, step backward as hand control, step forward automatically, step backward automatically. The designing turns have advantages such as constructed tightly ,can be manipulated conveniently, is well controled , and have powerful fuction etc.
Key words: Flight simulator Semi-substance simulator
MAV(micro aerial vehicles) Simulator
Supervisor：
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
目 錄
1 前言………………………………………………………………………………….............. ( 1)
1.1 模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的簡(jiǎn)介........................................................................................ ( 1)
1.2 研究概況及發(fā)展趨勢(shì).......................................................................... .( 2)
1.3 研究?jī)?nèi)容……………………………………………………………………………... .( 2)
2 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)方案的選擇價(jià)…………………………………………………... ( 3)
2.1 控制臺(tái)的功能分析………………………………………………………... ( 3)
2.2 方案的選擇和評(píng)價(jià)……………………………………………………………................ ( 3)
3 原理設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)………………………………………………………............ (13)
3.1 原理一……………………………………………………………......................(13)
3.2 原理二……………………………………………………………......................(15)
3.3 原理三……………………………………………………………......................(17)
3.4 總述方案……………………………………………………………..................(18)
3.5 方案二的介紹……………………………………………………………...........(19)
4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………..........(21)
4.1 失效形式…………………………………………………………....................(21)
4.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則……………………………………………………………...................(22)
4.3 齒輪設(shè)計(jì)……………………………………………………………...................(23)
5 蝸桿蝸輪設(shè)計(jì)…………………………………………………………..........(28)
5.1 蝸桿傳動(dòng)簡(jiǎn)介…………………………………………………………........... (28)
5.2 蝸桿傳動(dòng)的失效形式…………………………………………………….....(29)
5.3 蝸桿傳動(dòng)的材料選擇……………………………………………….......... .(29)
5.4 蝸桿計(jì)算…………………………………………………………….................(30)
6 軟軸設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………………………........ .(34)
6.1 鋼絲軟軸的簡(jiǎn)介…………………………………………………………....(34)
6.2 鋼絲軟軸的選擇與算…………………………………………………...... (36)
7 軟軸的校核…………………………………………………………................(37)
7.1 按扭矩強(qiáng)度校核……………………………………………………….....(37)
7.2 按彎扭合成強(qiáng)度條核…………………………………………………...(37)
8 總結(jié)……………………………………………………..........................................(39)
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………...................... (41)
致謝…………………………………………………………………………………………… (42)
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 前 言
§1.1模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的簡(jiǎn)介
微型飛行器（Micro Aerial Vehicles 或Micro Air Vehicles,簡(jiǎn)稱MAVs）的概念最初是美國(guó)科學(xué)家布魯諾 ?W?奧根斯坦在1992年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency簡(jiǎn)稱DARPA）主持的一次未來(lái)軍事會(huì)議上提出的?，F(xiàn)代的微型飛行器具有尺寸小、重量輕、隱身性能好、自主飛行，實(shí)時(shí)傳輸圖象等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在軍事、消防、交通等領(lǐng)域有獨(dú)特的應(yīng)用。
隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)水平的提高，逐步的由大型化轉(zhuǎn)向小型化，轉(zhuǎn)化成微型化。在此發(fā)展的過(guò)程中，機(jī)械制造技術(shù)的水平與制造業(yè)也得到了有個(gè)較快的發(fā)展，它反映的是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平。新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使得新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，與原有的事物相比，其體積是越來(lái)越小。機(jī)械工業(yè)歷來(lái)都是發(fā)達(dá)國(guó)家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)。從70年代開始，由于各國(guó)政府重視和發(fā)展高新技術(shù)，特別是微電子技術(shù)，微機(jī)技術(shù)的引入，使傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生了質(zhì)的變化，使其煥發(fā)了新的生命，形成了一個(gè)嶄新的現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)。
一個(gè)國(guó)家需安全、穩(wěn)定，其國(guó)防技術(shù)就不能落后于其它國(guó)家。目前，各國(guó)在國(guó)防建設(shè)的投入是越來(lái)越多，逐年增加，為的就是研制出新的產(chǎn)品，使自己有優(yōu)越于其他國(guó)家?，F(xiàn)代軍隊(duì)的裝備越來(lái)越重視其輕型化、技術(shù)化、現(xiàn)代化等。如：微型沖鋒槍、微型機(jī)器人等。飛機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是必不可少的，其發(fā)展趨勢(shì)也是向無(wú)人駕駛，微型化發(fā)展。
在微型飛行器的研制過(guò)程中，飛行仿真實(shí)驗(yàn)是必不可少的重要步驟。飛行仿真實(shí)驗(yàn)主要分為測(cè)試飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)性能的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和測(cè)試飛機(jī)動(dòng)態(tài)控制性能以及各種機(jī)載傳感器性能的地面半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)。只有通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，獲取足夠多的飛行器性能數(shù)據(jù)，確證飛行器的外形設(shè)計(jì)符合動(dòng)力學(xué)要求，控制系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性以及各種機(jī)載穩(wěn)定性以及各種機(jī)載儀器能夠在模擬工作環(huán)境中正常工作，才能進(jìn)行飛行器的試飛工作。
三軸搖擺臺(tái)是半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。它可以按照實(shí)驗(yàn)要求，提供飛行器飛行時(shí)的航向角、俯仰角、橫滾角以及飛行擾動(dòng)，實(shí)時(shí)模擬飛行器在空氣飛行的姿態(tài)。通過(guò)模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測(cè)試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動(dòng)時(shí)控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時(shí)，還可以測(cè)試飛行器攜帶的機(jī)載傳感器在模擬飛行條件下的工作狀況。
§1.2 研究概況及發(fā)展趨勢(shì)
目前，在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的研究開發(fā)方面，多采用齒輪傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般是三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)能提供飛行器飛行時(shí)的航向角（偏轉(zhuǎn)角）、俯仰角、橫滾角（滾轉(zhuǎn)角），即只有三個(gè)自由度。這種三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，并不能完全模擬飛行器在空中的姿態(tài)。它采用三層轉(zhuǎn)臺(tái)提供三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際使用時(shí)，由三個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。下層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的航向角，中層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的俯仰角，上層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的橫滾角。
飛行器在空中飛行時(shí)，有六自由度，所以在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)是具有五個(gè)或六個(gè)自由度，要能真實(shí)的模擬飛行器在空中受到的各種力以及影響，并且使其智能化，即由計(jì)算機(jī)控制，以增加模擬的準(zhǔn)確性。
§1.3 研究?jī)?nèi)容
1．搜集畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，包括參考圖紙、技術(shù)論文及外文資料。
2．對(duì)相關(guān)類型的模擬轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析比較，并確定出新的傳動(dòng)方案，繪制出相應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)圖。
3．繪制結(jié)構(gòu)圖，包括展開圖和剖截圖，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的計(jì)算。
4．綜合計(jì)算結(jié)果及圖，進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。
5．確定方案并進(jìn)性設(shè)計(jì)記錄的修改、整理。
6．繪制總裝配圖。
7．確定驅(qū)動(dòng)方式，并確定驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源。
8．撰寫技術(shù)論文及設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
9．翻譯外文資料。
2 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)方案的選擇及評(píng)價(jià)
§2.1 控制臺(tái)的功能分析：
微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的有效載荷重量為300—500克，有效載荷空間為Φ150mm，能夠模擬微型飛行器飛行時(shí)的偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)，以及飛行擾動(dòng)，實(shí)時(shí)模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。通過(guò)模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測(cè)試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動(dòng)時(shí)控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時(shí)還可以測(cè)試飛行器攜帶的機(jī)載傳感器在模擬飛行條件下的工作狀況。
由于在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)要根據(jù)飛行器在空中飛行的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，所以，在傳動(dòng)方面要比較精確。設(shè)計(jì)要求中，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度。要實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度大致把它分為三個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)（上、中、下）實(shí)現(xiàn)，控制飛行器的偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)精度要較高，轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移分辨率要低，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)角度范圍要符合設(shè)計(jì)要求。所以要求轉(zhuǎn)動(dòng)的三軸必須共點(diǎn)，同時(shí)要求中層轉(zhuǎn)臺(tái)和上層轉(zhuǎn)臺(tái)有較高的同軸度、等高度。對(duì)要求轉(zhuǎn)動(dòng)的在以各種速度轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，過(guò)渡過(guò)程要較迅速。直線運(yùn)動(dòng)的速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)。直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)渡過(guò)程要迅速、平穩(wěn)。
§2.2 方案的選擇及評(píng)價(jià)：
§2.2.1執(zhí)行部分
由于在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)要載著微型飛行器在風(fēng)洞中模擬空中姿態(tài)，所以，轉(zhuǎn)臺(tái)的執(zhí)行部分只需一平臺(tái)即可， 工作平臺(tái)要能提供三個(gè)自由度的需要。有效載荷空間為Φ25mm（設(shè)計(jì)要求）。模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要平穩(wěn)，水平度要好。
（1） 原動(dòng)部分
電動(dòng)機(jī)種類的選擇的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)特性要求的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)種類選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容：
(a) 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。它應(yīng)與所拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性相匹配。
(b) 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。它包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面，它們都應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。
(c) 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。不同的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能有不同的要求，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能主要是轉(zhuǎn)矩的大小，同時(shí)還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限量。
(d) 電動(dòng)機(jī)的電源種類。采用交流電源比較方便，而直流電源一般需要有整流設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，所以交流電動(dòng)機(jī)在這方面比直流電動(dòng)機(jī)要優(yōu)越。
(e) 電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。一是電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備（如：?jiǎn)?dòng)設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等）的經(jīng)濟(jì)性，也就是要考慮電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)各個(gè)方面運(yùn)行性要求的前提下，優(yōu)選價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)；二是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，主要是效率高，節(jié)省電能。目前，各種形式的電動(dòng)機(jī)在我國(guó)應(yīng)用非常廣泛。
由于在實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)臺(tái)工作精度要求較高，控制要簡(jiǎn)單，所以要選擇工作精度高，控制方便的電機(jī)?？刂品奖愕碾姍C(jī)有控制電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。
控制電機(jī)一般指用于自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)距離測(cè)量、隨動(dòng)系統(tǒng)以及計(jì)算裝置中的微特電機(jī)。它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的小功率電機(jī)，就電磁過(guò)程及所遵循的基本規(guī)律而言，它與旋轉(zhuǎn)電機(jī)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是所起的作用不同。控制電機(jī)主要用來(lái)完成控制信號(hào)的傳遞和變換，它的技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、動(dòng)作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少。兩相交流伺服電機(jī)控制方法有：（1）副值控制；（2）相位控制；（3）副值—相位控制。它的輸出功率一般在：0.1W-100W, 其電源頻率有50Hz、400Hz等幾種。質(zhì)量；直流伺服電機(jī)用在功率較大的場(chǎng)合，它的輸出功率為1W-600W。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)每輸出一個(gè)并經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)線路放大的電脈沖信號(hào)加于步進(jìn)電機(jī)繞組時(shí)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一相應(yīng)角度。脈沖一個(gè)一個(gè)地輸入，電動(dòng)機(jī)便一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。由于這種電動(dòng)機(jī)受控于電脈沖信號(hào)，通常又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（a） 行轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且在負(fù)載能力范圍不受電壓波動(dòng)、電流波形及環(huán)境溫度變化的影響，
（b） 位移量取決于輸入脈沖數(shù)，步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期累積，在不失步的情況下，每轉(zhuǎn)一周積累誤差等于零。
（c） 具有靈活的控制性能，在脈沖數(shù)字信號(hào)控制下，能方便的實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、減速、停止、反轉(zhuǎn)、定位等運(yùn)行方式。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位移量與輸入的脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，這就不會(huì)引起誤差的積累，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距角有關(guān)。控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各先相繞組的接通次序，可以得到各種需要的運(yùn)動(dòng)特性。尤其是當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與數(shù)字系統(tǒng)配套時(shí)，它將體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性，因而，廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化儀表、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線中，在定量、定長(zhǎng)、定位、對(duì)中、糾偏、測(cè)距等控制方面得到了很廣泛的應(yīng)用。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，主要有反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)子式、機(jī)械諧波式、電感諧波式以及混合式等。由于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小、工作可靠、運(yùn)行頻率高，應(yīng)用最為廣泛。
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁材料制成。定子上有多相勵(lì)磁繞組，按一定順序通電后產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其結(jié)構(gòu)分為軸向分相、圓周分相和混合分相三種類型，按其磁路結(jié)構(gòu)可分為軸向氣隙和徑向氣隙兩種類型。
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以按特定的指令進(jìn)行角度控制，也可以進(jìn)行速度控制。角度控制時(shí)，每輸入一個(gè)脈沖，定子繞組換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移與脈沖數(shù)成正比。速度控制時(shí)，各相繞組不斷輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速只取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。而與電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式選定后，其轉(zhuǎn)速只與輸入脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，故可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自鎖能力，當(dāng)控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通入直流時(shí)，則電動(dòng)機(jī)可以保持在固定的位置上，這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車時(shí)轉(zhuǎn)子的定位。
綜上所述，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件變化的影響，只與控制脈沖同步，同時(shí)，它又能按照控制的要求進(jìn)行啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)或改變速度，這就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的原因。
對(duì)比兩種電機(jī)可見，在控制方面，步進(jìn)電機(jī)比控制電機(jī)控制簡(jiǎn)單、方便，更易于數(shù)字化。在精度方面，步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)精度高于控制電機(jī)，性能比控制電機(jī)更優(yōu)越。
所以，在微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中，采用步進(jìn)電機(jī)。
（2）傳動(dòng)部分 由控制臺(tái)的性能分析可知，系統(tǒng)需要三個(gè)自由度：
能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有：嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)。
嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。
齒輪傳動(dòng)可用來(lái)傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并且有功率范圍大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確、穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng),工作安全可靠,結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。
蝸桿傳動(dòng)是用來(lái)傳遞空間交錯(cuò)兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)、沖擊和噪音很小，能以單級(jí)傳動(dòng)獲得較大的傳動(dòng)比，結(jié)構(gòu)緊湊，蝸輪蝸桿嚙合輪齒間相對(duì)滑動(dòng)速度大，摩擦損耗較大，傳動(dòng)效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱和溫升過(guò)高的現(xiàn)象，磨損較嚴(yán)重，有些蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性。
鏈傳動(dòng)由鏈條和主、從動(dòng)鏈輪所組成。鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，因而能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率較高；結(jié)構(gòu)較為緊湊，安裝要求較底，成本低廉。鏈傳動(dòng)的主要的缺點(diǎn)是：在兩根平行軸只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪音；不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動(dòng)中應(yīng)用。
鏈傳動(dòng)通常用在工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其它不宜采用齒輪傳動(dòng)的地方，還用在對(duì)傳動(dòng)要求不高而工作條件惡劣的地方。
摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括帶傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)等。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，造價(jià)低廉以及緩沖吸振、有過(guò)載保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)比不準(zhǔn)確，傳遞效率低等。
連桿傳動(dòng)，如雙曲柄機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)等。 連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，人造衛(wèi)星太陽(yáng)能板的展開機(jī)構(gòu)，機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，折疊傘的收放機(jī)構(gòu)以及人體假肢等等，都是連桿機(jī)構(gòu)。其傳動(dòng)特點(diǎn)如下：
(a)連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副，低副兩元素為面接觸，可在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強(qiáng)較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤(rùn)滑，所以兩元素間不易產(chǎn)生磨損。此外，低副兩元素的幾何形狀比較簡(jiǎn)單，便于加工制造。
(b)在連桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)原動(dòng)件以同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度關(guān)系，便可使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
(c)在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上不同點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的曲線（連桿曲線），而且隨著各構(gòu)件相對(duì)長(zhǎng)度關(guān)系的改變，這些連桿曲線的形狀也將改變，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們就可以利用這些曲線來(lái)滿足不同軌跡的要求。
(d)連桿機(jī)構(gòu)還可以很方便地用來(lái)達(dá)到增力、擴(kuò)大行程和實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)等目的。
連桿傳動(dòng)的缺點(diǎn)：
(a)由于在連桿機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)必須經(jīng)過(guò)中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞，因而連桿機(jī)構(gòu)一般具有較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)鏈(即較多的構(gòu)件和較多的運(yùn)動(dòng)副)，所以各構(gòu)件的尺寸誤差和運(yùn)動(dòng)副中的間隙將使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的積累誤差，同時(shí)也會(huì)使機(jī)械效率降低。
(b)在連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，連桿及滑塊的質(zhì)心都在作變速運(yùn)動(dòng)，它們所產(chǎn)生的慣性力難于用一般的平衡方法加以消除，因而會(huì)增加機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷，所以連桿機(jī)構(gòu)一般不宜用于高速運(yùn)動(dòng)。
(c)雖然利用連桿機(jī)構(gòu)可以滿足各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求，但設(shè)計(jì)一種能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這種要求的連桿機(jī)構(gòu)卻是十分繁難的，而且在多數(shù)情況下一般只能近似地滿足運(yùn)動(dòng)要求。
所以，連桿機(jī)構(gòu)多用于有特殊需要的地方。
綜上所述，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以用齒輪傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)，連桿傳動(dòng)的特點(diǎn)如上所述。齒輪機(jī)構(gòu)它具有：
（a）效率高：在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，它的傳動(dòng)效率為最高，如一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá)99%。
（b）結(jié)構(gòu)緊湊：在同樣的條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。
（c）工作可靠、壽命長(zhǎng)：設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可長(zhǎng)達(dá)一、二十年，這是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。
（d）傳動(dòng)比穩(wěn)定：傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一點(diǎn)。
但齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。
由于在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)要根據(jù)飛行器在空中飛行的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，所以，在傳動(dòng)方面要比較精確。初步確定，用齒輪傳動(dòng)。設(shè)計(jì)要求中，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度。轉(zhuǎn)動(dòng)精度要較高，轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移分辨率要低，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)角度范圍要符合設(shè)計(jì)要求。在以各種速度轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，過(guò)渡過(guò)程要較迅速。直線運(yùn)動(dòng)的速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)。直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)渡過(guò)程要迅速、平穩(wěn)。
現(xiàn)代的眾多的結(jié)構(gòu)中使用鋼絲軟軸。鋼絲軟軸主要用于兩個(gè)傳動(dòng)件的軸線不在同一直線上，或工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)。鋼絲軟軸是由多組鋼絲分層卷繞而成的，具有良好的撓性，可以把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳到不開的空間位置。
微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)要求，轉(zhuǎn)動(dòng)的三軸共點(diǎn)，這是為了是實(shí)驗(yàn)時(shí)，飛行器能在較小的范圍內(nèi)（風(fēng)洞中）模擬空中的姿態(tài)。
§1.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇及評(píng)價(jià)
能用在轉(zhuǎn)動(dòng)中的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖1.1
大齒輪做成半個(gè)圓弧狀的。當(dāng)小齒輪來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)半弧齒輪來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，由于工作臺(tái)的中心是從動(dòng)件的圓心，半弧齒輪來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)繞從動(dòng)件的圓心來(lái)回?cái)[動(dòng)。從而能模擬俯仰運(yùn)動(dòng)。
蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的簡(jiǎn)圖如下圖：
圖1.2
蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。
連桿機(jī)構(gòu)如下圖所示：
1.3圖
連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)飛行器的運(yùn)動(dòng)。但是連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈較長(zhǎng)，機(jī)械效率較低，不能作為高速傳動(dòng)。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖1.4
小齒輪為主動(dòng)輪，大齒輪為從動(dòng)輪。小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在大齒輪上的其它構(gòu)件的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作平臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬微型飛行器的偏航角。
凸輪可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下：
圖1.5
凸輪通常作等速轉(zhuǎn)動(dòng),也可做往復(fù)擺動(dòng)或往復(fù)直線移動(dòng)。在這里主要是利用凸輪的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
帶傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖1.6
帶傳動(dòng)時(shí)，是由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合）拖動(dòng)從動(dòng)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳遞一定的動(dòng)力。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低，緩沖吸振。但所占的空間較大，傳動(dòng)不夠精確。
軟軸結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1.7
軟軸主要用于兩個(gè)傳動(dòng)件的軸線不在同一直線上，或工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)。
軟軸的一端可直接接電動(dòng)機(jī)，另一端可以直接接工作轉(zhuǎn)臺(tái)。軟軸還可以在軟管之內(nèi)任意的旋轉(zhuǎn)，可以產(chǎn)生扭矩作用于構(gòu)件上，帶動(dòng)工作臺(tái)直接轉(zhuǎn)動(dòng)。
綜上所訴，初步可選運(yùn)動(dòng)方案如下：
運(yùn)動(dòng)名稱
偏航運(yùn)動(dòng)
俯仰運(yùn)動(dòng)
橫滾運(yùn)動(dòng)
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1
齒輪機(jī)構(gòu)1.4
齒輪機(jī)構(gòu)1.1
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2
齒輪機(jī)構(gòu)1.4
蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)1.2
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3
齒輪機(jī)構(gòu)1.4
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
下一章對(duì)所選的運(yùn)動(dòng)方案的原理進(jìn)行分析。
3原理設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)
§3.1原理一：
原理如圖所示：
注：（1）各軸的驅(qū)動(dòng)源均是步進(jìn)電極
（2）微型飛行器的俯仰遠(yuǎn)動(dòng)由軟軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟軸直接連接工作臺(tái)，在此圖未表達(dá)出來(lái)。
（3）一些元件的固定裝置未表現(xiàn)出來(lái)。
（4）步進(jìn)電機(jī)的安裝在上圖未表示出來(lái)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，第一層轉(zhuǎn)臺(tái)由大小齒輪聯(lián)合作用，使其轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬微型飛行器的航向角。小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)中，采用電機(jī)與軸的聯(lián)合作用，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器與軸相聯(lián)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸由兩個(gè)軸承座支撐，使軸能夠順利的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)兩根固定架與軸相連，固定架上支撐著第二層轉(zhuǎn)臺(tái)，軸轉(zhuǎn)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)微型器的翻滾運(yùn)動(dòng)。第三層轉(zhuǎn)臺(tái)是實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰角，由軟軸帶動(dòng)。第三層轉(zhuǎn)臺(tái)是固定在第二層轉(zhuǎn)臺(tái)上的，也是通過(guò)固定架支撐，第三層轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)也是模擬飛行器的工作臺(tái)，通過(guò)軟軸的聯(lián)接、轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰角。
總體上講，此方案能基本實(shí)現(xiàn)微型飛行器的三個(gè)自由度，航向、俯仰、翻滾，但由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不夠緊湊，在外觀方面不夠美觀。最為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)飛行器三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)中心必須在飛行器的中心，上述方案中，由于第二層轉(zhuǎn)臺(tái)是由軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)中心難以確定在飛行器的中心，故飛行器的轉(zhuǎn)動(dòng)不合理，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)與制造也會(huì)造成很大的難度，所以此方案不能選擇。
§3.2原理二：
原理圖2
注：（1）第一層轉(zhuǎn)臺(tái)、蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
（2）軟軸在圖上不便表達(dá)。軟軸直接接到工作臺(tái)上，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
（3）步進(jìn)電機(jī)的安裝在上圖上未表示出來(lái)。
方案2是在方案1的基礎(chǔ)之上把第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)改用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，由于蝸輪蝸桿在運(yùn)動(dòng)中其運(yùn)動(dòng)的中心較為好確定，故考慮到用這種機(jī)構(gòu)，但是采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)模擬的是微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。
第一層轉(zhuǎn)臺(tái)利用軸與齒輪的配合作用。小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)嚙合使大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，軸通過(guò)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)軸本身的運(yùn)動(dòng)，軸的運(yùn)動(dòng)也就帶動(dòng)了整個(gè)工作轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模擬飛行器的航向角。
在第二層轉(zhuǎn)臺(tái)中采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。蝸輪兩邊固定在兩板之上的，保證其中心在蝸桿蝸輪的運(yùn)動(dòng)中心上，也就是飛行器的運(yùn)動(dòng)中心上，在蝸輪上安裝一根支桿，直接與工作臺(tái)連接，也是通過(guò)這根支桿使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。為了能確保蝸輪和擺幅軌跡的準(zhǔn)確性，利用螺桿來(lái)定其運(yùn)動(dòng)軌跡和定位，使其能準(zhǔn)確的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)使蝸輪做來(lái)回運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。為了確保飛行器在風(fēng)洞中的運(yùn)動(dòng)不受影響，蝸輪蝸桿的安裝應(yīng)該偏離飛行器的運(yùn)動(dòng)中心，然后利用一根支桿伸出確保三個(gè)自由度的中心在飛行器運(yùn)動(dòng)的中心。
第三層轉(zhuǎn)臺(tái)由軟軸直接與工作臺(tái)連接（在原理圖上未能表示出來(lái)），軟軸直接由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軟軸的電機(jī)安裝在下層大齒輪之上。
在此方案中，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的三個(gè)自由度，也能保證實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)中心均在飛行器的中心，能夠滿足模擬飛行器飛行的要求。在此方案中主要是利用了蝸輪蝸桿的中心就是工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心，這樣便于共心，第二就是利用了軟軸的特性，可以直接的與工作臺(tái)、電動(dòng)機(jī)連接，軟軸還可以任意旋轉(zhuǎn)。故此方案較第一種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，同時(shí)也便于運(yùn)動(dòng)中心的確定。
§3.3原理三：
原理圖：
注：（1）電動(dòng)機(jī)在圖示中未表示出來(lái)。
（2）軟軸由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，小齒輪也由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
方案三的原理是：
（1） 兩個(gè)齒輪同時(shí)由底座來(lái)支撐，小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的直接作用下，通過(guò)嚙合帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，軸通過(guò)鍵與大齒輪作用，使軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬微型飛行器的航向角。
（2） 軟軸1直接與轉(zhuǎn)臺(tái)連接。軟軸具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)軟軸的接頭直接作用于轉(zhuǎn)臺(tái)，可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。軟軸1可以實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。軟軸直接與步進(jìn)電機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的固定未在原理圖中表示出來(lái)。
（3） 軟軸2也是直接與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。軟軸2模擬的是微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)。其電動(dòng)源在原理圖上也未表示出來(lái)。
總結(jié)方案三，整個(gè)模擬微型飛行器的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)比較緊湊，結(jié)構(gòu)也比較的簡(jiǎn)潔，能夠很好的實(shí)現(xiàn)微型飛行器的三個(gè)方向的自由度，航向、橫滾、俯仰。在此方案中主要是充分利用了軟軸的特性，可以任意的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也可以直接的與電機(jī)作用，無(wú)需配合聯(lián)軸器，這也就大大的降低了模擬飛行器轉(zhuǎn)臺(tái)的重量，兩根軟軸對(duì)稱的分布在軸的兩側(cè)，這也就降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于真實(shí)的模擬，準(zhǔn)確度、精確度都較高。
§3.4總述方案：
綜合評(píng)價(jià)方案一、方案二、方案三：
方案一中，主要采用的是齒輪、軸機(jī)構(gòu)。把實(shí)現(xiàn)其功能分為三層轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，各層轉(zhuǎn)臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。方案一中存在較多的缺陷：一是機(jī)構(gòu)不夠緊湊，實(shí)現(xiàn)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)功能是靠的是支架，這樣不但不好定位而且使整個(gè)機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；二是實(shí)驗(yàn)時(shí)，三層轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心必須是在飛行器的運(yùn)動(dòng)中心上的，而此機(jī)構(gòu)較難以保證。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心較難控制，難以保證三軸同心。所以此運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上是不合理的，不能在實(shí)踐中得到運(yùn)用。
方案二中，采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。這是利用了蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)中心較容易控制，設(shè)計(jì)過(guò)程中當(dāng)中，應(yīng)使飛行器的工作轉(zhuǎn)臺(tái)位于蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)中心，這樣就可以確保同心的要求。在第一層轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)中，采用嚙合作用，使整個(gè)上層轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)中心同樣也是在飛行器的運(yùn)動(dòng)中心之上的。在此機(jī)構(gòu)當(dāng)中還采用了軟軸機(jī)構(gòu)，充分利用了軟軸的旋轉(zhuǎn)特性。利用軟軸來(lái)模擬飛行器的橫滾，軟軸直接連接于工作臺(tái)之上的，同時(shí)也可以直接的與步進(jìn)電機(jī)連接，使整個(gè)機(jī)構(gòu)較為緊湊。驅(qū)動(dòng)軟軸的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿的電機(jī)列于運(yùn)動(dòng)中心兩側(cè)，這樣有利于整個(gè)工作轉(zhuǎn)臺(tái)的平衡，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高精度，同時(shí)也便于三軸的同心。此方案總結(jié)來(lái)說(shuō)比較合理，在實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的同時(shí)，也確保了其運(yùn)動(dòng)中心在同一軸線上。能較好的確保運(yùn)動(dòng)精度和準(zhǔn)確度。
方案三第一層轉(zhuǎn)臺(tái)采用齒輪嚙合，保證工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心在齒輪的運(yùn)動(dòng)中心，再利用兩根軟軸來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)，與兩根軟軸連接的步進(jìn)電機(jī)分布于軸的兩端，便于平衡，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其精確度較高。
總述三種方案，方案三較為方便、緊湊。設(shè)計(jì)過(guò)程中也較為簡(jiǎn)單。在本書中就不予于設(shè)計(jì)與介紹。在本書中主要介紹方案二。對(duì)方案二的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。
§3.5 方案二的介紹
方案二在原理圖二上把螺桿改成軸與套筒。
由于模擬微型飛行器實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)具有較高的精度要求和準(zhǔn)確性要求，整個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)裝置必須結(jié)果緊湊，合理布置。在實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的同時(shí)要能保證設(shè)計(jì)合理。
方案二中，把三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)分別利用三個(gè)不同的轉(zhuǎn)臺(tái)，分為上、中、下三層。第一層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬微型飛行器的航向運(yùn)動(dòng)，第二層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)，第三層轉(zhuǎn)臺(tái)是利用軟軸來(lái)模擬微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)。
第一層轉(zhuǎn)臺(tái)是利用齒輪機(jī)構(gòu)。因?yàn)辇X輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比穩(wěn)定。由于第一層轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)矩較高，要求的同軸度也較高，應(yīng)采用齒輪嚙合。通過(guò)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第二、第三層同時(shí)旋轉(zhuǎn)，故精度較高。驅(qū)動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)直接與小齒輪連接并固定在蓋板之上的，由于傳動(dòng)的精度要高，摩擦要較小，所以采用推力球軸承支承起小齒輪，保證傳動(dòng)要求。第一層轉(zhuǎn)臺(tái)固定在底座之上的，底座用地腳螺釘固定在地面上，使其穩(wěn)定。總的來(lái)說(shuō)第一層轉(zhuǎn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)微型飛行器的航向運(yùn)動(dòng)，也能保證較高的精度。
第二層轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的是微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)，主要是采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)（ZC蝸桿）。此類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)較多：傳動(dòng)比范圍大；蝸輪蝸桿的齒廓呈凹凸嚙合，接觸線與相對(duì)滑動(dòng)速度方向間的夾角大，有利用潤(rùn)滑油膜的形成；蝸桿主動(dòng)時(shí)，嚙合效率可達(dá)95％以上。在此采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)主要是利于其中心距較易控制，工作臺(tái)也就是放置在蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)中心，這也保證了其三軸同心的要求。但采用此機(jī)構(gòu)最大的問(wèn)題就是蝸輪的安裝與定位，以及考慮到蝸輪蝸桿的潤(rùn)滑問(wèn)題。本機(jī)構(gòu)采用的是設(shè)計(jì)一底座固定于齒輪之上，再把支座中部掏空，安裝蝸桿，這就解決了蝸輪蝸桿的潤(rùn)滑問(wèn)題。蝸輪的定位主要是采用兩塊夾板與滾筒的聯(lián)合作用。兩塊夾板固定在支座上，夾住蝸輪，使蝸輪不能前后運(yùn)動(dòng)，不至于產(chǎn)生偏移量，第二為了保證其中心度與軌跡要求，在蝸輪之上銑出一個(gè)圓弧槽，用來(lái)安裝軸與滾筒，軸安裝在夾板之上的，滾筒安裝在軸之上的。使蝸輪繞滾筒旋轉(zhuǎn)。這里采用滾筒機(jī)構(gòu)主要是因?yàn)闈L筒的摩擦力較小，而且傳動(dòng)的精度也比較高。利用此機(jī)構(gòu)確定其蝸輪能繞著中心旋轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)始終在一軸線上運(yùn)動(dòng)。總的來(lái)說(shuō)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)能保證其運(yùn)動(dòng)的中心與第一層轉(zhuǎn)臺(tái)的中心重合的同時(shí)，結(jié)構(gòu)也相對(duì)緊湊，便于控制。
第三層轉(zhuǎn)臺(tái)就是采用軟軸直接與工作臺(tái)連接，利用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)直接帶動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)，在這里考慮電機(jī)的布置問(wèn)題。整個(gè)模擬機(jī)構(gòu)都是較精密的，傳動(dòng)要求要較高的，考慮到這一點(diǎn)，把這個(gè)步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)分別安置于運(yùn)動(dòng)中心的兩側(cè)，這樣可以減少轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高精度。
綜述此套方案，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。能同時(shí)模擬微型飛行器的三個(gè)自由度。此方案的裝配圖和零件圖附后。
4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
§4.1失效形式
齒輪傳動(dòng)就裝置型式來(lái)說(shuō)，有開式、半開式及閉式之分；就使用情況來(lái)說(shuō)，有低速、高速及輕載、重載之分；就齒輪材料的性能及熱處理工藝的不同，輪齒有較脆（如經(jīng)整體淬火、齒面硬度很高的鋼齒輪或鑄鐵齒輪）或較韌（如經(jīng)調(diào)制、常化的優(yōu)質(zhì)碳鋼及合金鋼齒輪）齒面有較硬（齒輪工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并稱為硬齒面齒輪）或較軟（輪齒工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并稱為軟齒面齒輪）的差別等。一般來(lái)說(shuō)，齒輪的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效形式又是多種多樣的，較常見的輪齒折斷和工作齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形等。
§4.1.1輪齒折斷
輪齒折斷有多種，在正常工況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷，因?yàn)檩嘄X在受載時(shí)，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過(guò)度部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。
為提高輪齒的抗折斷能力,可采取下列措施:1)用大齒根過(guò)渡圓角半徑及消除加工刀痕來(lái)減少齒根應(yīng)力集中;2)增大軸及支撐的鋼性,使輪齒上受載較為均勻;3)采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性;4)采用噴丸、滾壓等措施對(duì)齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化加工。
§4.1.2齒面磨損
在齒輪傳動(dòng)中,齒面隨著工作條件的不同會(huì)出現(xiàn)多種不同的磨損形式。當(dāng)嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)(如砂粒、鐵屑等)時(shí),齒面即被逐漸磨損而報(bào)廢。這種磨損稱為磨粒磨損.它是開式齒輪傳動(dòng)的主要形式之一。改用閉式齒輪傳動(dòng)是避免齒面磨粒磨損最有效的方法。
§4.1.3齒面點(diǎn)蝕
點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤(rùn)滑良好的閉式吃力傳動(dòng)中,常見的齒面失效形式多為點(diǎn)蝕。所謂點(diǎn)蝕就是齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下,由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。
輪齒在嚙合過(guò)程中,齒面間的相對(duì)滑動(dòng)起著形成潤(rùn)滑油膜的作用,而且相對(duì)滑動(dòng)愈高,愈易在齒面間形成油膜,潤(rùn)滑也就愈好。當(dāng)輪齒在靠近節(jié)線處嚙合時(shí),由于相對(duì)滑動(dòng)速度低,形成油膜的條件差,潤(rùn)滑不良,摩擦力較大,因此點(diǎn)蝕也就首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上,然后再向其他部位擴(kuò)展。從相對(duì)意義上說(shuō),也就是靠近節(jié)線樹的齒面抵抗點(diǎn)蝕的能力最差(即接觸疲勞強(qiáng)度最低)
提高齒輪材料的硬度,可以增強(qiáng)輪齒的點(diǎn)蝕能力。
§4.1.4齒面膠合
對(duì)于高速重載的齒輪傳動(dòng),齒面間壓力大瞬間溫度高,潤(rùn)滑效果差,當(dāng)瞬間溫度過(guò)高時(shí),相嚙合的兩齒面就會(huì)發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象,由此兩齒面又在作相對(duì)滑動(dòng),想粘結(jié)的部位即被撕破,于是在齒面上沿相對(duì)滑動(dòng)的方向形成傷痕,稱為膠合。
加強(qiáng)潤(rùn)滑措施,采用抗膠合能力強(qiáng)的潤(rùn)滑油,在潤(rùn)滑油中加入極壓添加濟(jì)等,均可防止或輕齒面的膠合.
§4.1.5塑性變形
塑性變形屬于輪齒永久變形一大類的失效形式,它是由于在過(guò)大的應(yīng)力作用下,輪齒材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒面塑性變形流動(dòng)所形成的。塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上;但在重載作用下,硬度高的齒輪也會(huì)出現(xiàn)。
塑性變形又分為滾壓塑變和錘擊塑變。滾壓塑變是由于嚙合輪齒的相互滾壓與滑動(dòng)而引起的材料塑性流動(dòng)所形成的。錘擊塑變則是伴有過(guò)大的沖擊而產(chǎn)生的塑性變形，它的特征是在齒面上出現(xiàn)的溝槽，且溝槽的取向與嚙合輪齒的接觸線想一致。
提高輪齒齒面硬度，采用高粘度的或加有極壓添加的潤(rùn)滑油均有助于減緩或防止輪齒產(chǎn)生塑性變形。
§4.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。因此，針對(duì)上述情況及失效形式，都應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但是對(duì)于齒面磨損、塑性變形等，由于尚未建立起廣為工程實(shí)際使用而且行之有效的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí)，通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。
§4.3齒輪設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)要求推斷，微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作壽命為10年（設(shè)每年工作365天），工作情況為，每天工作8小時(shí)，齒數(shù)比U=4，輸入功率為P=150w,小齒輪轉(zhuǎn)速為n1=350rpm.
1. 選定齒輪精度等級(jí)，材料及齒數(shù)
1） 模擬轉(zhuǎn)臺(tái)是用來(lái)模擬微型飛行器在空中的飛行姿態(tài)，需要較高的傳動(dòng)要求，傳動(dòng)精度要高。故選精度等級(jí)為4級(jí)精度等級(jí)（GB10095--88）
2) 材料選擇：結(jié)合模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的使用環(huán)境（強(qiáng)度不需要太大），要使模擬轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，載荷小，振動(dòng)小，選用鋁合金，在鋁合金中選用鋁硅合金，代號(hào)ZL107，硬度為100HBS，加工方法為金屬型鑄造。熱處理方法淬火和完全時(shí)效，大齒輪材料為ZL108，硬度為85HBS，加工方法為金屬型鑄造，熱處理方法為人工時(shí)效。二者硬度相差15HBS。
3） 選擇小齒輪齒數(shù)為,大齒輪齒數(shù)為
2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）（參考文獻(xiàn)3）進(jìn)行計(jì)算，即
d1≥
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值：
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪的轉(zhuǎn)矩
小齒輪的轉(zhuǎn)矩為：
Nmm
（3）由表10-7（參考文獻(xiàn)3 P201） 取齒寬
（4）查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d（參考文獻(xiàn)3 P207）按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）計(jì)算循環(huán)次數(shù)
（7）由圖10-19（參考文獻(xiàn)3 P203）查得疲勞壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式10-12（參考文獻(xiàn)3 P203）得：
2）計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
（2）計(jì)算圓周速度v
(3)計(jì)算齒寬
(4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒高
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù),4級(jí)精度，由圖10-8（參考文獻(xiàn)3，P192）查得動(dòng)載
荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由表10-3（參考文獻(xiàn)3，P193）查得
；
查表10-2（參考文獻(xiàn)3，P191）得使用系數(shù)；
由表10-4（參考文獻(xiàn)3，P194）查得4級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承對(duì)稱布置時(shí)，
將數(shù)據(jù)代入后得
由，查圖10-13（參考文獻(xiàn)3，P195）得，所以載荷系數(shù)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）（參考文獻(xiàn)3，P200）
（7）計(jì)算模數(shù)m
3.按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5）（參考文獻(xiàn)3 P198）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算參數(shù)值
（1）由圖10-20c（參考文獻(xiàn)3，P204）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
，大齒輪的疲勞強(qiáng)度極限；
（2）由查彎曲疲勞壽命系數(shù)；
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.8，計(jì)算如下：
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K
（5）查取齒形系數(shù)，
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)，
（7）計(jì)算大，小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
1） 設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算模數(shù)1.14，由于在齒輪之上還得放第二層轉(zhuǎn)臺(tái)，故需要有較高的穩(wěn)定性，所以圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm。
4.幾何尺寸計(jì)算
由于，在模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)因素，所以，初步選擇小齒輪的齒數(shù)為32。按此計(jì)算齒輪的參數(shù)。
1） 計(jì)算分度圓直徑
小齒輪的分度圓直徑
大齒輪的分度圓直徑
1） 計(jì)算中心距
2） 計(jì)算齒輪寬度
由于模擬轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)的受力小，振動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩小，所以結(jié)合模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)取 。
4）驗(yàn)算
所以此計(jì)算合適。
5．齒輪各個(gè)尺寸的計(jì)算
齒頂高：大齒輪
小齒輪
齒根高：大齒輪
小齒輪
齒全高：小齒輪
大齒輪
齒頂圓直徑：大齒輪
小齒輪
齒根圓直徑：大齒輪
小齒輪
壓力角取標(biāo)準(zhǔn)值
5 蝸桿蝸輪設(shè)計(jì)
§5.1蝸桿傳動(dòng)的簡(jiǎn)介
蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值。蝸桿具有以下特點(diǎn)，故應(yīng)用較為廣泛。
a) 當(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時(shí)，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒矩，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比I=5～80；在分度機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
b) 在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。
c) 當(dāng)蝸輪的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性。
d) 蝸桿傳動(dòng)與螺旋齒輪傳動(dòng)相似，在嚙合處有相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過(guò)分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低；當(dāng)傳動(dòng)具有自鎖性時(shí)，效率僅為0.4左右。同時(shí)由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需耗用有色金屬制造蝸輪，以便于與鋼制蝸桿配對(duì)組成減摩性良好的滑動(dòng)摩擦副。
根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動(dòng)分為圓柱蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)、錐蝸桿傳動(dòng)。
圓柱蝸輪傳動(dòng)又包括普通圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)。普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車床上用直線刀刃的車刀車制的。根據(jù)車刀安裝的位置不同，所加工的蝸桿齒面在不同截面中的齒廓曲線也不同。根據(jù)不同的齒廓曲線，普通圓柱蝸桿可分為阿基米德螺桿（ZA蝸桿）、漸開線蝸桿（ZI蝸桿）、法向直廓蝸桿（ZN蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）等四種。
圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)和普通圓柱蝸桿傳動(dòng)相似，只是齒廓形狀有所區(qū)別。這種蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧性的刀具切制的，而蝸輪是用范成法制造的。在中間平面上，蝸桿的齒廓為凹弧形，而與之相配的蝸輪的齒廓?jiǎng)t為凸弧形。所以，圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)是一種凹凸弧齒廓相嚙合的傳動(dòng)，也是一種線接觸的嚙合傳動(dòng)。其主要的特點(diǎn)為：效率高，一般可達(dá)90%；承載能力高，一般可較普通圓柱蝸桿傳動(dòng)高出50%—150%；體積??；質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)緊湊。
環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的特征是，蝸桿體在軸向的外形是一凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，所以把這種蝸桿傳動(dòng)叫做環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。在這種傳動(dòng)的嚙合帶內(nèi)，蝸輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，即蝸桿的節(jié)弧沿蝸輪的節(jié)圓包著蝸輪。在中間平面。蝸桿和蝸輪都是直線齒廓。由于同時(shí)相嚙合的齒對(duì)多，而且輪齒的接觸線與蝸輪齒運(yùn)動(dòng)的方向近似于垂直，這就大大的改善了輪齒受力情況和潤(rùn)滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動(dòng)的的2～4倍，效率一般高達(dá)85%～90%；但它需要較高的制造和安裝精度。
錐蝸桿傳動(dòng)也是一種空間交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)，兩軸交錯(cuò)角通常為90o。蝸桿在節(jié)錐上分布的等導(dǎo)程的螺旋所形成的，故稱為錐蝸桿。而蝸輪在外觀上就象一個(gè)曲線齒錐齒輪，它是用與錐蝸桿相似的錐滾刀在普通滾齒機(jī)上加工而成的，故稱為錐蝸輪。錐蝸輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：同時(shí)接觸的點(diǎn)較多，重合度大；傳動(dòng)比范圍大（一般為10～360）；承載能力和效率較高；側(cè)隙便于控制和調(diào)整；能做離合器使用；可節(jié)約有色金屬；制造安裝簡(jiǎn)便，工藝性好。但是由于結(jié)構(gòu)上的原因，傳動(dòng)具有不對(duì)稱性，因而正、反轉(zhuǎn)時(shí)受力不同，承載能力和效率也不同。
§5.2蝸桿傳動(dòng)的失效形式
蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式為點(diǎn)蝕、磨損、剝落、膠合、彎曲折短等，最常見的是磨損和點(diǎn)蝕。這些失效形式是由蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)制造中的問(wèn)題所致。例如：滑動(dòng)速度大，嚙合效率低，潤(rùn)滑條件不良，材料選配不當(dāng)，幾何參數(shù)選擇不理想，加工制造粗糙都是導(dǎo)致蝸桿傳動(dòng)失效的因素。
如果根據(jù)工況條件，對(duì)蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，注意材料的選擇、加工、潤(rùn)滑、散熱以及安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)，上述失效形式可以得到控制或改善。
§5.3蝸桿傳動(dòng)的材料選擇
1. 蝸桿材料
一般用合金鋼或碳素鋼，大部分蝸桿齒面需經(jīng)滲碳淬火處理并經(jīng)磨削和拋光。按熱處理性質(zhì)可分為：
（1） 滲碳鋼 表面硬度為56～62HRC，牌號(hào)有20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6（德國(guó)鋼號(hào)）、17CrNi3等。
（2）滲氮鋼 表面硬度≥750HV，牌號(hào)有42CrMo、38CrMoAl等。
（3） 表面淬火鋼 表面硬度為45～50HRC，牌號(hào)有45、40Cr、35CrMo、42CrNiMo等。
（4）調(diào)質(zhì)鋼 表面硬度為30～35HRC，牌號(hào)有42CrMo、34CrMo1、40CrNiMo等。
2. 蝸輪材料
對(duì)于重要傳動(dòng)，多數(shù)選用鑄造銅合金；對(duì)不重要或手動(dòng)傳動(dòng)，可選用鑄鐵。鑄造銅合金，其鑄造方法有砂模鑄造、金屬鑄造和離心鑄造，因而可得到不同的性能。
（1）錫青銅 有較好的減摩性和抗膠合性能，允許滑動(dòng)速度V≤25m/s，是蝸輪齒圈的理想材料，牌號(hào)有ZcuSn10P1(ZQSn10-1)、ZCuSn12Ni2(德國(guó)G-CuSn12Ni或GZ-CuSn12Ni)。
（2）鑄鋁鐵青銅 有足夠的強(qiáng)度和硬度，價(jià)廉，但抗膠合能力差，跑合性能差，允許滑動(dòng)速度V≤4m/s，牌號(hào)有ZcuAl10Fe3(ZQA19-4).
(3) 鑄鐵 用于不重要的傳動(dòng)中，允許滑動(dòng)的速度V≤2m/s，牌號(hào)有HT200，HT300。
§5.4 蝸桿計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用蝸桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微型飛行器的一個(gè)自由度，故其傳動(dòng)的精度要求較高，傳動(dòng)應(yīng)該較穩(wěn)定?，F(xiàn)已知輸入功率P=38W(由所選的電動(dòng)機(jī)確定)，蝸桿轉(zhuǎn)速n=400r/min(由所選的電動(dòng)機(jī)確定),傳動(dòng)比i=20。微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的工作壽命為10年（設(shè)每年工作365天），工作情況為，每天工作8小時(shí)。
1. 選擇蝸桿的類型
根據(jù)傳動(dòng)要求選擇圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，ZC蝸桿。
2. 選擇材料
根據(jù)設(shè)計(jì)要求蝸桿的傳動(dòng)的功率不大，速度只是中等，故選蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐摩性好些，傳動(dòng)精度高些，故蝸輪選用鑄鋁鐵青銅，砂模鑄造。
3. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行再校核彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心：
1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按,估取效率=0.8
=9.55=9.55
=9.55= 145160 N.mm
2)確定載荷系數(shù)K
因工作載荷穩(wěn)定,故取載荷分布不均系數(shù)=1,選使用系數(shù)=1,由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,可取動(dòng)載荷系數(shù)=1.05;則
=1=1.05
2) 確定彈性影響系數(shù)
3) 選用鑄鋁鐵青銅蝸輪和鋼蝸輪配合,故選=160MPa
4) 先假定蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值=0.35,查得
5) 確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3,砂模鑄造,查得蝸輪基本許用應(yīng)力=268 MPa
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N===35040000
壽命系數(shù) =0.85
則
==0.85180=153
6) 計(jì)算中心矩
mm=98 mm
取中心矩a=100mm,因i=20,故可取模數(shù)m=3.8,蝸桿分度圓直徑=38.4.這時(shí)=0.384.可查接觸系數(shù),因?yàn)?因此以上計(jì)算結(jié)果可用.
4.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
1)蝸桿
軸向齒距=m=3.14
直徑系數(shù)
蝸桿分度圓直徑
蝸桿齒頂圓直徑
蝸桿齒根圓直徑
分度圓導(dǎo)程角
2)蝸輪
蝸輪齒數(shù);變位系數(shù)
驗(yàn)算傳動(dòng)比,這時(shí)傳動(dòng)比誤差為,是允許的.
蝸輪分度圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直徑
蝸輪咽喉母圓直徑
5校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
當(dāng)量齒數(shù)
根據(jù),可查得齒形系數(shù)
螺旋角系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力
可查得ZCuAl10Fe3制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力
壽命系數(shù)
因?yàn)?所以彎曲強(qiáng)度是滿足的.
6 軟軸設(shè)計(jì)與計(jì)算
§6.1鋼絲軟軸的簡(jiǎn)介
鋼絲軟軸主要用于工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng),軟軸安裝簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)緊湊、工作適應(yīng)性強(qiáng)。適用于高轉(zhuǎn)速、小扭矩場(chǎng)合。它的應(yīng)用范圍是：可移式機(jī)械化工具，主軸可調(diào)位的機(jī)床、混泥土振動(dòng)器、砂輪機(jī)、醫(yī)療器械、以及里程表、遙控儀表等傳動(dòng)中。
軟軸傳遞功率范圍一般不超過(guò)5.5KW，轉(zhuǎn)速可達(dá)2000r/min.
6.1.1. 軟軸的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格
軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。按用途不同，軟軸又可分為功率型（G型）和控制型（K型）兩種。
鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起而成，而每一層又用若干根鋼絲卷繞而成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。外層鋼絲中的一層趨于繞緊，另一層趨于旋松，使各層鋼絲相互壓緊。軸的旋轉(zhuǎn)方向，應(yīng)使表層鋼絲趨于繞緊為合理。
軟軸的作用是保護(hù)鋼絲軟軸，以免與外界機(jī)件接觸，并保護(hù)潤(rùn)滑劑和防止塵埃侵入；工作時(shí)軟管還起支撐作用，使軟軸便于操作。
軟軸接頭是用以聯(lián)接動(dòng)力輸出軸及工作部件。其聯(lián)接方式分固定式和滑動(dòng)式兩種。固定式多用于軟軸較短，或工作中彎曲半徑變化不大的場(chǎng)合。當(dāng)軟軸工作時(shí)彎曲半徑變化較大時(shí)，允許軟軸在軟管內(nèi)有較大的竄動(dòng)，以補(bǔ)償軟管彎曲時(shí)的長(zhǎng)度變化。但彎曲半徑不能太小，以防止接頭滑出。為便于軟軸拆卸檢查和潤(rùn)滑，應(yīng)使軟軸接頭一端的外徑小于軟管的軟管接頭的內(nèi)直徑。
軟管接頭是聯(lián)接傳動(dòng)裝置及工作部件的機(jī)體，有時(shí)也是軟軸接頭的軸承座。
6.1.2. 軟軸的選擇
軟軸的尺寸，應(yīng)根據(jù)所需傳遞的扭矩、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向、工作中的彎曲半徑，以及傳遞距離等使用要求選擇。
低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，軟軸按恒扭矩傳遞動(dòng)力；高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，按恒功率傳遞動(dòng)力。
軟軸直徑按下式可以確定：
式中：
Mto——軟軸能傳遞的最大扭矩 N·㎝
No—— 額定轉(zhuǎn)速 r/min
Mt——軟軸從動(dòng)端所需傳遞的扭矩 N·㎝
N ——軟軸的工作轉(zhuǎn)速 r/min，當(dāng)N
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