1、南昌航空大学科技学院学士学位论文11 前 言全套图纸，加 1538937061.1 模 拟 转 台 的 简 介微 型 飞 行 器 （ Micro Aerial Vehicles 或 Micro Air Vehicles,简称 MAVs） 的 概 念 最 初 是 美 国 科 学 家 布 鲁 诺 W奥 根 斯 坦 在 1992 年 美 国国 防 高 级 研 究 计 划 局 （ Defense Advanced Research Projects Agency简 称 DARPA） 主 持 的 一 次 未 来 军 事 会 议 上 提 出 的 。 现 代 的 微 型 飞 行 器 具 有 尺寸 小 、 重
2、 量 轻 、 隐 身 性 能 好 、 自 主 飞 行 ， 实 时 传 输 图 象 等 突 出 优 点 ， 因 而 在军 事 、 消 防 、 交 通 等 领 域 有 独 特 的 应 用 。随 着 社 会 的 发 展 ， 工 业 水 平 的 提 高 ， 逐 步 的 由 大 型 化 转 向 小 型 化 ， 转 化成 微 型 化 。 在 此 发 展 的 过 程 中 ， 机 械 制 造 技 术 的 水 平 与 制 造 业 也 得 到 了 有 个较 快 的 发 展 ， 它 反 映 的 是 一 个 国 家 的 经 济 实 力 和 科 学 技 术 水 平 。 新 技 术 的 推广 和 应 用 ， 使 得 新
3、产 品 的 不 断 涌 现 ， 与 原 有 的 事 物 相 比 ， 其 体 积 是 越 来 越 小 。机 械 工 业 历 来 都 是 发 达 国 家 的 重 要 支 柱 产 业 ， 是 一 个 国 家 的 工 业 基 础 。 从 70年 代 开 始 ， 由 于 各 国 政 府 重 视 和 发 展 高 新 技 术 ， 特 别 是 微 电 子 技 术 ， 微 机 技术 的 引 入 ， 使 传 统 的 机 械 工 业 在 产 品 结 构 和 生 产 系 统 结 构 等 方 面 发 生 了 质 的变 化 ， 使 其 焕 发 了 新 的 生 命 ， 形 成 了 一 个 崭 新 的 现 代 机 械 工 业
4、 。一 个 国 家 需 安 全 、 稳 定 ， 其 国 防 技 术 就 不 能 落 后 于 其 它 国 家 。 目 前 ， 各国 在 国 防 建 设 的 投 入 是 越 来 越 多 ， 逐 年 增 加 ， 为 的 就 是 研 制 出 新 的 产 品 ， 使自 己 有 优 越 于 其 他 国 家 。 现 代 军 队 的 装 备 越 来 越 重 视 其 轻 型 化 、 技 术 化 、 现代 化 等 。 如 ： 微 型 冲 锋 枪 、 微 型 机 器 人 等 。 飞 机 在 现 代 战 争 是 必 不 可 少 的 ，南昌航空大学科技学院学士学位论文2其 发 展 趋 势 也 是 向 无 人 驾 驶 ，
5、 微 型 化 发 展 。在 微 型 飞 行 器 的 研 制 过 程 中 ， 飞 行 仿 真 实 验 是 必 不 可 少 的 重 要 步 骤 。 飞行 仿 真 实 验 主 要 分 为 测 试 飞 机 飞 行 动 力 学 性 能 的 风 洞 实 验 和 测 试 飞 机 动 态 控制 性 能 以 及 各 种 机 载 传 感 器 性 能 的 地 面 半 实 物 飞 行 仿 真 实 验 。 只 有 通 过 仿 真实 验 ， 获 取 足 够 多 的 飞 行 器 性 能 数 据 ， 确 证 飞 行 器 的 外 形 设 计 符 合 动 力 学 要求 ， 控 制 系 统 具 有 足 够 的 稳 定 性 以 及
6、各 种 机 载 稳 定 性 以 及 各 种 机 载 仪 器 能 够在 模 拟 工 作 环 境 中 正 常 工 作 ， 才 能 进 行 飞 行 器 的 试 飞 工 作 。三 轴 摇 摆 台 是 半 实 物 飞 行 仿 真 实 验 系 统 中 的 一 个 关 键 设 备 。 它 可 以 按 照实 验 要 求 ， 提 供 飞 行 器 飞 行 时 的 航 向 角 、 俯 仰 角 、 横 滚 角 以 及 飞 行 扰 动 ， 实时 模 拟 飞 行 器 在 空 气 飞 行 的 姿 态 。 通 过 模 拟 飞 行 器 的 飞 行 姿 态 ， 测 试 飞 行 器控 制 系 统 能 否 在 飞 行 器 受 到 外
7、 界 扰 动 时 控 制 飞 行 器 调 整 到 安 全 飞 行 姿 态 。 同时 ， 还 可 以 测 试 飞 行 器 携 带 的 机 载 传 感 器 在 模 拟 飞 行 条 件 下 的 工 作 状 况 。1.2 研 究 概 况 及 发 展 趋 势目 前 ， 在 微 型 飞 行 器 模 拟 实 验 转 台 的 研 究 开 发 方 面 ， 多 采 用 齿 轮 传 动 ，用 步 进 电 机 驱 动 。 一 般 是 三 轴 飞 行 模 拟 转 台 ， 实 验 时 能 提 供 飞 行 器 飞 行时 的 航 向 角 （ 偏 转 角 ） 、 俯 仰 角 、 横 滚 角 （ 滚 转 角 ） ， 即 只 有
8、三 个 自 由 度 。这 种 三 轴 飞 行 模 拟 转 台 ， 并 不 能 完 全 模 拟 飞 行 器 在 空 中 的 姿 态 。 它 采 用 三 层转 台 提 供 三 个 方 向 的 转 动 。 在 实 际 使 用 时 ， 由 三 个 独 立 的 电 机 驱 动 。 下 层 转台 模 拟 飞 行 时 的 航 向 角 ， 中 层 转 台 模 拟 飞 行 时 的 俯 仰 角 ， 上 层 转 台 模 拟 飞 行时 的 横 滚 角 。飞 行 器 在 空 中 飞 行 时 ， 有 六 自 由 度 ， 所 以 在 风 洞 实 验 时 ， 模 拟 转 台 的 发展 趋 势 是 具 有 五 个 或 六 个
9、自 由 度 ， 要 能 真 实 的 模 拟 飞 行 器 在 空 中 受 到 的 各 种力 以 及 影 响 ， 并 且 使 其 智 能 化 ， 即 由 计 算 机 控 制 ， 以 增 加 模 拟 的 准 确 性 。1.3 研 究 内 容1 搜 集 毕 业 设 计 相 关 资 料 ， 包 括 参 考 图 纸 、 技 术 论 文 及 外 文 资 料 。2 对 相 关 类 型 的 模 拟 转 台 进 行 分 析 比 较 ， 并 确 定 出 新 的 传 动 方 案 ， 绘 制出 相 应 传 动 系 统 图 。3 绘 制 结 构 图 ， 包 括 展 开 图 和 剖 截 图 ， 并 进 行 相 关 设 计
10、的 计 算 。4 综 合 计 算 结 果 及 图 ， 进 行 合 理 性 检 验 。5 确 定 方 案 并 进 性 设 计 记 录 的 修 改 、 整 理 。6 绘 制 总 装 配 图 。南昌航空大学科技学院学士学位论文37 确 定 驱 动 方 式 ， 并 确 定 驱 动 动 力 来 源 。8 撰 写 技 术 论 文 及 设 计 说 明 书 。9 翻 译 外 文 资 料 。2 转 台 机 械 系 统 方 案 的 选 择 及 评 价2.1 控 制 台 的 功 能 分 析 ：微 型 飞 行 器 模 拟 转 台 的 有 效 载 荷 重 量 为 300500 克 ， 有 效 载 荷 空 间为 150m
11、m， 能 够 模 拟 微 型 飞 行 器 飞 行 时 的 偏 转 、 俯 仰 、 滚 转 ， 以 及 飞 行 扰动 ， 实 时 模 拟 微 型 飞 行 器 在 空 中 的 姿 态 。 通 过 模 拟 飞 行 器 的 飞 行 姿 态 ， 测 试飞 行 器 控 制 系 统 能 否 在 飞 行 器 受 到 外 界 扰 动 时 控 制 飞 行 器 调 整 到 安 全 飞 行 姿态 。 同 时 还 可 以 测 试 飞 行 器 携 带 的 机 载 传 感 器 在 模 拟 飞 行 条 件 下 的 工 作 状 况 。由 于 在 微 型 飞 行 器 模 拟 实 验 时 ， 模 拟 转 台 要 根 据 飞 行 器
12、 在 空 中 飞 行 的 实际 情 况 进 行 模 拟 ， 所 以 ， 在 传 动 方 面 要 比 较 精 确 。 设 计 要 求 中 ， 模 拟 转 台 具有 三 个 自 由 度 。 要 实 现 三 个 自 由 度 大 致 把 它 分 为 三 个 转 台 （ 上 、 中 、 下 ） 实现 ， 控 制 飞 行 器 的 偏 转 、 俯 仰 、 滚 转 。 由 于 转 动 精 度 要 较 高 ， 转 动 的 角 位 移分 辨 率 要 低 ， 连 续 转 动 速 度 范 围 要 较 大 ， 运 动 角 度 范 围 要 符 合 设 计 要 求 。 所以 要 求 转 动 的 三 轴 必 须 共 点 ，
13、同 时 要 求 中 层 转 台 和 上 层 转 台 有 较 高 的 同 轴 度 、等 高 度 。 对 要 求 转 动 的 在 以 各 种 速 度 转 动 的 过 程 中 ， 转 台 运 动 要 平 稳 ， 过 渡过 程 要 较 迅 速 。 直 线 运 动 的 速 度 范 围 要 较 大 ， 运 动 要 平 稳 。 直 线 运 动 与 转 动过 渡 过 程 要 迅 速 、 平 稳 。2.2 方 案 的 选 择 及 评 价 ：2.2.1 执 行 部 分 由 于 在 风 洞 实 验 中 ， 模 拟 转 台 要 载 着 微 型 飞 行 器 在 风 洞 中 模 拟 空 中 姿 态 ，所 以 ， 转 台
14、的 执 行 部 分 只 需 一 平 台 即 可 ， 工 作 平 台 要 能 提 供 三 个 自 由 度的 需 要 。 有 效 载 荷 空 间 为 25mm（ 设 计 要 求 ） 。 模 拟 转 台 设 计 要 平 稳 ， 水平 度 要 好 。（ 1） 原 动 部 分 电 动 机 种 类 的 选 择 的 原 则 是 在 满 足 生 产 机 械 对 稳 定 和 动 态 特 性 要 求 的 前南昌航空大学科技学院学士学位论文4提 下 ， 优 先 选 用 结 构 简 单 、 运 行 可 靠 、 维 护 方 便 、 价 格 便 宜 的 电 动 机 。 电 动机 种 类 选 择 时 应 考 虑 的 主 要
15、 内 容 ：(a) 电 动 机 的 机 械 特 性 。 它 应 与 所 拖 动 生 产 机 械 的 机 械 特 性 相 匹 配 。(b) 电 动 机 的 调 速 性 能 。 它 包 括 调 速 范 围 、 调 速 的 平 滑 性 、 调 速 系 统的 经 济 性 等 几 个 方 面 ， 它 们 都 应 满 足 生 产 机 械 的 要 求 。(c) 电 动 机 的 启 动 性 能 。 不 同 的 生 产 机 械 对 电 动 机 启 动 性 能 有 不 同 的要 求 ， 电 动 机 的 启 动 性 能 主 要 是 转 矩 的 大 小 ， 同 时 还 应 注 意 电 网 容 量 对 电 动机 启 动
16、 电 流 的 限 量 。(d) 电 动 机 的 电 源 种 类 。 采 用 交 流 电 源 比 较 方 便 ， 而 直 流 电 源 一 般 需要 有 整 流 设 备 将 交 流 电 转 换 为 直 流 电 ， 所 以 交 流 电 动 机 在 这 方 面 比 直 流 电 动机 要 优 越 。(e) 电 动 机 的 经 济 性 。 一 是 电 动 机 及 相 关 设 备 （ 如 ： 启 动 设 备 、 调 速设 备 等 ） 的 经 济 性 ， 也 就 是 要 考 虑 电 动 机 及 其 拖 动 系 统 的 经 济 性 ， 应 该 满 足生 产 机 械 对 电 动 机 各 个 方 面 运 行 性 要
17、 求 的 前 提 下 ， 优 选 价 格 便 宜 、 运 行 可 靠 、维 护 方 便 的 电 动 机 拖 动 系 统 ； 二 是 电 动 机 拖 动 系 统 运 行 的 经 济 性 ， 主 要 是 效率 高 ， 节 省 电 能 。 目 前 ， 各 种 形 式 的 电 动 机 在 我 国 应 用 非 常 广 泛 。由 于 在 实 验 时 ， 转 台 要 用 计 算 机 进 行 控 制 ， 转 台 工 作 精 度 要 求 较 高 ， 控制 要 简 单 ， 所 以 要 选 择 工 作 精 度 高 ， 控 制 方 便 的 电 机 。 控 制 方 便 的 电 机 有 控制 电 机 和 步 进 电 机
18、。控 制 电 机 一 般 指 用 于 自 动 控 制 、 自 动 调 节 、 远 距 离 测 量 、 随 动 系 统 以 及计 算 装 置 中 的 微 特 电 机 。 它 是 旋 转 电 机 的 基 础 上 发 展 起 来 的 小 功 率 电 机 ， 就电 磁 过 程 及 所 遵 循 的 基 本 规 律 而 言 ， 它 与 旋 转 电 机 并 无 本 质 区 别 ， 只 是 所 起的 作 用 不 同 。 控 制 电 机 主 要 用 来 完 成 控 制 信 号 的 传 递 和 变 换 ， 它 的 技 术 性 能稳 定 可 靠 、 动 作 灵 敏 、 精 度 高 、 体 积 小 、 重 量 轻 、
19、 耗 电 少 。 两 相 交 流 伺 服 电机 控 制 方 法 有 ： （ 1） 副 值 控 制 ； （ 2） 相 位 控 制 ； （ 3） 副 值 相 位 控 制 。它 的 输 出 功 率 一 般 在 ： 0.1W-100W, 其 电 源 频 率 有 50Hz、 400Hz 等 几 种 。质 量 ； 直 流 伺 服 电 机 用 在 功 率 较 大 的 场 合 ， 它 的 输 出 功 率 为 1W-600W。步 进 电 动 机 是 一 种 将 电 脉 冲 信 号 转 换 成 相 应 的 角 位 移 或 直 线 位 移 的 机 电执 行 元 件 。 当 步 进 电 机 的 控 制 系 统 每 输
20、 出 一 个 并 经 功 率 驱 动 线 路 放 大 的 电 脉冲 信 号 加 于 步 进 电 机 绕 组 时 ， 该 电 动 机 就 转 过 一 相 应 角 度 。 脉 冲 一 个 一 个 地输 入 ， 电 动 机 便 一 步 一 步 地 转 动 。 由 于 这 种 电 动 机 受 控 于 电 脉 冲 信 号 ， 通 常南昌航空大学科技学院学士学位论文5又 称 为 脉 冲 电 动 机 。电 动 机 具 有 以 下 几 个 特 点 ：（ a） 行 转 速 与 控 制 脉 冲 的 频 率 成 正 比 ， 有 严 格 的 对 应 关 系 ， 且 在 负 载 能力 范 围 不 受 电 压 波 动 、
21、 电 流 波 形 及 环 境 温 度 变 化 的 影 响 ，（ b） 位 移 量 取 决 于 输 入 脉 冲 数 ， 步 距 误 差 不 会 长 期 累 积 ， 在 不 失 步 的 情况 下 ， 每 转 一 周 积 累 误 差 等 于 零 。（ c） 具 有 灵 活 的 控 制 性 能 ， 在 脉 冲 数 字 信 号 控 制 下 ， 能 方 便 的 实 现 启 动 、减 速 、 停 止 、 反 转 、 定 位 等 运 行 方 式 。步 进 电 动 机 的 位 移 量 与 输 入 的 脉 冲 数 严 格 成 比 例 ， 这 就 不 会 引 起 误 差 的积 累 ， 其 转 速 与 脉 冲 频 率
22、 和 步 距 角 有 关 。 控 制 输 入 脉 冲 数 量 、 频 率 及 电 动 机各 先 相 绕 组 的 接 通 次 序 ， 可 以 得 到 各 种 需 要 的 运 动 特 性 。 尤 其 是 当 步 进 电 动机 与 数 字 系 统 配 套 时 ， 它 将 体 现 出 更 大 的 优 越 性 ， 因 而 ， 广 泛 应 用 于 数 字 控制 系 统 中 ， 如 数 控 机 床 、 自 动 化 仪 表 、 通 信 设 备 、 计 算 机 外 围 设 备 及 自 动 化生 产 线 中 ， 在 定 量 、 定 长 、 定 位 、 对 中 、 纠 偏 、 测 距 等 控 制 方 面 得 到 了
23、 很 广泛 的 应 用 。步 进 电 动 机 的 种 类 很 多 ， 主 要 有 反 应 式 、 永 磁 式 、 永 磁 感 应 子 式 、 机 械谐 波 式 、 电 感 谐 波 式 以 及 混 合 式 等 。 由 于 反 应 式 步 进 电 动 机 结 构 简 单 、 步 距角 小 、 工 作 可 靠 、 运 行 频 率 高 ， 应 用 最 为 广 泛 。反 应 式 步 进 电 动 机 的 定 转 子 磁 路 均 由 软 磁 材 料 制 成 。 定 子 上 有 多 相 励 磁绕 组 ， 按 一 定 顺 序 通 电 后 产 生 转 矩 。 反 应 式 步 进 电 动 机 按 其 结 构 分 为
24、 轴 向 分相 、 圆 周 分 相 和 混 合 分 相 三 种 类 型 ， 按 其 磁 路 结 构 可 分 为 轴 向 气 隙 和 径 向 气隙 两 种 类 型 。反 应 式 步 进 电 动 机 可 以 按 特 定 的 指 令 进 行 角 度 控 制 ， 也 可 以 进 行 速 度 控制 。 角 度 控 制 时 ， 每 输 入 一 个 脉 冲 ， 定 子 绕 组 换 接 一 次 ， 输 出 轴 就 转 过 一 个角 度 ， 其 步 数 与 脉 冲 数 一 致 ， 输 出 轴 转 动 的 角 位 移 与 脉 冲 数 成 正 比 。 速 度 控制 时 ， 各 相 绕 组 不 断 轮 流 通 电 ，
25、 步 进 电 动 机 就 连 续 转 动 。 反 应 式 步 进 电 动 机转 速 只 取 决 于 脉 冲 频 率 、 转 子 齿 数 和 拍 数 。 而 与 电 压 、 负 载 、 温 度 等 因 素 无关 。 当 步 进 电 动 机 的 通 电 方 式 选 定 后 ， 其 转 速 只 与 输 入 脉 冲 频 率 成 正 比 ， 改变 脉 冲 频 率 就 可 以 改 变 转 速 ， 故 可 进 行 无 级 调 速 ， 调 速 范 围 很 宽 。 同 时 步 进电 动 机 具 有 自 锁 能 力 ， 当 控 制 电 脉 冲 停 止 输 入 ， 而 让 最 后 一 个 脉 冲 控 制 的 绕组
26、继 续 通 入 直 流 时 ， 则 电 动 机 可 以 保 持 在 固 定 的 位 置 上 ， 这 样 ， 步 进 电 动 机南昌航空大学科技学院学士学位论文6可 以 实 现 停 车 时 转 子 的 定 位 。综 上 所 述 ， 步 进 电 动 机 的 步 数 或 转 速 既 不 受 电 压 波 动 和 负 载 变 化 的 影 响 ，也 不 受 环 境 条 件 变 化 的 影 响 ， 只 与 控 制 脉 冲 同 步 ， 同 时 ， 它 又 能 按 照 控 制 的要 求 进 行 启 动 、 停 止 、 反 转 或 改 变 速 度 ， 这 就 是 步 进 电 动 机 被 广 泛 地 应 用 于各
27、种 数 字 控 制 系 统 中 的 原 因 。对 比 两 种 电 机 可 见 ， 在 控 制 方 面 ， 步 进 电 机 比 控 制 电 机 控 制 简 单 、 方 便 ，更 易 于 数 字 化 。 在 精 度 方 面 ， 步 进 电 机 的 传 动 精 度 高 于 控 制 电 机 ， 性 能 比 控制 电 机 更 优 越 。所 以 ， 在 微 型 飞 行 器 模 拟 转 台 的 设 计 中 ， 采 用 步 进 电 机 。（ 2） 传 动 部 分 由 控 制 台 的 性 能 分 析 可 知 ， 系 统 需 要 三 个 自 由 度 ：能 实 现 回 转 运 动 的 机 构 有 ： 啮 合 传 动
28、 机 构 、 摩 擦 传 动 机 构 、 连 杆 机 构 。啮 合 转 动 机 构 ， 包 括 齿 轮 传 动 、 蜗 杆 传 动 、 链 传 动 等 。齿 轮 传 动 可 用 来 传 递 空 间 任 意 两 轴 间 的 运 动 和 动 力 ， 并 且 有 功 率 范 围 大 ，传 动 效 率 高 ， 传 动 比 准 确 、 稳 定 ， 使 用 寿 命 长 ,工 作 安 全 可 靠 ,结 构 紧 凑等 特 点 。蜗 杆 传 动 是 用 来 传 递 空 间 交 错 两 轴 之 间 的 运 动 和 动 力 ， 它 传 动 平 稳 ， 振动 、 冲 击 和 噪 音 很 小 ， 能 以 单 级 传 动
29、 获 得 较 大 的 传 动 比 ， 结 构 紧 凑 ， 蜗 轮 蜗杆 啮 合 轮 齿 间 相 对 滑 动 速 度 大 ， 摩 擦 损 耗 较 大 ， 传 动 效 率 较 低 ， 易 出 现 发 热和 温 升 过 高 的 现 象 ， 磨 损 较 严 重 ， 有 些 蜗 杆 传 动 具 有 自 锁 性 。链 传 动 由 链 条 和 主 、 从 动 链 轮 所 组 成 。 链 轮 上 制 有 特 殊 齿 形 的 齿 ， 依 靠链 轮 轮 齿 与 链 节 的 啮 合 来 传 递 运 动 和 动 力 。 链 传 动 是 属 于 带 有 中 间 挠 性 件 的啮 合 传 动 ， 链 传 动 无 弹 性
30、滑 动 和 打 滑 现 象 ， 因 而 能 保 证 准 确 的 传 动 比 ， 传 动效 率 较 高 ； 结 构 较 为 紧 凑 ， 安 装 要 求 较 底 ， 成 本 低 廉 。 链 传 动 的 主 要 的 缺 点是 ： 在 两 根 平 行 轴 只 能 用 于 同 向 回 转 的 传 动 ； 运 转 时 不 能 保 持 恒 定 的 瞬 时 传动 比 ； 磨 损 后 易 发 生 跳 齿 ； 工 作 时 有 噪 音 ； 不 宜 在 载 荷 变 化 很 大 和 急 速 反 向的 传 动 中 应 用 。链 传 动 通 常 用 在 工 作 可 靠 ， 且 两 轴 相 距 较 远 ， 以 及 其 它 不
31、 宜 采 用 齿 轮 传动 的 地 方 ， 还 用 在 对 传 动 要 求 不 高 而 工 作 条 件 恶 劣 的 地 方 。摩 擦 传 动 机 构 ， 包 括 带 传 动 、 摩 擦 轮 传 动 等 。 其 优 点 是 构 造 简 单 ， 传 动平 稳 ， 易 于 实 现 无 级 变 速 ， 造 价 低 廉 以 及 缓 冲 吸 振 、 有 过 载 保 护 作 用 等 优 点 。缺 点 是 转 动 比 不 准 确 ， 传 递 效 率 低 等 。南昌航空大学科技学院学士学位论文7连 杆 传 动 ， 如 双 曲 柄 机 构 和 平 行 四 边 形 机 构 等 。 连 杆 传 动 机 构 应 用十
32、分 广 泛 ， 人 造 卫 星 太 阳 能 板 的 展 开 机 构 ， 机 械 手 的 传 动 机 构 ， 折 叠 伞 的 收放 机 构 以 及 人 体 假 肢 等 等 ， 都 是 连 杆 机 构 。 其 传 动 特 点 如 下 ： (a)连 杆 机 构 中 的 运 动 副 一 般 均 为 低 副 ， 低 副 两 元 素 为 面 接 触 ， 可 在 传 递同 样 载 荷 的 条 件 下 ， 两 元 素 间 的 压 强 较 小 ， 可 以 承 受 较 大 的 载 荷 。 低 副 两 元素 间 便 于 润 滑 ， 所 以 两 元 素 间 不 易 产 生 磨 损 。 此 外 ， 低 副 两 元 素
33、的 几 何 形 状比 较 简 单 ， 便 于 加 工 制 造 。(b)在 连 杆 机 构 中 ， 当 原 动 件 以 同 样 的 运 动 规 律 运 动 时 ， 如 果 改 变 各 构 件的 相 对 长 度 关 系 ， 便 可 使 从 动 件 得 到 不 同 的 运 动 规 律 。(c)在 连 杆 机 构 中 ， 连 杆 上 不 同 点 的 轨 迹 是 各 种 不 同 形 状 的 曲 线 （ 连 杆 曲线 ） ， 而 且 随 着 各 构 件 相 对 长 度 关 系 的 改 变 ， 这 些 连 杆 曲 线 的 形 状 也 将 改 变 ，从 而 可 以 得 到 各 种 不 同 形 状 的 曲 线
34、， 我 们 就 可 以 利 用 这 些 曲 线 来 满 足 不 同 轨迹 的 要 求 。(d)连 杆 机 构 还 可 以 很 方 便 地 用 来 达 到 增 力 、 扩 大 行 程 和 实 现 较 远 距 离 的传 动 等 目 的 。连 杆 传 动 的 缺 点 ：(a)由 于 在 连 杆 机 构 中 运 动 必 须 经 过 中 间 构 件 进 行 传 递 ， 因 而 连 杆 机 构 一般 具 有 较 长 的 运 动 链 (即 较 多 的 构 件 和 较 多 的 运 动 副 )， 所 以 各 构 件 的 尺 寸误 差 和 运 动 副 中 的 间 隙 将 使 机 构 产 生 较 大 的 积 累 误
35、 差 ， 同 时 也 会 使 机 械 效 率降 低 。(b)在 连 杆 机 构 的 运 动 过 程 中 ， 连 杆 及 滑 块 的 质 心 都 在 作 变 速 运 动 ， 它 们所 产 生 的 惯 性 力 难 于 用 一 般 的 平 衡 方 法 加 以 消 除 ， 因 而 会 增 加 机 构 的 动 载 荷 ，所 以 连 杆 机 构 一 般 不 宜 用 于 高 速 运 动 。(c)虽 然 利 用 连 杆 机 构 可 以 满 足 各 种 运 动 规 律 和 运 动 轨 迹 的 设 计 要 求 ， 但设 计 一 种 能 准 确 实 现 这 种 要 求 的 连 杆 机 构 却 是 十 分 繁 难 的
36、 ， 而 且 在 多 数 情 况下 一 般 只 能 近 似 地 满 足 运 动 要 求 。所 以 ， 连 杆 机 构 多 用 于 有 特 殊 需 要 的 地 方 。综 上 所 述 ， 在 回 转 运 动 可 以 用 齿 轮 传 动 和 连 杆 传 动 ， 连 杆 传 动 的 特 点 如上 所 述 。 齿 轮 机 构 它 具 有 ：（ a） 效 率 高 ： 在 常 用 的 机 械 传 动 中 ， 它 的 传 动 效 率 为 最 高 ， 如 一 级 圆 柱齿 轮 传 动 的 效 率 可 达 99%。南昌航空大学科技学院学士学位论文8（ b） 结 构 紧 凑 ： 在 同 样 的 条 件 下 ， 齿
37、轮 传 动 所 需 的 空 间 尺 寸 一 般 较 小 。（ c） 工 作 可 靠 、 寿 命 长 ： 设 计 制 造 正 确 合 理 、 使 用 维 护 良 好 的 齿 轮 传 动 ，工 作 十 分 可 靠 ， 寿 命 可 长 达 一 、 二 十 年 ， 这 是 其 它 机 械 传 动 所 不 能 比 拟 的 。（ d） 传 动 比 稳 定 ： 传 动 比 稳 定 往 往 是 对 传 动 性 能 的 基 本 要 求 。 齿 轮 传 动获 得 广 泛 应 用 ， 也 就 是 由 于 这 一 点 。但 齿 轮 传 动 的 制 造 及 安 装 精 度 要 求 高 ， 价 格 较 贵 ， 不 宜 用
38、 于 传 动 距 离 过大 的 场 合 。由 于 在 微 型 飞 行 器 模 拟 实 验 时 ， 模 拟 转 台 要 根 据 飞 行 器 在 空 中 飞 行 的 实际 情 况 进 行 模 拟 ， 所 以 ， 在 传 动 方 面 要 比 较 精 确 。 初 步 确 定 ， 用 齿 轮 传 动 。设 计 要 求 中 ， 模 拟 转 台 具 有 三 个 自 由 度 。 转 动 精 度 要 较 高 ， 转 动 的 角 位 移 分辨 率 要 低 ， 连 续 转 动 速 度 范 围 要 较 大 ， 运 动 角 度 范 围 要 符 合 设 计 要 求 。 在 以各 种 速 度 转 动 的 过 程 中 ， 转
39、 台 运 动 要 平 稳 ， 过 渡 过 程 要 较 迅 速 。 直 线 运 动 的速 度 范 围 要 较 大 ， 运 动 要 平 稳 。 直 线 运 动 与 转 动 过 渡 过 程 要 迅 速 、 平 稳 。现 代 的 众 多 的 结 构 中 使 用 钢 丝 软 轴 。 钢 丝 软 轴 主 要 用 于 两 个 传 动 件 的 轴线 不 在 同 一 直 线 上 ， 或 工 作 时 彼 此 要 求 有 相 对 运 动 的 空 间 传 动 。 钢 丝 软 轴 是由 多 组 钢 丝 分 层 卷 绕 而 成 的 ， 具 有 良 好 的 挠 性 ， 可 以 把 回 转 运 动 灵 活 地 传 到不 开
40、的 空 间 位 置 。微 型 飞 行 器 模 拟 转 台 实 验 时 要 求 ， 转 动 的 三 轴 共 点 ， 这 是 为 了 是 实 验 时 ，飞 行 器 能 在 较 小 的 范 围 内 （ 风 洞 中 ） 模 拟 空 中 的 姿 态 。1.2.2 传 动 机 构 的 选 择 及 评 价能 用 在 转 动 中 的 机 构 简 图 如 下 ：齿 轮 机 构 简 图 如 下 ：南昌航空大学科技学院学士学位论文9半 弧 齿 轮小 齿 轮 工 作 台 中 心图 1.1大 齿 轮 做 成 半 个 圆 弧 状 的 。 当 小 齿 轮 来 回 转 动 时 ， 带 动 半 弧 齿 轮 来 回 转动 ， 由
41、 于 工 作 台 的 中 心 是 从 动 件 的 圆 心 ， 半 弧 齿 轮 来 回 转 动 时 ， 是 绕 圆 心 转动 ， 从 而 带 动 工 作 台 绕 从 动 件 的 圆 心 来 回 摆 动 。 从 而 能 模 拟 俯 仰 运 动 。蜗 轮 蜗 杆 机 构 ， 可 以 实 现 回 转 运 动 ， 它 的 简 图 如 下 图 ：图 1.2蜗 杆 的 转 动 带 动 蜗 轮 的 转 动 ， 实 现 回 转 运 动 ， 从 而 实 现 飞 行 器 的 俯 仰 运动 。连 杆 机 构 如 下 图 所 示 ：南昌航空大学科技学院学士学位论文101.3 图连 杆 机 构 可 以 实 现 多 种 运
42、 动 ， 来 回 摆 动 ， 带 动 飞 行 器 的 运 动 。 但 是 连 杆机 构 的 运 动 链 较 长 ， 机 械 效 率 较 低 ， 不 能 作 为 高 速 传 动 。回 转 机 构 简 图 如 下 ：图 1.4小 齿 轮 为 主 动 轮 ， 大 齿 轮 为 从 动 轮 。 小 齿 轮 的 转 动 带 动 大 齿 轮 的 转 动 ，大 齿 轮 的 转 动 带 动 安 装 在 大 齿 轮 上 的 其 它 构 件 的 水 平 转 动 ， 从 而 带 动 工 作 平台 水 平 转 动 ， 模 拟 微 型 飞 行 器 的 偏 航 角 。 凸 轮 可 以 实 现 往 复 运 动 ， 其 运 动
43、 简 图 如 下 ：南昌航空大学科技学院学士学位论文11图 1.5凸 轮 通 常 作 等 速 转 动 ,也 可 做 往 复 摆 动 或 往 复 直 线 移 动 。 在 这 里 主 要 是利 用 凸 轮 的 往 复 摆 动 运 动 。 带 传 动 的 机 构 简 图 如 下 ：从 动 轮 传 动 链 主 动 轮图 1.6带 传 动 时 ， 是 由 于 带 和 带 轮 间 的 摩 擦 （ 或 啮 合 ） 拖 动 从 动 轮 一 起 转 动 ，并 传 递 一 定 的 动 力 。 它 的 结 构 简 单 ， 传 动 平 稳 ， 价 格 低 ， 缓 冲 吸 振 。 但 所 占的 空 间 较 大 ， 传
44、动 不 够 精 确 。 软 轴 结 构 如 下 图 所 示 ：南昌航空大学科技学院学士学位论文12图 1.7软 轴 主 要 用 于 两 个 传 动 件 的 轴 线 不 在 同 一 直 线 上 ， 或 工 作 时 彼 此 要 求 有相 对 运 动 的 空 间 传 动 。软 轴 的 一 端 可 直 接 接 电 动 机 ， 另 一 端 可 以 直 接 接 工 作 转 台 。 软 轴 还 可 以在 软 管 之 内 任 意 的 旋 转 ， 可 以 产 生 扭 矩 作 用 于 构 件 上 ， 带 动 工 作 台 直 接 转 动 。综 上 所 诉 ， 初 步 可 选 运 动 方 案 如 下 ：运 动 名 称
45、 偏 航 运 动 俯 仰 运 动 横 滚 运 动运 动 机 构 1 齿 轮 机 构1.4齿 轮 机 构 1.1 软 轴 机 构1.7运 动 机 构 2 齿 轮 机 构1.4蜗 轮 蜗 杆 机 构1.2软 轴 机 构1.7运 动 机 构 3 齿 轮 机 构1.4软 轴 机 构 1.7 软 轴 机 构1.7下 一 章 对 所 选 的 运 动 方 案 的 原 理 进 行 分 析 。南昌航空大学科技学院学士学位论文133 原理设计及评价3.1 原 理 一 ：原理如图所示：齿 轮轴第 三 层 转 台第 二 层 转 台轴支 架工 作 转 台轴齿 轮第 一 层 转 台注 ： （ 1） 各 轴 的 驱 动 源
46、 均 是 步 进 电 极（ 2） 微 型 飞 行 器 的 俯 仰 远 动 由 软 轴 来 实 现 ， 软 轴 直 接 连 接 工 作 台 ，在 此 图 未 表 达 出 来 。（ 3） 一 些 元 件 的 固 定 装 置 未 表 现 出 来 。（ 4） 步 进 电 机 的 安 装 在 上 图 未 表 示 出 来 。根 据 设 计 要 求 ， 第 一 层 转 台 由 大 小 齿 轮 联 合 作 用 ， 使 其 转 动 ， 模 拟 微 型飞 行 器 的 航 向 角 。 小 齿 轮 直 接 由 步 进 电 机 驱 动 ， 小 齿 轮 带 动 大 齿 轮 转 动 ， 使整 个 转 台 转 动 。 第 二
47、 层 转 台 中 ， 采 用 电 机 与 轴 的 联 合 作 用 ， 电 动 机 经 过 联 轴器 与 轴 相 联 ， 电 动 机 的 转 动 带 动 轴 的 转 动 ， 轴 由 两 个 轴 承 座 支 撑 ， 使 轴 能 够顺 利 的 转 动 ， 从 而 实 现 第 二 层 转 台 的 转 动 。 第 二 层 转 台 通 过 两 根 固 定 架 与 轴南昌航空大学科技学院学士学位论文14相 连 ， 固 定 架 上 支 撑 着 第 二 层 转 台 ， 轴 转 第 二 层 转 台 同 时 转 ， 从 而 实 现 微 型器 的 翻 滚 运 动 。 第 三 层 转 台 是 实 现 微 型 飞 行 器
48、 的 俯 仰 角 ， 由 软 轴 带 动 。 第 三层 转 台 是 固 定 在 第 二 层 转 台 上 的 ， 也 是 通 过 固 定 架 支 撑 ， 第 三 层 转 台 同 时 也是 模 拟 飞 行 器 的 工 作 台 ， 通 过 软 轴 的 联 接 、 转 动 ， 实 现 微 型 飞 行 器 的 俯 仰 角 。总 体 上 讲 ， 此 方 案 能 基 本 实 现 微 型 飞 行 器 的 三 个 自 由 度 ， 航 向 、 俯 仰 、翻 滚 ， 但 由 于 结 构 较 为 复 杂 ， 不 够 紧 凑 ， 在 外 观 方 面 不 够 美 观 。 最 为 关 键 的是 实 现 飞 行 器 三 个
49、自 由 度 的 运 动 中 心 必 须 在 飞 行 器 的 中 心 ， 上 述 方 案 中 ， 由于 第 二 层 转 台 是 由 轴 的 转 动 来 实 现 的 ， 其 运 动 中 心 难 以 确 定 在 飞 行 器 的 中 心 ，故 飞 行 器 的 转 动 不 合 理 ， 同 时 对 设 计 与 制 造 也 会 造 成 很 大 的 难 度 ， 所 以 此 方案 不 能 选 择 。南昌航空大学科技学院学士学位论文153.2 原 理 二 ：原理图 2螺 杆工 作 台轴蜗 轮蜗 杆支 架齿 轮底 座第 一 层 转 台齿 轮注 ： （ 1） 第 一 层 转 台 、 蜗 轮 蜗 杆 驱 动 是 由 步 进 电 机 实 现 。（ 2） 软 轴 在 图 上 不 便 表 达 。 软 轴 直 接 接 到 工 作 台 上 ， 由 电 动机 直 接 驱 动 。（ 3） 步 进 电 机 的 安 装 在 上 图 上 未 表 示 出 来 。方 案 2 是 在 方 案 1 的 基 础 之 上 把 第 二 层 转 台 的 驱 动 改 用 蜗 轮 蜗 杆 机 构 ，由 于 蜗 轮 蜗 杆 在 运 动 中 其 运 动 的 中 心 较 为 好 确 定 ， 故 考 虑 到 用 这 种 机 构 ， 但是 采 用 蜗 轮 蜗 杆 机 构 模 拟 的 是 微 型 飞 行
