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畢業(yè)設計（論文）任務書
I、畢業(yè)設計(論文)題目：
三自由度微型飛行器模擬轉臺的設計
II、畢 業(yè)設計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設計技術要求：
設計的模擬轉臺具有三個自由度，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的航向角（偏轉角）、俯仰
角、橫滾角（滾轉角），模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。
III、畢 業(yè)設計(論文)工作內(nèi)容及完成時間：
1. 收集資料、撰寫開題報告 第1周-第2周
2. 轉臺機械系統(tǒng)方案的選擇及評價 第2周-第5周
3. 轉臺裝配圖及零件圖的設計 第5周-第10周
4. 相關外文翻譯 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，紀名剛主編.機械設計.第七版.北京：高等教育出版社，2001；
2 孫桓，陳作模主編.機械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2002；
3 徐灝主編.機械設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1995.12；
4 王昆等主編. 機械設計課程設計手冊.北京：高等教育出版社，2004；
航空工程 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè)類 0881054 班
學生（簽名）：
填寫日期： 2012 年 3 月 10 日
指導教師（簽名）：
助理指導教師(并指出所負責的部分)：
系主任（簽名）：
附注:任務書應該附在已完成的畢業(yè)設計說明書首頁。
學士學位論文原創(chuàng)性聲明
本人聲明，所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立完成的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(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位申請的論文或成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。
作者簽名： 鄒金生 日期：2012年5月30日
學位論文版權使用授權書
本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學科技學院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
作者簽名： 鄒金生 日期：2012年5月30日
導師簽名： 日期：2012年5月30日
畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目 三自由度微型飛行器模擬轉臺設計
專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化
班 級 學 號 088105442
學 生 姓 名 鄒金生
指 導 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)
隨著社會的發(fā)展，工業(yè)水平的提高，逐步的由大型化轉向小型化，轉化成微型化。在此發(fā)展的過程中，機械制造技術的水平與制造業(yè)也得到了有個較快的發(fā)展，它反映的是一個國家的經(jīng)濟實力和科學技術水平。新技術的推廣和應用，使得新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，與原有的事物相比，其體積是越來越小。機械工業(yè)歷來都是發(fā)達國家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是一個國家的工業(yè)基礎。從70年代開始，由于各國政府重視和發(fā)展高新技術，特別是微電子技術，微機技術的引入，使傳統(tǒng)的機械工業(yè)在產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統(tǒng)結構等方面發(fā)生了質(zhì)的變化，使其煥發(fā)了新的生命，形成了一個嶄新的現(xiàn)代機械工業(yè)。
一個國家需安全、穩(wěn)定，其國防技術就不能落后于其它國家。目前，各國在國防建設的投入是越來越多，逐年增加，為的就是研制出新的產(chǎn)品，使自己有優(yōu)越于其他國家?，F(xiàn)代軍隊的裝備越來越重視其輕型化、技術化、現(xiàn)代化等。如：微型沖鋒槍、微型機器人等。飛機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭是必不可少的，其發(fā)展趨勢也是向無人駕駛，微型化發(fā)展。
在微型飛行器的研制過程中，飛行仿真實驗是必不可少的重要步驟。飛行仿真實驗主要分為測試飛機飛行動力學性能的風洞實驗和測試飛機動態(tài)控制性各種機載傳感器性能的地面半實物飛行仿真實驗。只有通過仿真實驗，獲取足夠多的飛行器性能數(shù)據(jù)，確證飛行器的外形設計符合動力學要求，控制系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性以及各種機載穩(wěn)定性以及各種機載儀器能夠在模擬工作環(huán)境中正常工作，才能進行飛行器的試飛工作。
我國也在研制開發(fā)微型飛行器的行列中的一員，因此也就需要進行飛行仿真實驗必不可少的實驗設備——模擬轉臺。為了加快我國微型飛行器的事業(yè)的發(fā)展，我選擇了三自由度微型飛行器模擬轉臺設計作為我的畢業(yè)設計的課題。
課題的意義
在微型飛行器模擬轉臺的設計過程中，三軸搖擺臺是半實物飛行仿真實驗系統(tǒng)中的一個關鍵設備。它可以按照實驗要求，提供飛行器飛行時的航向角、俯仰角、橫滾角以及飛行擾動，實時模擬飛行器在空氣飛行的姿態(tài)。通過模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動時控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時，還可以測試飛行器攜帶的機載傳感器在模擬飛行條件下的工作狀況。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：
目前，在微型飛行器模擬實驗轉臺的研究開發(fā)方面，多采用齒輪傳動，用步進電機驅(qū)動。一般是三軸飛行模擬轉臺，實驗時能提供飛行器飛行時的航向角（偏轉角）、俯仰角、橫滾角（滾轉角），即只有三個自由度。這種三軸飛行模擬轉臺，并不能完全模擬飛行器在空中的姿態(tài)。它采用三層轉臺提供三個方向的轉動。在實際使用時，由三個獨立的電機驅(qū)動。下層轉臺模擬飛行時的航向角，中層轉臺模擬飛行時的俯仰角，上層轉臺模擬飛行時的橫滾角。
飛行器在空中飛行時，有六自由度，所以在風洞實驗時，模擬轉臺的發(fā)展趨勢是具有五個或六個自由度，要能真實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，即由計算機控制，以增加模擬的準確性。
三、研究內(nèi)容及實驗方案：
研究內(nèi)容：
1．搜集畢業(yè)設計相關資料，包括參考圖紙、技術論文及外文資料。
2．對相關類型的模擬轉臺進行分析比較，并確定出新的傳動方案，繪制出相應傳動系統(tǒng)圖。
3．繪制結構圖，包括展開圖和剖截圖，并進行相關設計的計算。
4．綜合計算結果及圖，進行合理性檢驗。
5．確定方案并進性設計記錄的修改、整理。
6．繪制總裝配圖。
7．確定驅(qū)動方式，并確定驅(qū)動動力來源。
8．撰寫說明書。
9．翻譯外文資料。
實驗方案：
方案一、方案二、方案三：
方案一中，主要采用的是齒輪、軸機構。把實現(xiàn)其功能分為三層轉臺實現(xiàn)，各層轉臺采用步進電機帶動。方案一中存在較多的缺陷：一是機構不夠緊湊，實現(xiàn)第二層轉臺功能是靠的是支架，這樣不但不好定位而且使整個機構處于不穩(wěn)定狀態(tài)；二是實驗時，三層轉臺的運動中心必須是在飛行器的運動中心上的，而此機構較難以保證。第二層轉臺的運動中心較難控制，難以保證三軸同心。所以此運動機構在設計上是不合理的，不能在實踐中得到運用。
方案二中，采用蝸輪蝸桿機構。這是利用了蝸輪蝸桿的運動中心較容易控制，設計過程中當中，應使飛行器的工作轉臺位于蝸輪蝸桿的運動中心，這樣就可以確保同心的要求。在第一層轉臺當中，采用嚙合作用，使整個上層轉臺轉動，其運動中心同樣也是在飛行器的運動中心之上的。在此機構當中還采用了軟軸機構，充分利用了軟軸的旋轉特性。利用軟軸來模擬飛行器的橫滾，軟軸直接連接于工作臺之上的，同時也可以直接的與步進電機連接，使整個機構較為緊湊。驅(qū)動軟軸的電機與驅(qū)動蝸輪蝸桿的電機列于運動中心兩側，這樣有利于整個工作轉臺的平衡，減少轉動慣量，提高精度，同時也便于三軸的同心。此方案總結來說比較合理，在實現(xiàn)三個自由度的同時，也確保了其運動中心在同一軸線上。能較好的確保運動精度和準確度。
方案三第一層轉臺采用齒輪嚙合，保證工作臺的運動中心在齒輪的運動中心，再利用兩根軟軸來實現(xiàn)飛行器的俯仰和橫滾運動，與兩根軟軸連接的步進電機分布于軸的兩端，便于平衡，降低轉動慣量，其精確度較高。
總述三種方案，方案三較為方便、緊湊。設計過程中也較為簡單在本書中就不予于設計與介紹。在本書中主要介紹方案二。對方案二的零件進行設計與計算。
四、目標、主要特色及工作進度
目標：
1） 設計的模擬轉臺具有三個自由度，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的航向角（偏轉角）、俯仰角、橫滾角（滾轉角）以及飛行擾動，實時模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。
2） 繪制的結構圖包括展開圖和剖截圖。
3） 翻譯的外文資料應在五千字符以上。
4） 所擬設計中涉及標準一律執(zhí)行國標（新）和ISO。
特色：較高的精度，便于控制，結構緊湊，安裝方便。
工作進度：
1） 收集資料、撰寫開題報告 第1周-第2周
2） 轉臺機械系統(tǒng)方案的選擇及評價 第2周-第5周
3） 轉臺裝配圖及零件圖的設計 第5周-第10周
4） 相關外文翻譯 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
（1） 許洪基，雷光主編 現(xiàn)代機械傳動手冊 第2版 北京： 機械工業(yè)出版社 2002
（2）鄧星鐘 主編 機電傳動控制（第三版） 武漢：華中科技大學出版社 2001年
（3）濮良貴，紀名剛 主編 機械設計 第7版 北京：高等教育出版社 2001
（4）孫桓，陳作模 主編 機械原理 第5版 北京：高等教育出版社
（5）王世剛 主編 機械設計實踐 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社2001
（6）王啟義 主編 機械制造裝備設計 北京：冶金工業(yè)出版社 2002
（7）李振清 主編 機械設計簡明手冊 兵器工業(yè)出版社出版
（8）王昆，何小柏，汪信遠 主編 機械設計-機械設計基礎課程設計 北京： 高等教育出版社，1996
（9）唐金松 主編 簡明機械設計手冊 第2版 上海： 上?？茖W技術出版社 2000
（10）中國紡織大學工程圖學教研室等編 畫法幾何及工程制圖 第四版上海：上?？茖W技術出版社 1999
三自由度微型飛行器模擬轉臺的設計
學生姓名：鄒金生 班 級：0881054
指導老師：朱保利
摘要：在微型飛行器的研制過程中，飛行仿真實驗是必不可少的，飛行仿真實驗主要分為測試飛機動力性能的風洞實驗和測試飛機動態(tài)控制性能。三軸搖擺臺是半實物仿真實驗系統(tǒng)中的一個關鍵設備。
本文設計開發(fā)了一種用于微型飛行器半實物仿真實驗的多功能飛行模擬轉臺，轉臺可作為低速扎的三軸搖擺臺，也可以作為高速旋轉的一維旋轉臺使用，轉臺通過三個獨立的軸系來實現(xiàn)所需模擬的三個轉角。通過計算機控制系統(tǒng)控制整個轉臺的轉動。設計中采用了齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、軟軸機構來模擬其三個運動。
本產(chǎn)品的主要功能是在控制系統(tǒng)的作用下，能精確做如下運動：手動步進，手動步退，自動步進，自動步退。所設計的模擬轉臺具有結構緊湊、操作方便、可控性較好、功能也較強大等優(yōu)點。
關鍵字：飛行模擬轉臺 仿真實驗 微型飛行器 搖擺臺
指導老師簽名：
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：
南昌航空大學科技學院學士學位論文
1 前 言
§1.1模擬轉臺的簡介
微型飛行器（Micro Aerial Vehicles 或Micro Air Vehicles,簡稱MAVs）的概念最初是美國科學家布魯諾 ?W?奧根斯坦在1992年美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency簡稱DARPA）主持的一次未來軍事會議上提出的。現(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，實時傳輸圖象等突出優(yōu)點，因而在軍事、消防、交通等領域有獨特的應用。
隨著社會的發(fā)展，工業(yè)水平的提高，逐步的由大型化轉向小型化，轉化成微型化。在此發(fā)展的過程中，機械制造技術的水平與制造業(yè)也得到了有個較快的發(fā)展，它反映的是一個國家的經(jīng)濟實力和科學技術水平。新技術的推廣和應用，使得新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，與原有的事物相比，其體積是越來越小。機械工業(yè)歷來都是發(fā)達國家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是一個國家的工業(yè)基礎。從70年代開始，由于各國政府重視和發(fā)展高新技術，特別是微電子技術，微機技術的引入，使傳統(tǒng)的機械工業(yè)在產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統(tǒng)結構等方面發(fā)生了質(zhì)的變化，使其煥發(fā)了新的生命，形成了一個嶄新的現(xiàn)代機械工業(yè)。
一個國家需安全、穩(wěn)定，其國防技術就不能落后于其它國家。目前，各國在國防建設的投入是越來越多，逐年增加，為的就是研制出新的產(chǎn)品，使自己有優(yōu)越于其他國家。現(xiàn)代軍隊的裝備越來越重視其輕型化、技術化、現(xiàn)代化等。如：微型沖鋒槍、微型機器人等。飛機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭是必不可少的，其發(fā)展趨勢也是向無人駕駛，微型化發(fā)展。
在微型飛行器的研制過程中，飛行仿真實驗是必不可少的重要步驟。飛行仿真實驗主要分為測試飛機飛行動力學性能的風洞實驗和測試飛機動態(tài)控制性能以及各種機載傳感器性能的地面半實物飛行仿真實驗。只有通過仿真實驗，獲取足夠多的飛行器性能數(shù)據(jù)，確證飛行器的外形設計符合動力學要求，控制系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性以及各種機載穩(wěn)定性以及各種機載儀器能夠在模擬工作環(huán)境中正常工作，才能進行飛行器的試飛工作。
三軸搖擺臺是半實物飛行仿真實驗系統(tǒng)中的一個關鍵設備。它可以按照實驗要求，提供飛行器飛行時的航向角、俯仰角、橫滾角以及飛行擾動，實時模擬飛行器在空氣飛行的姿態(tài)。通過模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動時控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時，還可以測試飛行器攜帶的機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
目前，在微型飛行器模擬實驗轉臺的研究開發(fā)方面，多采用齒輪傳動，用步進電機驅(qū)動。一般是三軸飛行模擬轉臺，實驗時能提供飛行器飛行時的航向角（偏轉角）、俯仰角、橫滾角（滾轉角），即只有三個自由度。這種三軸飛行模擬轉臺，并不能完全模擬飛行器在空中的姿態(tài)。它采用三層轉臺提供三個方向的轉動。在實際使用時，由三個獨立的電機驅(qū)動。下層轉臺模擬飛行時的航向角，中層轉臺模擬飛行時的俯仰角，上層轉臺模擬飛行時的橫滾角。
飛行器在空中飛行時，有六自由度，所以在風洞實驗時，模擬轉臺的發(fā)展趨勢是具有五個或六個自由度，要能真實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，即由計算機控制，以增加模擬的準確性。
§1.3 研究內(nèi)容
1．搜集畢業(yè)設計相關資料，包括參考圖紙、技術論文及外文資料。
2．對相關類型的模擬轉臺進行分析比較，并確定出新的傳動方案，繪制出相應傳動系統(tǒng)圖。
3．繪制結構圖，包括展開圖和剖截圖，并進行相關設計的計算。
4．綜合計算結果及圖，進行合理性檢驗。
5．確定方案并進性設計記錄的修改、整理。
6．繪制總裝配圖。
7．確定驅(qū)動方式，并確定驅(qū)動動力來源。
8．撰寫技術論文及設計說明書。
9．翻譯外文資料。
2 轉臺機械系統(tǒng)方案的選擇及評價
§2.1 控制臺的功能分析：
微型飛行器模擬轉臺的有效載荷重量為300—500克，有效載荷空間為Φ150mm，能夠模擬微型飛行器飛行時的偏轉、俯仰、滾轉，以及飛行擾動，實時模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。通過模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動時控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時還可以測試飛行器攜帶的機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驗時，模擬轉臺要根據(jù)飛行器在空中飛行的實際情況進行模擬，所以，在傳動方面要比較精確。設計要求中，模擬轉臺具有三個自由度。要實現(xiàn)三個自由度大致把它分為三個轉臺（上、中、下）實現(xiàn)，控制飛行器的偏轉、俯仰、滾轉。由于轉動精度要較高，轉動的角位移分辨率要低，連續(xù)轉動速度范圍要較大，運動角度范圍要符合設計要求。所以要求轉動的三軸必須共點，同時要求中層轉臺和上層轉臺有較高的同軸度、等高度。對要求轉動的在以各種速度轉動的過程中，轉臺運動要平穩(wěn)，過渡過程要較迅速。直線運動的速度范圍要較大，運動要平穩(wěn)。直線運動與轉動過渡過程要迅速、平穩(wěn)。
§2.2 方案的選擇及評價：
§2.2.1執(zhí)行部分
由于在風洞實驗中，模擬轉臺要載著微型飛行器在風洞中模擬空中姿態(tài)，所以，轉臺的執(zhí)行部分只需一平臺即可， 工作平臺要能提供三個自由度的需要。有效載荷空間為Φ25mm（設計要求）。模擬轉臺設計要平穩(wěn)，水平度要好。
（1） 原動部分
電動機種類的選擇的原則是在滿足生產(chǎn)機械對穩(wěn)定和動態(tài)特性要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜的電動機。電動機種類選擇時應考慮的主要內(nèi)容：
(a) 電動機的機械特性。它應與所拖動生產(chǎn)機械的機械特性相匹配。
(b) 電動機的調(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)濟性等幾個方面，它們都應滿足生產(chǎn)機械的要求。
(c) 電動機的啟動性能。不同的生產(chǎn)機械對電動機啟動性能有不同的要求，電動機的啟動性能主要是轉矩的大小，同時還應注意電網(wǎng)容量對電動機啟動電流的限量。
(d) 電動機的電源種類。采用交流電源比較方便，而直流電源一般需要有整流設備將交流電轉換為直流電，所以交流電動機在這方面比直流電動機要優(yōu)越。
(e) 電動機的經(jīng)濟性。一是電動機及相關設備（如：啟動設備、調(diào)速設備等）的經(jīng)濟性，也就是要考慮電動機及其拖動系統(tǒng)的經(jīng)濟性，應該滿足生產(chǎn)機械對電動機各個方面運行性要求的前提下，優(yōu)選價格便宜、運行可靠、維護方便的電動機拖動系統(tǒng)；二是電動機拖動系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，主要是效率高，節(jié)省電能。目前，各種形式的電動機在我國應用非常廣泛。
由于在實驗時，轉臺要用計算機進行控制，轉臺工作精度要求較高，控制要簡單，所以要選擇工作精度高，控制方便的電機?？刂品奖愕碾姍C有控制電機和步進電機。
控制電機一般指用于自動控制、自動調(diào)節(jié)、遠距離測量、隨動系統(tǒng)以及計算裝置中的微特電機。它是旋轉電機的基礎上發(fā)展起來的小功率電機，就電磁過程及所遵循的基本規(guī)律而言，它與旋轉電機并無本質(zhì)區(qū)別，只是所起的作用不同?？刂齐姍C主要用來完成控制信號的傳遞和變換，它的技術性能穩(wěn)定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少。兩相交流伺服電機控制方法有：（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；直流伺服電機用在功率較大的場合，它的輸出功率為1W-600W。
步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。當步進電機的控制系統(tǒng)每輸出一個并經(jīng)功率驅(qū)動線路放大的電脈沖信號加于步進電機繞組時，該電動機就轉過一相應角度。脈沖一個一個地輸入，電動機便一步一步地轉動。由于這種電動機受控于電脈沖信號，通常又稱為脈沖電動機。
電動機具有以下幾個特點：
（a） 行轉速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴格的對應關系，且在負載能力范圍不受電壓波動、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)，步距誤差不會長期累積，在不失步的情況下，每轉一周積累誤差等于零。
（c） 具有靈活的控制性能，在脈沖數(shù)字信號控制下，能方便的實現(xiàn)啟動、減速、停止、反轉、定位等運行方式。
步進電動機的位移量與輸入的脈沖數(shù)嚴格成比例，這就不會引起誤差的積累，其轉速與脈沖頻率和步距角有關。控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動機各先相繞組的接通次序，可以得到各種需要的運動特性。尤其是當步進電動機與數(shù)字系統(tǒng)配套時，它將體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性，因而，廣泛應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、自動化儀表、通信設備、計算機外圍設備及自動化生產(chǎn)線中，在定量、定長、定位、對中、糾偏、測距等控制方面得到了很廣泛的應用。
步進電動機的種類很多，主要有反應式、永磁式、永磁感應子式、機械諧波式、電感諧波式以及混合式等。由于反應式步進電動機結構簡單、步距角小、工作可靠、運行頻率高，應用最為廣泛。
反應式步進電動機的定轉子磁路均由軟磁材料制成。定子上有多相勵磁繞組，按一定順序通電后產(chǎn)生轉矩。反應式步進電動機按其結構分為軸向分相、圓周分相和混合分相三種類型，按其磁路結構可分為軸向氣隙和徑向氣隙兩種類型。
反應式步進電動機可以按特定的指令進行角度控制，也可以進行速度控制。角度控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組換接一次，輸出軸就轉過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉動的角位移與脈沖數(shù)成正比。速度控制時，各相繞組不斷輪流通電，步進電動機就連續(xù)轉動。反應式步進電動機轉速只取決于脈沖頻率、轉子齒數(shù)和拍數(shù)。而與電壓、負載、溫度等因素無關。當步進電動機的通電方式選定后，其轉速只與輸入脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率就可以改變轉速，故可進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。同時步進電動機具有自鎖能力，當控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通入直流時，則電動機可以保持在固定的位置上，這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停車時轉子的定位。
綜上所述，步進電動機的步數(shù)或轉速既不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件變化的影響，只與控制脈沖同步，同時，它又能按照控制的要求進行啟動、停止、反轉或改變速度，這就是步進電動機被廣泛地應用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的原因。
對比兩種電機可見，在控制方面，步進電機比控制電機控制簡單、方便，更易于數(shù)字化。在精度方面，步進電機的傳動精度高于控制電機，性能比控制電機更優(yōu)越。
所以，在微型飛行器模擬轉臺的設計中，采用步進電機。
（2）傳動部分 由控制臺的性能分析可知，系統(tǒng)需要三個自由度：
能實現(xiàn)回轉運動的機構有：嚙合傳動機構、摩擦傳動機構、連桿機構。
嚙合轉動機構，包括齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈傳動等。
齒輪傳動可用來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并且有功率范圍大，傳動效率高，傳動比準確、穩(wěn)定，使用壽命長,工作安全可靠,結構緊湊等特點。
蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯兩軸之間的運動和動力，它傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪音很小，能以單級傳動獲得較大的傳動比，結構緊湊，蝸輪蝸桿嚙合輪齒間相對滑動速度大，摩擦損耗較大，傳動效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱和溫升過高的現(xiàn)象，磨損較嚴重，有些蝸桿傳動具有自鎖性。
鏈傳動由鏈條和主、從動鏈輪所組成。鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保證準確的傳動比，傳動效率較高；結構較為緊湊，安裝要求較底，成本低廉。鏈傳動的主要的缺點是：在兩根平行軸只能用于同向回轉的傳動；運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪音；不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應用。
鏈傳動通常用在工作可靠，且兩軸相距較遠，以及其它不宜采用齒輪傳動的地方，還用在對傳動要求不高而工作條件惡劣的地方。
摩擦傳動機構，包括帶傳動、摩擦輪傳動等。其優(yōu)點是構造簡單，傳動平穩(wěn)，易于實現(xiàn)無級變速，造價低廉以及緩沖吸振、有過載保護作用等優(yōu)點。缺點是轉動比不準確，傳遞效率低等。
連桿傳動，如雙曲柄機構和平行四邊形機構等。 連桿傳動機構應用十分廣泛，人造衛(wèi)星太陽能板的展開機構，機械手的傳動機構，折疊傘的收放機構以及人體假肢等等，都是連桿機構。其傳動特點如下：
(a)連桿機構中的運動副一般均為低副，低副兩元素為面接觸，可在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤滑，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單，便于加工制造。
(b)在連桿機構中，當原動件以同樣的運動規(guī)律運動時，如果改變各構件的相對長度關系，便可使從動件得到不同的運動規(guī)律。
(c)在連桿機構中，連桿上不同點的軌跡是各種不同形狀的曲線（連桿曲線），而且隨著各構件相對長度關系的改變，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滿足不同軌跡的要求。
(d)連桿機構還可以很方便地用來達到增力、擴大行程和實現(xiàn)較遠距離的傳動等目的。
連桿傳動的缺點：
(a)由于在連桿機構中運動必須經(jīng)過中間構件進行傳遞，因而連桿機構一般具有較長的運動鏈(即較多的構件和較多的運動副)，所以各構件的尺寸誤差和運動副中的間隙將使機構產(chǎn)生較大的積累誤差，同時也會使機械效率降低。
(b)在連桿機構的運動過程中，連桿及滑塊的質(zhì)心都在作變速運動，它們所產(chǎn)生的慣性力難于用一般的平衡方法加以消除，因而會增加機構的動載荷，所以連桿機構一般不宜用于高速運動。
(c)雖然利用連桿機構可以滿足各種運動規(guī)律和運動軌跡的設計要求，但設計一種能準確實現(xiàn)這種要求的連桿機構卻是十分繁難的，而且在多數(shù)情況下一般只能近似地滿足運動要求。
所以，連桿機構多用于有特殊需要的地方。
綜上所述，在回轉運動可以用齒輪傳動和連桿傳動，連桿傳動的特點如上所述。齒輪機構它具有：
（a）效率高：在常用的機械傳動中，它的傳動效率為最高，如一級圓柱齒輪傳動的效率可達99%。
（b）結構緊湊：在同樣的條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。
（c）工作可靠、壽命長：設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這是其它機械傳動所不能比擬的。
（d）傳動比穩(wěn)定：傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應用，也就是由于這一點。
但齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，不宜用于傳動距離過大的場合。
由于在微型飛行器模擬實驗時，模擬轉臺要根據(jù)飛行器在空中飛行的實際情況進行模擬，所以，在傳動方面要比較精確。初步確定，用齒輪傳動。設計要求中，模擬轉臺具有三個自由度。轉動精度要較高，轉動的角位移分辨率要低，連續(xù)轉動速度范圍要較大，運動角度范圍要符合設計要求。在以各種速度轉動的過程中，轉臺運動要平穩(wěn)，過渡過程要較迅速。直線運動的速度范圍要較大，運動要平穩(wěn)。直線運動與轉動過渡過程要迅速、平穩(wěn)。
現(xiàn)代的眾多的結構中使用鋼絲軟軸。鋼絲軟軸主要用于兩個傳動件的軸線不在同一直線上，或工作時彼此要求有相對運動的空間傳動。鋼絲軟軸是由多組鋼絲分層卷繞而成的，具有良好的撓性，可以把回轉運動靈活地傳到不開的空間位置。
微型飛行器模擬轉臺實驗時要求，轉動的三軸共點，這是為了是實驗時，飛行器能在較小的范圍內(nèi)（風洞中）模擬空中的姿態(tài)。
§1.2.2傳動機構的選擇及評價
能用在轉動中的機構簡圖如下：
齒輪機構簡圖如下：
圖1.1
大齒輪做成半個圓弧狀的。當小齒輪來回轉動時，帶動半弧齒輪來回轉動，由于工作臺的中心是從動件的圓心，半弧齒輪來回轉動時，是繞圓心轉動，從而帶動工作臺繞從動件的圓心來回擺動。從而能模擬俯仰運動。
蝸輪蝸桿機構，可以實現(xiàn)回轉運動，它的簡圖如下圖：
圖1.2
蝸桿的轉動帶動蝸輪的轉動，實現(xiàn)回轉運動，從而實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。
連桿機構如下圖所示：
1.3圖
連桿機構可以實現(xiàn)多種運動，來回擺動，帶動飛行器的運動。但是連桿機構的運動鏈較長，機械效率較低，不能作為高速傳動。
回轉機構簡圖如下：
圖1.4
小齒輪為主動輪，大齒輪為從動輪。小齒輪的轉動帶動大齒輪的轉動，大齒輪的轉動帶動安裝在大齒輪上的其它構件的水平轉動，從而帶動工作平臺水平轉動，模擬微型飛行器的偏航角。
凸輪可以實現(xiàn)往復運動，其運動簡圖如下：
圖1.5
凸輪通常作等速轉動,也可做往復擺動或往復直線移動。在這里主要是利用凸輪的往復擺動運動。
帶傳動的機構簡圖如下：
圖1.6
帶傳動時，是由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合）拖動從動輪一起轉動，并傳遞一定的動力。它的結構簡單，傳動平穩(wěn)，價格低，緩沖吸振。但所占的空間較大，傳動不夠精確。
軟軸結構如下圖所示：
圖1.7
軟軸主要用于兩個傳動件的軸線不在同一直線上，或工作時彼此要求有相對運動的空間傳動。
軟軸的一端可直接接電動機，另一端可以直接接工作轉臺。軟軸還可以在軟管之內(nèi)任意的旋轉，可以產(chǎn)生扭矩作用于構件上，帶動工作臺直接轉動。
綜上所訴，初步可選運動方案如下：
運動名稱
偏航運動
俯仰運動
橫滾運動
運動機構1
齒輪機構1.4
齒輪機構1.1
軟軸機構1.7
運動機構2
齒輪機構1.4
蝸輪蝸桿機構1.2
軟軸機構1.7
運動機構3
齒輪機構1.4
軟軸機構1.7
軟軸機構1.7
下一章對所選的運動方案的原理進行分析。
3原理設計及評價
§3.1原理一：
原理如圖所示：
注：（1）各軸的驅(qū)動源均是步進電極
（2）微型飛行器的俯仰遠動由軟軸來實現(xiàn)，軟軸直接連接工作臺，在此圖未表達出來。
（3）一些元件的固定裝置未表現(xiàn)出來。
（4）步進電機的安裝在上圖未表示出來。
根據(jù)設計要求，第一層轉臺由大小齒輪聯(lián)合作用，使其轉動，模擬微型飛行器的航向角。小齒輪直接由步進電機驅(qū)動，小齒輪帶動大齒輪轉動，使整個轉臺轉動。第二層轉臺中，采用電機與軸的聯(lián)合作用，電動機經(jīng)過聯(lián)軸器與軸相聯(lián)，電動機的轉動帶動軸的轉動，軸由兩個軸承座支撐，使軸能夠順利的轉動，從而實現(xiàn)第二層轉臺的轉動。第二層轉臺通過兩根固定架與軸相連，固定架上支撐著第二層轉臺，軸轉第二層轉臺同時轉，從而實現(xiàn)微型器的翻滾運動。第三層轉臺是實現(xiàn)微型飛行器的俯仰角，由軟軸帶動。第三層轉臺是固定在第二層轉臺上的，也是通過固定架支撐，第三層轉臺同時也是模擬飛行器的工作臺，通過軟軸的聯(lián)接、轉動，實現(xiàn)微型飛行器的俯仰角。
總體上講，此方案能基本實現(xiàn)微型飛行器的三個自由度，航向、俯仰、翻滾，但由于結構較為復雜，不夠緊湊，在外觀方面不夠美觀。最為關鍵的是實現(xiàn)飛行器三個自由度的運動中心必須在飛行器的中心，上述方案中，由于第二層轉臺是由軸的轉動來實現(xiàn)的，其運動中心難以確定在飛行器的中心，故飛行器的轉動不合理，同時對設計與制造也會造成很大的難度，所以此方案不能選擇。
§3.2原理二：
原理圖2
注：（1）第一層轉臺、蝸輪蝸桿驅(qū)動是由步進電機實現(xiàn)。
（2）軟軸在圖上不便表達。軟軸直接接到工作臺上，由電動機直接驅(qū)動。
（3）步進電機的安裝在上圖上未表示出來。
方案2是在方案1的基礎之上把第二層轉臺的驅(qū)動改用蝸輪蝸桿機構，由于蝸輪蝸桿在運動中其運動的中心較為好確定，故考慮到用這種機構，但是采用蝸輪蝸桿機構模擬的是微型飛行器的俯仰運動。
第一層轉臺利用軸與齒輪的配合作用。小齒輪直接由步進電機驅(qū)動，通過嚙合使大齒輪轉動，軸通過大齒輪的轉動從而實現(xiàn)軸本身的運動，軸的運動也就帶動了整個工作轉臺的運動，從而實現(xiàn)模擬飛行器的航向角。
在第二層轉臺中采用蝸輪蝸桿機構實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。蝸輪兩邊固定在兩板之上的，保證其中心在蝸桿蝸輪的運動中心上，也就是飛行器的運動中心上，在蝸輪上安裝一根支桿，直接與工作臺連接，也是通過這根支桿使工作臺運動。為了能確保蝸輪和擺幅軌跡的準確性，利用螺桿來定其運動軌跡和定位，使其能準確的傳動來實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。蝸桿轉動使蝸輪做來回運動實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。為了確保飛行器在風洞中的運動不受影響，蝸輪蝸桿的安裝應該偏離飛行器的運動中心，然后利用一根支桿伸出確保三個自由度的中心在飛行器運動的中心。
第三層轉臺由軟軸直接與工作臺連接（在原理圖上未能表示出來），軟軸直接由步進電機驅(qū)動，來實現(xiàn)微型飛行器的橫滾運動。驅(qū)動軟軸的電機安裝在下層大齒輪之上。
在此方案中，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的三個自由度，也能保證實現(xiàn)三個自由度的運動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的運動中心，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、電動機連接，軟軸還可以任意旋轉。故此方案較第一種方案結構簡單、緊湊，同時也便于運動中心的確定。
§3.3原理三：
原理圖：
注：（1）電動機在圖示中未表示出來。
（2）軟軸由電動機直接驅(qū)動，小齒輪也由電動機直接驅(qū)動。
方案三的原理是：
（1） 兩個齒輪同時由底座來支撐，小齒輪直接由步進電機帶動。在步進電機的直接作用下，通過嚙合帶動大齒輪轉動，軸通過鍵與大齒輪作用，使軸轉動，從而帶動轉臺轉動，模擬微型飛行器的航向角。
（2） 軟軸1直接與轉臺連接。軟軸具有國際標準，通過軟軸的接頭直接作用于轉臺，可以帶動轉臺轉動。軟軸1可以實現(xiàn)微型飛行器的俯仰運動。軟軸直接與步進電機連接，可以實現(xiàn)轉動。步進電機的固定未在原理圖中表示出來。
（3） 軟軸2也是直接與轉臺連接，通過電機的驅(qū)動帶動軟軸轉動，從而使轉臺轉動。軟軸2模擬的是微型飛行器的橫滾運動。其電動源在原理圖上也未表示出來。
總結方案三，整個模擬微型飛行器的轉臺設計比較緊湊，結構也比較的簡潔，能夠很好的實現(xiàn)微型飛行器的三個方向的自由度，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，同時也可以直接的與電機作用，無需配合聯(lián)軸器，這也就大大的降低了模擬飛行器轉臺的重量，兩根軟軸對稱的分布在軸的兩側，這也就降低了轉動慣量，有利于真實的模擬，準確度、精確度都較高。
§3.4總述方案：
綜合評價方案一、方案二、方案三：
方案一中，主要采用的是齒輪、軸機構。把實現(xiàn)其功能分為三層轉臺實現(xiàn)，各層轉臺采用步進電機帶動。方案一中存在較多的缺陷：一是機構不夠緊湊，實現(xiàn)第二層轉臺功能是靠的是支架，這樣不但不好定位而且使整個機構處于不穩(wěn)定狀態(tài)；二是實驗時，三層轉臺的運動中心必須是在飛行器的運動中心上的，而此機構較難以保證。第二層轉臺的運動中心較難控制，難以保證三軸同心。所以此運動機構在設計上是不合理的，不能在實踐中得到運用。
方案二中，采用蝸輪蝸桿機構。這是利用了蝸輪蝸桿的運動中心較容易控制，設計過程中當中，應使飛行器的工作轉臺位于蝸輪蝸桿的運動中心，這樣就可以確保同心的要求。在第一層轉臺當中，采用嚙合作用，使整個上層轉臺轉動，其運動中心同樣也是在飛行器的運動中心之上的。在此機構當中還采用了軟軸機構，充分利用了軟軸的旋轉特性。利用軟軸來模擬飛行器的橫滾，軟軸直接連接于工作臺之上的，同時也可以直接的與步進電機連接，使整個機構較為緊湊。驅(qū)動軟軸的電機與驅(qū)動蝸輪蝸桿的電機列于運動中心兩側，這樣有利于整個工作轉臺的平衡，減少轉動慣量，提高精度，同時也便于三軸的同心。此方案總結來說比較合理，在實現(xiàn)三個自由度的同時，也確保了其運動中心在同一軸線上。能較好的確保運動精度和準確度。
方案三第一層轉臺采用齒輪嚙合，保證工作臺的運動中心在齒輪的運動中心，再利用兩根軟軸來實現(xiàn)飛行器的俯仰和橫滾運動，與兩根軟軸連接的步進電機分布于軸的兩端，便于平衡，降低轉動慣量，其精確度較高。
總述三種方案，方案三較為方便、緊湊。設計過程中也較為簡單。在本書中就不予于設計與介紹。在本書中主要介紹方案二。對方案二的零件進行設計與計算。
§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驗轉臺具有較高的精度要求和準確性要求，整個實驗轉臺裝置必須結果緊湊，合理布置。在實現(xiàn)三個自由度的同時要能保證設計合理。
方案二中，把三個自由度的實現(xiàn)分別利用三個不同的轉臺，分為上、中、下三層。第一層轉臺模擬微型飛行器的航向運動，第二層轉臺模擬微型飛行器的俯仰運動，第三層轉臺是利用軟軸來模擬微型飛行器的橫滾運動。
第一層轉臺是利用齒輪機構。因為齒輪機構的傳動精度高，結構緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比穩(wěn)定。由于第一層轉臺的轉矩較高，要求的同軸度也較高，應采用齒輪嚙合。通過齒輪的轉動帶動第二、第三層同時旋轉，故精度較高。驅(qū)動小齒輪旋轉的步進電機直接與小齒輪連接并固定在蓋板之上的，由于傳動的精度要高，摩擦要較小，所以采用推力球軸承支承起小齒輪，保證傳動要求。第一層轉臺固定在底座之上的，底座用地腳螺釘固定在地面上，使其穩(wěn)定?？偟膩碚f第一層轉臺能夠?qū)崿F(xiàn)微型飛行器的航向運動，也能保證較高的精度。
第二層轉臺實現(xiàn)的是微型飛行器的俯仰運動，主要是采用蝸輪蝸桿機構（ZC蝸桿）。此類蝸輪蝸桿機構的特點較多：傳動比范圍大；蝸輪蝸桿的齒廓呈凹凸嚙合，接觸線與相對滑動速度方向間的夾角大，有利用潤滑油膜的形成；蝸桿主動時，嚙合效率可達95％以上。在此采用蝸輪蝸桿機構主要是利于其中心距較易控制，工作臺也就是放置在蝸輪蝸桿的運動中心，這也保證了其三軸同心的要求。但采用此機構最大的問題就是蝸輪的安裝與定位，以及考慮到蝸輪蝸桿的潤滑問題。本機構采用的是設計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滑問題。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，使蝸輪不能前后運動，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圓弧槽，用來安裝軸與滾筒，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。這里采用滾筒機構主要是因為滾筒的摩擦力較小，而且傳動的精度也比較高。利用此機構確定其蝸輪能繞著中心旋轉，使工作臺始終在一軸線上運動?？偟膩碚f第二層轉臺能保證其運動的中心與第一層轉臺的中心重合的同時，結構也相對緊湊，便于控制。
第三層轉臺就是采用軟軸直接與工作臺連接，利用步進電機的驅(qū)動直接帶動工作臺轉動，實現(xiàn)微型飛行器的橫滾運動，在這里考慮電機的布置問題。整個模擬機構都是較精密的，傳動要求要較高的，考慮到這一點，把這個步進電機與驅(qū)動第二層轉臺的步進電機分別安置于運動中心的兩側，這樣可以減少轉臺的轉動慣量，提高精度。
綜述此套方案，結構緊湊，安裝方便。能同時模擬微型飛行器的三個自由度。此方案的裝配圖和零件圖附后。
4 齒輪機構設計
§4.1失效形式
齒輪傳動就裝置型式來說，有開式、半開式及閉式之分；就使用情況來說，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、?；膬?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。一般來說，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，因為輪齒在受載時，齒根處產(chǎn)生的彎曲應力最大，再加上齒根過度部分的截面突變及加工刀痕等引起的應力集中作用，當輪齒重復受載后，齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴展，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)用大齒根過渡圓角半徑及消除加工刀痕來減少齒根應力集中;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、滾壓等措施對齒根表層進行強化加工。
§4.1.2齒面磨損
在齒輪傳動中,齒面隨著工作條件的不同會出現(xiàn)多種不同的磨損形式。當嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)(如砂粒、鐵屑等)時,齒面即被逐漸磨損而報廢。這種磨損稱為磨粒磨損.它是開式齒輪傳動的主要形式之一。改用閉式齒輪傳動是避免齒面磨粒磨損最有效的方法。
§4.1.3齒面點蝕
點蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤滑良好的閉式吃力傳動中,常見的齒面失效形式多為點蝕。所謂點蝕就是齒面材料在變化著的接觸應力作用下,由于疲勞而產(chǎn)生的麻點狀損傷現(xiàn)象。
輪齒在嚙合過程中,齒面間的相對滑動起著形成潤滑油膜的作用,而且相對滑動愈高,愈易在齒面間形成油膜,潤滑也就愈好。當輪齒在靠近節(jié)線處嚙合時,由于相對滑動速度低,形成油膜的條件差,潤滑不良,摩擦力較大,因此點蝕也就首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上,然后再向其他部位擴展。從相對意義上說,也就是靠近節(jié)線樹的齒面抵抗點蝕的能力最差(即接觸疲勞強度最低)
提高齒輪材料的硬度,可以增強輪齒的點蝕能力。
§4.1.4齒面膠合
對于高速重載的齒輪傳動,齒面間壓力大瞬間溫度高,潤滑效果差,當瞬間溫度過高時,相嚙合的兩齒面就會發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象,由此兩齒面又在作相對滑動,想粘結的部位即被撕破,于是在齒面上沿相對滑動的方向形成傷痕,稱為膠合。
加強潤滑措施,采用抗膠合能力強的潤滑油,在潤滑油中加入極壓添加濟等,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,它是由于在過大的應力作用下,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而引起的材料塑性流動所形成的。錘擊塑變則是伴有過大的沖擊而產(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滑油均有助于減緩或防止輪齒產(chǎn)生塑性變形。
§4.2 設計準則
所設計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對上述情況及失效形式，都應分別確立相應的設計準則。但是對于齒面磨損、塑性變形等，由于尚未建立起廣為工程實際使用而且行之有效的計算方法及設計數(shù)據(jù)，所以目前設計數(shù)據(jù)，所以一般使用的齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。
§4.3齒輪設計
由設計要求推斷，微型飛行器模擬轉臺的工作壽命為10年（設每年工作365天），工作情況為，每天工作8小時，齒數(shù)比U=4，輸入功率為P=150w,小齒輪轉速為n1=350rpm.
1. 選定齒輪精度等級，材料及齒數(shù)
1） 模擬轉臺是用來模擬微型飛行器在空中的飛行姿態(tài)，需要較高的傳動要求，傳動精度要高。故選精度等級為4級精度等級（GB10095--88）
2) 材料選擇：結合模擬轉臺的使用環(huán)境（強度不需要太大），要使模擬轉臺結構簡單、緊湊，載荷小，振動小，選用鋁合金，在鋁合金中選用鋁硅合金，代號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. 按齒面接觸強度設計
由設計計算公式（10-9a）（參考文獻3）進行計算，即
d1≥
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計算小齒輪的轉矩
小齒輪的轉矩為：
Nmm
（3）由表10-7（參考文獻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3 P207）按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限
（6）計算循環(huán)次數(shù)
（7）由圖10-19（參考文獻3 P203）查得疲勞壽命系數(shù)
（8）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式10-12（參考文獻3 P203）得：
2）計算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
（2）計算圓周速度v
(3)計算齒寬
(4)計算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒高
（5）計算載荷系數(shù)
根據(jù),4級精度，由圖10-8（參考文獻3，P192）查得動載
荷系數(shù)；
直齒輪，假設。由表10-3（參考文獻3，P193）查得
；
查表10-2（參考文獻3，P191）得使用系數(shù)；
由表10-4（參考文獻3，P194）查得4級精度、小齒輪相對支承對稱布置時，
將數(shù)據(jù)代入后得
由，查圖10-13（參考文獻3，P195）得，所以載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）（參考文獻3，P200）
（7）計算模數(shù)m
3.按齒跟彎曲強度設計
由式（10-5）（參考文獻3 P198）得彎曲強度的設計公式為
1） 確定公式內(nèi)的各計算參數(shù)值
（1）由圖10-20c（參考文獻3，P204）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限
，大齒輪的疲勞強度極限；
（2）由查彎曲疲勞壽命系數(shù)；
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.8，計算如下：
（4）計算載荷系數(shù)K
（5）查取齒形系數(shù)，
（6）查取應力校正系數(shù)，
（7）計算大，小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
1） 設計計算
對比設計計算結果，由齒面接觸強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取齒面接觸強度計算模數(shù)1.14，由于在齒輪之上還得放第二層轉臺，故需要有較高的穩(wěn)定性，所以圓整為標準值m=2mm。
4.幾何尺寸計算
由于，在模擬轉臺的設計過程中，只要考慮轉臺的結構因素，所以，初步選擇小齒輪的齒數(shù)為32。按此計算齒輪的參數(shù)。
1） 計算分度圓直徑
小齒輪的分度圓直徑
大齒輪的分度圓直徑
1） 計算中心距
2） 計算齒輪寬度
由于模擬轉臺工作時的受力小，振動小，轉矩小，所以結合模擬轉臺的結構取 。
4）驗算
所以此計算合適。
5．齒輪各個尺寸的計算
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
壓力角取標準值
5 蝸桿蝸輪設計
§5.1蝸桿傳動的簡介
蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意值。蝸桿具有以下特點，故應用較為廣泛。
a) 當使用單頭蝸桿（相當于單線螺紋）時，蝸桿旋轉一周，蝸輪只轉過一個齒矩，因而能實現(xiàn)大的傳動比。在動力傳動中，一般傳動比I=5～80；在分度機構或手動機構的傳動中，傳動比可達300；若只傳遞運動，傳動比可達1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結構很緊湊。
b) 在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。
c) 當蝸輪的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。
d) 蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似，在嚙合處有相對滑動。當滑動速度很大，工作條件不夠良好時，會產(chǎn)生較嚴重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低；當傳動具有自鎖性時，效率僅為0.4左右。同時由于摩擦與磨損嚴重，常需耗用有色金屬制造蝸輪，以便于與鋼制蝸桿配對組成減摩性良好的滑動摩擦副。
根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動。
圓柱蝸輪傳動又包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動。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）和錐面包絡蝸桿（ZK蝸桿）等四種。
圓弧圓柱蝸桿傳動和普通圓柱蝸桿傳動相似，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則為凸弧形。所以，圓弧圓柱蝸桿傳動是一種凹凸弧齒廓相嚙合的傳動，也是一種線接觸的嚙合傳動。其主要的特點為：效率高，一般可達90%；承載能力高，一般可較普通圓柱蝸桿傳動高出50%—150%；體積小；質(zhì)量?。唤Y構緊湊。
環(huán)面蝸桿傳動的特征是，蝸桿體在軸向的外形是一凹圓弧為母線所形成的旋轉曲面，所以把這種蝸桿傳動叫做環(huán)面蝸桿傳動。在這種傳動的嚙合帶內(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。由于同時相嚙合的齒對多，而且輪齒的接觸線與蝸輪齒運動的方向近似于垂直，這就大大的改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動的的2～4倍，效率一般高達85%～90%；但它需要較高的制造和安裝精度。
錐蝸桿傳動也是一種空間交錯軸之間的傳動，兩軸交錯角通常為90o。蝸桿在節(jié)錐上分布的等導程的螺旋所形成的，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上加工而成的，故稱為錐蝸輪。錐蝸輪傳動的特點是：同時接觸的點較多，重合度大；傳動比范圍大（一般為10～360）；承載能力和效率較高；側隙便于控制和調(diào)整；能做離合器使用；可節(jié)約有色金屬；制造安裝簡便，工藝性好。但是由于結構上的原因，傳動具有不對稱性，因而正、反轉時受力不同，承載能力和效率也不同。
§5.2蝸桿傳動的失效形式
蝸桿傳動的主要失效形式為點蝕、磨損、剝落、膠合、彎曲折短等，最常見的是磨損和點蝕。這些失效形式是由蝸桿傳動的特點及設計制造中的問題所致。例如：滑動速度大，嚙合效率低，潤滑條件不良，材料選配不當，幾何參數(shù)選擇不理想，加工制造粗糙都是導致蝸桿傳動失效的因素。
如果根據(jù)工況條件，對蝸桿傳動進行優(yōu)化設計，注意材料的選擇、加工、潤滑、散熱以及安裝等各個環(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，牌號有20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6（德國鋼號）、17CrNi3等。
（2）滲氮鋼 表面硬度≥750HV，牌號有42CrMo、38CrMoAl等。
（3） 表面淬火鋼 表面硬度為45～50HRC，牌號有45、40Cr、35CrMo、42CrNiMo等。
（4）調(diào)質(zhì)鋼 表面硬度為30～35HRC，牌號有42CrMo、34CrMo1、40CrNiMo等。
2. 蝸輪材料
對于重要傳動，多數(shù)選用鑄造銅合金；對不重要或手動傳動，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，允許滑動速度V≤25m/s，是蝸輪齒圈的理想材料，牌號有ZcuSn10P1(ZQSn10-1)、ZCuSn12Ni2(德國G-CuSn12Ni或GZ-CuSn12Ni)。
（2）鑄鋁鐵青銅 有足夠的強度和硬度，價廉，但抗膠合能力差，跑合性能差，允許滑動速度V≤4m/s，牌號有ZcuAl10Fe3(ZQA19-4).
(3) 鑄鐵 用于不重要的傳動中，允許滑動的速度V≤2m/s，牌號有HT200，HT300。
§5.4 蝸桿計算
根據(jù)設計要求，利用蝸桿傳動來實現(xiàn)微型飛行器的一個自由度，故其傳動的精度要求較高，傳動應該較穩(wěn)定?，F(xiàn)已知輸入功率P=38W(由所選的電動機確定)，蝸桿轉速n=400r/min(由所選的電動機確定),傳動比i=20。微型飛行器模擬轉臺的工作壽命為10年（設每年工作365天），工作情況為，每天工作8小時。
1. 選擇蝸桿的類型
根據(jù)傳動要求選擇圓弧圓柱蝸桿傳動，ZC蝸桿。
2. 選擇材料
根據(jù)設計要求蝸桿的傳動的功率不大，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. 按齒面接觸疲勞強度進行設計
根據(jù)蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行再校核彎曲疲勞強度。傳動中心：
1) 確定作用在蝸輪上的轉矩
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,由于轉速不高,沖擊不大,可取動載荷系數(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中心距a的比值=0.35,查得
5) 確定許用接觸應力
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力=268 MPa
應力循環(huán)次數(shù) 應力循環(huán)次數(shù) N===35040000
壽命系數(shù) =0.85
則
==0.85180=153
6) 計算中心矩
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=0.384.可查接觸系數(shù),因為,因此以上計算結果可用.
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
分度圓導程角
2)蝸輪
蝸輪齒數(shù);變位系數(shù)
驗算傳動比,這時傳動比誤差為,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度
當量齒數(shù)
根據(jù),可查得齒形系數(shù)
螺旋角系數(shù)
許用彎曲應力
可查得ZCuAl10Fe3制造的蝸輪的基本許用彎曲應力
壽命系數(shù)
因為,所以彎曲強度是滿足的.
6 軟軸設計與計算
§6.1鋼絲軟軸的簡介
鋼絲軟軸主要用于工作時彼此要求有相對運動的空間傳動,軟軸安裝簡便、結構緊湊、工作適應性強。適用于高轉速、小扭矩場合。它的應用范圍是：可移式機械化工具，主軸可調(diào)位的機床、混泥土振動器、砂輪機、醫(yī)療器械、以及里程表、遙控儀表等傳動中。
軟軸傳遞功率范圍一般不超過5.5KW，轉速可達2000r/min.
6.1.1. 軟軸的結構型式和規(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。軸的旋轉方向，應使表層鋼絲趨于繞緊為合理。
軟軸的作用是保護鋼絲軟軸，以免與外界機件接觸，并保護潤滑劑和防止塵埃侵入；工作時軟管還起支撐作用，使軟軸便于操作。
軟軸接頭是用以聯(lián)接動力輸出軸及工作部件。其聯(lián)接方式分固定式和滑動式兩種。固定式多用于軟軸較短，或工作中彎曲半徑變化不大的場合。當軟軸工作時彎曲半徑變化較大時，允許軟軸在軟管內(nèi)有較大的竄動，以補償軟管彎曲時的長度變化。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滑，應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)接傳動裝置及工作部件的機體，有時也是軟軸接頭的軸承座。
6.1.2. 軟軸的選擇
軟軸的尺寸，應根據(jù)所需傳遞的扭矩、轉速、旋轉方向、工作中的彎曲半徑，以及傳遞距離等使用要求選擇。
低于額定轉速時，軟軸按恒扭矩傳遞動力；高于額定轉速時，按恒功率傳遞動力。
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—— 額定轉速 r/min
Mt——軟軸從動端所需傳遞的扭矩 N·㎝
N ——軟軸的工作轉速 r/min，當N
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