張 靂

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 宜昌 443003)

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隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵共性技術(shù)及其工程應(yīng)用*

張 靂

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 宜昌 443003)

以隨動(dòng)裝置為對(duì)象,基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)其方案布局、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)有限元與拓?fù)鋬?yōu)化,機(jī)電控制策略進(jìn)行了研究,保證了產(chǎn)品滿足功能的條件下,具有合理的剛強(qiáng)度、較輕的重量以及準(zhǔn)確的定位能力與跟蹤能力。通過(guò)產(chǎn)品初樣驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的裝置一次試車成功。所提出的基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的全過(guò)程多層次數(shù)字化設(shè)計(jì)方法,促進(jìn)了隨動(dòng)裝置現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的進(jìn)步。

隨動(dòng)裝置; 數(shù)字化設(shè)計(jì); 方案布局; 結(jié)構(gòu)拓?fù)? 虛擬樣機(jī)

Class Number TP27

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的需求逐步增大,其設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天,如何快速開發(fā)出滿足要求的新的高速化、輕型化、承載大、定位精確的機(jī)電產(chǎn)品,將是國(guó)家或企業(yè)立于不敗之地的根本。數(shù)字化設(shè)計(jì)方法作為設(shè)計(jì)的先期評(píng)估、測(cè)試和優(yōu)化手段在工程設(shè)計(jì)中備受青睞[1]。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法對(duì)于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期,提高產(chǎn)品的研發(fā)質(zhì)量具有重要的意義。

李伯虎[2]等將復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)開發(fā)工作定性為一個(gè)系統(tǒng)工程。馮培恩[3]等分析了虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),研究了挖掘機(jī)器人虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)策略。Qing Shen[4]等利用虛擬樣機(jī)技術(shù)解決了機(jī)械工程與電子工程之間的交互問(wèn)題。S. Esqué[5]等則指出了虛擬樣機(jī)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段的重要價(jià)值。Zheng Wang[6]在虛擬樣機(jī)平臺(tái)中考慮了環(huán)境的影響。方子帆[7]等以自主開發(fā)的收放裝置為研究對(duì)象,采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合的方法,開展了收放裝置回收水下裝置作業(yè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制策略研究。

以隨動(dòng)裝置為對(duì)象,探討了數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵共性技術(shù)及其工程應(yīng)用,為同類機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了方法上的指導(dǎo)。

2 隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)共性技術(shù)

2.1 隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)目的

數(shù)字化設(shè)計(jì)是在先進(jìn)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合CAD、CAE等技術(shù),對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、分析與評(píng)價(jià)等,并開發(fā)出相關(guān)專用軟件系統(tǒng)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。其實(shí)質(zhì)是基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),建立基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化模型,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的全數(shù)字化,從而縮短開發(fā)周期,降低成本,提高質(zhì)量,設(shè)計(jì)出滿足用戶需求的機(jī)電產(chǎn)品。

應(yīng)用數(shù)字化功能虛擬樣機(jī)模型和數(shù)字化仿真技術(shù),對(duì)隨動(dòng)裝置等產(chǎn)品進(jìn)行特性分析和實(shí)驗(yàn)仿真,在系統(tǒng)層次上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)性能評(píng)估與零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);在隨動(dòng)裝置等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和使用等過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題,指導(dǎo)全局優(yōu)化,從而獲得高速、輕型、承載大、定位精確的隨動(dòng)裝置等機(jī)電產(chǎn)品。

2.2 隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

為滿足一定的運(yùn)動(dòng)功能,隨動(dòng)裝置由相互運(yùn)動(dòng)的零部件組成,如何設(shè)計(jì)出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)鍵零部件受力峰值最小的隨動(dòng)裝置,其方案布局優(yōu)化是其數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵共性技術(shù)之一。

完成隨動(dòng)裝置初步設(shè)計(jì)后,零部件的強(qiáng)度剛度是否在合理范圍內(nèi),整機(jī)的重量是否滿足特殊場(chǎng)合的要求,都需要充分的論據(jù),故其零部件有限元分析與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是其數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵共性技術(shù)之一。

完成隨動(dòng)裝置零部件設(shè)計(jì)與校核之后,其傳動(dòng)平穩(wěn)性、定位精確性、跟隨能力是否真的滿足實(shí)際要求或如何滿足,其傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣是隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵共性技術(shù)之一。

掌握隨動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)特性與動(dòng)力特性能可以準(zhǔn)確地輔助零部件的設(shè)計(jì),不管是整機(jī)方案布局優(yōu)化的校驗(yàn),還是零部件有限元分析與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,或是傳動(dòng)控制策略的研究,都離不開隨動(dòng)裝置整機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析,故其基于虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析是隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵共性技術(shù)之一。

2.3 隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

為了保證了產(chǎn)品滿足功能的條件下,具有合理的剛強(qiáng)度、較輕的重量以及準(zhǔn)確的定位能力與跟蹤能力,研究?jī)?nèi)容涵蓋了產(chǎn)品方案布局優(yōu)化,運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析,結(jié)構(gòu)有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化,以及隨動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略,其數(shù)字化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

由圖1可知,隨動(dòng)裝置的數(shù)字化設(shè)計(jì)主要是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)將機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系在一起的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖1 隨動(dòng)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)方法流程圖

3 工程應(yīng)用研究

為完成三維空間內(nèi)任意方向的定位,隨動(dòng)裝置由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)組成?；剞D(zhuǎn)傳動(dòng)采用兩級(jí)減速裝置,通過(guò)減速器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的初級(jí)減速及90°換向,再通過(guò)回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)齒圈的終級(jí)減速,使回轉(zhuǎn)臺(tái)滿足規(guī)定時(shí)間內(nèi)的回轉(zhuǎn)功能要求;俯仰傳動(dòng)采用同步帶減速,然后是滾柱絲桿減速,使俯仰體滿足規(guī)定時(shí)間內(nèi)的俯仰功能要求。為了提高隨動(dòng)裝置的承載能力,提高運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和可靠性,回轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動(dòng)采用雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)布局方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

1) 回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)布局方案

考慮到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)負(fù)載較大,且要求能夠高速平穩(wěn)運(yùn)行,采用了雙驅(qū)動(dòng)電機(jī),其回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)的布局存在兩種方案,如圖2所示。

圖2中,1與固定基座(圖中未畫出)固連,2與4同時(shí)固連在回轉(zhuǎn)臺(tái)(圖中未畫出)上,3與4的輸出軸通過(guò)鍵連接在一起,4與5固連?；剞D(zhuǎn)傳動(dòng)原理為:當(dāng)回轉(zhuǎn)電機(jī)5通過(guò)回轉(zhuǎn)減速器4減速后,輸出小齒輪3會(huì)與1發(fā)生相對(duì)嚙合運(yùn)動(dòng),由于1固定不動(dòng),故3的自轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)4、5、2及回轉(zhuǎn)臺(tái)繞支撐基座中心軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)傳動(dòng)。

1-回轉(zhuǎn)支撐軸承內(nèi)圈;2-回轉(zhuǎn)支撐軸承外圈;3-回轉(zhuǎn)減速器輸出小齒輪;4-回轉(zhuǎn)減速器;5-回轉(zhuǎn)電機(jī)圖2 回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)布局方案原理圖

考慮到回轉(zhuǎn)體上方的俯仰體在仰角較大時(shí),會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)支撐軸承產(chǎn)生傾覆力矩,而圖2(a)中回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)的中心對(duì)稱布局方式相比于圖2(b)中的面對(duì)稱布局方式,更能克服一定的傾覆力矩,故選擇圖2(a)的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)布局方案作為較優(yōu)方案。

2) 俯仰傳動(dòng)系統(tǒng)布局方案

由于俯仰傳動(dòng)負(fù)載較大,為了滿足高速、平穩(wěn)的運(yùn)行,俯仰運(yùn)動(dòng)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng),其俯仰傳動(dòng)系統(tǒng)的布局初步擬定以下兩種方案,如圖3所示。

1-基座;2-回轉(zhuǎn)臺(tái);3-電動(dòng)缸;4-推桿;5-俯仰體圖3 俯仰傳動(dòng)系統(tǒng)布局方案原理圖

圖3中,基座1包含了固定基座與回轉(zhuǎn)支撐軸承等(回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)圖中未畫出),回轉(zhuǎn)臺(tái)2的低鉸點(diǎn)與電動(dòng)缸相連,高鉸點(diǎn)與俯仰體5相連,電動(dòng)缸3與回轉(zhuǎn)臺(tái)2鉸接,且其內(nèi)滾柱絲桿的螺母與推桿4為固接,推桿4與俯仰體5鉸接相連。俯仰傳動(dòng)原理為:俯仰電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),經(jīng)電動(dòng)缸3中的同步帶作一級(jí)減速后,再經(jīng)3中的滾柱絲桿減速,螺母將沿著絲桿運(yùn)動(dòng),在推桿4向外伸出的過(guò)程中,使俯仰體5繞耳軸向上仰起;當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),在推桿4收回的過(guò)程中,使俯仰體5繞耳軸向下俯落,從而實(shí)現(xiàn)俯仰傳動(dòng)。

為了選定產(chǎn)品布置方案,給出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法流程,如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法流程圖

在得出多種布局方案以后,建立俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,結(jié)合復(fù)合形算法,編寫優(yōu)化程序,經(jīng)計(jì)算得到一組優(yōu)化數(shù)據(jù),由此建立其三維模型,最終導(dǎo)入ADAMS中建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。

經(jīng)優(yōu)化評(píng)估與比較,得到俯仰傳動(dòng)前支撐方式優(yōu)化結(jié)果要優(yōu)于后支撐方式優(yōu)化結(jié)果,故選擇了俯仰傳動(dòng)前支撐布局方式。

3.2 機(jī)械系統(tǒng)性能分析與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

1) 數(shù)字化虛擬樣機(jī)

首先建立在結(jié)構(gòu)和功能上與實(shí)物樣機(jī)接近的產(chǎn)品三維模型,通過(guò)仿真分析,預(yù)測(cè)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能以便于產(chǎn)品后續(xù)的優(yōu)化及改進(jìn),減少實(shí)物樣機(jī)的試制次數(shù),縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

在隨動(dòng)裝置數(shù)字化三維模型建立完成的基礎(chǔ)上,通過(guò)將其導(dǎo)入ADAMS多體動(dòng)力學(xué)分析軟件中,并添加各類約束與驅(qū)動(dòng),可建立隨動(dòng)裝置的功能虛擬樣機(jī)模型。

設(shè)置仿真時(shí)間為19s,定義仿真步長(zhǎng)為3800步,按ADAMS默認(rèn)求解器進(jìn)行隨動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析,如圖5～圖7所示。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知,該產(chǎn)品的功能是滿足要求的。由動(dòng)力學(xué)分析可知,左右傳動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵鉸點(diǎn)的受力曲線變化趨勢(shì)基本一致,回轉(zhuǎn)減速器輸出小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)齒圈嚙合力較大,這與齒輪傳動(dòng)時(shí)存在接觸碰撞相關(guān),由于其雙傳動(dòng)系統(tǒng)是對(duì)稱布局的,故俯仰雙傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的鉸點(diǎn)受力及回轉(zhuǎn)雙傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的齒輪嚙合力大小應(yīng)基本相同,均承擔(dān)相應(yīng)負(fù)載力的一半。

2) 結(jié)構(gòu)有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化

采用變密度法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,以每個(gè)單元的相對(duì)密度作為設(shè)計(jì)變量,假定相對(duì)密度和材料彈性模量之間的關(guān)系,將結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單元材料的最優(yōu)分布問(wèn)題,在一定材料用量的條件下,尋找具有某種度量的最大剛度或最小質(zhì)量的結(jié)構(gòu)材料最佳分布形式。

以體積最小(質(zhì)量最輕)為優(yōu)化目標(biāo),以設(shè)計(jì)區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力值為約束,可建立連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:

圖5 俯仰運(yùn)動(dòng)特性輸入輸出仿真結(jié)果曲線

圖6 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性輸入輸出仿真結(jié)果曲線

圖7 各關(guān)鍵零部件所受合力

(1)

式(1)中,xi為設(shè)計(jì)變量,V為連續(xù)體的體積,σ為結(jié)構(gòu)應(yīng)力,σmax為結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力,find為體積比約束值。

以產(chǎn)品中某一個(gè)部件如基座為例,進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,其結(jié)果如表1所示。

表1 拓?fù)鋬?yōu)化前后基座的有限元分析總結(jié)

由表1可以看出優(yōu)化后基座的最大總變形及各分方向上的變形量較優(yōu)化前稍有變大,且最大等效應(yīng)力稍有上升,但都低于材料Q235的屈服極限,這說(shuō)明拓?fù)鋬?yōu)化后基座剛強(qiáng)度有微小的減弱,但仍在合理范圍以內(nèi),通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化減輕一定的重量后基座的強(qiáng)度與剛度仍能滿足設(shè)計(jì)要求,這為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。

3.3 機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制策略

1) 機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為研究系統(tǒng)控制策略,需建立伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,選用永磁同步電動(dòng)機(jī)。

由于電機(jī)的定轉(zhuǎn)子參量間存在強(qiáng)耦合問(wèn)題,控制過(guò)程要通過(guò)兩次坐標(biāo)變換,分別是clarke變換和park變換來(lái)實(shí)現(xiàn)解耦。

圖8 永磁同步電機(jī)三坐標(biāo)系

由圖8同步電機(jī)三坐標(biāo)變換,可知:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

按動(dòng)能守恒原理將隨動(dòng)裝置機(jī)械部分等效至電機(jī)輸出軸,得機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

其中,TM為電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,Jeq為隨動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

對(duì)式(8)進(jìn)行拉普拉斯變換得機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為

(9)

2) 機(jī)電系統(tǒng)控制策略

采用三閉環(huán)控制策略,給定角位移參考信號(hào),經(jīng)過(guò)角位移調(diào)節(jié)器、角速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換及空間矢量脈寬調(diào)節(jié)器、逆變器以及電流、角速度、角位移的閉環(huán)反饋回路,實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的控制。

位置調(diào)節(jié)器是主導(dǎo)調(diào)節(jié)器。位置信號(hào)θ跟隨給定信號(hào)的變化,位置調(diào)節(jié)器性能的好壞直接決定了系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,采用PI調(diào)節(jié)器,在實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試中,電機(jī)有額定轉(zhuǎn)速,要考慮限速的問(wèn)題。

電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,需要考慮啟動(dòng)電流超調(diào)的問(wèn)題。結(jié)合永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,選用的永磁同步電機(jī)矢量控制原理圖如圖9所示。

圖9 三閉環(huán)永磁同步電機(jī)矢量控制原理圖

3) 隨動(dòng)裝置聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)方法

采用ADAMS與Simulink實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)裝置機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真的方法步驟如下:

(1)在ADAMS中建立隨動(dòng)裝置數(shù)字化功能虛擬樣機(jī),確保模型正確無(wú)誤,能正常運(yùn)轉(zhuǎn),且運(yùn)動(dòng)學(xué)分析無(wú)誤;

(2)在ADAMS中定義機(jī)械系統(tǒng)的輸入、輸出變量,同時(shí)利用ADAMS/Controls模塊輸出.adm、.m、.cmd、及.xmt_txt等文件;

(3)在Simulink中建立主電機(jī)模塊、調(diào)節(jié)器模塊、逆變器模塊等,將Simulink控制文件、ADAMS虛擬樣機(jī)模型文件及其輸出的控制系統(tǒng)文件保存到同一個(gè)文件夾;

(4)設(shè)置參考信號(hào),連接控制回路,定義采樣周期,設(shè)置示波器;

(5)運(yùn)行聯(lián)合仿真,不斷調(diào)試以獲取各調(diào)節(jié)器最佳控制參數(shù)。

4) 隨動(dòng)裝置聯(lián)合仿真研究

在Simulink環(huán)境中建立聯(lián)合仿真模型如圖10所示。

圖10 回轉(zhuǎn)傳動(dòng)三閉環(huán)聯(lián)合仿真控制框圖

若給定角位移參考信號(hào)為幅值60°周期10s的正弦信號(hào)時(shí),其響應(yīng)如圖11所示。

圖11 正弦信號(hào)的回轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)曲線

若給角位移定參考信號(hào)為幅值60°的階躍信號(hào)時(shí),其響應(yīng)如圖12所示。

從圖11與圖12來(lái)看,通過(guò)給定參考信號(hào)的聯(lián)合仿真結(jié)果響應(yīng)可知,所建三閉環(huán)控制策略能夠滿足隨動(dòng)裝置機(jī)械系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的定位能力,以及對(duì)正弦信號(hào)的跟蹤能力。

圖12 階躍信號(hào)的回轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)曲線

該數(shù)字化設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于某型號(hào)隨動(dòng)發(fā)射裝置樣機(jī)試驗(yàn),在通過(guò)前期模型仿真及虛擬樣機(jī)調(diào)試的基礎(chǔ)上,確保了試車一次成功,大大縮短伺服系統(tǒng)調(diào)試周期,避免設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著設(shè)計(jì)方法和理念的不斷進(jìn)步與發(fā)展,隨動(dòng)裝置的全數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸普及并在產(chǎn)品研制中取得顯著效益,對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量及性能具有重要意義。隨動(dòng)裝置采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法主帶來(lái)的主要好處為:首先,數(shù)字化方法在隨動(dòng)裝置的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括產(chǎn)品方案布局與優(yōu)化、三維模型的數(shù)字化、基于虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化;其次,數(shù)字化方法在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是控制策略的研究,通過(guò)仿真評(píng)價(jià)為實(shí)物樣機(jī)的控制系統(tǒng)調(diào)試提供了參數(shù)調(diào)節(jié)范圍;最后,通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)裝置的機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì),將產(chǎn)品的功能與性能結(jié)合起來(lái),系統(tǒng)考慮,提高復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的水平,促進(jìn)產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

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Key Commonness Technology and Application of Servo Device Base on Digital Design

ZHANG Li

(No. 710 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Yichang 443003)

This paper takes a servo device as an object, its scheme layout, kinematics and dynamics analysis, structure finite element and topology optimization and control strategy are researched base on virtual prototype technology. It makes the product meet the function, and it guarantees reasonable strength and stiffness, light weight and accurate positioning and tracking of the product. In this paper, a whole process and multilevel digital design method base on virtual prototype is provided to promote the progress of servo device modern design theory and method.

servo device, digital design, scheme layout, structure topology, virtual prototype

2014年11月15日,

2014年12月17日

張靂,男,高級(jí)工程師,研究方向:電子對(duì)抗。

TP27

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.041