毕业论文(论文)-舵机上关键零部件的刚度测试方法和舵机整机模态分析测试.doc
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1、摘要论文详细介绍了舵机上关键零部件的刚度测试方法和舵机整机模态分析测试方法,以及实验完成后对实验数据的处理过程。刚度测试的实验装置都是根据舵机的结构专门设计加工的,这些实验的设计思路以后对其他类型舵机的相关实验也都有一定的参考价值。这些实验都是采用国内先进仪器设备完成的,实验过程中也全部是由电脑采样并记录数据,这样就保持了实验方法的准确性与精确性。得到的一些实验数据和曲线对了解舵机的振动特性,以及以后对舵机的参数化设计开发和校核等都是很有帮助的。关键词:振动特性,结构参数,刚度测试,模态分析AbstractThe thesis describes in detail that the stif
2、fness analysis of key components of steering gear, model analysis, and experimental data processing. The experimental instruments for these tests is designed according to the special structure of the steering gear. It is a valuable reference for other similar experiments in the future. These experim
3、ents are based on the completion of the advanced equipments, and all samples and data are recorded by the computer, so that the experimental methods can maintain the accuracy and precision. The experimental data and the curves we received can help a lot for us to learn the vibration performance of t
4、he steering gear, and they also helps parameterized design and check in the future.Keywords: vibration performance, structural parameter, stiffness test, model analyzing目录摘要IAbstractII目录III1 绪论- 1 -1.1课题来源- 1 -1.2本课题的目的及其意义- 1 -1.3 舵机设计现状- 2 -1.4振动测试技术发展现状- 2 -1.5本课题的研究内容- 3 -2 舵机振动特性参数测试原理- 4 -2.1
5、系统及零部件静刚度测试原理- 4 -2.2模态分析概念- 5 -2.3 模态分析基本原理- 7 -2.4单自由度粘性阻尼系统频响函数分析- 10 -2.5频响函数的测量- 12 -3 实验系统设计- 15 -3.1 .舵机静态实验设备- 15 -3.2深沟球轴承刚度测试- 16 -3.3 角接触球轴承轴向刚度测试- 18 -3.4 丝杠螺母副接触刚度测试- 20 -3.5关节轴承接触刚度测试- 23 -3.6 拨叉旋转刚度测试- 25 -3.7舵机动态特性实验方案设计- 27 -3.8 实验系统模块化设计- 34 -4 实验数据处理- 36 -4.1 实验数据的处理- 36 -4.2 深沟球轴
6、承刚度数据分析处理- 37 -4.3角接触球轴承刚度数据分析- 39 -4.4 丝杠螺母刚度数据分析处理- 41 -4.5 关节轴承刚度数据分析处理- 43 -4.6 拨叉刚度数据分析- 45 -4.7 舵机整机模态测试数据- 47 -4.8 试验方法分析- 49 -5总结- 50 -致谢- 51 -参考文献- 52 - - 54 -1 绪论1.1课题来源本项目来源于某研究院招标项目舵机综合设计软件开发设计要求。1.2本课题的目的及其意义近年来,随着现代科学的发展,我们对飞机,船舶等大型机器控制的精密度、可靠性、可控性要求也越来越严格。舵机是它们控制系统的重要组成部分,它的功能是执行控制系统发
7、出的指令,即根据系统控制器输出的一定的大小和极性的信号,操纵舵片偏转,依靠机器运动中舵片偏转产生的空气动力及气动力矩,控制和稳定它们的运动方向。因此,对舵机的静动态特性进行分析了解具有十分重要的意义。舵机的动态特性和控制精度直接影响产品的总体性能。舵机传动系统从输入端到输出端是将电机的高速转动变为舵片的低速、大扭矩转动。其传动主要有以下几个特点:1)末端执行机构(拨叉、舵片等)受到的冲击和扭矩大;2)传动系统存在复杂的非线性环节,具体包括传动间隙、接触与碰撞、非线性摩擦等;3)舵机工作环境复杂,传动部件因间隙和弹性变形受到复杂的内部冲击和振动冲击,工作环境温度变化幅度大,很容易引起系统的自激振
8、荡以及强度刚度失效。因此为了对舵机传动系统的动态特性有更深入的了解,我们有必要进行一系列舵机动静态实验,获取其振动参数。 本次毕业设计课题“舵机精密传动机构综合测试平台模块化设计”正是基于这样的一个目的,即设计一个综合测试平台,并在其上分别采用静态和和动态的实验方法,对不同的转速条件下舵机传动系统的扭振响应进行测量,从而对整个系统的固有振动特性进行辨识,进而可以对舵机伺服系统进行动力学仿真、控制系统仿真,从而为舵机伺服系统的设计、制作、试验和改进提供必要的数据和设计参考。1.3 舵机设计现状目前对舵机的设计主要采用通用的专业设计手段,以“物理样机-试验-样机改进”为研发模式,产品研制周期长、成
9、本高。舵机的系统设计缺乏自顶向下的设计手段,系统性能设计工作主要是在MATLAB环境下建立数学模型,进行系统静态、动态特性仿真。由于各个环节所建的理想数学模型与真实的物理环节有所偏差,导致理论设计与真实物理系统差距较大。 为提高提高舵机的整体设计水平,现准备开发舵机综合设计软件。在研究院综合设计平台框架的基础上,开发专用设计软件和模型库,集成各专业软件形成典型设计流程,形成功能全面的集成设计系统。该软件将形成支持舵机设计全过程的数字化环境,具备流程管理、舵机方案设计、结构及电路详细设计、系统多学科优化、总体性能综合仿真等功能。应用该软件可以使舵机的设计水平跨上一个新台阶。现阶段重点是在建立总体
10、方案设计手段、提高舵机仿真分析能力、建立规范的多专业模型库、建立舵机设计流程管理手段等方面取得突破。1.4振动测试技术发展现状 机械振动问题广泛地存在于机械工程的各个领域。许多振动现象是有益于人类的,但是,大多数情况下,振动却带来有害的影响。由于振动,降低了机器的动态精度和使用性能,带来了我们不愿看到的效果,此外,振动引起的噪声公害日益严重,因此,研究振动对机械的设计和使用具有重要的实际意义。随着大型复杂的高速旋转机械的不断增加和工业发展水平的不断提高,这种研究的迫切性也越来越显现了。振动测试,狭义地说是在于通过传感器,放大仪器以及显示或记录仪表,测量机械或工程机构在外激励或运行工况其重要部件
11、的位移,速度,加速度等运动量,从而了解机械或机构的工作状态。广义地说是,通过运动量的测量,我们希望了解机械或结构的动特性,如固有频率,固有振型,阻尼以及动刚度等特性参数,为机械或工程结构的动力设计服务。振动测试包括运动量的测量和动特性试验两个方面。后者通常用所谓动态特性参数来表达,因而动特性参数的试验识别。振动测量和振动振动试验分析在机械工程和工程结构部门有着广泛的应用。它综合了传感器,电子学,信号分析以及现代结构振动理论等多方面的学术成果,形成了自身的理论,方法,实践技术和科学体系。特别是上世纪60年代快速傅立叶变换(FFT)的应用及以后的电子技术和科学计算机的飞速发展,对振动测量和振动试验
12、分析起了相当大的推动作用。 测试技术的发展,促进了机械振动研究领域的一些新技术、新学科的诞生和发展,如机械阻抗与导纳,模态分析与参数识别,结构的动态修改与动态设计,旋转机械的转速跟踪分析,机械的动态监测与控制,振动诊断,故障预报等。在振动领域,测试技术、信号分析技术以及计算机技术的完美结合,使人们对与振动的测试和分析进入了一个全新的使用阶段。1.5本课题的研究内容课题任务要求是所设计的综合测试平台应该含有通用机械接口的总体台架,分别有一台静态加载和动态加载设备。针对不同带测试零部件应该设计具有通用接口的夹具,设计模块化的测试平台,并完成平台的详细结构设计,强度校核,加载装置及检测装置的选型及接
13、口设计,协调加工装配。在该试验台上进行一系列实验,即分别采用静态和和动态的实验方法,对不同的转速条件下舵机传动系统的扭振响应进行测量,从而对整个系统的固有振动特性进行辨识。其中包括:1.测量舵机关键零部件及整机的动力学参数,包括整体及零部件刚度,间隙的测试实验方案制定。2.舵机传动机构转子系统模态测试实验方案制定。3.舵机传动机构静/动态综合测试平台的模块化设计。2 舵机振动特性参数测试原理2.1 系统及零部件静刚度测试原理受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。各向同性材料的刚度取决于它的弹性模量E和剪切模量G(见胡克定律)。结构的刚度除取
14、决于组成材料的弹性模量外,还同其几何形状 、边界条件等因素以及外力的作用形式有关。分析材料和结构的刚度是工程设计中的一项重要工作。对于一些须严格限制变形的结构(如机翼、高精度的装配件等),须通过刚度分析来控制变形。许多结构(如建筑物、机械等)也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。另外,如弹簧秤、环式测力计等,须通过控制其刚度为某一合理值以确保其特定功能。在结构力学的位移法分析中,为确定结构的变形和应力,通常也要分析其各部分的刚度。刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度(或称刚性)常用单位变形所需的力或力矩来表示,刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类(即材料的弹性模量)
15、。刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后,会影响机器工作质量的零件尤为重要,如机床的主轴、导轨、丝杠等。刚度的一般概念是指物体或系统抵抗变形的能力。用加到物体的作用力与沿此作用力方向上产生的变形量的比值表示: (2.1) 式中,指代附加载荷();指代受力方向上的形变();指代零件在受力方向的静刚度()。在一个系统中,往往不是单独使用某个弹性元件,而是以串联或并联方法连接成一组。往往在我们无法直接求取某部件刚度的时候,可以通过各部件之间的联接关系间接求取。我们已知,整个系统的等效刚度与各串联零部件的刚度有如下关系: (2.2) 式中,为串联系统总刚度,分别是串联的单个弹性元件的刚度。2.2模态
16、分析概念模态是机械结构的固有振动特性。每一个模态具有特定的固有频率,阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算机或试验分析获得。一个复杂的振型系统可以分解为多个模态的叠加,而其分解过程称为模态分析。如果这个分解过程是由有限元计算方法取得则称为理论模态分析;如果采用试验采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数,称为试验模态分析。通常所说的模态分析是指试验模态分析。振动模态是弹性结构固有的,整体特性。如果通过模态分析方法搞清楚结构物在某一兴趣频率范围内各阶主要模态的特性,就能预言结构在此频段内在内部或外部各种振源作用下的实际振动响应。因此,模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。 试
17、验模态分析主要过程如图2.1所示,首先,实验测量激励和响应的时间历程,运用数字信号处理技术求得频响函数或脉冲响应函数,得到系统的非参数模型;其次,运用参数识别方法,求得系统模态参数;最后,确定系统的物理参数。因此,试验模态分析综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段。 图2.1 试验模态分析简介实验模态分析主要是通过模态实验,测量系统的振动响应信号或同时测量系统的激励信号、响应信号,从测量到的信号中,识别描述系统动力特征的有关参数。识别的主要内容有以下两种:(l)物理参数识别,包括质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵;(2)模态参数识别,包括固有频率、衰减系数、模态矢量、模态刚
18、度和模态阻尼。模态分析系统一般由以下三都分组成:(1)激振系统:使得系统产生稳态、瞬态或随机振动。(2)测量系统:用传感器测量实验对象的各主要部位上的位移、速度或加速度振动信号,然后将这些信号与激振信号一起记录到硬盘上。(3)分析系统:将记录在磁带或硬盘上的激励信号和响应信号经过模数转换,采样输入到数字式分析仪或计算机中,用硬件或软件系统识别振动系统的模态参数。由于在做模态实验时,只需要测得传递函数的一行或一列就可以获得全部模态信息,因此,若固定在一点测量振动响应信号,而不断改变激励信号的作用点,这样就测量出了传递函数的一行;若固定在一点进行激励,而在不同点进行振动响应信号测量,即不断改变振动
19、响应信号的测试点,这样就测量出了传递函数的一列。模态分析流程如图2.2所示。测量的基本步骤如下。(1)确定实验模型,将实验结构支撑起来(边界条件的确定)。(2)模态实验,利用预定的方法激励实验结构(一般用锤击法),并记录原点及各测点的激励、响应时间历程。(3)对各测点的时间历程的记录数据进行数字处理,求出各测点的传递函数,并组成传递函数矩阵。(4)参数识别。(5)进行动画显示。图2.2 模态分析流程2.3 模态分析基本原理工程实际中的振动系统都是连续弹性体,其质量与刚度具有分析的性质,只有掌握无限多个点在每瞬间时的运动情况,才能全面描述系统的振动。因此,理论上它们都属于无限多自由度的系统,需要
20、用连续模型才能加以描述。但实际上不可能这样做,通常采用简化的方法,归结为有限个自由度的模型来进行分析,即将系统抽象为由一些集中质量块和弹性元件组成的模型。如果简化的系统模型中有n个集中质量,一般它便是一个n 自由度的系统,需要n 个独立坐标来描述它们的运动,系统的运动方程是n个二阶互相耦合(联立)的常微分方程。模态分析是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下,通过实验数据的处理和分析,寻求其“模态参数”,是一种参数识别的方法。模态分析的实质,是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量,放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动
21、系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下,振动方程是一组互无耦合的方程,分别描述振动系统的各阶振动形式,每个坐标均可单独求解,得到系统的某阶结构参数。经离散化处理后,一个结构的动态特性可由阶矩阵微分方程描述: (2.3)式中为维激振向量;,分别为维位移、速度和加速度响应向量;、分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵,通常为实对称阶矩阵。设系统的初始状态为零,对式(2.3)两边进行拉普拉斯变换,可以得到以复数s为变量的矩阵代数方程 (2.4)式中 (2.5)反映了系统动态特性,称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。其逆矩阵 (2.6)称为广义导纳矩阵,也就是传递函数矩阵。由式(2.4)可知 (2.7)在上式
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