【正文】 附 錄 35 附錄 2 機(jī)械設(shè)計(jì)說明書 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是與我的畢設(shè)課題相關(guān)的一部分，所設(shè)計(jì)的內(nèi)容為旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，整體裝配圖為 A0 圖紙當(dāng)中圖 1 所示。 參考文獻(xiàn) 33 參考文獻(xiàn) [1] 張桐，陳國(guó)順， 王正林 ． 精通 LabVIEW 程序設(shè)計(jì) [M]．北京 ： 電子工業(yè)出版社 ， 2022：177212． [2] 雷振山， 趙晨光， 魏麗等 ． LabVIEW [M]． 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2022：2747． [3] Paul Pounds, Robert Mahony, Peter Corke. Modelling and Control of a QuadRotor Robot[C]//Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation, 2022: 2729. [4] Bouabdallah S, Becker M, Siegwart R. Autonomous miniature flying robots: ing soon[J]. IEEE Robotics amp。 例如其采集到的數(shù)據(jù)信息，需要通過人為手動(dòng)操作數(shù)據(jù)分析軟件才能夠分析各數(shù)據(jù)關(guān)系，可以針對(duì)該不足利用一些數(shù)據(jù)分析方法對(duì)于所設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行一定的修改和完善，使得程序能夠在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)， 自動(dòng)分析原始數(shù)據(jù)計(jì)算出轉(zhuǎn)速以及扭矩和升力的均值；另外，旋翼轉(zhuǎn)速過高時(shí)，接近開關(guān)采集的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)會(huì)存在著一些較不穩(wěn)定的情況，例如計(jì)數(shù)會(huì)偶爾發(fā)生突變，可以考慮更換精度更高、測(cè)試更穩(wěn)定的接近傳感器以避免這些情況。 在進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，遇到了許多的問題，例如如何有效固定旋翼和傳感器，如何將旋翼和傳感器穩(wěn)定地緊固在一個(gè)裝置中，如何避免機(jī)械干涉，如何同時(shí)采集兩個(gè)模擬量和一個(gè)數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)并且有效進(jìn)行記錄等，通過不斷的學(xué)習(xí)以及 與老師和學(xué)長(zhǎng)進(jìn)行討論，我逐步地克服并解決了這些問題，最終確保測(cè)試系統(tǒng)良好運(yùn)行，這個(gè)不斷學(xué)習(xí)鉆研的過程，令我收貨頗深，大大提高了我的學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力以及動(dòng)手能力。 3) 通過學(xué)習(xí) LabVIEW 程序設(shè)計(jì)軟件，初步掌握了 LabVIEW 的程序構(gòu)建方法，并且針對(duì)所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置以及采用的數(shù)據(jù)采集模塊編寫出數(shù)據(jù)采集所需的 LabVIEW 程序并進(jìn)行測(cè)試 ，程序運(yùn)行正確且能準(zhǔn)確地采集傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)。 2) 設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械裝置并繪制出裝配圖以及零件圖，同時(shí)列出所需標(biāo)準(zhǔn)件，詳細(xì)闡明了機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)思路，并且利用三維繪圖軟件進(jìn)行建模并檢查干涉和可裝配性。旋翼轉(zhuǎn)速、升力、扭矩的測(cè)量是在旋翼動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)工作過程當(dāng)中實(shí)施的，本文論證的旋翼動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)采用了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等來進(jìn)行設(shè)計(jì)和組建，具有簡(jiǎn)單、快速、精度高等特點(diǎn)。 6 結(jié)論與展望 31 6 結(jié)論與展望 結(jié)論 直升機(jī)的旋翼是為直升機(jī)在飛行當(dāng)中產(chǎn)生升力和操縱力的核心部件。 由圖 54 和圖 55 不難發(fā)現(xiàn)，利用 MATLAB 所擬合出的方程曲線足夠平滑，且各散點(diǎn)均勻臨近地分布于曲線兩側(cè)，說明式 51 及式 52 能夠很好地分別表達(dá)旋翼轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力之間的關(guān)系，可以作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 通過 MATLAB 曲線擬合，所得的轉(zhuǎn)速與扭矩 的二次曲線圖如圖 54 所示： 圖 54 轉(zhuǎn)速扭矩?cái)M合二次曲線 擬合出的轉(zhuǎn)速扭矩二次函數(shù)方程式為： 6 2 5 10 10 10T ???? ? ? ? ? （ 51） 式中： T —— 旋翼扭矩 / mN? ； ? —— 旋翼轉(zhuǎn)速 / 1??sr 。 擬合以及插值還有逼近是數(shù)值分析的三大基礎(chǔ)工具，通俗意義上它們的區(qū)別在于：擬合是已知點(diǎn)列，從整體上靠近它們，插值是已知點(diǎn)列并且完全經(jīng)過點(diǎn)列；逼近是已知曲線，或者點(diǎn)列，通過逼近使得構(gòu)造的函數(shù)無限靠近它們。根據(jù)這個(gè)函數(shù)的不同有不同的擬合名字。因?yàn)檫@條曲線有無數(shù)種可能 ,從而有5 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試 29 各種擬合方法。 一組觀測(cè)結(jié)果的數(shù)字統(tǒng)計(jì)與相應(yīng)數(shù)值組的吻合。如果待定函數(shù)是線性，就叫線性擬合或者線性回歸 （ 主要在統(tǒng)計(jì)中 ） ，否則叫作非線性擬合或者非線性回歸。 通過計(jì)算分析，得到的轉(zhuǎn)速、扭矩、升力數(shù)據(jù)如表 52 所示： 表 52 旋翼轉(zhuǎn)速、扭矩、升力數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)速 (r/s) 扭矩 (N?m) 升力 (N) 173 163 150 140 118 113 101 80 61 34 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 通過繪制圖表，所得轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系如圖 52 所示： 圖 52 轉(zhuǎn)速扭矩散點(diǎn)圖 所得轉(zhuǎn)速與升力的關(guān)系如圖 53 所示： 圖 53 轉(zhuǎn)速升力散點(diǎn)圖 通過觀察圖 52 與圖 53，不難發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力之間，均大致呈二次函數(shù)關(guān)系，扭矩和升力隨著轉(zhuǎn)速的升高而不斷增大，且轉(zhuǎn)速越高，扭矩和升力增加約明顯 。 針對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)，扭矩和升力進(jìn)行取均值、轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)圈數(shù)除以時(shí)間的處理，所得的數(shù)據(jù)情況表 51 所示： 表 51 測(cè)試原始數(shù)據(jù)的初步處理 占空比 轉(zhuǎn)速 (r/s) 扭矩 (V) 升力 (V) 靜止?fàn)顟B(tài) 0 92 173 163 93 150 140 94 118 113 95 101 80 96 61 34 扭矩傳感器的測(cè)量范圍為 5N?m，輸出為 +/5V，因此測(cè)量的扭矩計(jì)算 系數(shù)為1N?m/V，拉壓力傳感器的測(cè)量范圍為 1kg，即 ，輸出為 +/5V，因此測(cè)量的升力計(jì)算系數(shù)為 。本次5 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試 27 試驗(yàn)當(dāng)中，占空比越大，旋翼轉(zhuǎn)速越小，但占空比最大不能超過 97%，否則電機(jī)將停止旋轉(zhuǎn)，而占空比最小又不能超過 91%，否則電機(jī)將因轉(zhuǎn)速過快而被燒壞。傳感器和變送器連接右側(cè)的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊通過 USB 接口連接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，旋翼連接轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過改變電機(jī)占空比，來改變旋翼轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)測(cè)試采集的目的。 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 5 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試 通過加工與組裝，最終成型的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如下圖所示： 圖 51 旋翼特性測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 圖中左側(cè)分別為扭矩傳感器和拉壓力傳感器的信號(hào)變送器，由于兩個(gè)傳感器的輸出量都是 mV 級(jí)，因此需要通過變送器來進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理放大，兩個(gè)變送器輸出均為 +/5V，變送器和接近傳感器所接電源均為 12V。采樣速率為每 3ms 采樣一次，所采集到的數(shù)據(jù)分別記錄在三個(gè) LVM 文件當(dāng)中，可以用 EXCEL 進(jìn)行打開并對(duì)所采集到的樣本做均值計(jì)算，然后統(tǒng)計(jì)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下各參數(shù)值，并且對(duì)各參數(shù)之間的關(guān)系做回歸分析，找出旋翼轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力之間的大致函數(shù)關(guān)系。表明該計(jì)數(shù)程序運(yùn)轉(zhuǎn)正常，數(shù)據(jù)采集模塊的脈沖計(jì)數(shù)采集工作正常。數(shù)據(jù)采集情況如圖 46 所示： 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 46 LabVIEW 采集脈沖計(jì)數(shù)前面板 經(jīng)過 10s 的時(shí)間， Counts 顯示的脈沖計(jì)數(shù)為 50，即每秒鐘采集 5 個(gè)脈沖，而當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊空載時(shí)，采集脈沖數(shù)為 0。 Counter 的程序框圖如圖 45 所示： 圖 45 LabVIEW 采集脈沖計(jì)數(shù)程序框圖 該程序針對(duì)采集器接收到的脈沖進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，發(fā)生一次脈沖即計(jì)一次數(shù)。通過參考研華公司設(shè)計(jì)的 文件當(dāng)中的程序框圖，了解并學(xué)習(xí)針對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的采集所采取的程序框圖構(gòu)建方法。 該程序框圖的不足之處在于只能同時(shí)采集并記錄一個(gè)模擬量輸入通道內(nèi)的數(shù)據(jù)，但設(shè)計(jì)的旋翼特性測(cè)試裝置則需要同時(shí)被采集三組輸入的數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)速、扭矩、升力，其中，扭矩和升力屬于模擬量輸入，而轉(zhuǎn)速的采集屬于脈沖計(jì)數(shù)輸入，因此對(duì)于該數(shù)據(jù)采集記錄程序框圖，還需做一定程度的完善和修改，以便于檢測(cè)裝置的三組數(shù)據(jù)被同時(shí)成功采集記錄及分析。 數(shù)據(jù)采集模塊鏈接一個(gè)角速度傳感器進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集的測(cè)試 ，開始運(yùn)行時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊為 USB4711A,，采樣通道為 0，以及輸入信號(hào)增益為 +/5V， LabVIEW 即開始讀取數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行記錄，采樣情況如圖 44 所示： 圖 44 LabVIEW 采集模擬量輸入前面板 傳感器靜止時(shí)，其所采集到的值大致分布在 左右，當(dāng)傳感器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)4 數(shù)據(jù)采 集測(cè)試 23 時(shí)，數(shù)據(jù)即發(fā)生變化，而當(dāng) USB4711A 空載時(shí)，所采集的數(shù)據(jù)就呈現(xiàn)一種隨機(jī)的狀態(tài)。 模擬量輸入采集測(cè)試 在計(jì)算機(jī)上安裝并驅(qū)動(dòng) USB4711A 數(shù)據(jù)采集模塊后，在互聯(lián)網(wǎng)上下載研華公司自己編寫的數(shù)據(jù)采集模塊的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序并安裝。此外 LabVIEW 程序非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，還可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。 LabVIEW 環(huán)境中開發(fā)的每個(gè)程序叫做一個(gè) Virtual Instrument（簡(jiǎn)稱 VI）。 USB4711A 鏈接至電腦并驅(qū)動(dòng)成功后，在 Advantech Device Manager 中添加USB4711A，如圖 41 所示： 圖 41 Advantech Device Manager 選擇 USB4711A，并單擊 TEST 對(duì)其進(jìn)行采樣測(cè)試，由于數(shù)據(jù)采集模塊并未鏈接任何的傳感器，屬于空載狀態(tài)，因此其輸出的采樣結(jié)果是隨機(jī)的，如圖 42所示： 4 數(shù)據(jù)采 集測(cè)試 21 圖 42 USB4711A 空載時(shí)采樣測(cè)試情況 由于數(shù)據(jù)采集模塊自帶的數(shù)據(jù)采集測(cè)試在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程當(dāng)中，只能顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集情況，而無法對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，因此，該課題采用 LabVIEW 對(duì) USB4711A 進(jìn)行連接并采集記錄數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)。 測(cè)試裝置裝配所需的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)零件件如表 23 所示： 表 23 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試裝置裝配所需標(biāo)準(zhǔn)零件 零件名稱 國(guó)標(biāo)編號(hào) 數(shù)量 六角頭螺栓 GB578286M3 16 4 六角頭螺母 GB617086 M3 4 平墊圈 3140HV 4 六角頭螺栓 GB578286M6 25 4 六角頭螺母 GB617086 M6 4 平墊圈 6140HV 4 六角頭螺栓 GB578286M5 40 4 六角頭螺栓 GB578286M5 35 4 六角頭螺栓 GB578286M5 16 4 六角頭螺母 GB617086 M5 12 平墊圈 5140HV 12 3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 開槽圓柱頭螺釘 GB6585M6 20 2 開槽圓柱頭螺釘 GB6585M5 6 1 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 4 數(shù)據(jù)采集測(cè)試 USB4711A 數(shù)據(jù)采集測(cè)試 本課題所采用的數(shù)據(jù)采集模塊是 USB4711A，針對(duì)該模塊，在第二章中已經(jīng)有所介紹，該模塊攜帶方便，且為 USB 直插直連，安裝簡(jiǎn)單，因此選用該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 測(cè)試裝置所需各標(biāo)準(zhǔn)緊固零件 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試裝置各零部件之間除扭矩傳感器上端與旋翼底座下端的緊固連接方式為方形銷連接外，其余各零部件的連接方式均為螺紋螺栓緊固連接。 拉壓力傳感器底座 拉壓力傳感器底座部分的加工尺寸圖如圖 35 所示： 圖 35 拉壓力傳感器底座加工尺寸圖 圖 35 中 的中心孔用以安置 M8 的普通螺釘同拉壓力傳感 器進(jìn)行螺紋緊固連接， Ф80 的環(huán)形 孔陣列，拉壓力傳感器上端的底座同扭矩傳感器下端的底座進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接拉壓力傳感器和扭矩傳感器，拉壓力傳感器下端的底座同測(cè)試裝置底盤進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接拉壓力傳感器和測(cè)試裝置底盤，為方便加工時(shí)的夾具緊固，在毛胚料的設(shè)計(jì)方面扭矩傳感器底座增設(shè)一個(gè) Ф20， H6 的小凸臺(tái)。 扭矩傳感器底座 扭矩傳感器底座部分的 加工尺寸圖如圖 34 所示： 圖 34 扭矩傳感器底座加工尺寸圖 3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 圖 34 中 Ф45的環(huán)形陣列 孔與扭矩傳感器下端進(jìn)行螺栓法蘭固接， Ф80的環(huán)形 孔陣列同拉壓力傳感器上端的底座進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接扭矩傳感器和拉壓力傳感器。各個(gè)零件的加工尺寸圖如下所述。整