畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)研究

1、<p>　　16屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)研究</p><p>　　系 部： 船舶與建筑工程學(xué)院 </p><p><b>　　專業(yè)名稱：</b></p><p><b>　　班 級(jí)：</b></p><p&g

2、t;<b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　作 者: </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師: </b></p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)研究</p><p>　　Design and experimental stu

3、dy of surrounded-adjustable rim driven thrusters</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器是一種環(huán)繞于水下艇體，且不需要舵設(shè)備的推進(jìn)器，其依靠螺距的改變來(lái)改變速度大小和方向，還能有一些特殊航態(tài)。其結(jié)合了變距推進(jìn)器的優(yōu)勢(shì)，也擁有無(wú)軸輪緣推進(jìn)器的優(yōu)勢(shì)。主要用于水下運(yùn)輸和水下觀光

4、，未來(lái)還帶算運(yùn)用于水下救援和水下維修。</p><p>　　本文主要運(yùn)用變距推進(jìn)器和無(wú)軸輪緣推進(jìn)器的工作原理完成了環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和模型制作，并通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序使模型完成直線航行、曲線航行和側(cè)移等航態(tài)。首先根據(jù)其原理完成了環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的設(shè)計(jì)方案。其次完成模型的制作，制作過(guò)程包括壓載水艙模塊、動(dòng)力模塊、艇體和電氣四大部分。最后完成了環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的制作、試驗(yàn)以及改進(jìn)。</p>

5、;<p>　　關(guān)鍵詞：變距槳；無(wú)軸推進(jìn)器；輪緣推進(jìn)器；環(huán)繞式；水下推進(jìn)器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wrap around variable pitch propeller shaft is a surround in the underwater hull, and does not require a

6、rudder propeller, which relies on the pitch change the magnitude and direction of velocity, still can have some special navigation state. It combines the advantages of variable pitch propeller, also has an advantage of p

7、ropeller shaft flange. Mainly used for underwater transport and underwater tourism, the future is also used for underwater rescue and underwater repair. </p><p>　　In this paper, the use of variable pitch pro

8、peller and shaft flange propeller works completed a wrap around variable pitch propeller shaft design and model making, and that causes the model to complete the line navigation, navigation curve and lateral shift naviga

9、tion state by preset programs. According to its principle, the design scheme of the surround type variable pitch propeller is completed. Secondly, model making, the production process including ballast water tank module,

10、 power module, h</p><p>　　Keywords:CCP(controllable pitch propulsion plant); shiftless rim-driven thruster; surrounded; Thruster</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘

11、 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p><b>　　1.1研究背景1</b></p><p>　　1.1.1 無(wú)軸推進(jìn)器的研

12、究背景1</p><p>　　1.1.2 變距推進(jìn)器的研究背景1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容2</p><p>　　1.4

13、 本章小結(jié)3</p><p>　　第二章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的原理4</p><p><b>　　2.1 引言4</b></p><p>　　2.2 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的背景技術(shù)4</p><p>　　2.3 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的原理概述4</p><p>　　2.3 環(huán)繞式變距無(wú)

14、軸推進(jìn)器的發(fā)明目的5</p><p>　　2.4 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的技術(shù)方案5</p><p>　　2.5 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)7</p><p>　　2.6 本章小結(jié)7</p><p>　　第三章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的設(shè)計(jì)方案確定8</p><p><b>　　3.1 引言8<

15、/b></p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)方案初定8</p><p>　　3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　3.2.2 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　3.3 基于Fluent軟件的流體仿真8</p><p>　　3.3.1 仿真前數(shù)據(jù)收集8</p><p>　　

16、3.3.2 Gambit模型繪制和網(wǎng)格劃分9</p><p>　　3.3.3 Fluent數(shù)值模擬10</p><p>　　3.3.4 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理11</p><p>　　3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.4.1初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的確定12</p

17、><p>　　3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性計(jì)算12</p><p>　　3.6 本章小結(jié)13</p><p>　　第四章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的試驗(yàn)準(zhǔn)備14</p><p><b>　　4.1 引言14</b></p><p>　　4.2 模型制作材料的選擇及確定14</p>

18、<p>　　4.2.1 模型制作材料的選擇14</p><p>　　4.2.2 模型制作材料的確定17</p><p>　　4.3 壓載水艙模塊的制作過(guò)程19</p><p>　　4.4 動(dòng)力模塊的制作過(guò)程21</p><p>　　4.4.1 艇內(nèi)部分的制作過(guò)程22</p><p>　　4.4.2

19、艇外槳葉軌道的制作過(guò)程29</p><p>　　4.4.3 動(dòng)力模塊的整體安裝34</p><p>　　4.5 艇體的制作過(guò)程34</p><p>　　4.6 艇內(nèi)電氣部分的制作過(guò)程35</p><p>　　4.7 推進(jìn)器程序設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.7.1步進(jìn)電機(jī)控制程序36</p>

20、<p>　　4.7.2旋轉(zhuǎn)支架控制程序37</p><p>　　4.7.3中部燈光及電機(jī)控制程序41</p><p>　　4.8 本章小結(jié)44</p><p>　　第五章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的試驗(yàn)及改進(jìn)45</p><p><b>　　5.1 引言45</b></p><p&g

21、t;　　5.2 壓載水艙進(jìn)排水的實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)45</p><p>　　5.2.1 壓載水艙進(jìn)排水的實(shí)驗(yàn)45</p><p>　　5.2.2 壓載水艙進(jìn)排水的改進(jìn)45</p><p>　　5.3 動(dòng)力模塊的實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)46</p><p>　　5.3.1 動(dòng)力模塊的實(shí)驗(yàn)46</p><p>　　5.3.2 主軸電機(jī)

22、的改進(jìn)46</p><p>　　5.3.3 電機(jī)接頭的改進(jìn)47</p><p>　　5.4 無(wú)線通信的試驗(yàn)及改進(jìn)48</p><p>　　5.4.1 無(wú)線通信的試驗(yàn)48</p><p>　　5.4.2 無(wú)線通信的改進(jìn)48</p><p>　　5.5 增加vb上位機(jī)48</p><p>

23、;　　5.5 下水試驗(yàn)49</p><p><b>　　總 結(jié)51</b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)53</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p>

24、;<p><b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　1.1.1 無(wú)軸推進(jìn)器的研究背景</p><p>　　近年來(lái)，隨著世界各國(guó)之間貿(mào)易的加強(qiáng)，海上貨運(yùn)量增加，船舶數(shù)量、噸位也隨之提升。但隨著船舶大型化的發(fā)展，傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)己經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出它的劣勢(shì)，無(wú)法更好地滿足工作要求。在傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)中，主機(jī)、推進(jìn)軸系、螺旋槳等是不可或缺的裝置。而隨著主機(jī)

25、單機(jī)功率的增大，其體積也隨之增大，推進(jìn)軸系長(zhǎng)度更是增至幾十米甚至百米，部分船艙被占用，導(dǎo)致空間利用率低下。同時(shí)，由于推進(jìn)軸系長(zhǎng)度的增加，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，在能量傳遞過(guò)程中損耗增大，傳遞效率降低，增加了船舶的設(shè)計(jì)難度和建造成本。這些缺陷導(dǎo)致人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向更加先進(jìn)的無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.2 變距推進(jìn)器的研究背景</p><p>　　著造船工業(yè)的發(fā)展以及遙控技術(shù)的日益完善，

26、可調(diào)螺距槳（調(diào)距槳）推進(jìn)裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。船舶調(diào)距槳推進(jìn)裝置由于其槳葉角度（即螺距角）連續(xù)可調(diào)，使得主機(jī)負(fù)荷、推力大小和方向在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，因此可以大大改善船舶在各種航行工況下的推進(jìn)效率，提高船舶的可靠性能和機(jī)動(dòng)性能，延長(zhǎng)主機(jī)的壽命。當(dāng)船舶主機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距比H/D的優(yōu)化匹配，既能使動(dòng)力裝置具有較高的效率，又可提高船舶的續(xù)航力和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)調(diào)節(jié)螺距，不但可控制航速，還可以實(shí)現(xiàn)船舶的倒航，使之具有

27、更好的機(jī)動(dòng)性和操縱性，提高船舶的自動(dòng)化程度。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　2004年，美國(guó)的Schilling Robitics公司開(kāi)發(fā)的5葉推進(jìn)器，輸入電壓600V，功率7.5kW，輸出轉(zhuǎn)速1000r/min，額定推力為2000N，其主要特點(diǎn)是無(wú)需水密，允許海水通過(guò)電機(jī)內(nèi)部，有助于降

28、低電機(jī)溫度，提高電機(jī)功率密度。2005年，挪威Brun-voll公司開(kāi)發(fā)了大型4葉輪緣推進(jìn)器，輸出功率100kW，其特點(diǎn)在于靈活性強(qiáng)、耐用度高；通過(guò)選用多槽式電機(jī)，通過(guò)永磁體的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)；其軸承采用磁性流體軸承，減少維修和污染問(wèn)題；根據(jù)安裝位置設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩，以減少噪聲和振動(dòng)。2006年，荷蘭的Vander Velden Marine System公司開(kāi)發(fā)了管道式7葉無(wú)輪轂驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一系列多種規(guī)格的產(chǎn)品，螺旋槳直

29、徑從0.45-1.05m，輸出功率30-295kW，整體體積相對(duì)于其他產(chǎn)品較薄，并可與其他機(jī)械手臂相連，增加運(yùn)動(dòng)自由度。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　702研究所主要就輪緣推進(jìn)器的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，包括螺旋槳的樣式?外部導(dǎo)流罩的形狀及其對(duì)推進(jìn)效率的影響。臺(tái)灣的成功大學(xué)在2008年研制一臺(tái)小型輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的樣機(jī)，但其功率較小，體積較大，只能用于小型無(wú)

30、人潛水器中?</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文主要研究設(shè)計(jì)水下環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的模型設(shè)計(jì)、模型具體制作過(guò)程。以及模型試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)模型的改進(jìn)。</p><p><b>　?。?）模型的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　參考對(duì)比國(guó)內(nèi)外無(wú)軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)的模型制作與運(yùn)行原理結(jié)合流體力

31、學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)，控制設(shè)計(jì)等多方面考慮因素設(shè)計(jì)環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型。</p><p>　?。?）模型具體制作過(guò)程</p><p>　　根據(jù)模型設(shè)計(jì)及具體制作環(huán)境和設(shè)備、材料等講解模型的具體制作過(guò)程。</p><p><b>　?。?）下水試驗(yàn)</b></p><p>　　在模型制作過(guò)程中，不斷進(jìn)行具體試驗(yàn)，看是否符合設(shè)計(jì)

32、原則。在最終模型試驗(yàn)結(jié)束后，整體下水進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試浮沉狀態(tài)，運(yùn)行姿態(tài)。</p><p><b>　?。?）模型改進(jìn)</b></p><p>　　試驗(yàn)結(jié)束后針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)槳葉外形、動(dòng)力裝置、控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外

33、無(wú)軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、研究背景，揭示了課題研究的意義。最后，概述模型制作的目標(biāo)和內(nèi)容。本文的研究目標(biāo)是環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的模型設(shè)計(jì)選型，模型具體制作過(guò)程以及模型的試驗(yàn)和改進(jìn)。</p><p>　　第二章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的原理</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　本章主要描述環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器

34、的背景技術(shù)、原理、技術(shù)方案和優(yōu)勢(shì)。其中非常具體的闡述了環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的技術(shù)方案。</p><p>　　2.2 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的背景技術(shù)</p><p>　　現(xiàn)有技術(shù)中定距螺旋槳推進(jìn)是實(shí)現(xiàn)水面和水下船舶航行推進(jìn)方式的現(xiàn)有技術(shù)之一，定距螺旋槳雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)安全，但它不能在各種工況下充分發(fā)揮其作用，實(shí)踐證明定距螺旋槳成了卡住船舶進(jìn)一步提高航速等性能的重大障礙，為了滿足現(xiàn)代船舶大型

35、化、高速化的需求，極需一種具有強(qiáng)勁推進(jìn)力，并且能節(jié)省能源，工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的船舶航行推進(jìn)裝置，來(lái)取代現(xiàn)在廣泛采用的定距螺旋槳推進(jìn)裝置。</p><p>　　然而變距螺旋槳作為一種新型的推進(jìn)系統(tǒng)，在船舶推進(jìn)器中所占的比重逐年擴(kuò)大，傳統(tǒng)的變距螺旋槳推進(jìn)器尺寸都比較小，為達(dá)到一定推力，轉(zhuǎn)速高，增加了空泡效應(yīng)，使螺旋槳腐蝕加快。</p><p>　　2.3 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的原理概述</

36、p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器特征在于，包括設(shè)于水下航行體體周的固定支架，設(shè)于固定支架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端固定連接的轉(zhuǎn)動(dòng)支架，若干個(gè)設(shè)于轉(zhuǎn)動(dòng)支架上的驅(qū)動(dòng)磁鐵，以及設(shè)于轉(zhuǎn)動(dòng)支架外側(cè)、并通過(guò)從動(dòng)支架與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)連接的漿轂；在所述漿轂外側(cè)通過(guò)舵機(jī)固定有8個(gè)漿葉，在漿轂內(nèi)側(cè)設(shè)有若干個(gè)與驅(qū)動(dòng)磁鐵一一對(duì)應(yīng)設(shè)置的從動(dòng)磁鐵，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架上的驅(qū)動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)磁鐵和從動(dòng)磁鐵間的磁力帶動(dòng)漿轂上的槳葉旋

37、轉(zhuǎn)；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明通過(guò)舵機(jī)改變槳葉的方向，從而改變螺距，實(shí)現(xiàn)快速倒車(chē)而避免采用反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在任何工況下發(fā)出全功率，大大增加了船舶的機(jī)動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　圖2-1 推進(jìn)器原理圖</p><p>　　2.3 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的發(fā)明目的</p><p>　　提供一種加大了螺旋槳的尺寸，使其環(huán)繞于體周，且可調(diào)節(jié)螺距角，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、升

38、沉和側(cè)移，進(jìn)而提高螺旋槳的推進(jìn)效率的環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器。</p><p>　　2.4 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的技術(shù)方案</p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器包括設(shè)于水下航行體體周的固定支架，設(shè)固定支架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端固定連接的轉(zhuǎn)動(dòng)支架，若干個(gè)設(shè)于轉(zhuǎn)動(dòng)支架上的驅(qū)動(dòng)磁鐵，以及設(shè)于轉(zhuǎn)動(dòng)支架外側(cè)、并通過(guò)從動(dòng)支架與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)連接的漿轂；在漿轂外側(cè)通過(guò)舵機(jī)固定有若干個(gè)漿葉，在

39、漿轂內(nèi)側(cè)設(shè)有若干個(gè)與驅(qū)動(dòng)磁鐵一一對(duì)應(yīng)設(shè)置的從動(dòng)磁鐵，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架上的驅(qū)動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)磁鐵和從動(dòng)磁鐵間的磁力帶動(dòng)漿轂上的槳葉旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)支架上設(shè)有激光信號(hào)發(fā)射裝置，在漿轂內(nèi)側(cè)設(shè)有與激光信號(hào)發(fā)射裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置的激光信號(hào)接收裝置。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)磁鐵和從動(dòng)磁鐵均選自N極或S極磁鐵，且支架上的N極、S極磁鐵和漿轂內(nèi)側(cè)的N極、S極磁鐵均交替布置。</p

40、><p>　　漿轂內(nèi)還包括設(shè)于漿轂內(nèi)的單片機(jī)，單片機(jī)控制舵機(jī)。</p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)支架由若干個(gè)一端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端固定連接、且徑向設(shè)置的連桿組成，驅(qū)動(dòng)磁鐵固定于連桿的另一端上。</p><p>　　漿轂外側(cè)設(shè)有8個(gè)槳葉。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)為伺服電機(jī)。</p><p>　　漿轂外表面呈流線型設(shè)置。</

41、p><p>　　圖2-2本發(fā)明結(jié)構(gòu)主視圖（左上）、結(jié)構(gòu)后視圖（右上）和結(jié)構(gòu)立體圖（下）</p><p>　　1固定支架，2驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3轉(zhuǎn)動(dòng)支架，4驅(qū)動(dòng)磁鐵，5從動(dòng)支架，</p><p>　　6漿轂，7舵機(jī)，8漿葉，9激光信號(hào)發(fā)射裝置，10激光信號(hào)接收裝置。</p><p>　　2.5 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)</p><p&

42、gt;　　1．本發(fā)明通過(guò)舵機(jī)改變槳葉的方向，從而改變螺距，實(shí)現(xiàn)快速倒車(chē)而避免采用反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在任何工況下發(fā)出全功率，大大增加了船舶的機(jī)動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性；</p><p>　　2．本發(fā)明漿轂和艇體完全獨(dú)立，漿轂及艇內(nèi)各部件分開(kāi)設(shè)置，方便拆裝、檢修、維護(hù)；</p><p>　　3．本發(fā)明噪音小可應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，亦可運(yùn)用于潛艇輔助動(dòng)力、潛艇救援、海洋打撈，在航行體內(nèi)搭載海洋傳感器（熱電

43、偶、鹽度計(jì)、濁度計(jì)、溶解氧傳感器等），可應(yīng)用于海洋探測(cè)等許多方面；</p><p>　　4．本發(fā)明還可以應(yīng)用到水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行探測(cè)，合理設(shè)置通訊模塊，采用多個(gè)推進(jìn)器組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同作業(yè)也是未來(lái)作品發(fā)展的良好前景。</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過(guò)描述環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的背景技術(shù)

44、、原理概述、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)具體地說(shuō)明了環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的構(gòu)造和運(yùn)行方式，為模型制作提供了技術(shù)的支持和理論的鋪墊</p><p>　　第三章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器的設(shè)計(jì)方案確定</p><p><b>　　3.1 引言</b></p><p>　　本章主要根據(jù)無(wú)軸輪緣推進(jìn)器和可變距推進(jìn)器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找到其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。得到相應(yīng)結(jié)論，同

45、時(shí)構(gòu)思初步設(shè)計(jì)方案。根據(jù)實(shí)際確定本模型的最終設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行原理。</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)方案初定</p><p>　　3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　方案初定是模仿無(wú)軸輪緣推進(jìn)器的工作原理，結(jié)合變距槳的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。</p><p>　　方案初定將漿轂設(shè)于水下艇體的體周，艇體內(nèi)側(cè)設(shè)電磁鐵，利用步進(jìn)電機(jī)的原理，

46、通過(guò)磁鐵磁性帶動(dòng)漿轂轉(zhuǎn)動(dòng)，在漿轂上安裝舵機(jī)，其上安裝槳葉。</p><p>　　為了使水下艇能夠更好的浮沉，在艇首和艇尾各安裝一只壓載水箱，以便讓推進(jìn)器更好的工作。</p><p>　　3.2.2 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　推進(jìn)器總體有兩種運(yùn)行狀態(tài)：</p><p>　　1、通過(guò)改變所有槳葉的角度，可以在漿轂旋轉(zhuǎn)速度一定的條件下改變速

47、度和航向，可在不同工況下輸出最大功率。</p><p>　　2、通過(guò)改變一側(cè)槳葉的角度，可以實(shí)現(xiàn)艇體在水下的轉(zhuǎn)向、浮沉、側(cè)移。</p><p>　　3.3 基于Fluent軟件的流體仿真</p><p>　　3.3.1 仿真前數(shù)據(jù)收集</p><p>　　基于模型的運(yùn)行以及試驗(yàn)的可行性，將漿轂的轉(zhuǎn)速暫定為60rpm，即1秒1圈。筒體擬采用直徑

48、120mm的管體，槳葉擬采用NACA0010的翼型，弦長(zhǎng)70mm。</p><p>　　圖3-1 利用軟件導(dǎo)出NACA0010的翼型數(shù)據(jù)</p><p>　　3.3.2 Gambit模型繪制和網(wǎng)格劃分</p><p>　　利用Gambit軟件繪制槳葉，并調(diào)整槳葉的角度，來(lái)模擬槳葉在不同攻角下的狀態(tài)。</p><p>　　圖3-2利用Gambi

49、t軟件繪制槳葉（20°攻角）</p><p>　　攻角從20°開(kāi)始計(jì)算，先以10°進(jìn)行遞增，根據(jù)Fluent數(shù)值模擬結(jié)果的趨勢(shì)增加中間值。</p><p>　　圖3-3利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分</p><p>　　3.3.3 Fluent數(shù)值模擬</p><p>　　利用Fluent軟件對(duì)已經(jīng)網(wǎng)格劃分的不

50、同攻角槳葉進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)流速度為0.5m/s。</p><p>　　表2-1 通過(guò)Fluent數(shù)值模擬的結(jié)果</p><p>　　3.3.4 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理</p><p>　　對(duì)Fluent數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行處理得到最佳升力時(shí)的攻角。根據(jù)Fluent數(shù)值模擬結(jié)果繪制折線圖和趨勢(shì)線。升阻力和升阻力系數(shù)隨攻角變化趨勢(shì)如圖3-4所示。</p><

51、p>　　圖3-4 升阻力及其系數(shù)隨攻角變化趨勢(shì)圖</p><p>　　由圖3-4中的趨勢(shì)可以得到結(jié)：論當(dāng)槳葉在40°左右時(shí)升力最大，小于40°時(shí)升力隨攻角的增加而增加，當(dāng)大于45°時(shí)升力隨攻角的增加而減小。</p><p><b>　　3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.4.1初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)<

52、/p><p>　　由于電磁鐵制作困難且技術(shù)難度高，初步方案采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)艇內(nèi)磁鐵旋轉(zhuǎn)支架，通過(guò)磁性帶動(dòng)艇外的漿轂以及槳葉；壓載水艙采用活塞式，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)活塞吸排水。圖3-5為外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)圖的前半部分，后半部分相似。</p><p>　　圖3-5外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)（前半部分）</p><p>　　1艇體外殼，2前端蓋，3吸排水口，4前端蓋固定螺絲孔，

53、5活塞，6絲桿，</p><p>　　7聯(lián)軸器，8步進(jìn)電機(jī)，9步進(jìn)電機(jī)固定支架，10艇內(nèi)磁鐵旋轉(zhuǎn)支架，</p><p>　　11槳葉，12艇內(nèi)外磁鐵，13艇外槳葉軌道</p><p>　　3.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的確定</p><p>　　根據(jù)模型制作的實(shí)際環(huán)境，其中包括現(xiàn)有設(shè)備，技術(shù)能力，材料選購(gòu)，確定設(shè)計(jì)方案。</p><

54、p>　　在上代推進(jìn)器制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)支架的步進(jìn)電機(jī)力矩不足，且驅(qū)動(dòng)板發(fā)熱嚴(yán)重，故改用減速電機(jī)，這樣減少了控制的難度，還大大增加了力矩。</p><p>　　考慮到防水及電路布置等問(wèn)題，將原先布置在漿轂內(nèi)的舵機(jī)改裝到艇內(nèi)磁鐵旋轉(zhuǎn)支架上，步進(jìn)電機(jī)固定支架為旋轉(zhuǎn)支架上的舵機(jī)及控制電路供電，信號(hào)通信采用艇內(nèi)無(wú)線通信。</p><p>　　考慮到艇內(nèi)空間有限，故艇內(nèi)不設(shè)電池等蓄電設(shè)備

55、，電源由岸邊12V開(kāi)關(guān)電源將220V交流電穩(wěn)壓到12V直流電后通過(guò)電纜接入艇內(nèi)。</p><p>　　3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性計(jì)算</p><p>　　針對(duì)環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算，并將設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。主要對(duì)艇體浮力和推進(jìn)器重量進(jìn)行探究?，F(xiàn)艇體長(zhǎng)為1000mm，艇體直徑為120mm，計(jì)算得船體的體積為0.011304m3。根據(jù)公式 ，計(jì)算得艇體所受浮力約為 ，因此當(dāng)壓載

56、水艙內(nèi)注滿水時(shí)艇體總重力必須等于 。</p><p>　　表3-2 模型重量估計(jì)</p><p>　　根據(jù)計(jì)算模型內(nèi)結(jié)構(gòu)重量小于浮力，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，而且還需要約6.7kg的壓載，擬選取沙袋作為壓載物。</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過(guò)根據(jù)無(wú)軸輪緣推進(jìn)器和可變距推進(jìn)器的

57、工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定了模型的設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行原理。根據(jù)初定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行槳葉數(shù)值計(jì)算和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。再對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性計(jì)算，最終確定環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的總體設(shè)計(jì)及運(yùn)行原理。</p><p>　　第四章 環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的試驗(yàn)準(zhǔn)備</p><p><b>　　4.1 引言</b></p>

58、<p>　　本章詳細(xì)具體地介紹了環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型各個(gè)部分的制作過(guò)程，初步形成環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型，為下一步的試驗(yàn)及改進(jìn)做準(zhǔn)備。</p><p>　　4.2 模型制作材料的選擇及確定</p><p>　　4.2.1 模型制作材料的選擇</p><p><b>　?。?）PVC管</b></p><p>

59、;　　PVC管硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯樹(shù)脂與穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑等配合后用熱壓法擠壓成型，是最早得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用的塑料管材。PVC-U管抗腐蝕能力強(qiáng)、易于粘接、價(jià)格低、質(zhì)地堅(jiān)硬，但是由于有PVC-U單體和添加劑滲出，只適用于輸送溫度不超過(guò)45℃的給水系統(tǒng)中。塑料管道用于排水，廢水，化學(xué)品，加熱液和冷卻液，食品，超純液體，泥漿，氣體，壓縮空氣和真空系統(tǒng)的應(yīng)用。</p><p>　　圖4-1 PVC管材</p>

60、<p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　1、具有較好的抗拉性能和抗壓強(qiáng)度，但其柔性較差。</p><p>　　2、PVC管材的管壁非常光滑，其對(duì)流體的阻力很小。</p><p>　　3、PVC管材具有非常好的耐酸性、耐堿性、耐腐蝕性。</p><p>　　4、PVC管材安裝方便，不論采用膠水粘

61、接還是橡膠圈連接，均擁有良好的水密性。</p><p>　?。?）ABS板、ABS棒</p><p>　　ABS塑膠原料樹(shù)脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫(xiě)）是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料結(jié)構(gòu)。</p><p>　　ABS樹(shù)脂是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物，它

62、將PS，SAN，BS的各種性能有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能。ABS工程塑料具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的沖擊強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性好、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性，成型加工和機(jī)械加工較好。ABS樹(shù)脂耐水、無(wú)機(jī)鹽、堿和酸類(lèi)，不溶于大部分醇類(lèi)和烴類(lèi)溶劑，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烴中。</p><p>　　ABS樹(shù)脂保持了苯乙烯的優(yōu)良電性能和易加工成型性，又具有丁二烯的特性彈性好、強(qiáng)度高，還

63、具有丙烯腈的優(yōu)良性能耐熱和耐腐蝕性好，且表面硬度高、耐化學(xué)性好，同時(shí)通過(guò)改變上述三種組分的比例，可改變ABS板材的性能，故ABS工程塑料具有廣泛用途，主要用于機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)和造船等工業(yè)。</p><p>　　圖4-2 ABS圓棒（左）和ABS板（右）</p><p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　1、ABS綜合性能比較

64、好，沖擊強(qiáng)度較高，化學(xué)穩(wěn)定性和電性能良好。</p><p>　　2、ABS具有高抗沖、高耐熱、阻燃、增強(qiáng)、透明等優(yōu)良特點(diǎn)。</p><p>　　3、ABS流動(dòng)性不是很好，但柔韌性非常好。</p><p>　?。?）亞克力透明管、亞克力透明板</p><p>　　亞克力，又叫PMMA或有機(jī)玻璃，源自英文acrylic（丙烯酸塑料），化學(xué)名稱為聚

65、甲基丙烯酸甲酯。是一種開(kāi)發(fā)較早的重要可塑性高分子材料，具有較好的透明性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性、易染色、易加工、外觀優(yōu)美，在建筑業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。有機(jī)玻璃產(chǎn)品通?？梢苑譃闈沧?、擠出板和模塑料。</p><p>　　亞克力具有質(zhì)輕、價(jià)廉，易于成型等優(yōu)點(diǎn)。它的成型方法有澆鑄，射出成型，機(jī)械加工、熱成型等。尤其是射出成型，可以大批量生產(chǎn)，制程簡(jiǎn)單，成本低。因此，它的應(yīng)用日趨廣泛，它廣泛用于儀器儀表零件、汽車(chē)車(chē)燈、光學(xué)鏡

66、片、透明管道等。</p><p>　　圖4-3 亞克力透明板（左）和亞克力透明管（右）</p><p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　1、具有很好的透明度，透光率在92%以上，視覺(jué)清晰、光線柔和，著色的亞克力也有很好的展色效果。</p><p>　　2、亞克力板具有極佳的耐候性、較高的表面硬度和表面光澤

67、，以及較好的高溫性能。</p><p>　　3、亞克力板有良好的加工性能，既可采用熱成型，也可以用機(jī)械加工的方式。</p><p>　　4、透明亞克力板材具有可與玻璃比擬的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它不像玻璃那么易碎，即使破壞，也不會(huì)像玻璃那樣形成鋒利的碎片。</p><p>　　5、亞克力板的耐磨性與鋁材接近，穩(wěn)定性好，耐多種化學(xué)品腐蝕。</p&g

68、t;<p>　　6、亞克力板具有良好的適印性和噴涂性，采用適當(dāng)?shù)挠∷⒑蛧娡抗に?，可以賦予亞克力制品理想的表面裝飾效果。</p><p>　　7、亞克力板不會(huì)自燃，但其屬于易燃品，且不具備自熄性。</p><p><b>　?。?）PLA</b></p><p>　　聚乳酸（PLA）是一種新型的生物基及可生物降解材料，使用可再生的植

69、物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料經(jīng)由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸，再通過(guò)化學(xué)合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境，這對(duì)保護(hù)環(huán)境非常有利，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料。</p><p>　　聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、

70、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分廣泛，可用作包裝材料、纖維和非織造物等，目前主要用于服裝、 建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。</p><p>　　圖4-4 PLA 3D打印材料</p><p>　　PLA作為3d打印的優(yōu)勢(shì)： </p><p>

71、;　　1、打印熔融時(shí)的氣味適宜，沒(méi)有像ABS的刺鼻氣味。</p><p>　　2、材料剛度好，打印出來(lái)的硬度好，強(qiáng)度好，作為結(jié)構(gòu)件經(jīng)久耐用。</p><p>　　3、熔點(diǎn)比ABS低，流動(dòng)較快，不易堵塞噴嘴。</p><p>　　4、本身是透明材料，調(diào)色做出來(lái)效果鮮艷，富有光澤。</p><p>　　4.2.2 模型制作材料的確定</p&

72、gt;<p>　　通過(guò)對(duì)PVC管和亞克力透明管優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)際制作設(shè)備、制作能力、制作水平等因素的考慮，模型制作材料使用如下：</p><p>　?。?）艇體外殼：亞克力透明管材</p><p>　　原因：用透明管便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且PVC是會(huì)變色的，硬度也沒(méi)有亞克力的高。</p><p>　?。?）內(nèi)部型材：ABS板材、亞克力透明板材<

73、/p><p>　　原因：簡(jiǎn)單平面結(jié)構(gòu)或由平面結(jié)構(gòu)粘接得到的結(jié)構(gòu)可以用亞克力透明板材制作。通過(guò)學(xué)院的激光雕刻機(jī)可對(duì)亞克力透明板材進(jìn)行精準(zhǔn)切割；電機(jī)附近的板材由于受到很大的震動(dòng)，故采用ABS板材制作。通過(guò)學(xué)院的數(shù)控3D雕刻機(jī)可對(duì)ABS板材進(jìn)行精確切割。</p><p>　　圖4-5 數(shù)控3D雕刻機(jī)</p><p>　　圖4-6 數(shù)控激光切割機(jī)</p><

74、p>　?。?）槳葉、旋轉(zhuǎn)支架等立體結(jié)構(gòu)：PLA、ABS 3D打印</p><p>　　原因：艇內(nèi)很多細(xì)小結(jié)構(gòu)不易線性加工，而且軸孔要求的精度比較高，故采用學(xué)校3D打印機(jī)打印制作。</p><p>　　圖4-7 3D打印機(jī)</p><p>　　4.3 壓載水艙模塊的制作過(guò)程</p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型采用活塞式壓載水艙，

75、打算采用PVC管做外殼，橡膠圈做防水的活塞，但經(jīng)過(guò)樣品制作后發(fā)現(xiàn)阻力很大，而且有滲漏的現(xiàn)象，故放棄了這種做法。因此，采用4支成品80ml針筒作為壓載艙主體。</p><p>　　圖4-8 壓載水艙CAD設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　　圖中：</b></p><p>　?。?）綠色所示的是80ml針筒，直徑36mm，截取55mm，保留橡膠活塞

76、。</p><p>　?。?）紅色所示的是步進(jìn)電機(jī)，其型號(hào)為17HD2447-01N，尺寸為42*42*40mm，軸長(zhǎng)12mm，直徑5mm。</p><p>　　圖4-9 雕刻機(jī)工程文件</p><p>　　制作時(shí)，兩針筒并排間距8mm，其上下各粘一張74*30*4mm的ABS板（圖4-9中板1和2）來(lái)固定，為了防止脫膠和滾動(dòng)，在每個(gè)針筒和板接觸的角落與針筒平行粘一

77、根Φ3*50mm的ABS圓棒（圖4-8中青色所示）。針筒靠近端蓋的一段上下粘一張尺寸52*10*5mm的板條，來(lái)增加針筒與端蓋的連接強(qiáng)度。粘接時(shí)都是先用ABS專用膠粘接，干燥牢固后再刷一層502膠水以加固。</p><p>　　針筒與步進(jìn)電機(jī)連接時(shí)采用上下都粘板的形式，以增加其剛度。上下板的尺寸分別為115*52*4mm、136*52*4mm。</p><p>　　針筒活塞推柄的末端固定一

78、張粘有4mm螺母的活塞連接板（圖4-9中板5）。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)使用電機(jī)支撐板（圖4-9中板3）靠四顆Φ3的固定螺絲固定。</p><p>　　Φ4絲桿（圖4-8中藍(lán)色所示）通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)軸連接，末端依靠針筒間的支撐擋板（圖4-9中板4）支撐，保證其同軸性，減少晃動(dòng)。</p><p>　　圖4-10 壓載水艙模塊成品</p><

79、;p>　　1聯(lián)軸器，2螺母，3活塞與端蓋粘接，4限位開(kāi)關(guān)，5活塞連接板，6活塞（針筒）</p><p>　　吸排水時(shí)，電機(jī)給旋轉(zhuǎn)信號(hào)，絲桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)活塞連接板移動(dòng)，活塞移動(dòng)，水艙的重量改變，達(dá)到壓載水艙的功能。</p><p>　　4.4 動(dòng)力模塊的制作過(guò)程</p><p>　　動(dòng)力模塊是環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型的核心部件，其精度要求較高，因此制作前將各個(gè)部分

80、都在Pro/E軟件中畫(huà)出，并且進(jìn)行組合，確保匹配。動(dòng)力模塊的Pro/E組件裝配圖如圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11 動(dòng)力模塊裝配圖</p><p>　　4.4.1 艇內(nèi)部分的制作過(guò)程</p><p>　　艇內(nèi)包括減速電機(jī)、舵機(jī)、電機(jī)連接接頭（圖4-11中紫色部分）、旋轉(zhuǎn)支架（圖4-11中黃色部分）、磁鐵支架（圖4-11中紅色部分）、電路。</p

81、><p>　　圖4-12 艇內(nèi)部分結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　（1）艇內(nèi)旋轉(zhuǎn)支架</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)支架的主要作用：1、連接艇內(nèi)電機(jī)；2、支撐舵機(jī)；3、支撐磁鐵。旋轉(zhuǎn)支架的主要組成：1、磁鐵支撐；2、舵機(jī)支撐；3、電路板支撐柱。旋轉(zhuǎn)支架的Pro/E零件三視圖如圖4-13所示。</p><p>　　圖4-

82、13 旋轉(zhuǎn)支架三視圖及立體圖</p><p>　　通過(guò)裝配和整體協(xié)調(diào)確定了旋轉(zhuǎn)支架的結(jié)構(gòu)，并利用學(xué)校3D打印機(jī)使用PLA材料制作。</p><p>　　圖4-14 正在3D打印中的旋轉(zhuǎn)支架（上）和成品（下）</p><p>　　圖4-15 旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)說(shuō)明</p><p>　　1舵機(jī)安裝平臺(tái)，2磁鐵安裝槽，3電路板安裝螺絲孔，4舵機(jī)安裝平臺(tái)支

83、撐板，</p><p>　　5磁鐵安裝槽支撐板，6旋轉(zhuǎn)支架固定螺絲孔</p><p><b>　?。?）電機(jī)接頭</b></p><p>　　電機(jī)接頭用來(lái)連接電機(jī)和旋轉(zhuǎn)支架。中間通孔直徑和電機(jī)軸相同，側(cè)壁上留有緊徑螺絲孔。圓盤(pán)與連接柱相接部位有倒角。圓盤(pán)上留有和支架上對(duì)應(yīng)的固定螺絲孔。電機(jī)接頭的Pro/E零件三視圖如圖4-16所示。</p

84、><p>　　圖4-16 電機(jī)接頭三視圖及立體圖</p><p>　　通過(guò)裝配和整體協(xié)調(diào)確定了電機(jī)接頭的結(jié)構(gòu)，并利用學(xué)校3D打印機(jī)使用PLA材料制作。</p><p>　　圖4-17 制作完成的電機(jī)接頭</p><p>　　1電機(jī)軸孔，2電機(jī)軸緊徑螺絲，3旋轉(zhuǎn)支架固定螺絲孔，4旋轉(zhuǎn)支架固定平面，5倒角</p><p>&l

85、t;b>　　（3）磁鐵支架</b></p><p>　　磁鐵支架的作用是連接磁鐵和舵機(jī)。艇內(nèi)外的磁鐵支架依靠磁性相互對(duì)應(yīng)，將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到槳葉上。磁鐵支架的Pro/E零件三視圖如圖4-18所示。</p><p>　　圖4-18 磁鐵支架三視圖及立體圖</p><p>　　通過(guò)裝配和整體協(xié)調(diào)確定了磁鐵支架的結(jié)構(gòu)，并利用學(xué)校3D打印機(jī)使用PLA材料制

86、作。</p><p>　　圖4-19 制作完成的磁鐵支架</p><p>　　1磁鐵，2磁鐵安裝槽框，3舵盤(pán)，4舵機(jī)連接螺絲，5舵盤(pán)固定螺絲</p><p><b>　　（4）電路</b></p><p>　　每個(gè)動(dòng)力模塊使用1個(gè)Arduino Nano V3.0平臺(tái)板，其搭載了ATMEGA328P單片機(jī)。通信使用2.4

87、GHz Zigbee無(wú)線串口模塊。由于艇體內(nèi)空間有限，手工在洞洞板上制作比較困難切非常容易出錯(cuò)，故選擇了在DXP 2004中繪制電路板，再發(fā)工廠印刷電路板。</p><p>　　圖4-20 電路板原理圖</p><p>　　圖4-21 電路板布線圖</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)電路板上已經(jīng)預(yù)留了螺絲孔和Arduino平臺(tái)板、Zigbee無(wú)線串口模塊接口。電路能夠控制4

88、只舵機(jī)（通過(guò)dj1-dj4口），能夠讀取4只光敏電阻（通過(guò)gm1-gm4口）的電壓。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。利用光敏電阻的特性從而通過(guò)點(diǎn)擊固定板上的光源的照射獲得旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信息。</p><p>　?。?） （2）</p><p>　?。?）

89、 （4）</p><p>　　圖4-22 （1）工廠印刷完的PCB板；（2）焊接好元件的電路板（正面）；</p><p>　?。?）焊接好元件的電路板（背面）；（4）插上模塊板的電路板</p><p><b>　?。?）電刷</b></p><p>　　由于旋轉(zhuǎn)支架在旋轉(zhuǎn)，電源不能直接從電機(jī)

90、固定支架板上用線連接到旋轉(zhuǎn)支架上，故設(shè)計(jì)了電刷，分別將地和5V連接到旋轉(zhuǎn)支架上。電刷由Φ2mm銅螺絲、Φ3mm彈簧和導(dǎo)線焊接而成。為了減少對(duì)電刷所接觸的軌道的磨損，在螺絲一端“十”字里塞滿焊錫。</p><p><b>　　圖4-23 電刷</b></p><p>　　以上介紹的是旋轉(zhuǎn)支架上的各個(gè)單元組成。旋轉(zhuǎn)支架以及其上各個(gè)單元的形狀及安裝如圖4-24所示。<

91、/p><p>　　圖4-24 旋轉(zhuǎn)支架以及其上各個(gè)單元（左：正面，右：反面）</p><p>　　以下會(huì)介紹電機(jī)及固定裝置。</p><p>　?。?）電機(jī)固定支架板</p><p>　　電機(jī)固定支架板的功能：1、固定電機(jī)；2、將電源傳到旋轉(zhuǎn)支架上；3安裝光源來(lái)照射旋轉(zhuǎn)支架上電路板上的定位光敏電阻。</p><p>　　電

92、機(jī)固定支架板材料使用亞克力透明板，這樣能方便和艇壁粘接。電機(jī)固定支架板的激光雕刻路徑如圖4-25所示。</p><p>　　圖4-25 電機(jī)固定支架板的激光雕刻工程圖</p><p><b>　　（7）導(dǎo)電導(dǎo)軌</b></p><p>　　在點(diǎn)擊固定支架板上需要安裝由敷銅板切割的導(dǎo)電軌道。敷銅板采用40*20*1.5mm的環(huán)氧玻纖敷銅板，其有硬

93、度好、不易變形的優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)電軌道的CAD圖如圖4-26中紅色線所示。</p><p>　　圖4-26 導(dǎo)電軌道CAD圖</p><p>　　導(dǎo)電軌道用雕刻機(jī)切下后用502膠水粘接到電機(jī)固定支架板上。整體如圖4-27所示。</p><p>　　圖4-27 電機(jī)及其固定裝置</p><p>　　至此動(dòng)力模塊的艇內(nèi)部分已經(jīng)制作完畢了。整體效果圖如圖4

94、-28所示。</p><p>　　圖4-28 動(dòng)力模塊的艇內(nèi)部分</p><p>　　4.4.2 艇外槳葉軌道的制作過(guò)程</p><p>　　艇外包括槳葉（圖4-29中藍(lán)色部分）、槳葉軌道板（圖4-29中灰色部分）、槳葉磁鐵支架（圖4-29中紅色部分）和磁鐵。</p><p>　　圖4-29 艇內(nèi)部分Pro/E結(jié)構(gòu)圖</p>&

95、lt;p><b>　?。?）槳葉</b></p><p>　　槳葉采用NACA0010的翼型，展長(zhǎng)50mm，展弦70mm。其底部留有與磁鐵支架所連接的Φ4的孔和減少與軌道間接觸阻力的1mm平臺(tái)（如圖4-32中2所示）。槳葉的Pro/E零件三視圖如圖4-30所示。</p><p>　　圖4-30槳葉的立體圖</p><p>　　通過(guò)裝配和整

96、體協(xié)調(diào)確定了磁鐵支架的結(jié)構(gòu)，并利用學(xué)校3D打印機(jī)使用ABS材料制作。</p><p>　　圖4-31 3D打印中的槳葉</p><p>　　槳葉打印完成后，用細(xì)砂紙將表面打磨平滑，然后噴漆三層以增加表面光滑度減少阻力且增加美觀度。</p><p>　　圖4-32 制作完成的槳葉</p><p>　　1槳葉，2升高平臺(tái)，3磁鐵支架安裝孔，4軸承

97、平臺(tái)</p><p><b>　　（2）槳葉軌道</b></p><p>　　槳葉軌道完全使用ABS材料制成。由槳葉下方的槳葉支撐軌道、非槳葉下方的連接軌道、滾輪、螺絲和磁鐵組成。槳葉軌道的Pro/E零件三視圖如圖4-33所示。</p><p>　　圖4-33 軌道板三視圖及立體圖</p><p>　　軌道板使用3D雕刻

98、機(jī)雕刻ABS板制作而成。軌道板的雕刻機(jī)工程文件如圖4-34所示。</p><p>　　圖4-34 雕刻機(jī)工程文件</p><p>　　每種軌道板各4塊可圍艇體一周，并用螺栓連接。如此制作方便拆裝，也方便尺寸調(diào)整。</p><p><b>　　（3）磁鐵支架</b></p><p>　　磁鐵支架是用來(lái)連接槳葉和磁鐵的，同時(shí)

99、也將槳葉和磁鐵固定在軌道上，使其只能旋轉(zhuǎn)，不能徑向移動(dòng)和其他位移。并且在磁鐵支架與槳葉的連接桿上套有軸承，用來(lái)減小支架與軌道間的摩擦。磁鐵支架的Pro/E零件三視圖如圖4-35所示。</p><p>　　圖4-35 磁鐵支架三視圖及立體圖</p><p>　　通過(guò)裝配和整體協(xié)調(diào)確定了磁鐵支架的結(jié)構(gòu)，并利用學(xué)校3D打印機(jī)使用ABS材料制作。</p><p>　　圖4-

100、35 制作完成的磁鐵支架</p><p>　　1磁鐵安裝槽，2磁鐵安裝槽框架，3軸承平臺(tái)，4槳葉安裝柱</p><p>　　以上就完成了艇外槳葉軌道的制作。整體效果和局部效果如圖4-36所示。</p><p>　　圖4-36 整體效果圖（左）和局部效果圖（右）</p><p>　　1磁鐵，2軌道板，3磁鐵支架，4滾輪，5槳葉，6固定螺絲<

101、;/p><p>　　4.4.3 動(dòng)力模塊的整體安裝</p><p>　　槳葉軌道安裝在艇體外，環(huán)繞在艇周；旋轉(zhuǎn)支架及電機(jī)安裝在艇體內(nèi)。整體效果如圖4-37所示。</p><p>　　圖4-37 動(dòng)力模塊整體安裝效果圖</p><p>　　4.5 艇體的制作過(guò)程</p><p>　　環(huán)繞式變距無(wú)軸推進(jìn)器模型艇體采用亞克力透明

102、塑料管為材料，艇身為圓柱形，由于本次研究主要在于推進(jìn)器的設(shè)計(jì)與研究，故首尾并未采用流線型，為方便制作，首尾均采用端蓋進(jìn)行封堵、防水、密封。艇體的主要構(gòu)造如圖4-38所示。</p><p>　　圖4-38 艇體cad圖</p><p>　　1端蓋，2法蘭圈，3壓載水艙孔，4固定螺絲孔，5固定螺母，6艇體管</p><p>　　由于現(xiàn)有技術(shù)有限，艇體管是從工廠定制的，外

103、徑120mm，壁厚2mm，長(zhǎng)1m。端蓋和法蘭圈是平面結(jié)構(gòu)由亞克力透明板激光雕刻而成。將法連圈用PMMA專用澆水粘到亞克力透明管的兩端；再將Φ4mm螺母粘接雜法蘭圈內(nèi)表面，防止螺母打滑；最后蓋上端蓋，用12顆Φ4mm螺絲固定。制作完成后如圖4-39所示。</p><p>　　圖4-39 艇體完成圖</p><p>　　4.6 艇內(nèi)電氣部分的制作過(guò)程</p><p>　

104、　艇內(nèi)電氣部分由前壓載水艙控制電路、前旋轉(zhuǎn)支架控制電路、中部燈光及電機(jī)控制電路、后旋轉(zhuǎn)支架控制電路、后壓載水艙控制電路組成。</p><p>　　其中前后旋轉(zhuǎn)支架電路在4.4.1動(dòng)力模塊的艇內(nèi)部分已經(jīng)介紹了，包括原理圖（圖4-20）、電路板布線圖（圖4-21）和焊接好的電路板（圖4-22），其作用是根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置改變槳葉的角度，并且接收無(wú)線串口的數(shù)據(jù)改變推進(jìn)器運(yùn)行模式。</p><p>　　

105、前后壓載水艙控制模塊主要運(yùn)行方式如下：</p><p>　　無(wú)線串口選用Zigbee無(wú)線串口模塊，其有速度快，接線簡(jiǎn)單，傳輸不丟幀等優(yōu)點(diǎn)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用TB6560型號(hào)，其有控制簡(jiǎn)單，可調(diào)節(jié)功率等優(yōu)點(diǎn)；單片機(jī)仍然采用Arduino Nano V3.0平臺(tái)板。電路布置如圖4-40所示。</p><p>　　圖4-40 壓載水艙電路圖</p><p>　　1單片機(jī)，

106、2活塞，3無(wú)線串口，4步進(jìn)電機(jī)，5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　艇體中部是燈光，用來(lái)增加美觀度和演示運(yùn)行狀態(tài)的。由于燈光帶和主軸電機(jī)是12V驅(qū)動(dòng)所以其控制部分使用了繼電器。艇體中部電路如圖4-41所示。</p><p>　　圖4-41 中部燈光電路</p><p>　　1單片機(jī)，2燈帶，3繼電器</p><p>　　4.7 推進(jìn)器程序設(shè)

107、計(jì)</p><p>　　4.7.1步進(jìn)電機(jī)控制程序</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制程序的編寫(xiě)主要更具步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的工作原理進(jìn)行編寫(xiě)的，其中還要顧忌到無(wú)線串口的控制。</p><p>　　以下是前壓載水艙的控制程序。</p><p>　　int flag; //暫存串口接收到的數(shù)據(jù)</p><p>　　void

108、 setup() {</p><p>　　Serial.begin(19200); //串口波特率設(shè)定，這里使用傳輸較快的19200Hz</p><p>　　pinMode(7, OUTPUT); //步進(jìn)電機(jī)使能端，控制步進(jìn)電機(jī)的供電</p><p>　　pinMode(8, OUTPUT); //控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)</p><p

109、>　　digitalWrite(7, HIGH);</p><p>　　digitalWrite(8, LOW);</p><p>　　analogWrite(9, 120); //輸出pwm波，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void loop() { //

110、主循環(huán)程序</p><p>　　if (Serial.available() > 0) //如果串口接收到數(shù)據(jù)才執(zhí)行</p><p><b>　　{</b></p><p>　　flag = Serial.read(); //將串口讀到的程序暫存</p><p>　　if (flag == '

111、;1')//前進(jìn)水 //判斷狀態(tài)</p><p><b>　　{……}</b></p><p>　　if (flag == '2') //前排水 //判斷狀態(tài)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while (1)</b

112、></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if (analogRead(A7) > 1000) //判斷限位開(kāi)關(guān)是否閉合</p><p>　　break; //如果閉合則結(jié)束排水狀態(tài)</p><p>　　if (flag == '5&#

113、39;)</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　digitalWrite(7, LOW);</p><p>　　digitalWrite(8, HIGH);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　digitalWrite(

114、7, HIGH);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.7.2旋轉(zhuǎn)支架控制程序</p><p>　　旋轉(zhuǎn)支架控制程序主要原理是判斷旋轉(zhuǎn)的位置和串口

115、的命令來(lái)改變舵機(jī)的角度。本段程序共設(shè)置了停止、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上浮、下沉、左平移和右平移9個(gè)狀態(tài)。</p><p>　　以下是前旋轉(zhuǎn)支架控制程序。</p><p>　　#include <SoftwareSerial.h> //軟件串口頭文件</p><p>　　#include <Servo.h> //舵機(jī)控制頭文件<

116、;/p><p>　　Servo dj1;</p><p>　　Servo dj2;</p><p>　　Servo dj3;</p><p>　　Servo dj4; //定義了4個(gè)舵機(jī)</p><p>　　SoftwareSerial wireless(3, 4); // RX | TX //定義了軟件串口的

117、輸出口</p><p>　　int gm = 400; //光敏電阻導(dǎo)通閥值</p><p>　　int D1 = 20; //舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度1</p><p>　　int D2 = 30; //舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度2</p><p>　　int z1 = 90 - D1, z2 = 90 - D2;</p><p

118、>　　int d1 = 90 + D1, d2 = 90 + D2;</p><p>　　int flag = 'S'; //暫存串口接收到的數(shù)據(jù)，并定義初始為停止?fàn)顟B(tài)</p><p>　　int gm1, gm2, gm3, gm4;</p><p>　　void setup()</p><p><b&

119、gt;　　{</b></p><p>　　dj1.attach(5); //3,5,6,9,10,11有PWM</p><p>　　dj2.attach(6);</p><p>　　dj3.attach(9);</p><p>　　dj4.attach(10); //定義舵機(jī)的輸出口</p><p>