英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
微型飞行器多材质柔顺扑翼驱动机构的设计与制作
沃伊切赫 马里兰大学帕克分校机械工程系 MD 20742，美国
约翰 马里兰大学帕克分校机械工程系 MD 20742，美国
古普塔 马里兰州大学帕克分校机械工程学院和系统研究所 MD 20742，美国
休·a·勃拉克 马里兰大学帕克分校机械工程系 MD 20742，美国
斯蒂芬威尔克森 美国陆军研究实验室阿伯丁试验场 MD21005，美国
摘要
飞翼微型飞行器（MAV）的成功实现需要开发将电机的旋转运动转换成翼的拍动运动的轻量化驱动机构。需要低重量的驱动机构来最大化有效载荷和电池容量。为了使拍翅翼MAV在搜索，救援和恢复任务中具有吸引力，从成本的角度来看，它们应该是一次性的。注塑成型的驱动机构是满足重量，效率和成本要求的有吸引力的设计选择。过去，我们已经成功地使用多件式成型来创建使用分布式符合性的较小MAV的机制。然而，随着MAV的尺寸增加，具有分布顺应性的机构表现出过度的变形。因此，本地化而不是分配机制中的合规性变得更有吸引力。通过多材料设计实现局部合规。多材料注射成型机构另外提供部件数量的减少。本文介绍了一种确定驱动机构形状和尺寸的方法，既满足功能设计和多材料成型要求。通过本文中描述的方法生成的设计被用于实现具有显着增强的有效载荷能力的扑翼MAV。
1引言
起飞翼微型飞行器（MAV）比传统MAV具有以下优势[1-8]。 生物启发的扑翼机车是传统的转子翼和固定翼飞行器的有吸引力的替代品，因为它们更安静和更可操作。 由于近年来电力储存和驱动技术的进步，鸟翼扑动运动的复制变得更加可行。
一些研究者已经建立了可以在微型飞行器身上实现扑翼运动的机制，这是非常成功的。以下各段将对这方面的代表性研究进行审查。
Madangopal等人 [5,6]开发了一种由昆虫和鸟类飞行研究启发的扑翼机制。 提出了机构的运动学模型和刚体动力学模型，并提出了机翼运动的空气动力学模型。 他们还通过引入张力弹簧来优化驾驶系统所需的能量。 他们报告了MAV原型机的成功飞行。
Zdunich等人 [8]开发和测试导师扑翼翼MAV。 他们描述了机翼设计及其非稳态翼型分析的实验开发。 作者报告说，由于规模和功率限制，无刷直流电机的使用比电活性聚合物人造肌肉更有效。 他们提供两个成功飞行的原型，并分析飞行测试结果，将其纳入稳定飞行的车载控制系统。
Croon等人 [3]提出了Delfly Micro，一种轻巧的四翼MAV，基于以前的Delfly和Delfly II项目的发现。 讨论了设计，空气动力学和车载视觉稳定系统。 介绍了构建小型鸟类的方法，并报告了进一步小型化的重大障碍。
HHsu等人 [4]提出了使用精密加工方法构建MAV的方法。 通过使用多材料快速原型自动化拍打机构的装配过程。 开发的MAV具有四个翼，其侧翼和翼部顶部使用拍击和飞行效果，以增强升力产生。 使用风洞测试MAV并完成了成功的试飞。
Breugel等 [2]提出了一个被动稳定的悬停MAV。 四对翅膀被用来产生有益的拍击和飞行效应，通常用于昆虫飞行中以增强提升力和推力。 MAV的机动性通过驱动每对拍动翼的单独的马达实现，这允许每个翼对的独立的扑动速度控制。 据报MAV完成了一次成功的悬停飞行33秒。
蔡等 [7]开发了符合DARPA尺寸标准的MAV。 他们提出了平面膜翼的流场模拟，研究了压力分布和涡流效应，以找到重量约束。 据报，MAV原型机完成了大约8米的不受控制的试飞。
我们先前的工作[1，9]确定了一些领域，进一步的进展仍然需要提高扑翼微型飞行器的性能。这些区域重申如下:
·传动机构减重:对结构的作用力进行分析，优化传动机构的设计，以最大限度地减小重量，同时保持结构完整性。
·提高输电效率:复合材料兼容的机制有望最大限度地减少输电中的电力损耗，以及装配中的零部件数量。然而，复合材料成型涉及微型元件，会呈现出许多成型难题。
·降低成本:微型飞行器的实际应用要求他们从成本的角度来考虑。注塑技术提供了低成本的生产，具有可行性的可伸缩性的微型规模。符合要求的传动机构的多材料成型，将通过过程自动化和零件数的减少，大幅度降低微型飞行器的成本。
在我们以前的工作中，我们介绍了一个能够成功和引导飞行的小型MAV的开发。拍翅机驱动机构采用几何分布的顺应性，并采用多片单材料注射成型制造。然而，随着MAV的尺寸增加，分布式柔性的机构呈现出过度的变形。因此，由于设计的可扩展性和组件的紧凑性，机构中的局部符合性变得更有吸引力。多材料成型允许使用轻质聚合物等级来实现单体机构中的各种功能，例如机构的连杆和接头。因此，多材料成型是一种有希望的制造方法，允许通过减少组装操作的过程自动化，这降低了成本。然而，扩展MAV驱动机制需要开发成功实现多材料兼容结构的新方法。
本文介绍了一种使用注射成型优化设计和制造多材料符合性结构的方法，以实现MAV应用中所需的轻量级扑动机翼驱动机构。开发高性能MAV兼容驱动机制是一个复杂的问题，许多参数和设计选项可以同时考虑。主要目标是最小化驱动机构的重量。机构的形状和尺寸必须满足承载要求，确保在外力对结构上产生的应力方面的满意的安全系数。另外，实现微型兼容接头需要尺寸特定的特征，用于不相容材料之间的强连接。为了允许驱动机构设计优化，需要一种实验方法来获得FEA评估的输入值。此外，结构形状和尺寸需要遵守成型约束。另外，结构机械性能将决定多层模具的浇口和浇道设计，以满足柔性结构的多材料成型所需。
本文将此复杂问题分解为可管理的步骤。我们将描述一个新的扑翼传动机构设计和一种新的制造方法来实现它。最后，我们将报告一个使用这个机制微型飞行器飞行的性能。
2设计过程概要
本节将介绍驱动机制的主要要求，描述一个机制概念，并描述我们将概念转换为详细设计的方法的主要步骤。
由于其高效率和低重量，因此选择无刷电动机来致动该机构。接下来，从最轻的市场可用选项中选择为MAV供电和控制所需的电子部件。这些包括电机的速度控制器，匹配的遥控接收器，尾部执行器和电池单元。由于MAV的整体功能取决于其有效负载能力，所以应该将驱动机构的重量减至最小，同时对特定应用所需的负载传输能力设置限制。经验确定MAV的总体重量为35克以上，以允许在温和风力条件下稳定运行。基于由CNC加工零件手动组装的原型机构，驱动机构的目标重量应保持在10克以下。
MAV驱动机构的主要功能要求是提供两翼同步的拍动动作。强调同步的重要性，因为它不仅确保了MAV成功飞行所需的拍动动作，而且有助于机构的整体稳定性。基于以前的研究结果[1]，拍打范围确定为65°。初步测试表明需要4至6赫兹的拍打频率来维持飞行。
驱动机构的主要功能要求概括如下:
·双翼同步扑动
·4至6赫兹范围内的扑动频率
·–12.5°和 52.5°之间的扑动范围
图1是机制概念的示意图。根据权重、大小和功能约束，确定了一个兼容的机制，且是最适合实现驱动器的机制[1，10-13]。柔顺机构提供的主要优点是：许多零件被整合成一个单一的结构，由于摩擦和紧凑，使能量损耗降到最低。一些弯曲接头被纳入该机制，以提供一个局部(集总)遵守结构，以促进议案。为了加强机翼运动的同步，引入了棱镜关节。
聚合物作为驱动机构的首选材料，具有优于金属的优点。它们更轻，更便宜，并且需要较少的后处理操作。考虑到可用聚合物级别的广泛选择，涉及的小尺寸尺寸，形状复杂性和对可扩展制造工艺的需求，多材料注塑（MMM）[14]被选择以创建新颖的多材料柔性驱动框架。然而，用于创建多材料兼容结构的现有方法不能直接用于涉及的尺寸规模。因此，必须对其进行修改，以解决微型尺度的具体问题。此外，使用多材料成型制造复杂的柔顺结构将涉及多腔模具，因为第二阶段空腔将被第一阶段模制件分离。设计多腔模具是一项具有挑战性的任务，要求：（1）确定门选择，定位和尺寸调整，（2）平衡流道系统，最小体积[15-17]。
本文考虑的问题的主要决策变量有：（1）机构形状和尺寸，（2）微型柔性接头尺寸和互锁几何，（3）翼型设计，具有较强的提升和推力性能;（4）材料成型工艺参数，包括浇口定位和流道系统设计布局和尺寸。这个问题的主要目标函数是最小化重量。需要满足以下四个约束条件。首先，结构中的应力不应超过材料限制。二，结构形状和尺寸应满足成型工艺的限制。第三，应选择浇口位置，以便在填充聚合物成型期间均匀地进行纤维排列。这是为了获得由纤维取向产生的一致的正交各向异性所必需的[18,19]。最后，跑步机系统的设计应该能够获得完全填充的模具，并具有最小的流道体积。
我们将这个具有挑战性的问题分解为四个主要步骤。第一步是进行MAV驱动机构的形状合成。这包括（1）机构刚性连杆的几何形状，和（2）微型柔性接头特征，用于与多材料结构中的连杆成功互连。这一步骤在第3节中描述。由于确定整体MAV性能的最重要因素之一是机翼设计，下一步是开发实验装置，以评估具有不同刚度布局的机翼设计的升力和推力性能结构体。开发的设置用于选择具有令人满意的升力和推力发生的翼设计。该步骤在第4节中描述。下一步是开发机构的参数模型，并执行其尺寸优化，以最小化零件体积，同时满足安全要求并满足所有可制造性限制。部署有限元分析来评估使用实验提升和推力测量得到的边界条件的设计。该步骤在第5节中描述。最后一步是开发一种合适的方法来模制通过优化生成的多材料兼容机构设计。为了确保使用腔体转移法和多腔模具成功地模制多材料结构，需要详细研究模具设计参数。为了确保由增强的聚合物复合材料模制的刚性连接件的一致的结构特性，必须小心地定位浇口以在空腔中导致单向流动，并因此导致高水平的填料对准。最后，在确保完整的模具填充的同时，将流道系统体积保持在最低水平。第6节描述了一种设计多材料成型工艺以实现柔性结构的方法。本文介绍的方法概述流程图如图2所示。
图2 方法概述
3形状综合
整体方法的第一步是进行MAV驱动机构的形状合成。这包括从图1所示的概念开发基本机构几何形状，以及识别微型柔性接头上的互锁特征，以实现与多材料结构中的刚性连接件的成功互连。为此，我们采用以下三步法进行了机构的形状合成。首先，为了生成机制的基本形状，我们通过添加功能和可制造性约束来详细说明设计理念。其次，我们通过分析配合部件和运动要求来确定机构的约束尺寸。第三，我们研究了在多材料结构中实现不相容聚合物之间成功连接所必需的微型柔性接头几何形状。这种方法在图3中给出，并在本节进一步详细讨论。该方法产生的参数模型将在第5节中给出。。
机制概念
设计要求
精细的机构形状
确定关节几何
可制造性规则
微型铰链的互联
优化参数模型
图3 参数模型的形状合成
3.1机制形状的阐述
为了从电动机的旋转输入端获得扑动机翼运动，设计了基于图1所示概念的曲柄摇臂机构。马达的旋转速度通过齿轮箱传递到曲柄，以获得所需的拍动频率。曲柄连接到摇臂，该摇臂使对称放置的翼臂移位。这些臂被枢转在支撑构件上，这允许通过利用集中的顺应性来移动枢转点。为了确保拍子运动的对称性，在摇杆将能量传递到翼臂的点处引入棱柱形接头。这对于MAV的机翼产生的推力很重要。图4显示了具有突出特点的开发机构设计。
我们根据图1所示的设计概念加工了几个原型版本，以评估扰动力的范围及其对机制功能的影响。实验结果表明，扰动力能引起摇臂和翼臂平面运动的显著性。为了消除这些问题，我们设计了一个额外的框架，物理约束的摇臂运动的单平面，和一个削弱的特点，背面的棱镜关节，以限制其运动只有一个自由度(自由度)。图4中说明了这一点。
为了减小电机转速与扑频要求相匹配，设计了三步减速55.4:1。使用模块0.3和0.4双叶FUTM3405直齿圆柱齿轮。变速箱的设计是为了匹配齿轮轴承表面，并利用了双平面设计。这允许两点支承的齿轮轴，并允许防止曲柄摆动效应诱导的扭矩传递给摇臂。减小摩擦机润滑脂应用于轴承表面和齿轮齿。
棱镜关节确保对称机翼动作
约束棱镜关节的单自由度
多材质柔顺结构
双平面
变速箱结构
将摇臂运动约束到单平面上的框架
图4 微型飞行器驱动机构设计
双平面变速箱装配的框架约束，摇臂创建了一个刚性的三平面机箱的机制，防止它在飞机着陆时损坏。
该机构利用多材料柔性结构将电机的旋转速度转换成拍动运动。这种新颖的设计结合了七个刚性链接与六个柔顺的铰链连接，以创建功能单件机构。模制结构由摇臂，机翼臂及其支架组成。它还提供了棱柱形连接点和相对于曲柄的适当偏移。
为了确保多材料兼容机构的成型性，必须引入柔性接头周围的圆角以最小化腔体横截面的差异，并允许刚性结构中的坚固的铰链密封。这将在以下部分中更详细地讨论。
在使用功能和可塑性约束来确定机构的基本形状之后，下一步是确定机构的尺寸。考虑到MAV的整体尺寸的功能要求和限制，首先要确定机构设计的约束和自由尺寸。根据MAV的功能要求确定受限尺寸。
该机构的设计需要将摇臂操作信号放置在翼臂支撑之间。因此，支撑构件之间的最小间隔被限制在19mm。
对于65°的所需拍打范围，翼臂上的相对角度设计为15°，曲柄和摇杆的长度分别为4.1mm和45.7mm。振动运动的范围还确定了棱柱形接头的范围至少为12mm，以解决由于加载而在操作中的结构的弹性变形。齿轮轴分离和棱柱接头的运动范围确定机构的最小长度为66mm。
顺应机构框架的可塑性约束要求模具的主分模方向必须垂直于框架平面。因此，由于用于制造模具的可用加工能力，即最小刀具尺寸和机器
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[136915]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
