# 轨道风机 · 叶片框 V2.1 与叶片控制结构设计说明书

**编制**：特福龙（爱马特） ｜ **日期**：2026-10-13 ｜ **版本**：V2.1 / 驱动 V1

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## 一、概述

本说明书涵盖两部分：

1. **叶片框 V2.1**：在 eDrawings 原稿（SolidWorks 原设计）基础上，按"刚度优先 + 强度校核"重定螺丝、厚度、压带与条宽渐变曲线。
2. **叶片控制结构**：叶面角（绕竖轴偏转）与叶轴角（绕叶片展向轴翻转）两套蜗杆蜗轮传动的传动比、运动学、扭矩校核、控制映射与 51 单片机脉冲方案。

设计输入：外轮廓 539 × 1013 mm（原稿 541.6 × 1011.9）、主弧 R999.3、原 16 孔 ⌀3.85、原板厚 4.5 mm、2 片对装夹布。

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## 二、叶片框 V2.1

### 2.1 载荷基准

| 项目 | 数值 |
|---|---|
| 设计风速 | 30 m/s |
| 风压 | 662 Pa（Cd=1.2，ρ=1.225） |
| 叶面面积 | 0.548 m² |
| 总风载 | 363 N（37 kgf） |
| 设计载荷（×1.5） | 545 N（56 kgf） |
| 根部弯矩 | 276 N·m |

### 2.2 强度校核

| 校核项 | 计算 | 判定 |
|---|---|---|
| 边框弦杆（两片作上下弦，臂 542 mm） | 轴力 509 N，应力 **9.4 MPa** | ✅ 许用 138 MPa |
| 螺丝间局部弯曲（布面张力 0.6 N/mm × 间距 180 mm） | 4.5 mm → 48 MPa ❌；**6 mm → 27 MPa** ✅ | 叶根 6 mm |
| 单颗螺丝剪力 | 108 N；M3-A2 抗剪 2121 N | ✅ 安全系数 19 |
| 夹持摩擦（预紧 0.6 N·m，μ0.3×2 面） | 600 N ≥ 108 N | ✅ 安全系数 5.5 |
| 螺丝头下压强 | 无垫圈 64 MPa ❌；**⌀8 垫圈 → 15.9 MPa** ✅ | 必须加垫圈 |
| 细齿槽 ⌀1.5/⌀1.0 接触压强 | **1019 MPa** ❌ | 取消 |
| 连续压带（宽1.5×螺距180，270 mm²） | **3.7 MPa** ✅ | 采用 |

### 2.3 四处变更

| # | 参数 | 原稿 V2 | **V2.1** | 依据 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 螺丝 | 16×⌀3.85 | **16×⌀3.4，M3-A2 + ⌀8 垫圈，扭矩 0.6 N·m** | 强度校核 |
| 2 | 厚度 | 4.5 等厚 | **叶根 6 → 叶尖 4（线性渐变）** | 局部弯曲控制 |
| 3 | 槽/凸起 | 细齿槽 ⌀1.5/⌀1.0 | **连续压带 1.5×0.6；凹片拉槽 2.1×0.7** | 接触压强 1019→3.7 MPa |
| 4 | 条宽渐变 | 8→12 线性 | **抛物线 b(x)=8+4(1−x/L)²** | 等强度梁 |

**抛物线条宽表**

| x/L | 0（叶根） | 0.25 | 0.50 | 0.75 | 1.0（叶尖） |
|---|---|---|---|---|---|
| 条宽 mm | 12.00 | 10.25 | 9.00 | 8.25 | 8.00 |

### 2.4 装配

- A 片（凸片）：基板 + 内外双压带（1.5×0.6）
- B 片（凹片）：基板 + 内外双拉槽（2.1×0.7）
- 夹布缝隙 **0.5 mm**，压带处干涉 0.1 mm 夹紧
- 总成厚度 2t + 0.5：叶根 ≈ 12.5 mm，叶尖 ≈ 8.5 mm
- 体积/重量：凸片 120 cm³、凹片 114 cm³ → 6061-T6 约 324 g + 308 g；CFRP 约 192 g + 182 g

### 2.5 图纸

![叶片框V2.1 俯视图](https://trackgen.top/reports/leaf_v21/v21_top.png)

![参数曲线](https://trackgen.top/reports/leaf_v21/v21_curves.png)

![总成截面](https://trackgen.top/reports/leaf_v21/v21_section.png)

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## 三、叶片控制结构

### 3.1 传动链

**叶面角链**：42/57 步进 → TB6600 → 蜗杆(1头) → 蜗轮 65齿 → 旋转座 + C型支架 + 叶片座 → 叶片整体转动

**叶轴角链**：步进 → 蜗杆(1头) → 蜗轮 65齿（内齿 52齿同轴） → 丝杆齿轮 20齿 → 双向丝杆 Tr8×4 → 丝杆螺母（轴向） → 连片 l=25 → 叶片杆 L=25 → 叶轴角 α

![传动链框图](https://trackgen.top/reports/leaf_drive/v1_chain.png)

### 3.2 传动比与分辨率

| 项 | 值 |
|---|---|
| 叶面角 蜗杆:蜗轮 | 1 : 65 |
| 叶轴角 蜗杆:丝杆 | **1 : 25**（52/20 × 1/65） |
| 叶面角分辨率（细分1600） | **0.00346°/脉冲** |
| 叶轴角 每蜗杆圈螺母位移 | 160 µm（螺距4 mm） |
| 叶轴角 每脉冲螺母位移 | 0.1 µm（细分1600） |

> ⚠️ 文档写"蜗杆:丝杆 = 1:20"系把 65 齿当内齿误用；图纸 TG-BD-15 为**内齿轮 52 齿**，实际 **1:25**。

### 3.3 运动学

s(α) = L·sinα + √(l² − (D − L·cosα)²)，L=25，l=25，D=17

| α(°) | 0 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| s(mm) | 23.685 | 25.005 | 26.344 | 27.698 | 29.061 | 30.427 |

**0→15° 螺母行程 6.74 mm = 蜗杆 84.3 圈**

| 细分 | 脉冲 | 10 kHz | 20 kHz |
|---|---|---|---|
| 6400 | 539 k | 53.9 s ❌ | 27.0 s ❌ |
| 1600 | 135 k | 13.5 s ❌ | 6.7 s ⚠ |
| 800 | 67 k | 6.7 s ⚠ | **3.4 s** |

![运动学与响应](https://trackgen.top/reports/leaf_drive/v1_kinematics.png)

### 3.4 扭矩校核

| 风速 | 风载 | 气动俯仰力矩 | 电机可给 13 N·m | 结论 |
|---|---|---|---|---|
| 20 m/s | 161 N | 4.4 N·m | 安全系数 **2.98** | ✅ |
| 30 m/s | 363 N | 9.8 N·m | 安全系数 **1.32** | ⚠ 偏紧 |

- 叶轴角连杆推力：20 m/s 需 175 N，30 m/s 需 393 N（连杆欧拉临界 36.7 kN）✅
- 蜗杆 1 头 + 65 齿 → **自锁**，断电不掉角 ✅

### 3.5 问题清单与修正建议

| # | 问题 | 建议 |
|---|---|---|
| 1 | 叶轴角 0→15° 需 27–54 s | 细分 6400→**800/1600**；脉冲频率提到 **35 kHz** → ≤2 s；或螺距 2→4 mm |
| 2 | 30 m/s 叶面角安全系数仅 1.32 | 改 **57 步进（1.2 N·m）** 或蜗轮 80 齿 |
| 3 | 文档与图纸齿数矛盾 | 以图纸 52 齿、**1:25** 为准 |
| 4 | 6400 细分对叶轴角过剩 | 降到 800–1600 |
| 5 | 两轴共用同细分不成比例 | 两轴独立设定细分与加减速 |

### 3.6 零件图与装配简图

![齿轮零件图](https://trackgen.top/reports/leaf_drive/p1_gears.png)

![丝杆与连杆](https://trackgen.top/reports/leaf_drive/p2_screw_link.png)

![装配简图](https://trackgen.top/reports/leaf_drive/a1_assembly.png)

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## 四、控制映射与 51 单片机脉冲方案

### 4.1 叶面角映射

θ(°) = N × 360 / (65 × 细分)；细分 1600 → N = θ × 288.9

| θ | 30° | 45° | 90° | 135° |
|---|---|---|---|---|
| 脉冲 | 8 667 | 13 000 | 26 000 | 39 000 |

### 4.2 叶轴角映射表（细分1600，螺距4 mm，α 自 0° 起算）

| α(°) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| s(mm) | 23.685 | 24.123 | 24.563 | 25.005 | 25.450 | 25.896 | 26.344 | 26.794 | 27.246 |
| 累计脉冲 | 0 | 4 376 | 8 776 | 13 199 | 17 644 | 22 108 | 26 590 | 31 089 | 35 601 |

| α(°) | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| s(mm) | 27.698 | 28.152 | 28.606 | 29.061 | 29.516 | 29.971 | 30.427 |
| 累计脉冲 | 40 126 | 44 661 | 49 204 | 53 753 | 58 306 | 62 860 | 67 413 |

> 程序内以 0.5° 为间隔内置全表（31 点）+ 线性插值；反查（脉冲→角度）同表反用。

### 4.3 51 单片机脉冲方案

- **硬件**：STC89C52 / 12 MHz，12T 模式 → 计数频率 1 MHz
- **脉冲**：目标 30 kHz → 定时器重装值 **33**（实测 30.3 kHz）；起步 2 kHz → 重装值 500，20 ms 线性升速
- **引脚**：P1.0/P1.1 = 叶面角 STEP/DIR；P1.2/P1.3 = 叶轴角 STEP/DIR
- **定时器分工**：T0 → 叶面角脉冲；T1 → 叶轴角脉冲；主循环 50 ms 采样、500 ms 发 RS485 帧

**中断服务流程（两轴同构）**：步数为 0 → 关脉冲返回；翻转 STEP 电平；步数减 1；按加减速表更新重装值。

**RS485 指令帧（9 字节）**：`0xAA | ID | 叶面角H | 叶面角L | 叶轴角H | 叶轴角L | 模式 | CRC8 | 0x55`

**状态机**

| 状态 | 触发 | 动作 |
|---|---|---|
| INIT | 上电 | 采样、显示、两轴回零（叶面角 90° 顺风） |
| RUN | `oper` | 按风速风向实时计算两轴角度 |
| MAINT | `modf` | 风速 <1 m/s 才允许；顺风顺桨 |
| STOP | `stop` | 叶面角最小迎风、叶轴角 0° |
| DANCE | `danc` | 风速 <0.1 m/s 才可进入，按编排动作序列 |
| PROTECT | 风速 >20 m/s | 自动顺桨，与 MAINT 同姿态 |

### 4.4 现场标定（必做）

1. **零点标定**：叶面角转至顺风 90° 记为零点；叶轴角以叶片直立为 0°
2. **方向标定**：验证正方向脉冲的转向，程序中设 `DIR_SIGN`
3. **反向间隙补偿**：实测蜗杆-蜗轮反向间隙（建议 0.2–0.5°），反向先走空程
4. **软限位**：叶面角 −90°~+135°，叶轴角 0~15°，超出即停

![映射与脉冲](https://trackgen.top/reports/leaf_drive/c1_map_pulse.png)

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## 五、待确认事项

| # | 事项 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | **齿轮模数** | 文档"1 模 65 齿"，但实测外径（蜗轮 59.2 / 内齿 46.5 / 丝杆齿轮 18.9）更接近 **m≈0.9**；本轮按 m=1（依零件命名 M1-54/M1-43）出图，请实物复核 |
| 2 | 内齿齿数 | 图纸 52 齿 → 传动比 1:25；文档写 1:20，已按图纸执行 |
| 3 | 电机 | 30 m/s 工况建议 42→57 步进 |
| 4 | 丝杆螺距 | 建议 2→4 mm（提升响应） |

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## 六、交付文件

### 叶片框 V2.1（STEP）
- 总成：https://trackgen.top/reports/leaf_v21/TG-V21-00_叶片框总成.step
- 凸片：https://trackgen.top/reports/leaf_v21/TG-V21-01_叶片框凸片.step
- 凹片：https://trackgen.top/reports/leaf_v21/TG-V21-02_叶片框凹片.step

### 叶片驱动总成 V1（STEP）
- 总成：https://trackgen.top/reports/leaf_drive/TG-BD-00_drive_asm_v21.step
- 蜗轮 65齿：https://trackgen.top/reports/leaf_drive/TG-BD-11_wormwheel65.step
- 内齿圈 52齿：https://trackgen.top/reports/leaf_drive/TG-BD-15_ring52.step
- 丝杆齿轮 20齿：https://trackgen.top/reports/leaf_drive/TG-BD-16_screwgear20.step
- 双向丝杆 Tr8×4：https://trackgen.top/reports/leaf_drive/TG-BD-17_screw_tr8x4.step

> 说明：蜗杆与双向丝杆在 3D 模型中为简化柱体，螺纹尺寸以图纸为准。

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## 七、下一步

1. 出 **DWG/DXF 加工图**（公差、材料、热处理、表面处理）
2. 出 **正式装配图**（件号球 + 明细表 + 分步装配技术要求）
3. 写 **51 单片机完整程序**（主机 MainHost / 从机 MainSlave，含两轴脉冲发生器与 RS485 协议）