一款新型無人機的設(shè)計與制造

王立濤, 楊延波, 雷 瓊

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院， 陜西 咸陽 712000)

0 引 言

近年來，民用無人機市場處于持續(xù)上升趨勢，國內(nèi)民用無人機的前景也越來越廣闊。尤其在航空拍攝、空中勘探、生活記錄、農(nóng)藥噴灑、消防監(jiān)控等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于無人機外型炫酷、結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣、科技感足等諸多時尚因素吸引著越來越多的人們參與其中。隨著市場的不斷擴大，人們的個性化需求也在不斷增強。本文結(jié)合實際，對一款新型無人機的研發(fā)過程進行闡述，該機滿足攜帶方便、維護簡單、功能多樣等綜合要求的同時，兼顧個性化需求，以期實現(xiàn)“一機多用”的目的。

1 無人機的基本要求和技術(shù)參數(shù)

新型無人機的主要技術(shù)參數(shù)如下：空機起飛重量14 kg，滿載起飛重量25 kg，最大起飛重量27 kg，負載10 kg?？蛰d續(xù)航時間30分鐘，工作續(xù)航時間12分鐘。最高飛行速度10 m/s，作業(yè)飛行速度4 m/s，相對飛行高度0.5 m～1.5 m。外形折疊尺寸145 cm×45 cm×50 cm，軸距1.4 m。該機的電氣系統(tǒng)主要零部件如下：飛行控制系統(tǒng)：DJI NAZA2飛控；螺旋槳：APC1047-SF；電機：V3508朗宇電機；電子調(diào)速器：好盈40 A電調(diào)；電池：ROC 5000Ma，14.8 V；遙控器：樂迪AT9。該機的機械系統(tǒng)主要零部件如表1所示，并要求外觀時尚、美觀大方，兼顧攜帶方便、維護簡單、功能多樣等需求。

2 無人機的設(shè)計

由于電氣系統(tǒng)主要零部件技術(shù)非常成熟，只需根據(jù)無人機的載重、續(xù)航時間等技術(shù)參數(shù)進行計算后，無人機的電池功率、飛控配置、電子調(diào)速器等即可確定。因此，本文對此方面不做過多贅述。重點闡述該款無人機的機械設(shè)計和機械制造的過程。其設(shè)計部分分為：機箱設(shè)計、機架設(shè)計、機臂設(shè)計；制造部分分為：應(yīng)用快速成型技術(shù)進行增材制造、應(yīng)用機械加工技術(shù)進行減材制造。

表1 機械系統(tǒng)主要零部件

2.1 機箱設(shè)計

采用三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)對無人機機箱進行設(shè)計，滿足機箱容積10L的要求。為了實現(xiàn)“一機多用”，需要將該機箱設(shè)計成可快速更換，可快速更新。使用自頂向下設(shè)計方法對無人機機箱進行設(shè)計[1]。首先，使用PTC Creo Parametric 3.0軟件設(shè)計出無人機機箱的外觀曲面，如圖1所示；其次，對該曲面進行曲面分割，分為上機箱和下機箱；最后，對分割后的曲面進行加厚，厚度為3 mm，使曲面轉(zhuǎn)換為實體。對上、下機箱進行倒圓角、卡扣、連通管、密封槽、進水口、出水口等細節(jié)特征的設(shè)計和處理[2]，結(jié)果如圖2、3所示。

圖1 機箱外型曲面 圖2 上機箱 圖3 下機箱

由于該無人機需要滿載液體工作，為防止無人機飛行時由于液體晃動引起的飛行不穩(wěn)定，在上機箱內(nèi)腔中設(shè)計了隔板，如圖4所示。

圖4 上機箱隔板的剖面圖

該隔板設(shè)計將對液體進行引導分流。當無人機在增減速飛行、拐彎飛行、前后飛行時，箱體中的液體會晃動，無人機的飛行不平穩(wěn)。此時，設(shè)計的隔板會將液體的沖刷力分散到機箱的內(nèi)壁兩側(cè)，降低了液體對無人機飛行不穩(wěn)定的影響。同時，隔板的設(shè)計增加了機箱的強度，在一定程度上可防止碰撞引起的機箱變形或損壞。

2.2 機架設(shè)計

為了支撐無人機自身重量和滿載液體的總重量，機架的設(shè)計需要有足夠的強度。無人機需要在裝滿液體的情況下正常飛行，機架不但要堅固耐用，還要防漏水、防漏電。設(shè)計時應(yīng)充分考慮空間的充分利用，合理劃分無人機的功能區(qū)域。機架的設(shè)計分為上、中、下三層，如圖5所示。功能區(qū)域劃分如下：上層空間安裝機箱、中層空間安裝電氣元件、下層空間安裝電池。該設(shè)計是使用時以人們操作簡便為前提，以合理利用空間為原則進行劃分，該設(shè)計將使無人機整體結(jié)構(gòu)緊湊、使用簡單、維護方便，同時也可保護電氣元件免遭損壞，如圖6所示。

圖5 功能區(qū)域劃分

圖6 無人機機架的設(shè)計

2.3 機臂的設(shè)計

無人機滿載液體時的總重量較重，機臂的設(shè)計應(yīng)首先保證無人機的正常飛行。螺旋槳的旋轉(zhuǎn)升力和葉片都需加大，機臂也將隨之增長，將隨之增加機臂的展開面積，使得攜帶和運輸不便，如圖7所示。設(shè)計時采用折疊功能，使用時打開，如圖7所示；不用時折疊，如圖8所示。既能保證無人機的旋轉(zhuǎn)升力和正常使用，也能保證在運輸和使用時的便捷。

3 無人機的制造

制造無人機需要考慮機箱和機架在加工制造時，保證其質(zhì)量的同時盡可能節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期。無人機的機箱、連接件、電池倉等塑料件采用快速成型技術(shù)進行增材制造。傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)非常成熟，為了保證機架、機臂的強度，采用鈦合金材料進行切割、鉆孔、攻絲以及適當?shù)暮附蛹纯赏瓿?。其中，螺栓、螺釘?shù)葮藴始苯硬少彙?/p>

3.1 機箱的制造

機箱的主要功能就是儲存液體，采用快速成型技術(shù)對機箱進行增材制造[3]。使用FDM(Fused Deposition Modeling熔融沉積制造)工藝技術(shù)進行3D打印，同時對上機箱中的隔板也能一次完成制作，省去了模具制造的高昂成本和超長周期[3]。最后，采用防水、打磨、上漆、拋光等工藝對機箱進行處理，效果如圖9所示。其中，機臂與固定板連接時的連接件、固定機臂的螺母扣、無人機下方的電池倉等都使用熔融沉積制造工藝技術(shù)進行3D打印制作，結(jié)果如圖10、11所示。

圖7 無人機機臂的設(shè)計

圖8 無人機機臂的折疊

圖9 無人機機箱的3D打印效果 圖10 連接件的3D打印效果 圖11 電池倉的3D打印效果

3.2 機架的制造

機架、機臂的制造主要采用傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)進行減材制造[4]。對鈦合金金屬材料進行切割、鉆孔、攻絲以及適當?shù)暮附蛹纯赏瓿蒣5]。其中，螺栓、螺釘?shù)葮藴始苯硬少?。最終，將設(shè)計和制造的機箱、機架、機臂、電池倉等零件進行組裝，結(jié)果如圖12所示。

圖12 無人機裝配效果

4 結(jié) 論

該款新型無人機的設(shè)計與制造，采用了三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進行快速設(shè)計，縮短了設(shè)計周期；使用快速成型制造技術(shù)對機箱、電池倉、連接件進行增材制造，節(jié)約了制造成本。

采用傳統(tǒng)的機加工制造技術(shù)對機架、機臂進行減材加工制造，保證了機體強度。該無人機的設(shè)計與制造過程分工明確、迅速高效，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約了生產(chǎn)成本。