臥式)二軸搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書

1、Harbin Institute of Technology設(shè)計(jì)計(jì)算說明書課程名稱： 綜合課程設(shè)計(jì)（1） 設(shè)計(jì)題目： 二軸搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 院 系： * 班 級： * 設(shè) 計(jì) 者： * 學(xué) 號： * 指導(dǎo)教師： * 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2017年9月29日 目錄第1章 搖擺系統(tǒng)方案擬定41.1搖擺系統(tǒng)技術(shù)要求41.2搖擺系統(tǒng)類型確定41.3轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計(jì)4第2章 機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)62.1 內(nèi)框設(shè)計(jì)62.2 滾轉(zhuǎn)軸系設(shè)計(jì)62.3 俯仰軸系設(shè)計(jì)72.4 外框設(shè)計(jì)7第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)93.1 滾轉(zhuǎn)軸系設(shè)計(jì)93.1.1 材料選擇93.1.2 電機(jī)選擇93.1.3 角度測量器件選擇103.1.4 軸承選

2、擇及校核103.1.5 階梯軸長度及軸徑確定113.1.6 連接螺栓強(qiáng)度校核113.1.7 軸的剛度123.2 內(nèi)框設(shè)計(jì)133.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)133.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)133.2.3 轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算143.3 俯仰軸系設(shè)計(jì)143.3.1 電機(jī)選擇143.3.2 角度測量器件選擇153.3.3 軸承選擇及校核163.3.4 電機(jī)固定及連接設(shè)計(jì)163.4 外框設(shè)計(jì)173.5 限位鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)173.5.1滾轉(zhuǎn)軸限位機(jī)構(gòu)183.5.2俯仰軸限位機(jī)構(gòu)18第4章 誤差分析194.1定位精度分析194.2 垂直度及相交度分析19參考文獻(xiàn)20第1章 搖擺系統(tǒng)方案擬定1.1搖擺系統(tǒng)技術(shù)要求本次需要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是二

3、軸搖擺系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求如任務(wù)書所示。1.2搖擺系統(tǒng)類型確定轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)多數(shù)分為立式和臥式兩種形式，立式轉(zhuǎn)臺通常外環(huán)軸垂直于水平面，且外框結(jié)構(gòu)多數(shù)為音叉式，其內(nèi)框結(jié)構(gòu)多數(shù)為原盤或O型封閉結(jié)構(gòu)。由任務(wù)書要求，搖擺系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)。搖擺系統(tǒng)按驅(qū)動方式可分為手動驅(qū)動、電動驅(qū)動和液壓驅(qū)動，手動驅(qū)動僅出現(xiàn)在簡陋的系統(tǒng)中，故在此次設(shè)計(jì)中不給予考慮；電動驅(qū)動目前廣泛運(yùn)用與高精度、高動態(tài)精度和大扭矩的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中；液壓驅(qū)動則大多用于高扭矩、高頻響等電動驅(qū)動難以實(shí)現(xiàn)的工程中。此次轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)要求中，由于負(fù)載重量為2x30 Kg，屬于輕載，而且精度要求中，精度最高達(dá)到角秒級別，故采用電動驅(qū)動。綜上，此次轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中，擬采用電動驅(qū)

4、動的臥式搖擺系統(tǒng)。1.3轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，負(fù)載為200x200x200mm均勻質(zhì)量且分別2608N故，軸承完全符合要求。3.1.5 階梯軸長度及軸徑確定考慮到連接桿在負(fù)載的作用下有變形，所以設(shè)計(jì)連接桿為軸徑105壁厚為10的空心軸，如圖3.2所示。再結(jié)合軸承和電機(jī)的參數(shù)，滾轉(zhuǎn)軸長也隨之確定?？傞L為320mm。最小軸徑127mm，最大軸徑220mm，中空直徑100mm。如圖3.3所示。圖3.2 連接桿圖3.3 滾轉(zhuǎn)軸3.1.6 連接螺栓強(qiáng)度校核由于滾轉(zhuǎn)軸與連接桿的連接承載了扭矩和彎矩，連接螺栓需要提供較大拉力以滿足預(yù)緊力要求，實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)軸的滾轉(zhuǎn)。受力較大，故對其進(jìn)行分析和強(qiáng)度校核。

5、連接處橫向工作載荷M=8.5/2=4.25Nm受力半徑R=55mm連接處提供的摩擦力F=M/R=4.25N/m/5.5mm=77.3N所需預(yù)緊力F1=F/f=77.3/0.15=515.3N六個(gè)螺栓每個(gè)須承受拉力F2=F1/6=85.89N負(fù)載和連接桿重力產(chǎn)生的扭矩對每個(gè)螺栓產(chǎn)生的拉力為F3=MR/6R2=35.86/6/55=108.657N所以，每個(gè)螺栓所受拉力F4=85.89+0.3x108.657=119N所以螺栓直徑d=1.7mm考慮到安裝方便和運(yùn)行穩(wěn)定性和安全，螺栓直徑采用M6。3.1.7 軸的剛度對于滾轉(zhuǎn)軸，連接桿的壁厚最薄，受力情況最危險(xiǎn)，所以，用SolidWorks軟件分析該

6、軸的變形情況，如下圖3.3圖3.3 連接桿受力分析3.2 內(nèi)框設(shè)計(jì)內(nèi)框是承載滾轉(zhuǎn)軸系的構(gòu)件。為了減小慣量及質(zhì)量同時(shí)保證結(jié)構(gòu)和剛度，框架需做成空心，軸系各零件在框架上的定位及固定，框架端蓋等安裝，限位裝置的放置，電機(jī)尺寸，與俯仰軸連接軸的連接等在設(shè)計(jì)時(shí)均要考慮。3.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)在滿足產(chǎn)品要求下，盡可能的降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。所以針對內(nèi)框設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，提出以下指標(biāo)：盡可能降低內(nèi)框構(gòu)件的總體轉(zhuǎn)動慣量，以便于俯仰角度的精確控制。盡可能降低內(nèi)框構(gòu)件的總體質(zhì)量，降低對俯仰軸的強(qiáng)度要求。3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)框框架整體結(jié)構(gòu)為中空圓形，如圖3.4所示。內(nèi)部為安裝軸承及電機(jī)設(shè)置了

7、階梯，其中最小孔徑為272mm，最大孔徑為344mm，外圓軸徑為483.6mm。兩端為連接俯仰軸連接軸的配合孔。為減輕質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，框架做成中空，同時(shí)兩個(gè)軸承對稱分布。圖3.4 內(nèi)框剖視圖隨之與之連接的端蓋及與滾轉(zhuǎn)軸及負(fù)載的裝配如圖3.5 如圖3.5 滾轉(zhuǎn)軸系剖視3.2.3 轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算在solidworks上進(jìn)行內(nèi)框框架及整個(gè)滾轉(zhuǎn)軸系的裝配，計(jì)算其轉(zhuǎn)動慣量，為接下來俯仰軸系的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)?？傎|(zhì)量為196kg，轉(zhuǎn)動慣量沿滾轉(zhuǎn)軸為2.35kgm2，沿俯仰軸為80.5kgm2。3.3 俯仰軸系設(shè)計(jì)3.3.1 電機(jī)選擇在選擇電機(jī)前需計(jì)算滾轉(zhuǎn)軸系的轉(zhuǎn)動慣量，滾轉(zhuǎn)軸系與俯仰軸系的連接還需要設(shè)計(jì)連接軸，

8、由于承受較大彎矩，故設(shè)計(jì)為軸徑150mm壁厚25mm的部分空心軸。應(yīng)力分析如圖3.6所示。應(yīng)變可以忽略不計(jì)。由軟件計(jì)算出滾轉(zhuǎn)軸系和俯仰連接軸裝配后的轉(zhuǎn)動慣量為83kgm2 ?？傎|(zhì)量為221kg。由俯仰角加速度400每秒，可算得慣性載荷為：MJ= Jx = 83 kgm2 x (6.98) /s = 580Nm圖3.6 俯仰連接軸應(yīng)力分析考慮到軸承的摩擦力矩：Mf= 0.5Fd = 0.5x0.002x221x9.8/2x280 = 0.303Nm故總載荷為：M= 580 Nm查閱各電機(jī)說明書及手冊，最終選擇了丹納赫傳動公司的F電機(jī)。其參數(shù)如下圖3.1所示，起峰值轉(zhuǎn)矩滿足俯仰軸加速度的要求。圖3

9、.7 電機(jī)參數(shù)3.3.2 角度測量器件選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，角位置定位精度為0.003，重復(fù)精度為0.002，所選角度測量器件的精度應(yīng)高一個(gè)數(shù)量級，即角度測量器件的精度為0.0002，即0.72秒。經(jīng)過選擇，最后選擇RESA的115型號的圓光柵。其測量精度為0.43秒符合測量要求。 3.3.3 軸承選擇及校核俯仰軸承主要承受徑向力，由電機(jī)尺寸及俯仰連接軸尺寸選用滾轉(zhuǎn)軸承為角接觸球軸承7028C。由于是軸做擺動運(yùn)動，所以，只需要校核靜強(qiáng)度：由上述分析可知，滾轉(zhuǎn)軸系質(zhì)量為221kg，F(xiàn)=221 x9.8 = 2165.8N當(dāng)量載荷P0= 2165.8N基本額定靜負(fù)載C0=S0xP0=2x2165.8=

10、4331.6N對于角接觸球軸承7028CCr=140kN4331.6N故，軸承完全符合要求。3.3.4 電機(jī)固定及連接設(shè)計(jì) 為了便于拆卸及調(diào)試，電機(jī)不直接安裝在基座上，需要設(shè)計(jì)電機(jī)外框和與基座連接的結(jié)構(gòu)。電機(jī)固定采用軸套類零件，用壓環(huán)壓緊電機(jī)定子，且用一連接軸與俯仰連接軸用鉸制孔螺栓連接，裝配后效果如圖3.8。圖3.8 電機(jī)外框與基座的連接3.4 外框設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)要求中對方位軸的角度精度較高，故基座的外殼設(shè)計(jì)中應(yīng)減少裝配環(huán)節(jié)。具體設(shè)計(jì)如圖3.9所示，基座內(nèi)不設(shè)置臺階固定軸承和電機(jī)，軸承的固定和預(yù)緊依靠軸承端蓋和螺栓連接實(shí)現(xiàn)。 圖3.9 基座設(shè)計(jì)外框框架為音叉式設(shè)計(jì)，兩“撥叉”距離根據(jù)內(nèi)框框架的

11、大小及俯仰連接軸的長度決定，為650mm，整體采用空心結(jié)構(gòu)。由于承受整個(gè)裝置的重力及運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的慣性力，基座壁厚20mm。采用鑄鐵件，如果有重量或者其他要求，也可以采用鑄鋁件或其他金屬鑄件。外框框架通過螺釘連接在地面或者測試平臺上。3.5 限位鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸均需要有限位機(jī)構(gòu)。3.5.1滾轉(zhuǎn)軸限位機(jī)構(gòu)如圖3.10為滾轉(zhuǎn)軸的電氣限位和機(jī)械限位結(jié)構(gòu)。圖3.10 滾轉(zhuǎn)軸的電氣限位及機(jī)械限位3.5.2俯仰軸限位機(jī)構(gòu)如圖3.11為俯仰軸的電氣限位和機(jī)械限位結(jié)構(gòu)。 圖3.11俯仰軸的電氣限位及機(jī)械限位第4章 誤差分析4.1定位精度分析本次設(shè)計(jì)有角位置定位精度和測量重復(fù)性的要求，實(shí)現(xiàn)此精度的手段除了提升零件的加工精度及裝配精度，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候也需要對此作出相應(yīng)設(shè)計(jì)。4.2 垂直度及相交度分析滾轉(zhuǎn)軸和俯仰軸的垂直度和相交度的實(shí)