單軸速率轉(zhuǎn)臺機械臺體設(shè)計講解

1、綜合課程設(shè)計II項目總結(jié)報告題 目：單軸速率轉(zhuǎn)臺機械臺體設(shè)計院 （系） 機電工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造自動化學(xué) 生 學(xué) 號 班 號 指導(dǎo)教師 填報日期 2013.12.05 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院制2013年12月目錄第1章轉(zhuǎn)臺方案擬定2第2章軸承選擇32.1軸承的選型32.2軸承跨距的計算32.3軸承的預(yù)緊3第3章測角元件的選擇與計算43.1光電碼盤的選型43.2光電碼盤的設(shè)計4第4章載荷計算5第5章電機選取與計算6第6章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計76.1軸系部件的設(shè)計76.2軸上其他零部件的設(shè)計106.3框架設(shè)計11參考文獻12第1章轉(zhuǎn)臺方案擬定轉(zhuǎn)臺即旋轉(zhuǎn)平臺，是用于測控系統(tǒng)元件標校試驗的基礎(chǔ)平

2、臺，位置、速率、加速度可控，可以實現(xiàn)位置、速率、加速度等試驗。由于被測對象千差萬別，測試條件也各有不同，故雖然市場上已有相對成熟的轉(zhuǎn)臺產(chǎn)品，但很多情況下專用的測試轉(zhuǎn)臺還需要專門設(shè)計。而單軸轉(zhuǎn)臺是一個單軸方位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，是一種重要的轉(zhuǎn)角測試設(shè)備，可用于光電跟蹤裝置的動態(tài)角跟蹤性能的檢測， 以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性元件的檢定、標定。其按驅(qū)動方式可分為手動和電動兩種，在電動的形式下又有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式， 目前單軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角精度可達到1 角秒。結(jié)合本課題設(shè)計，進一步掌握如下內(nèi)容：（1）掌握機械系統(tǒng)的組成規(guī)律、設(shè)計原則、設(shè)計步驟（過程）、設(shè)計內(nèi)容和方法；（2）利用以前學(xué)到的有關(guān)的基礎(chǔ)知識，根據(jù)特定的功

3、能來設(shè)計機械系統(tǒng)。任務(wù)要求設(shè)計分度刻線轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺水平旋轉(zhuǎn)，主軸由交流力矩電機直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)主要由主軸、電機、光電編碼器、轉(zhuǎn)臺臺面以及底座等組成。轉(zhuǎn)臺直接與主軸相連，由力矩電機直接驅(qū)動，通過軸承座將主軸與殼體的連接傳遞基準，安裝光電編碼器，最后將所有結(jié)構(gòu)部件連接在基座上。轉(zhuǎn)臺的草圖如下：圖1-1第2章軸承選擇轉(zhuǎn)臺軸承在安裝時一般給予一定的軸向預(yù)緊力，使內(nèi)外圈產(chǎn)生相對位移，從而消除游隙，并在套圈和滾動體接觸處產(chǎn)生彈性預(yù)變形，以此來提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。預(yù)緊力可以利用金屬墊片或者調(diào)整螺母來實現(xiàn)2.1軸承的選型為了保證跨距要求和轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性，軸承選擇角接觸球軸承并背靠背布置。由相應(yīng)的安裝尺寸可

4、知軸承的型號，兩個球軸承的型號分別為7218C和7220C，內(nèi)徑分別為90mm和100mm。2.2軸承跨距的計算選擇精度為P2的軸承，由機械精度設(shè)計基礎(chǔ)表6-2可知其徑向跳動為，故可求得其要求跨距為背靠背安裝的軸承提供的跨距為安裝本身的跨距為故設(shè)計提供的總跨距為所以，有結(jié)構(gòu)設(shè)計得出的跨距滿足實際要求，故軸和軸承的尺寸符合要求。由于設(shè)計對負載要求較小，故不需要校核軸和軸承的剛度和壽命，滿足設(shè)計要求。2.3軸承的預(yù)緊軸承安裝在軸承座孔中之后，軸承內(nèi)圈靠鎖緊螺母進行預(yù)緊，螺母自行設(shè)計，厚度為8mm；軸承外圈由軸承端蓋進行預(yù)緊，為了便于后續(xù)調(diào)整，在端蓋和外圈之間安裝一個彈簧墊圈，保證軸承的正常工作和精

5、度要求。第3章測角元件的選擇與計算3.1光電碼盤的選型光電編碼器是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，將測得的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式的數(shù)字信號輸出。因此光電碼盤可分為增量式和絕對式。增量式碼盤的輸出信號經(jīng)過處理后的數(shù)碼表示相對某個基準點的相對轉(zhuǎn)角，即對于這和基準位置碼盤所增的角度測量，它用于測量轉(zhuǎn)速非常方便。絕對式碼盤的輸出信號經(jīng)處理后的二進制數(shù)碼就表示碼盤所在點的絕對角位置，比較適合做角位置控制系統(tǒng)的傳感器。任務(wù)要求設(shè)計刻度標定轉(zhuǎn)臺，故選擇絕對式碼盤。3.2光電碼盤的設(shè)計任務(wù)要求，轉(zhuǎn)臺的角位置精度和角位置重復(fù)精度均優(yōu)于0.05，經(jīng)過換算，其精度為根據(jù)三分之一精度的原則，只要選擇精度達

6、到60秒的碼盤即可。計算表明，對精度要求不是很高，綜合設(shè)計成本，選擇原RCN系列碼盤。通過對比精度選擇，選擇選RON786增量式角度光電碼盤，其具體結(jié)構(gòu)形式及安裝形式如下圖所示：由圖易知，編碼器的轉(zhuǎn)子可以通過catch連接在軸上，也可以通過鎖緊螺母直接固定在軸上，為了便于安裝和拆卸，選用鎖緊螺母的形式將轉(zhuǎn)子固定在軸上，通過內(nèi)六角圓螺釘將外圈連接在碼盤機座上，機座和下軸承座公用一個安裝基準面，以保證定位的準確，減少誤差。第4章載荷計算由第一步設(shè)計知，除去負載，并使軸變成實心軸后，并加上軸承的內(nèi)外圈尺寸進行簡單的Solid works建模，估算放大后的轉(zhuǎn)臺的最大轉(zhuǎn)動慣量。軸的材料為45鋼，取密度為

7、，求得軸的轉(zhuǎn)動慣量負載經(jīng)過建模分析后可得轉(zhuǎn)動慣量為綜上，總的轉(zhuǎn)動慣量約等于第5章電機選取與計算機構(gòu)所需電機提供轉(zhuǎn)矩為設(shè)計要求轉(zhuǎn)矩較小，為了滿足裝置的穩(wěn)定性要求和硬件安裝尺寸，自主設(shè)計電機。具體尺寸見圖。此電機提供力矩為滿足設(shè)計要求。第6章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計6.1軸系部件的設(shè)計軸系是實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺各零部件有機聯(lián)系的關(guān)鍵，各框架之間通過軸系連接在一起，通過軸系傳遞力矩及傳動精確的回轉(zhuǎn)運動。軸系由軸、軸承、連接機構(gòu)等組成。軸由兩個背靠背角接觸軸承支撐，軸上還連接電機轉(zhuǎn)子和其他連接機構(gòu)。6.1.1轉(zhuǎn)臺設(shè)計根據(jù)題目條件，轉(zhuǎn)臺臺面尺寸為，鑒于方便安裝和余量保留的原則，設(shè)計實心轉(zhuǎn)臺，材料選取45，其厚度應(yīng)該根據(jù)負載最大

8、形狀最不理想時轉(zhuǎn)臺邊緣的撓度小于要求的臺面跳動來估計。由于題目所要求轉(zhuǎn)臺對負載沒有特殊要求，故根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計臺面的厚度為。圖6-1-16.1.2軸徑的估算軸是轉(zhuǎn)臺正常運行的關(guān)鍵零件。它的軸徑限制因素主要有兩個方面：機器處于最大加速度狀態(tài)時，它的扭轉(zhuǎn)量小于定位精度，且不會因為剪切力造成剪切破壞。這里，軸雖然也要受到靜載荷帶來的正壓力，但其數(shù)量級遠遠小于剪切力，故忽略不計。由于軸是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，故采用空心軸，方便線路布置，并初取空心率。（1）根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)量小于定位精度估計軸頸假設(shè)載荷為，依舊按照載荷最不理想的分布，即質(zhì)量全部集中在邊緣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)來計算。則其轉(zhuǎn)動慣量為：當(dāng)角加速度最大時，扭矩為式中轉(zhuǎn)臺最大

9、角加速度， 為10/s2在這個扭矩下，要求軸的角變形小于定位精度的，即式中：Pa；軸的長度，預(yù)估；則又有取=0.17m=170mm（2）根據(jù)軸在動載作用下不能被剪斷估計軸頸式中：扭矩，；材料許用切應(yīng)力，取MPa，為安全系數(shù)故取可以看出，兩種情況下軸頸的大小差異很大。為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)計（2）必須保證。同時，由于本設(shè)計的精度要求較高，故而設(shè)計（1）也應(yīng)該在軸的大部分甚至全部結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)。綜合考慮，由于負載較小，轉(zhuǎn)臺只對旋轉(zhuǎn)角度有精確要求，故粗取轉(zhuǎn)臺最大直徑為，為了配合安裝軸承和滿足轉(zhuǎn)臺豎直工作的要求，軸設(shè)計為順階梯狀結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)形式如下圖所示：第一段軸徑安裝轉(zhuǎn)臺和軸承端蓋，直徑為100mm

10、,長度為35mm；第二段軸徑安裝角接觸球軸承，并為安裝電機騰出相應(yīng)的空間。直徑為軸承直徑80mm，長度為67mm；第三段軸徑安裝交流直驅(qū)轉(zhuǎn)矩電機，為了實現(xiàn)電機的軸向定位，軸段加工成帶有莫氏錐度的圓臺，長度為60mm；第四段軸徑安裝角接觸球軸承和相應(yīng)的預(yù)緊螺母，以及下軸承端蓋。直徑為軸承直徑70mm，長度為110mm；第五段軸徑安裝編碼器，根據(jù)精度要求計算選擇確定，并加工軸肩實現(xiàn)編碼器的軸向定位，其直徑為60mm，長度為60mm。6.2軸上其他零部件的設(shè)計軸系部件除軸外還有軸承、軸承端蓋、軸承預(yù)緊的調(diào)整墊片等，這里軸承、調(diào)整墊片為標準件，選擇即可，軸承端蓋需要設(shè)計。軸承端蓋將軸承外圈預(yù)緊在床身上，其具體結(jié)構(gòu)形式如下：圖6-2螺紋孔為直徑的螺栓孔，均分分布在四周。后蓋為了加工沉頭螺釘孔，為15mm，其余部分厚度均為10mm。6.3 框架設(shè)計框架是轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵零件，提高其力學(xué)性能對系統(tǒng)的精度具有重要的意義。轉(zhuǎn)臺的床身殼體負責(zé)支撐軸承座和為機座和編碼器機座傳遞定位基準，其基本外形如下：圖6-3-1轉(zhuǎn)臺的機座支撐整個機身，為了保證其支撐剛度，壁厚設(shè)計為30mm，在底部法蘭結(jié)構(gòu)處設(shè)計六個的地腳螺栓孔，連接機床和最后的安裝平面。底座的具體結(jié)構(gòu)如下：圖6-3-2參考文獻