臥式二軸搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算說明書課程設(shè)計

1、 綜合課程設(shè)計（i）harbin institute of technology設(shè)計計算說明書課程名稱： 綜合課程設(shè)計（1） 設(shè)計題目： 二軸搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 院 系： * 班 級： * 設(shè) 計 者： * 學(xué) 號： * 指導(dǎo)教師： * 設(shè)計時間： 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4第2章 機械結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計62.1 內(nèi)框設(shè)計62.2 滾轉(zhuǎn)軸系設(shè)計62.3 俯仰軸系設(shè)計72.4 外框設(shè)計7第3章 機械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計93.1 滾轉(zhuǎn)軸系設(shè)計93.1.1 材料選擇93.1.2 電機選擇93.1.3 角度測量器件選擇1

2、03.1.4 軸承選擇及校核103.1.5 階梯軸長度及軸徑確定113.1.6 連接螺栓強度校核113.1.7 軸的剛度123.2 內(nèi)框設(shè)計133.2.1 設(shè)計目標(biāo)133.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計133.2.3 轉(zhuǎn)動慣量計算143.3 俯仰軸系設(shè)計143.3.1 電機選擇143.3.2 角度測量器件選擇153.3.3 軸承選擇及校核163.3.4 電機固定及連接設(shè)計163.4 外框設(shè)計173.5 限位鎖緊機構(gòu)設(shè)計173.5.1滾轉(zhuǎn)軸限位機構(gòu)183.5.2俯仰軸限位機構(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

3、次需要設(shè)計的結(jié)構(gòu)是二軸搖擺系統(tǒng)，設(shè)計要求如任務(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)計中不給予考慮；電動驅(qū)動目前廣泛運用與高精度、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)動難以實現(xiàn)的工程中。此次轉(zhuǎn)臺設(shè)計要求中，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

4、設(shè)計中，擬采用電動驅(qū)動的臥式搖擺系統(tǒng)。1.3轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計由設(shè)計任務(wù)書要求，負(fù)載為200x200x200mm均勻質(zhì)量且分別<=30kg。負(fù)載幾何中心距離俯仰軸1000mm且通過滾轉(zhuǎn)軸系且滾轉(zhuǎn)和俯仰均有角度限制，所以，對于此搖擺系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)承擔(dān)俯仰運動，內(nèi)環(huán)中心實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)軸的滾轉(zhuǎn)運動。也可以很容易實現(xiàn)角度限位，畫出草圖如圖1.圖1 搖擺系統(tǒng)總體布局第2章 機械結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計2.1 內(nèi)框設(shè)計由總體布局設(shè)計中確定內(nèi)框的作用有兩個，第一，支撐滾轉(zhuǎn)的運動要求，第二，作為俯仰軸的一部分使?jié)L轉(zhuǎn)軸完成俯仰運動，所以，內(nèi)框可設(shè)計為中空的軸型框架，考慮到后續(xù)其他模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜度，在方框和圓框之間選擇圓框，如

5、下圖2 圖2.1 方形框架與圓形框架對于圓形內(nèi)框，為了使俯仰運動時整個軸系的轉(zhuǎn)動慣量最小，設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，且為空心結(jié)構(gòu)，以減小對電機的轉(zhuǎn)矩要求。2.2 滾轉(zhuǎn)軸系設(shè)計由于負(fù)載幾何中心通過滾轉(zhuǎn)軸系且對稱分布于俯仰軸兩側(cè)，由于距離較長，設(shè)計為一個整體不合理，所以設(shè)計為滾轉(zhuǎn)軸和連接桿連接的形式（如圖2.2），故滾轉(zhuǎn)軸系由四部分組成：滾轉(zhuǎn)軸、連接桿、負(fù)載盤及負(fù)載（暫不考慮負(fù)載的安裝形式，在負(fù)載盤上設(shè)置放射狀孔，便于后續(xù)安裝），如圖2.3?？紤]到對稱分布及電機對角度編碼器的影響，故電機和角度編碼器在中心軸的兩側(cè)。軸與內(nèi)框的連接采用角接觸球軸承，便于承載徑向力（主要），軸向力（次要）和提高軸的對中性。圖2.

6、2 滾轉(zhuǎn)軸與連接桿連接方式圖2.3 滾轉(zhuǎn)軸系2.3 俯仰軸系設(shè)計俯仰軸在完成俯仰動作的同時承載了整個滾轉(zhuǎn)軸系和內(nèi)框的重量，由于俯仰運動時滾轉(zhuǎn)軸系慣量較大，因此，俯仰軸的抗彎強度和抗扭強度要求較高，故俯仰軸設(shè)計時需要進(jìn)行變形分析。俯仰軸一側(cè)需要電機提供扭矩，另一側(cè)放置光柵尺測量角度變化。 2.4 外框設(shè)計外框框架是固定俯仰軸系部件的機架，承載整個俯仰軸系及滾轉(zhuǎn)軸系的重量，同時實現(xiàn)俯仰軸的角度機械限位，故外框設(shè)計需考慮俯仰軸系和滾轉(zhuǎn)軸系的跨距及所選電機的尺寸，力求結(jié)構(gòu)簡單，承載性好。第3章 機械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計3.1 滾轉(zhuǎn)軸系設(shè)計3.1.1 材料選擇為簡化設(shè)計過程，本設(shè)計中的所有零部件（處負(fù)載外）均按

7、照普通碳鋼（45鋼）的質(zhì)量設(shè)計。3.1.2 電機選擇由前面涉及到的滾轉(zhuǎn)軸系，轉(zhuǎn)動慣量為0.79kgm2。質(zhì)量為133.03kg。由滾轉(zhuǎn)角加速度600度每秒，可算得慣性載荷為：mj= jx = 0.79 kgm2 x (157/15) /s = 8.3nm考慮到軸承的摩擦力矩：mf= 0.5fd = 0.5x0.002x133.03x9.8/2x(130+160) = 0.189nm故總載荷為：m= 8.5 nm所需扭矩相對于各大廠家提供的電機所能提供的扭矩來說非常小，所以電機的選擇最終是按照滾轉(zhuǎn)軸系最細(xì)的軸徑?jīng)Q定，再加上安裝光柵尺、軸承所需的軸徑最小直徑，最終選擇了丹納赫傳動公司的f10225

8、電機。其參數(shù)如下圖3.1所示： 圖3.1 電機參數(shù)其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速完全符合設(shè)計任務(wù)書要求。3.1.3 角度測量器件選擇根據(jù)設(shè)計要求，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180型號的圓光柵。其測量精度為0.43秒符合測量要求。3.1.4 軸承選擇及校核由最小軸徑選用滾轉(zhuǎn)軸承一端為角接觸球軸承7026c，另一端為7030c。滾轉(zhuǎn)軸的軸承主要受徑向力和少量的軸向力，由于是軸做擺動運動，所以，只需要校核靜強

9、度：由上述分析可知，滾轉(zhuǎn)軸質(zhì)量為133.03kg，滾轉(zhuǎn)軸水平時，軸承受徑向力f=133.03x9.8 = 1303.694n當(dāng)滾轉(zhuǎn)軸到達(dá)極限位置（機械限位）25°時，軸承徑向負(fù)載f1= 133.03x9.8xcos25° =1182n軸向負(fù)載f2= 133.03x9.8xsin25°= 551n最終算得當(dāng)量載荷p0= 1304n基本額定靜負(fù)載c0=s0xp0=2x1304=2608n對于軸徑最小的角接觸球軸承7026ccr=128kn>>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)計連接桿為軸

10、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，實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)軸的滾轉(zhuǎn)。受力較大，故對其進(jìn)行分析和強度校核。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六個螺栓每個須承受拉力f2=f

11、1/6=85.89n負(fù)載和連接桿重力產(chǎn)生的扭矩對每個螺栓產(chǎn)生的拉力為f3=mr/6r2=35.86/6/55=108.657n所以，每個螺栓所受拉力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，所以，用solidworks軟件分析該軸的變形情況，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，電機尺寸，

12、與俯仰軸連接軸的連接等在設(shè)計時均要考慮。3.2.1 設(shè)計目標(biāo)在產(chǎn)品設(shè)計中，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，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，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，降低對俯仰軸的強度要求。3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計內(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設(shè)置了階梯，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，同時兩個軸承對稱分布。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

13、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)動慣量計算在solidworks上進(jìn)行內(nèi)框框架及整個滾轉(zhuǎn)軸系的裝配，計算其轉(zhuǎn)動慣量，為接下來俯仰軸系的設(shè)計提供數(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3.3.1 電機選擇在選擇電機前需計算滾轉(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)計連接軸，由于承受較大彎矩，故設(shè)計為軸徑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。由軟件計算出滾轉(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

14、76;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查閱各電機說明書及手冊，最終選擇了丹納赫傳動公司的f102100電機。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3.7 電機參數(shù)3.3.2 角度測量器件選擇根據(jù)設(shè)計要求，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)高一個數(shù)量級，即角

15、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。由于是軸做擺動運動，所以，只需要校核靜強度：由上述分析可知，滾轉(zhuǎn)軸系質(zhì)量為221kg，f=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=4331.6n對于角接觸球軸承7028ccr=140kn>>4331.6n故，軸承完全符合要求。3.3.4 電機

16、固定及連接設(shè)計 為了便于拆卸及調(diào)試，電機不直接安裝在基座上，需要設(shè)計電機外框和與基座連接的結(jié)構(gòu)。電機固定采用軸套類零件，用壓環(huán)壓緊電機定子，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 電機外框與基座的連接3.4 外框設(shè)計由于設(shè)計要求中對方位軸的角度精度較高，故基座的外殼設(shè)計中應(yīng)減少裝配環(huán)節(jié)。具體設(shè)計如圖3.9所示，基座內(nèi)不設(shè)置臺階固定軸承和電機，軸承的固定和預(yù)緊依靠軸承端蓋和螺栓連接實現(xiàn)。 圖3.9 基座設(shè)計外框框架為音叉式設(shè)計，兩“撥叉”距離根據(jù)內(nèi)框框架的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)。由于承受整個裝置的重力及運動時產(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 限位鎖緊機構(gòu)設(shè)計此次設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計要求，俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸均需要有限位機構(gòu)。3.5.1滾轉(zhuǎn)軸限位機構(gòu)如圖3.10為滾轉(zhuǎn)軸的電氣限位和機械限位結(jié)構(gòu)。圖3.10 滾轉(zhuǎn)軸的電氣限位及機械限位3.5.2俯仰軸限位機構(gòu)如圖3.11為俯仰軸的電氣限位和機械限位結(jié)構(gòu)。 圖3.11俯仰軸的電氣限位及機械限位第4章 誤差分析4.1定位精度分析本次設(shè)計有角位置定位精度和