哈工大綜合課程設(shè)計――雙軸轉(zhuǎn)臺設(shè)計_圖文

1、 H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y課程設(shè)計說明書(論文課程名稱:綜合課程設(shè)計設(shè)計題目:雙軸測試轉(zhuǎn)臺設(shè)計院系:機電工程學(xué)院班級:1108110班設(shè)計者:崔曉蒙學(xué)號:1110811005指導(dǎo)教師:陳志剛設(shè)計時間:2014年12月哈爾濱工業(yè)大學(xué)目錄第1 章概述 (21.1 課程設(shè)計的目的 (21.2 課程設(shè)計的內(nèi)容 (21.3 課程設(shè)計的方法和步驟 (21.4 轉(zhuǎn)臺課程設(shè)計的要求 (3第2 章轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計 (42.1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)類型選擇 (42.2 轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件選擇 (82.3 轉(zhuǎn)臺測量元件選擇 (9第3 章轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 (

2、103.1 軸系設(shè)計 (103.2 軸與框架的連接 (123.3 框架設(shè)計 (153.4 配重設(shè)計 (163.5 限位與鎖緊裝置設(shè)計 (17第4 章轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件設(shè)計 (194.1 傳動部件設(shè)計 (194.2 轉(zhuǎn)動慣量計算 (194.3 電機力矩計算 (26第5 章轉(zhuǎn)臺測量元件設(shè)計 (285.1 角度傳感器設(shè)計 (285.2 角速度傳感器設(shè)計 (315.3 限位開關(guān)設(shè)計 (325.4 走線與滑環(huán) (33第6 章轉(zhuǎn)臺裝配工作圖設(shè)計 (346.1 裝配工作圖繪制要求 (346.2 裝配工作圖尺寸標(biāo)注 (346.3 裝配工作圖上零件序號、明細(xì)欄和標(biāo)題欄的編寫 (34第7 章轉(zhuǎn)臺零件工作圖設(shè)計 (357

3、.1 對零件工作圖的繪制要求 (357.2 轉(zhuǎn)臺主要零件工作圖 (35第8 章編寫設(shè)計計算說明書 (368.1 設(shè)計計算說明書的內(nèi)容 (368.2 設(shè)計計算說明書格式要求 (36第9 章課程設(shè)計的總結(jié)和答辯 (39參考文獻(xiàn) (4第1章轉(zhuǎn)臺功能分析1.1 功能分解轉(zhuǎn)臺是一種重要的地面測試設(shè)備,用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性元件檢定、標(biāo)定,以及模擬飛行器姿態(tài)運動。轉(zhuǎn)臺根據(jù)用途可分為仿真轉(zhuǎn)臺和慣性測試轉(zhuǎn)臺。按機械臺體結(jié)構(gòu)分類轉(zhuǎn)臺分為立式轉(zhuǎn)臺和臥式轉(zhuǎn)臺兩種。慣性測試轉(zhuǎn)臺,側(cè)重靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)性能,主要用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性元件如陀螺、加速度計的性能檢測和標(biāo)定。仿真轉(zhuǎn)臺,側(cè)重動態(tài)性能,仿真轉(zhuǎn)臺一般用于武器平臺或運動載

4、體的運動狀態(tài)模擬,本次的設(shè)計轉(zhuǎn)臺功能主要是X、Y兩個自由度的旋轉(zhuǎn),精確的調(diào)速以及帶電測量。由以上要求可進行如下功能分解: 3.2功能元理解列出功能分解圖,可在已有的可行的方案中選擇可能的原理解,從而進一步對具體結(jié)構(gòu)的元件做細(xì)分,可以做出最后的選擇,決定轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)。原理解表格如表1-1所示 表1-1 功能元理解 3.3 參數(shù)約束如圖7所示,其表示位置精度與其他參數(shù)的關(guān)系。與位置精度相關(guān)的是電機的轉(zhuǎn)動精度、主軸的扭轉(zhuǎn)精度和編碼器的精度。主要與電機和編碼器的選擇、主軸的設(shè)計、軸上所有負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。位置精度電機轉(zhuǎn)過角度控制電路編碼器精度主軸扭轉(zhuǎn)角度主軸扭轉(zhuǎn)剛度扭轉(zhuǎn)力矩角加速度軸上轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動

5、慣量軸的轉(zhuǎn)動慣量軸的尺寸第2章 轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計2.1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)類型選擇本次題目設(shè)計的是用于慣性器件測試的雙軸轉(zhuǎn)臺。雙軸轉(zhuǎn)臺要求的精度比較高,采用臥式轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)剛性更好,更穩(wěn)定,有利于達(dá)到精度指標(biāo)。驅(qū)動力采用電動,軸承選用機械軸承。2.2轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件選擇轉(zhuǎn)臺是高精度精密測試設(shè)備,要求轉(zhuǎn)角精度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn),同時又要求調(diào)速范圍大。對于驅(qū)動元件的性能要求很高,要求其具有體積小、重量輕、高精度、低速平穩(wěn)運行、高藕合剛度、大扭矩、可堵轉(zhuǎn)、快速響應(yīng)、特性線性度好、調(diào)速方便等要求。轉(zhuǎn)臺常用的驅(qū)動元件有電機、液壓馬達(dá)等。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是:(1輸出力矩大、功率密度高(2調(diào)速范圍大,可以從最低角速度 0.0004

6、76;/s 無極調(diào)速到300°/s電動機驅(qū)動的主要優(yōu)點是:(1實現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn),而擺動式液壓馬達(dá)則不能。(2不需要設(shè)置液壓油源。驅(qū)動元件與框架的聯(lián)接方式分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動,直接驅(qū)動是輸出軸直接與框架固聯(lián),優(yōu)點是有利于改善和提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度,缺點是其低速性能取決于元件本身的低速性能;間接驅(qū)動是將電機或液壓馬達(dá)的輸出軸經(jīng)齒輪減速再與框架軸固聯(lián),其主要優(yōu)點是可以改善系統(tǒng)的超低速性能及用小力矩電機可驅(qū)動大力矩負(fù)載,缺點是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。常見的電機為力矩電動機和直流伺服電動機。力矩電機轉(zhuǎn)速低,可直接與框架連接形成直接驅(qū)動。當(dāng)驅(qū)動力矩增大時,允許的最

7、高轉(zhuǎn)速也減小。所以,當(dāng)轉(zhuǎn)臺的最高轉(zhuǎn)速較高時不宜采用力矩電機,而采用直流伺服電動機經(jīng)減速裝置驅(qū)動的方案。直流伺服電動機的軸向尺寸較大,不宜用于轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框和中框軸的驅(qū)動。本次題目所給內(nèi)外框的精度要求均為''18,而速率范圍是內(nèi)外框都是s s /400/01.0,內(nèi)框峰值角加速度為2/2000s ,外框2/1000s 。可以看出,本次設(shè)計的測量精度要求比較高,而且速率范圍較窄,最大速度不大。所以采用有傳動機構(gòu)的電機和軸的連接會達(dá)不到精度要求,采用直接驅(qū)動,電機選擇無刷直流力矩電機,成本較高。2.3轉(zhuǎn)臺測量元件選擇轉(zhuǎn)臺測量元件主要有角度傳感器和角速度傳感器。角度傳感器有光電碼盤、感應(yīng)同

8、步器、旋轉(zhuǎn)變壓器,角速度傳感器主要是測速機。選擇傳感器時,按照以下選用原則選擇:(1傳感器的準(zhǔn)確度小于系統(tǒng)總不確定度的1/3;(2傳感器的精度、分辨率比系統(tǒng)總的精度和分辨率最好高一個數(shù)量級;(3傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸滿足總體安裝使用要求;轉(zhuǎn)臺除了要求位置控制外,還需要速度控制,測量元件需要選擇角度、角速度傳感器。根據(jù)題目所給要求,內(nèi)外框的角位置測量精度是''18,而內(nèi)外框的角位置測量分辨率是''2.7。內(nèi)外框都采用海德漢角度編碼器,具體結(jié)構(gòu)設(shè)計見后面詳述。第3章 轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 軸系設(shè)計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

9、軸、軸承、連接機構(gòu)等組成。內(nèi)框結(jié)構(gòu)如圖3-1所示,圖3-2 是轉(zhuǎn)臺外框軸系結(jié)構(gòu)。內(nèi)外框軸均由兩段軸組成,一端連接電機,另一端連接光電碼盤,通過脹緊套與內(nèi)外框連接。軸采用中空結(jié)構(gòu),這樣既可以空心過電纜線,以消除導(dǎo)線浮動帶來的系統(tǒng)干擾力矩,又可增大結(jié)構(gòu),減小重量和轉(zhuǎn)動慣量。 圖3-1 轉(zhuǎn)臺內(nèi)框軸系結(jié)構(gòu) 圖3-2 二軸轉(zhuǎn)臺軸系結(jié)構(gòu)3.1.1 軸承的選擇與固定在軸系的設(shè)計過程中,主軸性能很大程度上取決于支承軸承的剛度。轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)精度高,且經(jīng)常工作于振動沖擊(高頻率的簡諧運動、低速(或擺動狀態(tài)下,因此軸承不僅具有靈敏軸承的高精度、低摩擦特性,還要求軸承具有較高的剛度和抗卸載能力。在軸承的配置型式上則根據(jù)受

10、力及負(fù)載情況相應(yīng)的采用面對面式或背對背式。軸承固定方式有兩種:兩端固定、一端固定一端游動。如圖3-3所示,在轉(zhuǎn)臺中采用兩端固定方式,限制軸的軸向運動。 (a 一端固定一端游動(b 兩端固定圖3-3 軸承固定方式用于轉(zhuǎn)臺的軸承有滾動軸承和空氣靜壓軸承。高精度滾動承,經(jīng)過預(yù)緊和精密調(diào)整后,可使軸系的精度很高,而且滾動軸承的剛度承載能力大。但滾動軸承是接觸式軸承,長時間使用由于滾動體和滾道之間的磨損會降低其精度和剛度,精度保持性不好,而且預(yù)緊和調(diào)整也比較麻煩。空氣軸承的軸套和軸之間無接觸,精度保持性好,回轉(zhuǎn)精度可以比軸本身的加工精度提高3 倍以上。特別適用于精度高、承載低、轉(zhuǎn)速低的轉(zhuǎn)臺?？諝廨S承的缺

11、點是要有一套供氣設(shè)備和系統(tǒng)而且其制造工藝復(fù)雜、成本高。本次設(shè)計轉(zhuǎn)臺精度一般,采用角接觸球軸承。優(yōu)點是可以同時承受軸向載荷和徑向載荷,可以使軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單,可以容易地預(yù)緊和消除間隙。角接觸球軸承承載能力強,支承剛度相對深溝球軸承高,摩擦力矩較小。本次內(nèi)框軸承選用7014C 內(nèi)徑70軸承,外框選用QJ224內(nèi)徑120兩對一起。本次負(fù)載最大為15KG ,而框架多采用鋁制,所以預(yù)估軸承壽命和承載力余量很大。3.1.2 軸承的安裝與預(yù)緊轉(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

12、屬墊片或者調(diào)整螺母來實現(xiàn)。如圖3-4和3-5所示,內(nèi)框外框軸承都是用金屬環(huán)壓緊,中間金屬墊片實現(xiàn)兩軸承預(yù)緊,從而提高其回轉(zhuǎn)精度。 圖3-4 內(nèi)框軸承預(yù)緊 圖3-5 外框軸承預(yù)緊 3.13 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mm 0025.0,故可求得其要求跨距為(mm 8.25736002tan /105.26=-l 內(nèi)框安裝的軸承提供的跨距為:mm 58.4615sin 9021= l安裝本身的跨距為:mm 5402=l故設(shè)計提供的總跨距為mm 8.257mm 49050540120=>=-=-=l l l l 外框軸承安裝位置對跨距影響相互

13、抵消所以,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。3.1 軸與框架的連接軸與孔的一般連接方式有:鍵連接、過盈配合。如圖3-6 所示。鍵連接雖然能傳遞力矩,但由于加工誤差,存在間隙,造成誤差。過盈配合連接雖然無角度誤差,但配合精度要求高,才能保證軸與孔的同軸度要求,而且不可調(diào)。 (a 鍵連接 (b 過盈配合圖3-5 軸與框架連接方式轉(zhuǎn)臺軸與孔的連接可用螺釘連接和脹緊套連接。軸與框架孔的配合采用過渡配合,既不存在大的間隙(像鍵連接,又不需要高的配合精度(像過盈配合,加工裝配都比較簡單。但是,要求軸與孔的同軸度比較高,不能承受過載,螺釘孔在一定程度上削弱了軸和框架的剛度。本次采用

14、脹緊套連接,如圖3-6 所示。脹緊套1214個緊固螺釘,在裝配過程中,可以逐個擰緊。在軸與框架內(nèi)孔的同軸度有誤差的情況下,可以通過緊固螺釘進行調(diào)整,以保證整個轉(zhuǎn)臺的精度指標(biāo)。 圖3-6 脹緊套連接方式3.2.1 脹緊套尺寸選擇以及校核各種脹套已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,可根據(jù)軸和轂孔尺寸以及傳遞載荷的大小,從標(biāo)準(zhǔn)中選用合適的的型號和尺寸。選擇時應(yīng)滿足:傳遞扭矩時:M M t 傳遞軸向力時: F F t 傳遞扭矩和軸向力時:225.0(a t F d M M +式中 t M 脹緊套的額定扭矩(N ·m M 需傳送的扭矩(N ·m t F 脹緊套額定軸向力(N d 傳動軸直徑(m a F 軸向

15、力(N 根據(jù)脹緊套的額定扭矩確定尺寸,尺寸如圖3-7 所示,具體尺寸數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn)表3-1。 圖3-7 脹緊套尺寸3.3 框架設(shè)計框架結(jié)構(gòu)如圖3-8 和3-9所示?？蚣艿脑O(shè)計順序是:由內(nèi)到外。內(nèi)框架用于安裝被測元件(或稱為負(fù)載,設(shè)計受到負(fù)載尺寸的約束。 圖3-8 外框結(jié)構(gòu) 圖3-9 內(nèi)框結(jié)構(gòu)框架斷面為空心矩形,重量輕、剛度好。由于采用的是力矩電機,電機的大小主要取決于各軸系的轉(zhuǎn)動慣量和軸系工作時的最大角加速度,為了最大限度地降低電機質(zhì)量尤其是內(nèi)電機的重量,材料選用鑄造鋁合金(ZL205A,可使框架具有較高的剛度和較小的轉(zhuǎn)動慣量。若單方面提高框架剛度必然要求增大框架的壁厚,轉(zhuǎn)動慣量則會提高;而單

16、方面降低轉(zhuǎn)動慣量必然要犧牲框架剛度。目前常采用現(xiàn)代設(shè)計方法,借助于有限元分析軟件對所要設(shè)計的框架進行優(yōu)化設(shè)計,使框架有一個較高的固有頻率同時,框架質(zhì)量最輕。3.4 限位裝置設(shè)計本次設(shè)計轉(zhuǎn)臺外框的轉(zhuǎn)角范圍是,為了防止轉(zhuǎn)過范圍,造成線路纏繞甚至扯120斷,要有限位裝置,起保護作用。圖3-10是轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖,在外框與支座上安裝限位裝置,具體結(jié)構(gòu)如圖3-11 所示,當(dāng)轉(zhuǎn)角范圍超出設(shè)定范圍時,外框與支座上的限位裝置接觸在一起,從而起到限制轉(zhuǎn)角范圍的作用。在限位裝置上常安裝橡膠套,可起到緩沖撞擊力的作用,避免損壞限位裝置。 3-10 是雙軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖 圖3-11 限位裝置第4章轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件的設(shè)計4.1 傳動

17、部件設(shè)計由于是直接驅(qū)動轉(zhuǎn)臺,需要聯(lián)軸器將電機的轉(zhuǎn)子和軸連接起來,由于無刷直流電機的轉(zhuǎn)子是空心的,所以采用非標(biāo)設(shè)計件,類似于法蘭的裝置將其與軸連接。如圖4-1所示。 (a 內(nèi)框傳動件 (b 外框傳動件圖4-1 內(nèi)外框傳動部件 4.2 轉(zhuǎn)動慣量的計算現(xiàn)代設(shè)計方法在精確度和快捷性上面都要優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計方法。如果人工計算轉(zhuǎn)動慣量不僅過程繁瑣,而且由于零件形狀的不規(guī)則,帶來了精確度的問題。利用cad 軟件的相關(guān)命令可以快捷準(zhǔn)確的計算各個零部件圍繞特定軸的轉(zhuǎn)動慣量。4.2.1 內(nèi)框轉(zhuǎn)動慣量的計算4.2.1.1 中心測試元件256140的轉(zhuǎn)動慣量 如圖是圍繞Y 軸旋轉(zhuǎn),因為是兩邊拉伸,所以要乘以二。結(jié)果是21

18、508594.010420642958632m kg J Y =-(3/58.2081m kg =4.2.1.2 兩個里面的軸以及對應(yīng)的漲緊套和軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動慣量 因為是兩邊布置,所以要乘以二。結(jié)果是215020717.010785013135965412m kg J Y =-(3/7850m kg =4.2.1.3 轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的轉(zhuǎn)動慣量內(nèi)框由鋁ZL205A 鑄造,密度(3/2820m kg = 215035136718.01028203002812798270192000034974378666124977834661492936746(2mkg J Y =+-+-=-4.2.1.4 連接電機

19、和軸的連接件 21500220624.01078501405248702m kg J Y =-(3/7850m kg =則可得出內(nèi)框的總的轉(zhuǎn)動慣量為21508594.010420642958632m kg J Y =-215020717.010785013135965412m kg J Y =-215035136718.01028203002812798270192000034974378666124977834661492936746(2mkg J Y =+-+-=- 21500220624.01078501405248702m kg J Y =-214401.000221.003514.0

20、02072.008594.0m kg J Y =+=總4.2.2 外框轉(zhuǎn)動慣量的計算4.2.2.1 中心測試元件取最大值,轉(zhuǎn)過90度,繞Z 軸,內(nèi)框也一樣2151228.0102081829516019972m kg J X =-4.2.2.2 兩個里面的軸以及對應(yīng)的漲緊套和軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動慣量21561106.0107850838921467512m kg J X =-4.2.2.3 轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的轉(zhuǎn)動慣量2150961625.010282082764728507540000000069905066666249873066662984970666(2m kg J X =+-+-=- 4.2.2.4

21、 連接電機和軸的連接件215103882867.0107850140524870m kg J X =-4.2.2.5 力矩電機的轉(zhuǎn)動慣量由于為了平衡在另一端增加配重以及傳感器等,轉(zhuǎn)動慣量按照兩個電機計算距離中心355mm ,而可將其本身看做是一個空心圓柱體,根據(jù)理論力學(xué)計算公式可得到2'md J J x X +=其中前一項較后一項可忽略。22176909.02355.076.6m kg J X =4.2.2.6 轉(zhuǎn)臺外框的轉(zhuǎn)動慣量 2151111299723.0102820419078399787395643046145092840749100263.1102533.1(2m kg J

22、 X =+-+-=- 4.2.2.1 兩個外面的軸以及對應(yīng)的漲緊套和連接電機和軸的零件的轉(zhuǎn)動慣量 215340206771.0107850166922110722m kg J X =-則可以得到外框的總的轉(zhuǎn)動慣量為27508.13402.02997.01769.01039.00962.06111.01228.0m kg J Y =+=總4.3 電機力矩的計算及電機選型4.3.1 內(nèi)框電機選型內(nèi)框慣性載荷為m N J M J =÷=0256.53.572000144.0留出3倍余量則83.15305.10256.5305.1=m N M M J由電機選型和設(shè)計空間得出選擇科爾摩根KBM

23、 (S -35系列,具體選擇KBM-35X02直流力矩電機,具體尺寸和性能參數(shù)見圖4-2和4-3。 圖4-2 KBM (S -35系列尺寸參數(shù) 圖4-3 KBM (S -35X2性能參數(shù)4.3.2 外框電機選型外框慣性載荷為m N J M J =÷=56.303.5710007508.1留出3倍余量則m N m N M M J =25.96305.156.30305.1由于是臥式轉(zhuǎn)臺,而且要求精度高,所以兩個電機對稱布置可以減小單個電機所占空間,對稱布置可以抵消不平衡帶來的精度影響。一個電機承擔(dān)的轉(zhuǎn)矩大約為m N M =48由電機選型和設(shè)計空間得出選擇科爾摩根KBM (S -79系列,它的軸向尺寸較小,可以有效減小轉(zhuǎn)臺的軸向尺寸,徑向尺寸較大,提供較大的轉(zhuǎn)矩。具體選擇KBM-79X01直流力矩電機。具體尺寸和性能參數(shù)見圖4-4和4-5。 圖4-3 KBM(S-79系列尺寸參數(shù) 圖4-3 KBM(S-35X2性能參數(shù)第5章轉(zhuǎn)臺測量元件設(shè)計5.1 角度傳感器設(shè)計由于軸系結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的限制以及精度指標(biāo)的要求,內(nèi)外框都采用海德漢RON785系列空心軸內(nèi)置定子角度編碼器,可達(dá)到的測量分辨率是''2,滿足