卧式二轴摇摆系统结构设计计算说明书.docx

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卧式二轴摇摆系统结构设计计算说明书

HarbinInstituteofTechnology

设计计算说明书

课程名称：

综合课程设计

（1）

设计题目：

二轴摇摆系统结构设计

院系：

**********

班级：

********

设计者：

******

学号：

**************

指导教师：

*****

设计时间：

2017年9月29日

目录

第1章摇摆系统方案拟定4

1.1摇摆系统技术要求4

1.2摇摆系统类型确定4

1.3转台总体布局设计4

第2章机械结构草图设计6

2.1内框设计6

2.2滚转轴系设计6

2.3俯仰轴系设计7

2.4外框设计7

第3章机械结构详细设计9

3.1滚转轴系设计9

3.1.1材料选择9

3.1.2电机选择9

3.1.3角度测量器件选择10

3.1.4轴承选择及校核10

3.1.5阶梯轴长度及轴径确定11

3.1.6连接螺栓强度校核11

3.1.7轴的刚度12

3.2内框设计13

3.2.1设计目标13

3.2.2结构设计13

3.2.3转动惯量计算14

3.3俯仰轴系设计14

3.3.1电机选择14

3.3.2角度测量器件选择15

3.3.3轴承选择及校核16

3.3.4电机固定及连接设计16

3.4外框设计17

3.5限位锁紧机构设计17

3.5.1滚转轴限位机构18

3.5.2俯仰轴限位机构18

第4章误差分析19

4.1定位精度分析19

4.2垂直度及相交度分析19

参考文献20

第1章摇摆系统方案拟定

1.1摇摆系统技术要求

本次需要设计的结构是二轴摇摆系统，设计要求如任务书所示。

1.2摇摆系统类型确定

转台结构多数分为立式和卧式两种形式，立式转台通常外环轴垂直于水平面，且外框结构多数为音叉式，其内框结构多数为原盘或O型封闭结构。

由任务书要求，摇摆系统采用卧式结构。

摇摆系统按驱动方式可分为手动驱动、电动驱动和液压驱动，手动驱动仅出现在简陋的系统中，故在此次设计中不给予考虑；电动驱动目前广泛运用与高精度、高动态精度和大扭矩的转台系统中；液压驱动则大多用于高扭矩、高频响等电动驱动难以实现的工程中。

此次转台设计要求中，由于负载重量为≤2x30Kg，属于轻载，而且精度要求中，精度最高达到角秒级别，故采用电动驱动。

综上，此次转台设计中，拟采用电动驱动的卧式摇摆系统。

1.3转台总体布局设计

由设计任务书要求，负载为200x200x200mm均匀质量且分别<=30kg。

负载几何中心距离俯仰轴1000mm且通过滚转轴系且滚转和俯仰均有角度限制，所以，对于此摇摆系统，内环承担俯仰运动，内环中心实现滚转轴的滚转运动。

也可以很容易实现角度限位，画出草图如图1.

图1摇摆系统总体布局

第2章机械结构草图设计

2.1内框设计

由总体布局设计中确定内框的作用有两个，第一，支撑滚转的运动要求，第二，作为俯仰轴的一部分使滚转轴完成俯仰运动，所以，内框可设计为中空的轴型框架，考虑到后续其他模型的结构设计复杂度，在方框和圆框之间选择圆框，如下图2

图2.1方形框架与圆形框架

对于圆形内框，为了使俯仰运动时整个轴系的转动惯量最小，设计为对称结构，且为空心结构，以减小对电机的转矩要求。

2.2滚转轴系设计

由于负载几何中心通过滚转轴系且对称分布于俯仰轴两侧，由于距离较长，设计为一个整体不合理，所以设计为滚转轴和连接杆连接的形式（如图2.2），故滚转轴系由四部分组成：

滚转轴、连接杆、负载盘及负载（暂不考虑负载的安装形式，在负载盘上设置放射状孔，便于后续安装），如图2.3。

考虑到对称分布及电机对角度编码器的影响，故电机和角度编码器在中心轴的两侧。

轴与内框的连接采用角接触球轴承，便于承载径向力（主要），轴向力（次要）和提高轴的对中性。

图2.2滚转轴与连接杆连接方式

图2.3滚转轴系

2.3俯仰轴系设计

俯仰轴在完成俯仰动作的同时承载了整个滚转轴系和内框的重量，由于俯仰运动时滚转轴系惯量较大，因此，俯仰轴的抗弯强度和抗扭强度要求较高，故俯仰轴设计时需要进行变形分析。

俯仰轴一侧需要电机提供扭矩，另一侧放置光栅尺测量角度变化。

2.4外框设计

外框框架是固定俯仰轴系部件的机架，承载整个俯仰轴系及滚转轴系的重量，同时实现俯仰轴的角度机械限位，故外框设计需考虑俯仰轴系和滚转轴系的跨距及所选电机的尺寸，力求结构简单，承载性好。

第3章机械结构详细设计

3.1滚转轴系设计

3.1.1材料选择

为简化设计过程，本设计中的所有零部件（处负载外）均按照普通碳钢（45钢）的质量设计。

3.1.2电机选择

由前面涉及到的滚转轴系，转动惯量为0.79kgm2。

质量为133.03kg。

由滚转角加速度600度每秒，可算得惯性载荷为：

MJ=Jxε=0.79kgm2x（157/15）/s=8.3Nm

考虑到轴承的摩擦力矩：

Mf=0.5μFd=0.5x0.002x133.03x9.8/2x（130+160）=0.189Nm

故总载荷为：

M=8.5Nm

所需扭矩相对于各大厂家提供的电机所能提供的扭矩来说非常小，所以电机的选择最终是按照滚转轴系最细的轴径决定，再加上安装光栅尺、轴承所需的轴径最小直径，最终选择了丹纳赫传动公司的F10225电机。

其参数如下图3.1所示：

图3.1电机参数

其转矩和转速完全符合设计任务书要求。

3.1.3角度测量器件选择

根据设计要求，角位置定位精度为±0.003°，重复精度为±0.002°，所选角度测量器件的精度应高一个数量级，即角度测量器件的精度为±0.0002°，即0.72秒。

经过选择，最后选择RESA的180型号的圆光栅。

其测量精度为0.43秒符合测量要求。

3.1.4轴承选择及校核

由最小轴径选用滚转轴承一端为角接触球轴承7026C，另一端为7030C。

滚转轴的轴承主要受径向力和少量的轴向力，由于是轴做摆动运动，所以，只需要校核静强度：

由上述分析可知，滚转轴质量为133.03kg，滚转轴水平时，轴承受径向力

F=133.03x9.8=1303.694N

当滚转轴到达极限位置（机械限位）25°时，轴承径向负载

F1=133.03x9.8xcos25°=1182N

轴向负载

F2=133.03x9.8xsin25°=551N

最终算得当量载荷

P0=1304N

基本额定静负载

C0=S0xP0=2x1304=2608N

对于轴径最小的角接触球轴承7026C

Cr=128kN>>2608N

故，轴承完全符合要求。

3.1.5阶梯轴长度及轴径确定

考虑到连接杆在负载的作用下有变形，所以设计连接杆为轴径105壁厚为10的空心轴，如图3.2所示。

再结合轴承和电机的参数，滚转轴长也随之确定。

总长为320mm。

最小轴径127mm，最大轴径220mm，中空直径100mm。

如图3.3所示。

图3.2连接杆

图3.3滚转轴

3.1.6连接螺栓强度校核

由于滚转轴与连接杆的连接承载了扭矩和弯矩，连接螺栓需要提供较大拉力以满足预紧力要求，实现滚转轴的滚转。

受力较大，故对其进行分析和强度校核。

连接处横向工作载荷

M=8.5/2=4.25Nm

受力半径

R=55mm

连接处提供的摩擦力

F=M/R=4.25N/m/5.5mm=77.3N

所需预紧力

F1=F/f=77.3/0.15=515.3N

六个螺栓每个须承受拉力

F2=F1/6=85.89N

负载和连接杆重力产生的扭矩对每个螺栓产生的拉力为

F3=MR/6R2=35.86/6/55=108.657N

所以，每个螺栓所受拉力

F4=85.89+0.3x108.657=119N

所以螺栓直径d=1.7mm

考虑到安装方便和运行稳定性和安全，螺栓直径采用M6。

3.1.7轴的刚度

对于滚转轴，连接杆的壁厚最薄，受力情况最危险，所以，用SolidWorks软件分析该轴的变形情况，如下图3.3

图3.3连接杆受力分析

3.2内框设计

内框是承载滚转轴系的构件。

为了减小惯量及质量同时保证结构和刚度，框架需做成空心，轴系各零件在框架上的定位及固定，框架端盖等安装，限位装置的放置，电机尺寸，与俯仰轴连接轴的连接等在设计时均要考虑。

3.2.1设计目标

在产品设计中，应在满足产品要求下，尽可能的降低产品生产成本。

所以针对内框设计，在保证结构强度的前提下，提出以下指标：

尽可能降低内框构件的总体转动惯量，以便于俯仰角度的精确控制。

尽可能降低内框构件的总体质量，降低对俯仰轴的强度要求。

3.2.2结构设计

内框框架整体结构为中空圆形，如图3.4所示。

内部为安装轴承及电机设置了阶梯，其中最小孔径为272mm，最大孔径为344mm，外圆轴径为483.6mm。

两端为连接俯仰轴连接轴的配合孔。

为减轻质量和转动惯量，框架做成中空，同时两个轴承对称分布。

图3.4内框剖视图

随之与之连接的端盖及与滚转轴及负载的装配如图3.5

如图3.5滚转轴系剖视

3.2.3转动惯量计算

在solidworks上进行内框框架及整个滚转轴系的装配，计算其转动惯量，为接下来俯仰轴系的设计提供数据。

总质量为196kg，转动惯量沿滚转轴为2.35kgm2，沿俯仰轴为80.5kgm2。

3.3俯仰轴系设计

3.3.1电机选择

在选择电机前需计算滚转轴系的转动惯量，滚转轴系与俯仰轴系的连接还需要设计连接轴，由于承受较大弯矩，故设计为轴径150mm壁厚25mm的部分空心轴。

应力分析如图3.6所示。

应变可以忽略不计。

由软件计算出滚转轴系和俯仰连接轴装配后的转动惯量为83kgm2。

总质量为221kg。

由俯仰角加速度400°每秒，可算得惯性载荷为：

MJ=Jxε=83kgm2x（6.98）/s=580Nm

图3.6俯仰连接轴应力分析

考虑到轴承的摩擦力矩：

Mf=0.5μFd=0.5x0.002x221x9.8/2x280=0.303Nm

故总载荷为：

M=580Nm

查阅各电机说明书及手册，最终选择了丹纳赫传动公司的F102100电机。

其参数如下图3.1所示，起峰值转矩满足俯仰轴加速度的要求。

图3.7电机参数

3.3.2角度测量器件选择

根据设计要求，角位置定位精度为±0.003°，重复精度为±0.002°，所选角度测量器件的精度应高一个数量级，即角度测量器件的精度为±0.0002°，即0.72秒。

经过选择，最后选择RESA的115型号的圆光栅。

其测量精度为0.43秒符合测量要求。

3.3.3轴承选择及校核

俯仰轴承主要承受径向力，由电机尺寸及俯仰连接轴尺寸选用滚转轴承为角接触球轴承7028C。

由于是轴做摆动运动，所以，只需要校核静强度：

由上述分析可知，滚转轴系质量为221kg，

F=221x9.8=2165.8N

当量载荷

P0=2165.8N

基本额定静负载

C0=S0xP0=2x2165.8=4331.6N

对于角接触球轴承7028C

Cr=140kN>>4331.6N

故，轴承完全符合要求。

3.3.4电机固定及连接设计

为了便于拆卸及调试，电机不直接安装在基座上，需要设计电机外框和与基座连接的结构。

电机固定采用轴套类零件，用压环压紧电机定子，且用一连接轴与俯仰连接轴用铰制孔螺栓连接，装配后效果如图3.8。

图3.8电机外框与基座的连接

3.4外框设计

由于设计要求中对方位轴的角度精度较高，故基座的外壳设计中应减少装配环节。

具体设计如图3.9所示，基座内不设置台阶固定轴承和电机，轴承的固定和预紧依靠轴承端盖和螺栓连接实现。

图3.9基座设计

外框框架为音叉式设计，两“拨叉”距离根据内框框架的大小及俯仰连接轴的长度决定，为650mm，整体采用空心结构。

由于承受整个装置的重力及运动时产生的惯性力，基座壁厚20mm。

采用铸铁件，如果有重量或者其他要求，也可以采用铸铝件或其他金属铸件。

外框框架通过螺钉连接在地面或者测试平台上。

3.5限位锁紧机构设计

此次设计中，根据设计要求，俯仰轴和滚转轴均需要有限位机构。

3.5.1滚转轴限位机构

如图3.10为滚转轴的电气限位和机械限位结构。

图3.10滚转轴的电气限位及机械限位

3.5.2俯仰轴限位机构

如图3.11为俯仰轴的电气限位和机械限位结构。

图3.11俯仰轴的电气限位及机械限位

第4章误差分析

4.1定位精度分析

本次设计有角位置定位精度和测量重复性的要求，实现此精度的手段除了提升零件的加工精度及装配精度，在控制系统设计的时候也需要对此作出相应设计。

4.2垂直度及相交度分析

滚转轴和俯仰轴的垂直度和相交度的实现最重要的一个零件是内框的设计和加工，所以应高度重视其相交轴线的垂直度和相交度。

参考文献

[1]吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京:

化学工业出版社，1999

[2]吴宗泽.机械零件设计手册[M].北京:

化学工业出版社，2004

[3]宋宝玉.简明机械设计手册[M].哈尔滨:

哈尔滨工业大学出版社，2008

[4]王黎欣，陈铁鸣.机械设计[M].哈尔滨:

哈尔滨工业大学出版社，2010