(卧式)二轴摇摆系统结构设计计算说明书

综合课程设计（I）1HarbinInstituteofTechnology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日综合课程设计（I）2目录第1章摇摆系统方案拟定.................................................................51.1摇摆系统技术要求..................................................................51.2摇摆系统类型确定..................................................................51.3转台总体布局设计..................................................................5第2章机械结构草图设计.................................................................72.1内框设计..............................................................................72.2滚转轴系设计........................................................................72.3俯仰轴系设计........................................................................82.4外框设计..............................................................................9第3章机械结构详细设计...............................................................103.1滚转轴系设计......................................................................103.1.1材料选择...................................................................103.1.2电机选择...................................................................103.1.3角度测量器件选择......................................................11综合课程设计（I）33.1.4轴承选择及校核.........................................................123.1.5阶梯轴长度及轴径确定................................................133.1.6连接螺栓强度校核......................................................143.1.7轴的刚度...................................................................153.2内框设计............................................................................153.2.1设计目标...................................................................153.2.2结构设计...................................................................163.2.3转动惯量计算.............................................................173.3俯仰轴系设计......................................................................173.3.1电机选择...................................................................173.3.2角度测量器件选择......................................................193.3.3轴承选择及校核.........................................................193.3.4电机固定及连接设计...................................................203.4外框设计............................................................................203.5限位锁紧机构设计...............................................................21综合课程设计（I）43.5.1滚转轴限位机构..........................................................213.5.2俯仰轴限位机构..........................................................22第4章误差分析............................................................................234.1定位精度分析.......................................................................234.2垂直度及相交度分析............................................................23参考文献.........................................................................................24综合课程设计（I）5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综合课程设计（I）6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摇摆系统总体布局综合课程设计（I）7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综合课程设计（I）8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，俯仰轴的抗弯强度综合课程设计（I）9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。综合课程设计（I）10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，再加上综合课程设计（I）11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。综合课程设计（I）123.1.4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7026CCr=128kN2608N故，轴承完全符合要求。综合课程设计（I）133.1.5阶梯轴长度及轴径确定考虑到连接杆在负载的作用