1、Harbin Institute of Technology設計計算說明書課程名稱： 綜合課程設計（1） 設計題目： 二軸搖擺系統(tǒng)結構設計 院 系： * 班 級： * 設 計 者： * 學 號： * 指導教師： * 設計時間： 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)技術要求41.2搖擺系統(tǒng)類型確定41.3轉臺總體布局設計4第2章 機械結構草圖設計62.1 內框設計62.2 滾轉軸系設計62.3 俯仰軸系設計72.4 外框設計7第3章 機械結構詳細設計93.1 滾轉軸系設計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103.1.4 軸承選

2、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 內框設計133.2.1 設計目標133.2.2 結構設計133.2.3 轉動慣量計算143.3 俯仰軸系設計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 電機固定及連接設計163.4 外框設計173.5 限位鎖緊機構設計17滾轉軸限位機構18俯仰軸限位機構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20第1章 搖擺系統(tǒng)方案擬定1.1搖擺系統(tǒng)技術要求本次需要設計的結構是二軸搖擺系統(tǒng)，設計要求

3、如任務書所示。1.2搖擺系統(tǒng)類型確定轉臺結構多數(shù)分為立式和臥式兩種形式，立式轉臺通常外環(huán)軸垂直于水平面，且外框結構多數(shù)為音叉式，其內框結構多數(shù)為原盤或O型封閉結構。由任務書要求，搖擺系統(tǒng)采用臥式結構。搖擺系統(tǒng)按驅動方式可分為手動驅動、電動驅動和液壓驅動，手動驅動僅出現(xiàn)在簡陋的系統(tǒng)中，故在此次設計中不給予考慮；電動驅動目前廣泛運用與高精度、高動態(tài)精度和大扭矩的轉臺系統(tǒng)中；液壓驅動則大多用于高扭矩、高頻響等電動驅動難以實現(xiàn)的工程中。此次轉臺設計要求中，由于負載重量為2x30 Kg，屬于輕載，而且精度要求中，精度最高達到角秒級別，故采用電動驅動。綜上，此次轉臺設計中，擬采用電動驅動的臥式搖擺系統(tǒng)。1

4、.3轉臺總體布局設計由設計任務書要求，負載為200x200x200mm均勻質量且分別<=30kg。負載幾何中心距離俯仰軸1000mm且通過滾轉軸系且滾轉和俯仰均有角度限制，所以，對于此搖擺系統(tǒng)，內環(huán)承擔俯仰運動，內環(huán)中心實現(xiàn)滾轉軸的滾轉運動。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 機械結構草圖設計2.1 內框設計由總體布局設計中確定內框的作用有兩個，第一，支撐滾轉的運動要求，第二，作為俯仰軸的一部分使?jié)L轉軸完成俯仰運動，所以，內框可設計為中空的軸型框架，考慮到后續(xù)其他模型的結構設計復雜度，在方框和圓框之間選擇圓框，如下圖2 圖2.1 方形框架與圓形框架對于

5、圓形內框，為了使俯仰運動時整個軸系的轉動慣量最小，設計為對稱結構，且為空心結構，以減小對電機的轉矩要求。2.2 滾轉軸系設計由于負載幾何中心通過滾轉軸系且對稱分布于俯仰軸兩側，由于距離較長，設計為一個整體不合理，所以設計為滾轉軸和連接桿連接的形式（如圖2.2），故滾轉軸系由四部分組成：滾轉軸、連接桿、負載盤及負載（暫不考慮負載的安裝形式，在負載盤上設置放射狀孔，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。軸與內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2.2 滾轉軸與連接桿連接方式圖2.3 滾轉

6、軸系2.3 俯仰軸系設計俯仰軸在完成俯仰動作的同時承載了整個滾轉軸系和內框的重量，由于俯仰運動時滾轉軸系慣量較大，因此，俯仰軸的抗彎強度和抗扭強度要求較高，故俯仰軸設計時需要進行變形分析。俯仰軸一側需要電機提供扭矩，另一側放置光柵尺測量角度變化。 2.4 外框設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軸系的重量，同時實現(xiàn)俯仰軸的角度機械限位，故外框設計需考慮俯仰軸系和滾轉軸系的跨距及所選電機的尺寸，力求結構簡單，承載性好。第3章 機械結構詳細設計3.1 滾轉軸系設計 材料選擇為簡化設計過程，本設計中的所有零部件（處負載外）均按照普通碳鋼（45鋼）的質量設計。 電機選擇由前面涉

7、及到的滾轉軸系，轉動慣量為0.79kgm2。質量為133.03kg。由滾轉角加速度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 = x(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軸系最細的軸徑決定，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電機。其參數(shù)如下圖3.1所示： 圖3.1 電機參數(shù)其轉矩和轉速完全符合設計任務書要求。 角度測量器件選擇

8、根據(jù)設計要求，角位置定位精度為±0.003°，重復精度為±0.002°，所選角度測量器件的精度應高一個數(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。 軸承選擇及校核由最小軸徑選用滾轉軸承一端為角接觸球軸承7026C，另一端為7030C。滾轉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，只需要校核靜強度：由上述分析可知，滾轉軸質量為133.03kg，滾轉軸水平時，軸承受徑向力F=133.03x9.8 = 1303.694N

9、當滾轉軸到達極限位置（機械限位）25°時，軸承徑向負載F1= 133.03x9.8xcos25° =1182N軸向負載F2= 133.03x9.8xsin25°= 551N最終算得當量載荷P0= 1304N基本額定靜負載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。 階梯軸長度及軸徑確定考慮到連接桿在負載的作用下有變形，所以設計連接桿為軸徑105壁厚為10的空心軸，如圖3.2所示。再結合軸承和電機的參數(shù)，滾轉軸長也隨之確定。總長為320mm。最小軸徑127mm，最大軸徑

10、220mm，中空直徑100mm。如圖3.3所示。圖3.2 連接桿圖3.3 滾轉軸3.1.6 連接螺栓強度校核由于滾轉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緊力要求，實現(xiàn)滾轉軸的滾轉。受力較大，故對其進行分析和強度校核。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所需預緊力F1=F/f=77.3/0.15=515.3N六個螺栓每個須承受拉力F2=F1/6=85.89N負載和連接桿重力產生的扭矩對每個螺栓產生的拉力為F3=MR/6R2=35.86/6/55=108.657N所以，每

11、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 內框設計內框是承載滾轉軸系的構件。為了減小慣量及質量同時保證結構和剛度，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，與俯仰軸連接軸的連接等在設計時均要考慮。3.2.1 設計目標在產品設計中，應在滿足產品要求下，盡可能的降低產品生產成本。所以針對內框設

12、計，在保證結構強度的前提下，提出以下指標：盡可能降低內框構件的總體轉動慣量，以便于俯仰角度的精確控制。盡可能降低內框構件的總體質量，降低對俯仰軸的強度要求。3.2.2 結構設計內框框架整體結構為中空圓形，如圖3.4所示。內部為安裝軸承及電機設置了階梯，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。為減輕質量和轉動慣量，框架做成中空，同時兩個軸承對稱分布。圖3.4 內框剖視圖隨之與之連接的端蓋及與滾轉軸及負載的裝配如圖3.5 如圖3.5 滾轉軸系剖視3.2.3 轉動慣量計算在solidworks上進行內框框架及整個滾轉軸系的裝配，計算其

13、轉動慣量，為接下來俯仰軸系的設計提供數(shù)據(jù)。總質量為196kg，轉動慣量沿滾轉軸為2.35kgm2，沿俯仰軸為80.5kgm2。3.3 俯仰軸系設計3.3.1 電機選擇在選擇電機前需計算滾轉軸系的轉動慣量，滾轉軸系與俯仰軸系的連接還需要設計連接軸，由于承受較大彎矩，故設計為軸徑150mm壁厚25mm的部分空心軸。應力分析如圖3.6所示。應變可以忽略不計。由軟件計算出滾轉軸系和俯仰連接軸裝配后的轉動慣量為83kgm2 。總質量為221kg。由俯仰角加速度400°每秒，可算得慣性載荷為：MJ= Jx = 83 kgm2 x (6.98) /s = 580Nm圖3.6 俯仰連接軸應力分析考慮

14、到軸承的摩擦力矩：221x9.8/2x280 = 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)設計要求，角位置定位精度為±0.003°，重復精度為±0.002°，所選角度測量器件的精度應高一個數(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

15、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，滾轉軸系質量為221kg，F(xiàn)=221 x9.8 = 2165.8N當量載荷P0= 2165.8N基本額定靜負載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。 電機固定及連接設計 為了便于拆卸及調試，電機不直接安裝在基座上，需要設計電機外框和與基座連接的結構。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

16、效果如圖3.8。圖3.8 電機外框與基座的連接3.4 外框設計由于設計要求中對方位軸的角度精度較高，故基座的外殼設計中應減少裝配環(huán)節(jié)。具體設計如圖3.9所示，基座內不設置臺階固定軸承和電機，軸承的固定和預緊依靠軸承端蓋和螺栓連接實現(xiàn)。 圖3.9 基座設計外框框架為音叉式設計，兩“撥叉”距離根據(jù)內框框架的大小及俯仰連接軸的長度決定，為650mm，整體采用空心結構。由于承受整個裝置的重力及運動時產生的慣性力，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 限位鎖緊機構設計此次設計中，根據(jù)設計要求，俯仰軸和滾轉軸均需要有限位機構。3.5.1滾轉軸限位機構如圖3.10為滾轉軸的電氣限位和機械限位結構。圖3.10 滾轉軸的電氣限位及機械限位3.5.2俯仰軸限位機構如圖3.11為俯仰軸的電氣限位和機械限位結構。 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計有角位置定位精度和測量重