哈工大綜合課程設計——雙軸轉(zhuǎn)臺設計

1、Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 綜合課程設計 設計題目： 雙軸測試轉(zhuǎn)臺設計 院 系： 機電工程學院 班 級： 1108110班 設 計 者： 崔曉蒙 學 號： 1110811005 指導教師： 陳志剛 設計時間： 2014年12月 哈爾濱工業(yè)大學 目 錄第1 章概述 . 21.1 課程設計的目的 . 21.2 課程設計的內(nèi)容 . 21.3 課程設計的方法和步驟 . 21.4 轉(zhuǎn)臺課程設計的要求 . 3第2 章轉(zhuǎn)臺總體設計 . 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)

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

3、題欄的編寫 . 34第7 章轉(zhuǎn)臺零件工作圖設計 . 357.1 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 章編寫設計計算說明書 . 368.1 設計計算說明書的內(nèi)容 . 368.2 設計計算說明書格式要求 . 36第9 章課程設計的總結(jié)和答辯 . 39參考文獻 . 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備，用于慣性導航系統(tǒng)和慣性元件檢定、標定，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，主要用于慣性導航系統(tǒng)和慣性元件如陀螺、加速

4、度計的性能檢測和標定。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體的運動狀態(tài)模擬，本次的設計轉(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、主軸的設計、軸上所有負載的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。第2章 轉(zhuǎn)臺總體設計2.

5、1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)類型選擇本次題目設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，有利于達到精度指標。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、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°/s 無極調(diào)速到300°/

6、s 電動機驅(qū)動的主要優(yōu)點是：（1）實現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)，而擺動式液壓馬達則不能。（2）不需要設置液壓油源。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。當驅(qū)動力矩增大時，允許的最高轉(zhuǎn)速也減小。所以，當轉(zhuǎn)臺的最高轉(zhuǎn)速

7、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，而速率范圍是內(nèi)外框都是，內(nèi)框峰值角加速度為，外框?？梢钥闯?，本次設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、感應同步器、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）傳感器的準確度小于系統(tǒng)總不確定

8、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，而內(nèi)外框的角位置測量分辨率是。內(nèi)外框都采用海德漢角度編碼器，具體結(jié)構(gòu)設計見后面詳述。第3章 轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)設計3.1 軸系設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

9、。軸采用中空結(jié)構(gòu)，這樣既可以空心過電纜線，以消除導線浮動帶來的系統(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)受力及負載情況相應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)

10、 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，而且預緊和調(diào)整也比較麻煩?？諝廨S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承的缺點是要有一套供氣設備和系統(tǒng)而且其制造工藝復雜、成本高。本次設計轉(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)設計

11、比較簡單，可以容易地預緊和消除間隙。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。本次負載最大為15KG，而框架多采用鋁制，所以預估軸承壽命和承載力余量很大。3.1.2 軸承的安裝與預緊轉(zhuǎn)臺軸承在安裝時一般給予一定的軸向預緊力，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)生彈性預變形，以此來提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。預緊力可以利用金屬墊片或者調(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)兩軸承預緊，從而提高其回轉(zhuǎn)精度。圖3-4 內(nèi)框軸承預緊圖3

12、-5 外框軸承預緊3.13軸承跨距的計算選擇精度為P2的軸承，由機械精度設計基礎(chǔ)表6-2可知其徑向跳動為，故可求得其要求跨距為內(nèi)框安裝的軸承提供的跨距為：安裝本身的跨距為：故設計提供的總跨距為外框軸承安裝位置對跨距影響相互抵消所以，有結(jié)構(gòu)設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

13、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。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)標準化，可根據(jù)軸和轂孔尺寸以及傳遞載荷的大小，從標準中選用合適的的型號和尺寸。選擇時應滿足： 傳遞扭矩時： 傳遞軸向力時：

14、 傳遞扭矩和軸向力時：式中 脹緊套的額定扭矩（N·m） 需傳送的扭矩（N·m） 脹緊套額定軸向力（N） 傳動軸直徑（m） 軸向力（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)見參考文獻表3-1。圖3-7 脹緊套尺寸3.3 框架設計框架結(jié)構(gòu)如圖3-8 和3-9所示。框架的設計順序是：由內(nèi)到外。內(nèi)框架用于安裝被測元件（或稱為負載），設計受到負載尺寸的約束。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

15、，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)代設計方法，借助于有限元分析軟件對所要設計的框架進行優(yōu)化設計，使框架有一個較高的固有頻率同時，框架質(zhì)量最輕。3.4 限位裝置設計 本次設計轉(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，當轉(zhuǎn)角范圍超出設定范圍時，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

16、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)動元件的設計4.1 傳動部件設計由于是直接驅(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，所以采用非標設計件，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)代設計方法在精確度和快捷性上面都要優(yōu)于傳統(tǒng)設計方法。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)命令可以快捷準確的計算各個零部件圍繞特定軸的轉(zhuǎn)動慣量。4.2

17、.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（）4.2.1.2 兩個里面的軸以及對應的漲緊套和軸承內(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（）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（）4.2.1.4 連接電機和軸的連接件（）則可得出內(nèi)框的總的轉(zhuǎn)動慣量為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）4.2.2.2 兩個里面的軸以及對應的漲緊套和軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動慣量4.2.2.3 轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的轉(zhuǎn)動慣量4.2.2.4 連接電機

18、和軸的連接件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)理論力學計算公式可得到其中前一項較后一項可忽略。4.2.2.6 轉(zhuǎn)臺外框的轉(zhuǎn)動慣量4.2.2.1 兩個外面的軸以及對應的漲緊套和連接電機和軸的零件的轉(zhuǎn)動慣量則可以得到外框的總的轉(zhuǎn)動慣量為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)框慣性載荷為留出3倍余量則 由電機選型和設計空間得出選擇科爾摩根KBM（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（

19、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 留出3倍余量則 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。一個電機承擔的轉(zhuǎn)矩大約為由電機選型和設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)臺測量元件設計5.1 角度傳感器設計由于軸系結(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，可達到的測量分辨率是，滿足的分辨率要求，小于測量精度的三分之一。cad具體結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，軸與角度編碼器用兩個鎖緊螺母固定并起到防松作用。其結(jié)構(gòu)尺寸以及功能參數(shù)見圖5-2和5-3。圖5-1 RON785角度編碼器剖視圖圖5-2 RON785角度編碼器尺寸參數(shù)圖5-3