哈工大综合课程设计——双轴转台设计.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 综合课程设计 设计题目： 双轴测试转台设计 院 系： 机电工程学院 班 级： 1108110班 设 计 者： 崔晓蒙 学 号： 1110811005 指导教师： 陈志刚 设计时间： 2014年12月 哈尔滨工业大学 目 录第1 章概述 . 21.1 课程设计的目的 . 21.2 课程设计的内容 . 21.3 课程设计的方法和步骤 . 21.4 转台课程设计的要求 . 3第2 章转台总体设计 . 42.1 转台结构类型选择 . 42.2 转台驱动元件选择 . 82.3 转台测量元件选择 . 9第3 章转台机械结构设计 . 103.1 轴系设计 . 103.2 轴与框架的连接 . 123.3 框架设计 . 153.4 配重设计 . 163.5 限位与锁紧装置设计 . 17第4 章转台驱动元件设计 . 194.1 传动部件设计 . 194.2 转动惯量计算 . 194.3 电机力矩计算 . 26第5 章转台测量元件设计 . 285.1 角度传感器设计 . 285.2 角速度传感器设计 . 315.3 限位开关设计 . 325.4 走线与滑环 . 33第6 章转台装配工作图设计 . 346.1 装配工作图绘制要求 . 346.2 装配工作图尺寸标注 . 346.3 装配工作图上零件序号、明细栏和标题栏的编写 . 34第7 章转台零件工作图设计 . 357.1 对零件工作图的绘制要求 . 357.2 转台主要零件工作图 . 35第8 章编写设计计算说明书 . 368.1 设计计算说明书的内容 . 368.2 设计计算说明书格式要求 . 36第9 章课程设计的总结和答辩 . 39参考文献 . 4【精品文档】第 9 页第1章 转台功能分析1.1 功能分解 转台是一种重要的地面测试设备，用于惯性导航系统和惯性元件检定、标定，以及模拟飞行器姿态运动。转台根据用途可分为仿真转台和惯性测试转台。按机械台体结构分类转台分为立式转台和卧式转台两种。 惯性测试转台，侧重静态或稳态性能，主要用于惯性导航系统和惯性元件如陀螺、加速度计的性能检测和标定。仿真转台，侧重动态性能，仿真转台一般用于武器平台或运动载体的运动状态模拟，本次的设计转台功能主要是X、Y两个自由度的旋转，精确的调速以及带电测量。由以上要求可进行如下功能分解：3.2功能元理解列出功能分解图，可在已有的可行的方案中选择可能的原理解，从而进一步对具体结构的元件做细分，可以做出最后的选择，决定转台的结构。 原理解表格如表1-1所示表1-1 功能元理解3.3 参数约束如图7所示，其表示位置精度与其他参数的关系。与位置精度相关的是电机的转动精度、主轴的扭转精度和编码器的精度。主要与电机和编码器的选择、主轴的设计、轴上所有负载的转动惯量有关。第2章 转台总体设计2.1 转台结构类型选择本次题目设计的是用于惯性器件测试的双轴转台。双轴转台要求的精度比较高，采用卧式转台结构刚性更好，更稳定，有利于达到精度指标。驱动力采用电动，轴承选用机械轴承。2.2转台驱动元件选择 转台是高精度精密测试设备，要求转角精度高、转速平稳，同时又要求调速范围大。对于驱动元件的性能要求很高，要求其具有体积小、重量轻、高精度、低速平稳运行、高藕合刚度、大扭矩、可堵转、快速响应、特性线性度好、调速方便等要求。转台常用的驱动元件有电机、液压马达等。液压驱动的优点是：（1）输出力矩大、功率密度高（2）调速范围大，可以从最低角速度 0.0004°/s 无极调速到300°/s 电动机驱动的主要优点是：（1）实现连续回转，而摆动式液压马达则不能。（2）不需要设置液压油源。驱动元件与框架的联接方式分为直接驱动和间接驱动，直接驱动是输出轴直接与框架固联，优点是有利于改善和提高系统的动态性能和精度，缺点是其低速性能取决于元件本身的低速性能；间接驱动是将电机或液压马达的输出轴经齿轮减速再与框架轴固联，其主要优点是可以改善系统的超低速性能及用小力矩电机可驱动大力矩负载，缺点是由于齿轮啮合间隙以及齿面磨损后影响系统的精度和稳定性。常见的电机为力矩电动机和直流伺服电动机。力矩电机转速低，可直接与框架连接形成直接驱动。当驱动力矩增大时，允许的最高转速也减小。所以，当转台的最高转速较高时不宜采用力矩电机，而采用直流伺服电动机经减速装置驱动的方案。直流伺服电动机的轴向尺寸较大，不宜用于转台的内框和中框轴的驱动。本次题目所给内外框的精度要求均为，而速率范围是内外框都是，内框峰值角加速度为，外框。可以看出，本次设计的测量精度要求比较高，而且速率范围较窄，最大速度不大。所以采用有传动机构的电机和轴的连接会达不到精度要求，采用直接驱动，电机选择无刷直流力矩电机，成本较高。2.3转台测量元件选择 转台测量元件主要有角度传感器和角速度传感器。角度传感器有光电码盘、感应同步器、旋转变压器，角速度传感器主要是测速机。选择传感器时，按照以下选用原则选择：（1）传感器的准确度小于系统总不确定度的1/3；（2）传感器的精度、分辨率比系统总的精度和分辨率最好高一个数量级；（3）传感器的结构尺寸满足总体安装使用要求；转台除了要求位置控制外，还需要速度控制，测量元件需要选择角度、角速度传感器。根据题目所给要求，内外框的角位置测量精度是，而内外框的角位置测量分辨率是。内外框都采用海德汉角度编码器，具体结构设计见后面详述。第3章 转台机械结构设计3.1 轴系设计各框架之间通过轴系连接在一起，通过轴系传递力矩及传动精确的回转运动。轴系由轴、轴承、连接机构等组成。内框结构如图3-1所示，图3-2 是转台外框轴系结构。内外框轴均由两段轴组成，一端连接电机，另一端连接光电码盘，通过胀紧套与内外框连接。轴采用中空结构，这样既可以空心过电缆线，以消除导线浮动带来的系统干扰力矩，又可增大结构，减小重量和转动惯量。图3-1 转台内框轴系结构图3-2 二轴转台轴系结构3.1.1 轴承的选择与固定在轴系的设计过程中，主轴性能很大程度上取决于支承轴承的刚度。转台回转精度高，且经常工作于振动冲击（高频率的简谐运动）、低速（或摆动）状态下，因此轴承不仅具有灵敏轴承的高精度、低摩擦特性，还要求轴承具有较高的刚度和抗卸载能力。在轴承的配置型式上则根据受力及负载情况相应的采用面对面式或背对背式。轴承固定方式有两种：两端固定、一端固定一端游动。如图3-3所示，在转台中采用两端固定方式，限制轴的轴向运动。 (a) 一端固定一端游动 (b) 两端固定图3-3 轴承固定方式 用于转台的轴承有滚动轴承和空气静压轴承。高精度滚动承，经过预紧和精密调整后，可使轴系的精度很高，而且滚动轴承的刚度承载能力大。但滚动轴承是接触式轴承，长时间使用由于滚动体和滚道之间的磨损会降低其精度和刚度，精度保持性不好，而且预紧和调整也比较麻烦。空气轴承的轴套和轴之间无接触，精度保持性好，回转精度可以比轴本身的加工精度提高3 倍以上。特别适用于精度高、承载低、转速低的转台。空气轴承的缺点是要有一套供气设备和系统而且其制造工艺复杂、成本高。本次设计转台精度一般，采用角接触球轴承。优点是可以同时承受轴向载荷和径向载荷，可以使轴系结构设计比较简单，可以容易地预紧和消除间隙。角接触球轴承承载能力强，支承刚度相对深沟球轴承高，摩擦力矩较小。本次内框轴承选用7014C内径70轴承，外框选用QJ224内径120两对一起。本次负载最大为15KG，而框架多采用铝制，所以预估轴承寿命和承载力余量很大。3.1.2 轴承的安装与预紧转台轴承在安装时一般给予一定的轴向预紧力，使内外圈产生相对位移，从而消除游隙，并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，以此来提高轴承的旋转精度和刚度。预紧力可以利用金属垫片或者调整螺母来实现。如图3-4和3-5所示，内框外框轴承都是用金属环压紧，中间金属垫片实现两轴承预紧，从而提高其回转精度。图3-4 内框轴承预紧图3-5 外框轴承预紧3.13轴承跨距的计算选择精度为P2的轴承，由机械精度设计基础表6-2可知其径向跳动为，故可求得其要求跨距为内框安装的轴承提供的跨距为：安装本身的跨距为：故设计提供的总跨距为外框轴承安装位置对跨距影响相互抵消所以，有结构设计得出的跨距满足实际要求，故轴和轴承的尺寸符合要求。3.1 轴与框架的连接轴与孔的一般连接方式有：键连接、过盈配合。如图3-6 所示。键连接虽然能传递力矩，但由于加工误差，存在间隙，造成误差。过盈配合连接虽然无角度误差，但配合精度要求高，才能保证轴与孔的同轴度要求，而且不可调。(a) 键连接 (b) 过盈配合图3-5 轴与框架连接方式转台轴与孔的连接可用螺钉连接和胀紧套连接。轴与框架孔的配合采用过渡配合，既不存在大的间隙（像键连接），又不需要高的配合精度（像过盈配合），加工装配都比较简单。但是，要求轴与孔的同轴度比较高，不能承受过载，螺钉孔在一定程度上削弱了轴和框架的刚度。本次采用胀紧套连接，如图3-6 所示。胀紧套1214个紧固螺钉，在装配过程中，可以逐个拧紧。在轴与框架内孔的同轴度有误差的情况下，可以通过紧固螺钉进行调整，以保证整个转台的精度指标。图3-6 胀紧套连接方式 3.2.1 胀紧套尺寸选择以及校核 各种胀套已经标准化，可根据轴和毂孔尺寸以及传递载荷的大小，从标准中选用合适的的型号和尺寸。选择时应满足： 传递扭矩时： 传递轴向力时： 传递扭矩和轴向力时：式中 胀紧套的额定扭矩（N·m） 需传送的扭矩（N·m） 胀紧套额定轴向力（N） 传动轴直径（m） 轴向力（N）根据胀紧套的额定扭矩确定尺寸，尺寸如图3-7 所示，具体尺寸数据见参考文献表3-1。图3-7 胀紧套尺寸3.3 框架设计框架结构如图3-8 和3-9所示。框架的设计顺序是：由内到外。内框架用于安装被测元件（或称为负载），设计受到负载尺寸的约束。图3-8 外框结构图3-9 内框结构框架断面为空心矩形，重量轻、刚度好。由于采用的是力矩电机，电机的大小主要取决于各轴系的转动惯量和轴系工作时的最大角加速度，为了最大限度地降低电机质量尤其是内电机的重量，材料选用铸造铝合金（ZL205A），可使框架具有较高的刚度和较小的转动惯量。若单方面提高框架刚度必然要求增大框架的壁厚，转动惯量则会提高；而单方面降低转动惯量必然要牺牲框架刚度。目前常采用现代设计方法，借助于有限元分析软件对所要设计的框架进行优化设计，使框架有一个较高的固有频率同时，框架质量最轻。3.4 限位装置设计 本次设计转台外框的转角范围是，为了防止转过范围，造成线路缠绕甚至扯断，要有限位装置，起保护作用。图3-10是转台结构图，在外框与支座上安装限位装置，具体结构如图3-11 所示，当转角范围超出设定范围时，外框与支座上的限位装置接触在一起，从而起到限制转角范围的作用。在限位装置上常安装橡胶套，可起到缓冲撞击力的作用，避免损坏限位装置。3-10 是双轴转台结构图图3-11 限位装置第4章 转台驱动元件的设计4.1 传动部件设计由于是直接驱动转台，需要联轴器将电机的转子和轴连接起来，由于无刷直流电机的转子是空心的，所以采用非标设计件，类似于法兰的装置将其与轴连接。如图4-1所示。 (a) 内框传动件 (b) 外框传动件图4-1 内外框传动部件4.2 转动惯量的计算现代设计方法在精确度和快捷性上面都要优于传统设计方法。如果人工计算转动惯量不仅过程繁琐，而且由于零件形状的不规则，带来了精确度的问题。利用cad软件的相关命令可以快捷准确的计算各个零部件围绕特定轴的转动惯量。4.2.1 内框转动惯量的计算4.2.1.1 中心测试元件256140的转动惯量 如图是围绕Y轴旋转，因为是两边拉伸，所以要乘以二。结果是（）4.2.1.2 两个里面的轴以及对应的涨紧套和轴承内圈的转动惯量 因为是两边布置，所以要乘以二。结果是（）4.2.1.3 转台内框的转动惯量内框由铝ZL205A铸造，密度（）4.2.1.4 连接电机和轴的连接件则可得出内框的总的转动惯量为4.2.2 外框转动惯量的计算4.2.2.1 中心测试元件取最大值，转过90度，绕Z轴，内框也一样）4.2.2.2 两个里面的轴以及对应的涨紧套和轴承内圈的转动惯量4.2.2.3 转台内框的转动惯量4.2.2.4 连接电机和轴的连接件4.2.2.5 力矩电机的转动惯量由于为了平衡在另一端增加配重以及传感器等，转动惯量按照两个电机计算距离中心355mm，而可将其本身看做是一个空心圆柱体，根据理论力学计算公式可得到其中前一项较后一项可忽略。4.2.2.6 转台外框的转动惯量4.2.2.1 两个外面的轴以及对应的涨紧套和连接电机和轴的零件的转动惯量则可以得到外框的总的转动惯量为4.3 电机力矩的计算及电机选型4.3.1 内框电机选型 内框惯性载荷为留出3倍余量则 由电机选型和设计空间得出选择科尔摩根KBM（S）-35系列，具体选择KBM-35X02直流力矩电机，具体尺寸和性能参数见图4-2和4-3。图4-2 KBM（S）-35系列尺寸参数图4-3 KBM（S）-35X2性能参数4.3.2 外框电机选型 外框惯性载荷为 留出3倍余量则 由于是卧式转台，而且要求精度高，所以两个电机对称布置可以减小单个电机所占空间，对称布置可以抵消不平衡带来的精度影响。一个电机承担的转矩大约为由电机选型和设计空间得出选择科尔摩根KBM（S）-79系列，它的轴向尺寸较小，可以有效减小转台的轴向尺寸，径向尺寸较大，提供较大的转矩。具体选择KBM-79X01直流力矩电机。具体尺寸和性能参数见图4-4和4-5。图4-3 KBM（S）-79系列尺寸参数图4-3 KBM（S）-35X2性能参数第5章 转台测量元件设计5.1 角度传感器设计由于轴系结构和框架结构的限制以及精度指标的要求，内外框都采用海德汉RON785系列空心轴内置定子角度编码器，可达到的测量分辨率是，满足的分辨率要求，小于测量精度的三分之一。cad具体结构如图5-1所示，轴与角度编码器用两个锁紧螺母固定并起到防松作用。其结构尺寸以及功能参数见图5-2和5-3。图5-1 RON785角度编码器剖视图图5-2 RON785角度编码器尺寸参数图5-3 RON785角度编码器性能参数5.2 走线与滑环转台与控制系统需要进行信号传输，这些信号有控制信号和电源信号，信号线尽量从台体内部通过，这样既安全又美观。在如图5-4所示中，在每个防尘盖上面都开有走线口，在箱体底部也有走线口。图5-4 走线口在本转台中，内框是连续旋转，而外框是旋转，本来这样的设计不需要电刷滑环，但是在带电测量中，在内框中的测量件也需要通电，则需要滑环，否则会造成电线的缠绕甚至于扯断。滑环采用森锐普SRC 025-56,56路帽式滑环，转子通过三个M5螺栓与框架轴连接，定子则与防尘盖连接，由于滑环受力很小，结构可以轻薄一些。其具体结构与尺寸参数如图5-5和5-6所示。图5-5 滑环结构及其连接图5-6 滑环尺寸参数第6章 关键部件的设计参考文献1宋宝玉.机械设计课程设计指导书.高等教育出版社.20112宋宝玉，王黎钦.机械设计.高等教育出版社.20094孟兆新，马慧萍.机械精度设计基础.科学出版社.20124秦大同主编.机电系统设计.化学工业出版社.2013年3月.5机电控制及其自动化系.数控旋转工作台设计. 2014年11月.6谢涛.飞行仿真转对结构动力学分析及其优化设计研究. 哈尔滨工业大学博士论文.20037李尚义, 赵克定. 三轴飞行仿真转台总体设计及其关键技术. 宇航学报. 1995, 16(2):63668陈艳威. 单轴速率摇摆台的研制. 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文. 20069胀紧联结套（胀套）. 北京古德高机电技术有限公司. 10部分资料来自百度百科