Harbi n Institute of Technology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火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火火指导教师：*设计时间：2017年9月29日目录第1章摇摆系统方案拟定 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113.1.4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213.5.1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W 2x30 Kg，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2.35kgm 2，沿俯仰轴为80.5kgm 2。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83kgm 2。总质量为221kg。由俯仰角加速度400每秒，可算得惯性载荷为：MJ= Jxe = 83 kgm 2 x (6.98) /s = 580Nm5的ASW图3.6俯仰连接轴应力分析考虑到轴承的摩擦力矩：Mf= 0.5Fd = 0.5x0.002x 221x9.8/2x280 = 0.303Nm故总载荷为：M= 580 Nm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1电机类型|外径内径定子长度连续转矩Tc例-网峰值转矩TpOM*连蒙线电 流 IcARMS*最高推养速度伽1同系统电压 g*驱动器选项|f102100323.70142.90279.40369.001340.009.9160230S620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