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1、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院系 *班级 *设计者 *学号 *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.
2、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
3、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，
4、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
5、.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=119
6、N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
7、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 soli
8、dworks 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= Jx = 83 kgm 2 x (6.98) /s = 580Nm图 3.6 俯仰连接 轴应力分析考虑到轴承的摩擦力矩：Mf= 0.5“Fd = 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，
