綜合課程設計=2\*ROMANII項目總結報告題目：單軸速率轉臺機械臺體設計院（系）機電工程學院專業(yè)機械設計制造自動化學生學號班號指導教師填報日期2013.12.05哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院制2013年12月目錄第1章 轉臺方案擬定 2第2章 軸承選擇 32.1 軸承的選型 32.2 軸承跨距的計算 32.3 軸承的預緊 3第3章 測角元件的選擇與計算 43.1 光電碼盤的選型 43.2 光電碼盤的設計 4第4章 載荷計算 5第5章 電機選取與計算 6第6章 機械結構設計 76.1 軸系部件的設計 76.2軸上其他零部件的設計 106.3 框架設計 11參考文獻 12第1章 轉臺方案擬定轉臺即旋轉平臺，是用于測控系統(tǒng)元件標校試驗的基礎平臺，位置、速率、加速度可控，可以實現(xiàn)位置、速率、加速度等試驗。由于被測對象千差萬別，測試條件也各有不同，故雖然市場上已有相對成熟的轉臺產品，但很多情況下專用的測試轉臺還需要專門設計。而單軸轉臺是一個單軸方位旋轉機構，是一種重要的轉角測試設備，可用于光電跟蹤裝置的動態(tài)角跟蹤性能的檢測，以及慣性導航系統(tǒng)和慣性元件的檢定、標定。其按驅動方式可分為手動和電動兩種，在電動的形式下又有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，目前單軸轉臺的轉角精度可達到1角秒。結合本課題設計，進一步掌握如下內容：（1）掌握機械系統(tǒng)的組成規(guī)律、設計原則、設計步驟（過程）、設計內容和方法；（2）利用以前學到的有關的基礎知識，根據(jù)特定的功能來設計機械系統(tǒng)。任務要求設計分度刻線轉臺，轉臺水平旋轉，主軸由交流力矩電機直接驅動，轉臺結構主要由主軸、電機、光電編碼器、轉臺臺面以及底座等組成。轉臺直接與主軸相連，由力矩電機直接驅動，通過軸承座將主軸與殼體的連接傳遞基準，安裝光電編碼器，最后將所有結構部件連接在基座上。轉臺的草圖如下：圖1-1第2章 軸承選擇 轉臺軸承在安裝時一般給予一定的軸向預緊力，使內外圈產生相對位移，從而消除游隙，并在套圈和滾動體接觸處產生彈性預變形，以此來提高軸承的旋轉精度和剛度。預緊力可以利用金屬墊片或者調整螺母來實現(xiàn)2.1 軸承的選型 為了保證跨距要求和轉臺的穩(wěn)定性，軸承選擇角接觸球軸承并背靠背布置。由相應的安裝尺寸可知軸承的型號，兩個球軸承的型號分別為7218C和7220C，內徑分別為90mm和100mm。2.2 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》表6-2可知其徑向跳動為，故可求得其要求跨距為背靠背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所以，有結構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。由于設計對負載要求較小，故不需要校核軸和軸承的剛度和壽命，滿足設計要求。2.3 軸承的預緊 軸承安裝在軸承座孔中之后，軸承內圈靠鎖緊螺母進行預緊，螺母自行設計，厚度為8mm；軸承外圈由軸承端蓋進行預緊，為了便于后續(xù)調整，在端蓋和外圈之間安裝一個彈簧墊圈，保證軸承的正常工作和精度要求。第3章 測角元件的選擇與計算3.1 光電碼盤的選型 光電編碼器是一種回轉式數(shù)字測量元件，將測得的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式的數(shù)字信號輸出。因此光電碼盤可分為增量式和絕對式。增量式碼盤的輸出信號經過處理后的數(shù)碼表示相對某個基準點的相對轉角，即對于這和基準位置碼盤所增的角度測量，它用于測量轉速非常方便。絕對式碼盤的輸出信號經處理后的二進制數(shù)碼就表示碼盤所在點的絕對角位置，比較適合做角位置控制系統(tǒng)的傳感器。任務要求設計刻度標定轉臺，故選擇絕對式碼盤。3.2 光電碼盤的設計任務要求，轉臺的角位置精度和角位置重復精度均優(yōu)于0.05°，經過換算，其精度為根據(jù)三分之一精度的原則，只要選擇精度達到60秒的碼盤即可。計算表明，對精度要求不是很高，綜合設計成本，選擇原RCN系列碼盤。通過對比精度選擇，選擇選RON786增量式角度光電碼盤，其具體結構形式及安裝形式如下圖所示：由圖易知，編碼器的轉子可以通過catch連接在軸上，也可以通過鎖緊螺母直接固定在軸上，為了便于安裝和拆卸，選用鎖緊螺母的形式將轉子固定在軸上，通過內六角圓螺釘將外圈連接在碼盤機座上，機座和下軸承座公用一個安裝基準面，以保證定位的準確，減少誤差。第4章 載荷計算由第一步設計知，除去負載，并使軸變成實心軸后，并加上軸承的內外圈尺寸進行簡單的Solidworks建模，估算放大后的轉臺的最大轉動慣量。軸的材料為45鋼，取密度為，求得軸的轉動慣量負載經過建模分析后可得轉動慣量為 綜上，總的轉動慣量約等于第5章 電機選取與計算機構所需電機提供轉矩為設計要求轉矩較小，為了滿足裝置的穩(wěn)定性要求和硬件安裝尺寸，自主設計電機。具體尺寸見圖。 此電機提供力矩為滿足設計要求。第6章 機械結構設計6.1 軸系部件的設計軸系是實現(xiàn)轉臺各零部件有機聯(lián)系的關鍵，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運動。軸系由軸、軸承、連接機構等組成。軸由兩個背靠背角接觸軸承支撐，軸上還連接電機轉子和其他連接機構。6.1.1 轉臺設計根據(jù)題目條件，轉臺臺面尺寸為，鑒于方便安裝和余量保留的原則，設計實心轉臺，材料選取45，其厚度應該根據(jù)負載最大形狀最不理想時轉臺邊緣的撓度小于要求的臺面跳動來估計。由于題目所要求轉臺對負載沒有特殊要求，故根據(jù)經驗設計臺面的厚度為。圖6-1-1QUOTE6.1.2 軸徑的估算軸是轉臺正常運行的關鍵零件。它的軸徑限制因素主要有兩個方面：機器處于最大加速度狀態(tài)時，它的扭轉量小于定位精度，且不會因為剪切力造成剪切破壞。這里，軸雖然也要受到靜載荷帶來的正壓力，但其數(shù)量級遠遠小于剪切力，故忽略不計。由于軸是連續(xù)旋轉，故采用空心軸，方便線路布置，并初取空心率。（1）根據(jù)軸的扭轉量小于定位精度估計軸頸 假設載荷為，依舊按照載荷最不理想的分布，即質量全部集中在邊緣的環(huán)狀結構來計算。則其轉動慣量為：當角加速度最大時，扭矩為式中 ——轉臺最大角加速度，為10°/s2在這個扭矩下，要求軸的角變形小于定位精度的，即式中： ——Pa； ——軸的長度，預估； ——則又有取=0.17m=170mm（2）根據(jù)軸在動載作用下不能被剪斷估計軸頸式中： ——扭矩，； ——材料許用切應力，取MPa，為安全系數(shù)故取 可以看出，兩種情況下軸頸的大小差異很大。為了保證結構的穩(wěn)定性，設計（2）必須保證。同時，由于本設計的精度要求較高，故而設計（1）也應該在軸的大部分甚至全部結構中體現(xiàn)。綜合考慮，由于負載較小，轉臺只對旋轉角度有精確要求，故粗取轉臺最大直徑為，為了配合安裝軸承和滿足轉臺豎直工作的要求，軸設計為順階梯狀結構，具體結構形式如下圖所示：第一段軸徑安裝轉臺和軸承端蓋，直徑為100mm,長度為35mm；第二段軸徑安裝角接觸球軸承，并為安裝電機騰出相應的空間。直徑為軸承直徑80mm，長度為67mm；第三段軸徑安裝交流直驅轉矩電機，為了實現(xiàn)電機的軸向定位，軸段加工成帶有莫氏錐度的圓臺，長度為60mm；第四段軸徑安裝角接觸球軸承和相應的預緊螺母，以及下軸承端蓋。直徑為軸承直徑70mm，長度為110mm；第五段軸徑安裝編碼器，根據(jù)精度要求計算選擇確定，并加工軸肩實現(xiàn)編碼器的軸向定位，其直徑為60mm，長度為60mm。6.2軸上其他零部件的設計軸系部件除軸外還有軸承、軸承端蓋、軸承預緊的調整墊片等，這里軸承、調整墊片為標準件，選擇即可，軸承端蓋需要設計。軸承端蓋將軸承外圈預緊在床身上，其具體結構形式如下：圖6-2螺紋孔為直徑的螺栓孔，均分分布在四周。后蓋為了加工沉頭螺釘孔，為15mm，其余部分厚度均為10mm。框架設計框架是轉臺的關鍵零件，提高其力學性能對系統(tǒng)的精度具有重要的意義。轉臺的床身殼體負責支撐軸承座和為機座和編碼器機座傳遞定位基準，其基本外形如下：圖6-3-1轉臺的機座支撐整個機身，為了保證其支撐剛度，壁厚設計為30mm，在底部法蘭結構處設計六個的地腳螺栓