机械系统设计综合应用实例.ppt

第四章 机械系统设计第四章 机械系统设计4.7 机械系统设计综合应用实例 65米射电望远镜30m主反射面副反射面桁架修正副面的指向误差在频段L、S、C、X、Ku、Ka之间进行转换1.6吨吨4.7机械系统设计案例副面精调机构XYZ一、副面调整机构技术指标X、Y、Z 最大调整范围最大调整范围 100mm 100mmX方向旋转方向旋转+8+8度至度至-2-2度度Y方向旋转方向旋转2 2度度最大承载力最大承载力大于大于1600Kg1600KgX、Y、Z 方向平移方向平移定位精度定位精度X、Y方向旋转定位精度方向旋转定位精度 副面精调系统设计指标设计指标:1、调整范围 位移：-100mmX100mm;-100mmY100mm;-100mmZ100mm。姿态：-2X6;-2Y2;Z=02、位置精度：优于0.05mm。姿态精度：优于10角秒0.05mm=硬币厚度的1/3210角秒=秒针跳动一下转过角度的1/2160设计指标：抗风能力：20 m/s保精度工作；28 m/s可以驱动；45 m/s在收藏位置不破环。工作温度：-10+50工作湿度：5%95%下雨：雨量100 mm/h时不积水积雪：积雪20 cm不产生永久变形抗震：地面加速度：水平分量0.20 g，垂直分量0.10 g副面精调系统设计指标二、机构方案的选型与设计期望工作空间范围（满足姿态能力）基本机构参数优化流程副面精调系统结构尺寸参数优化 设计的最小工作空间（满足姿态能力）优化后实际工作空间XY视图优化后实际工作空间45视图实际工作空间与要求工作空间对比分析通过静力学计算分析，对调整机构的静态承载能力进行了验证副面精调系统静力学分析通过动力学仿真，对运动过程中调整机构各部件的受力进行了分析副面精调系统动力学分析分支杆具体结构直线运动单元球铰虎克铰分支杆结构设计三、副面精调系统结构设计连接箱体连接箱体端盖端盖蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆减速器减速器双螺母双螺母组合轴承组合轴承滚珠丝杠滚珠丝杠套筒套筒丝杠螺母丝杠螺母磁栅尺磁栅尺导向单元导向单元吊环吊环端盖端盖直线运动单元内部结构三、副面精调系统结构设计伺服电机的选型瑞诺FP0711高高动态动态响响应应实现真正无间隙转矩实现真正无间隙转矩额定功率额定功率1.92KW1.92KW特性工作温度范围-40 至+70 线圈工作温度可达150 体体积紧积紧凑凑波纹转矩降低到最小额定转矩6.10Nm减速器的选型Danabox蜗轮蜗杆减速器结构紧凑，采用高性能的聚乙二稀润滑剂，确保长寿命润滑，免维护。具有自锁性能齿隙空回小（2500N拉伸压缩载荷拉伸压缩载荷 2500N容许转速容许转速螺母的选择螺母的选择拟采用双螺母拟采用双螺母初选型号初选型号BNFN 8010-5静态安全系数静态安全系数11.3sf=N 132rpm2FFZD8010TR-6-P2/12941020磁栅尺的选型MTS RD4重复精度0.001%坚固耐用工业传感器线性测量、绝对输出分辨率0.001mm无接触测量、寿命长非线性度低于0.01%磁栅尺的选型MTS RD4温度系数15ppm/抗扰EN 50082-2放射EN 50081-1湿度/露点 90%不能结露工作温度-40 至+70 工作环境磁栅尺的选型MTS RD4直线导向单元结构图天线副面调整机构结构设计导向推杆副面精调系统关键零件强度校核对不同转角情况下虎克铰的受力变形进行了分析轴向力25000N作用下丝杠变形轴向力25000N作用下丝杠应力副面精调系统关键零件强度校核轴向力25000N作用下轴承端盖变形轴向力25000N作用下轴承端盖应力副面精调系统关键零件强度校核天线处于90时机构整体形变天线处于0时机构整体形变副面精调系统整体刚度校核系统精度的保证分支杆装配图关键精度保证：通过设计精密的定位措施，保证球铰和虎克铰中心位于各分支丝杠轴线。虎克铰减速器箱体分支杆套筒球铰四、关键性能指标的实现所选滚珠丝杠等级为C1，其运行距离误差为10m 每变动300mm误差为7m定位精度可达0.02mm。具体型号为：BNFN7010-7.5RRGT+1075C1实际型号：FFZD8010TR-6-P2/12941020磁致伸缩位移传感器具体型号：RD4MD3B1025MD70S2G821 分辨率为0.001mm，保证了各分支定位精度的测量实现。1、定位精度2、调整时间 在满足给定工作空间要求前提下，各分支最大行程为690mm，丝杠导程为10mm，减速器速比为45，为实现副面调整机构最大调整时间小于30秒，所需电机最大转速为6210rpm，而所选电机最高转速为6300rpm，故调整时间满足要求。四、关键性能指标的实现3、防护 调整机构各元器件在设计或选型时均认真考虑防护要求，注意维护的方便性，合理进行密封和防水结构设计。四、关键性能指标的实现4、安全性四、关键性能指标的实现五、副面精调系统关键零件考虑加工性能，进行虎克铰结构的再优化，设计工程图，生产出虎克铰根据设计图生产出来的套筒和滚珠丝杠五、副面精调系统关键零件装配完成的直线运动单元五、副面精调系统关键零件整体装配前对各驱动分支电气系统进行进一步调试，确保运行的稳定性。五、副面精调系统整装准备六、副面精调系统整体装配整体装配中六、副面精调系统整体装配整体装配中整体装配完成六、副面精调系统整体装配电装完成的副面调整机构电气控制系统副面精调系统电气施工 对电气系统EMC性能进行测试，以避免对天线系统信号造成干扰副面精调系统EMC测试对电气系统进行调试，以确保各项性能指标达到设计要求副面精调系统调试副面精调人机界面副面精调系统调试 上海天文台松江佘山基地现场天线副面倾斜45标定现场副面精调系统标定 为降低温度、振动对测量精度的影响，在晚上对副面调整机构进行了标定。副面精调系统标定上海佘山基地现场副面调整设备吊装副面精调系统安装 地面调试完毕后，进行设备的最终安装。此图为工人师傅正在使用600T吊车将电控柜安装在距离地面40米的馈源仓中。副面精调系统安装安装在近70米高空的副面并联调整机构副面精调系统 上海65米射电望远镜天线系统已于2012年10月28日正式落成，研发的基于Stewart并联机构的副反射面调整系统运行状况良好，完全满足高运动精度、恶劣环境适应性及工作可靠性要求。65米射电望远镜落成典礼4.7机械系统设计案例2翻转机构设计翻转机使用工况u卫星吊装上翻转支撑系统 包装箱盖处于打开状态，支撑系统适配器对接面朝上，起吊卫星落至支撑系统适配器，安装卫星与适配器连接紧固件，紧固卫星。u卫星运输工况 卫星落入包装箱内适配器后。翻转卫星90至水平状态，运输支撑系统自动锁定，处于运输状态。u卫星吊出包装箱 卫星运输完毕后，打开包装箱盖，控制自动翻转支撑系统翻转90至垂直状态，吊出卫星，完成卫星运输工作。一、自动翻转机构技术指标初初 始始竖竖直直 位位 置置旋旋转转90位位置置最终水平位置最终水平位置主要技术要求u承载要求：承载6t，自重小于3t。u安全系数：3。u翻转要求：在090之间能连续倾倒，随意可停，具备自锁功能，06/min速度分三级可调，翻转精度0.05，转动灵活、平稳，不能出现抖动和摆动现象。u尺寸约束：星体尺寸约束、包装箱尺寸约束。u柔性支撑：在运输支架上设计柔性支撑，运输过程中柔性支撑力通过远程控制端实时显示并记录存储，同时可以远程控制支撑力调节。u适配器：适配器高度350mm，适配器与支撑系统之间采用灵活连接方式，根据不同型号需要，可随时更换适配器。一、自动翻转机构技术指标刚度和强度要求u足够的刚度。在卫星垂直、水平以及翻转停放状态下，适配器法兰面的最大变形量小于0.1mm，在倾倒90后，轴线的变形应小于2。u足够的强度，以保证卫星在各项工作中安全可靠。u卫星运输过程中，结构不得出现失稳现象。u翻转机构采用消隙设计，防止由于翻转机构结构间隙引起的晃动。u根据力学分析结果，保证翻转系统外形尺寸和重量最小化。一、自动翻转机构技术指标翻转系统控制要求u在翻倒和回转操作时，应具有手动操作和电动控制两种方式，电动控制应采用有线手柄控制，控制操作应方便；在电动控制出现故障时，可采用手动操作实现相应的翻倒和回转功能，同时使用手动操作可实现翻倒和回转角度的微调。u显示屏能够显示翻转系统实时姿态信息和姿态图形示意，角度显示分辨率为0.05。u控制部分应设置过流保护、过压保护、过热保护、失控保护、故障保护、限位保护、电源缺相保护、急停保护、通讯失败保护等自动保护和报警功能，以及具有故障指示功能。u电气控制柜可根据构型需要灵活调整放置位置，可放置在包装箱内，也可单独放置在包装箱外，翻转系统需要工作时，通过连接电缆实现对翻转系统的控制。控制柜电源电缆不小于30m。一、自动翻转机构技术指标二、机构方案的选型与设计采用具有45斜面的上下两个支架，通过上旋转支架绕固定的下支架旋转180即可将卫星由水平运输姿态调整为竖直装卸姿态。反之，上旋转支架反向转动180即可将卫星由竖直装卸姿态调整为水平运输姿态。竖直装卸姿态水平运输姿态三、翻转支撑系统结构设计弹性柱销联轴器蜗杆减速机偏心盘驱动小齿轮回转支承行星减速器随动小齿轮伺服电机传动系统设计小齿轮锁紧螺母内齿圈回转支承外圈随动小齿轮回转支承布置方式三、翻转支撑系统结构设计 上平台结构方案回转支承接口适配器接口三、翻转支撑系统结构设计 三、翻转支撑系统结构设计上平台外形尺寸 下平台轴测图回转支承接口驱动轴接口固定螺栓孔随动小齿轮接口三、翻转支撑系统结构设计 2980mm 1914mm1270mm三、翻转支撑系统结构设计下平台外形尺寸 柔性支撑装置三、翻转支撑系统结构设计 弹性隔振系统u在卫星运载过程中，由于路况或其它不可预测状况，运载装置不可避免地会产生振动，这不利于设备运输。u隔振器是连接设备和基础的弹性元件，用以减少和消除由设备传递到基础的，振动力和由基础传递到设备的振动。钢丝绳隔振器45支撑板三、翻转支撑系统结构设计钢丝绳隔振系统三维示意隔振板钢丝绳隔振器三、翻转支撑系统结构设计 偏心轴套消隙法原理图由于齿侧间隙的存在，会降低传动系统的精度并对系统稳定性造成影响。鉴于此，需要对翻转机构进行消隙设计。三、翻转支撑系统结构设计传动机构偏心套筒消隙三、翻转支撑系统结构设计翻转翻转机构减速器机构减速器选型实例选型实例蜗杆减速机偏心盘驱动小齿轮回转支承行星减速器伺服电机翻转翻转机构减速器机构减速器选型实例选型实例最大旋转力矩最大旋转力矩/N.m最大倾覆力矩最大倾覆力矩/N.m负负载载功功率率/kW755151953730.13经过近似理论计算，得到下列负载参数：由于旋转平台转速低，所以电机转速不宜过大，当工作台转速0.017r/min时，选用转速为750r/min的电机，因此总传动比i=44118。根据传动比初步确定传动方案如下：伺服伺服电机机蜗杆减速杆减速器器行星减速行星减速器器转盘支承支承工作机工作机装置装置轴转矩矩T/(N.m)转速速n/(r/min)传动比比i电机机输出3.3875050025010.99 蜗杆减速器杆减速器输入3.35750500250400.6输出80.312516.6678.33310.99行星减速器行星减速器输入79.512516.6678.3332800.91输出20258.060.050.03330.01710.98齿轮减速器减速器输入19852.890.050.0170.0173.950.9输出70577.040.0160.0110.00511工作机工作机70577.040.0160.0110.005运动学和动力学参数运动学和动力学参数Back to schoolp选用原因：自锁，精度要求高；p特点：间隙小、效率高、寿命长、振动低、低噪音、低温升、外观美、结构轻小、安装方便、定位精确；p型号：FS-90-40-S1-M2（上海柯雄精密机械有限公司），具体参数见下表：中心距中心距传动比传动比输出方式输出方式额定输出转矩额定输出转矩箱体材料箱体材料质量质量90mm40实心轴350N.m铝材16kg精密蜗轮减速器选型Back to schoolp选用原因：系统减速比大，输出扭矩大，对空间与质量也有上限要求；p特点：质量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低，适应性强；p型号：P2KA9-280-V31-74*（上海恒点传动设备有限公司），参数见下表：型号型号输出方式输出方式机座机座号号公称传公称传动比动比带附件带附件74*最大输出最大输出转矩转矩质量质量效率效率P2K带收缩盘带收缩盘空心轴空心轴10280钟型罩式钟型罩式法尘输出法尘输出31kN.m227kg91%行星减速器选型转盘轴承选型p选用原因：选用内齿式转盘轴承，使得传动与支承合二为一，结构紧凑，重量轻，钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩；p型号：选用单排四点接触球式回转支承（01系列）内齿式，型号为014-45-1250-001（徐州罗特艾德回转支承）具体参数见下表。型号型号滚动体直径滚动体直径滚道中心直径滚道中心直径外径外径宽度宽度0145mm1250mm1390mm110mmBack to schoolp负载倾覆力矩195373N.m，负载轴向压力37071N。p右图曲线1为该型号转盘支承承载曲线,其中横轴表示轴向压力，纵轴表示倾覆力矩，满足负载要求；而8.8、10.9、12.9这三条曲线是对应的螺栓承载曲线，安全起见，选用10.9级的螺栓。转盘轴承承载曲线图转盘轴承选型伺服电机的选型松下MGME202G1H额定功率：2kW额定转速：1000r/min额定转矩：19.1N.m实际转速750r/min最大输出转矩44N.m精密蜗轮减速器选型FS-90-40-S1-M2额定输出转矩350N.m传动效率60%传动比40优点：间隙小、效率高、寿命长、振动低、低噪音、低温升、外观美、结构轻小、安装方便、定位精确。行星减速机选型P2KA10-280-V31-74*公称传动比为280最大输出转矩为31kN.m传动效率为91%优点：质量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低，适应性强。转盘轴承选型单排四点接触球式 014-45-1250-001内齿式转盘轴承滚道中心直径：1250mm外径：1390mm滚动体直径：45mm宽度：110mm钢丝绳隔振器选型GGT440-90型系统峰值响应频率约为11.2Hz45支承安装方式对称质心安装支撑设备重量：10T翻转机Adams仿真分析模型四、理论计算与仿真分析理论分析质心位移变化曲线四、理论计算与仿真分析仿真分析质心位移变化曲线四、理论计算与仿真分析理论分析倾覆力矩变化曲线仿真分析倾覆力矩变化曲线四、理论计算与仿真分析理论分析回转阻力矩变化曲线仿真分析回转阻力矩变化曲线 旋转90时上平台总变形旋转90时上平台应力关键部件刚度和强度分析 旋转90时下平台总变形旋转90时下平台应力关键部件刚度和强度分析旋转90时隔振底板总变形旋转90时隔振底板应力关键部件刚度和强度分析五、最终结构关键尺寸 俯视图8500mm3856mm五、最终结构关键尺寸1764mm水平位置卫星轴线到箱体底面距离五、最终结构关键尺寸 竖直位置适配器上表面到箱体底面距离1738mm五、最终结构关键尺寸卫星外表面到箱体最小距离43mm五、最终结构关键尺寸 卫星包络面到箱体内表面距离64.08mm六、电控系统设计控制系统原理框图六、电控系统设计系统配电图六、电控系统设计控制柜明细序号元件名称主要元件型号数量供货商1PLC模块6ES7216-2AD230XB81西门子2PLC模块6ES7253-0KD22-0XA83西门子3微型断路器C65ND8A/2P3施耐德4微型断路器C65NC4A/2P2施耐德5接触器LC1D09M7C3施耐德6稳压电源Smart-UPSRT5000VA1APC7伺服驱动器MDDDT55401松下8伺服驱动器附件松下9指示灯AD16-22D/23G3西门子10指示灯AD16-22D/23R3西门子11端子UK5N60凤凰12端子标记号1106凤凰13端子隔板10凤凰14端子固定件8凤凰15标记端子6凤凰16控制柜1六、电控系统设计操作台明细序号元件名称主要元件型号数量供货商1断路器C65NC16A/2P1施耐德2直流电源S-100-24V1台湾明纬3指示灯AD1622B/23*4西门子4按钮XB2-BA*6施耐德5急停按钮XB2-BS442C1施耐德6主控电脑PPC-L128T-R81触摸屏1研华7台体1国产六、电控系统设计伺服驱动与检测单元序号元件名称主要元件型号数量供货商1伺服驱动单元MGME202G1H+MFDKT55401松下2支撑电动缸V063-50P1莫琳克3角度检测单元ERN1201海德汉4支撑力检测单元MAT-TRS22日本MAT六、电控系统设计u系统上电后，进入触摸屏人机界面，根据实际需要，选择翻转机构转速。u起动翻转机构驱动电机，使其以正弦加速达到设定速度开始翻转运动,且触摸屏显示翻转系统实时姿态信息和姿态图形示意。u运动过程中，可通过触摸屏相应按键实现随时停车，并将停车信号作为触发信号，记录编码器的位置信息，保存，并显示在触摸屏上。u卫星翻转至水平状态后，翻转支撑系统断电并自动锁定，同时启动柔性支撑系统，为卫星提供500-5000N(力的范围可根据实际情况进行调节)的辅助支撑力，卫星处于运输状态。u卫星运输完毕后，打开包装箱盖，翻转机构开始反行程运动，卫星翻转至垂直状态后，吊出卫星，完成卫星运输工作。控制流程作业：1.设计一移动工作台的机械系统，简述其各组成部分及工作 原理。2.简述幅面调整机构分支杆的结构组成及功能实现原理。作业提交截至日期：下周一