机械系统设计综合应用实例PPT课件.ppt

第四章机械系统设计 机电一体化系统设计 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 4 7机械系统设计案例 副面精调机构 X Y Z 一 副面调整机构技术指标 副面精调系统设计指标 设计指标 1 调整范围位移 100mm X 100mm 100mm Y 100mm 100mm Z 100mm 姿态 2 X 6 2 Y 2 Z 0 2 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 32 10角秒 秒针跳动一下转过角度的1 2160 设计指标 抗风能力 20m s保精度工作 28m s可以驱动 45m 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100mm h时不积水积雪 积雪20cm不产生永久变形抗震 地面加速度 水平分量0 20g 垂直分量0 10g 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 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 特性 工作温度范围 40 至 70 线圈工作温度可达150 体积紧凑 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 1arcminutes 滚轴丝杠副的初选 THKBNFN8010 5 N 132rpm 2 FFZD8010TR 6 P2 1294 1020 磁栅尺的选型 MTSRD4 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 MTSRD4 温度系数 15ppm 抗扰EN50082 2 放射EN50081 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 MTSRD4 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 10 m每变动300mm误差为7 m定位精度可达0 02mm 具体型号为 BNFN7010 7 5RRGT 1075C1实际型号 FFZD8010TR 6 P2 1294 1020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 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 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 初始竖直位置 旋转90 位置 最终水平位置 主要技术要求承载要求 承载6t 自重小于3t 安全系数 3 翻转要求 在0 90 之间能连续倾倒 随意可停 具备自锁功能 0 6 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 尺寸约束 星体尺寸约束 包装箱尺寸约束 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 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 足够的强度 以保证卫星在各项工作中安全可靠 卫星运输过程中 结构不得出现失稳现象 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 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 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 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 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 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 1914mm 1270mm 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 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 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 翻转机构减速器选型实例 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 翻转机构减速器选型实例 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 运动学和动力学参数 Backtoschool 选用原因 自锁 精度要求高 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 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 精密蜗轮减速器选型 Backtoschool 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 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 型号 P2KA9 280 V31 74 上海恒点传动设备有限公司 参数见下表 行星减速器选型 转盘轴承选型 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 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 Backtoschool 负载倾覆力矩195373N m 负载轴向压力37071N 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 2Hz 45 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