智能諧波促動器的設(shè)計【含9張CAD圖紙、SW三維模型和說明書】
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畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
填表時間： 年 3 月 5 日 （指導(dǎo)教師填表）
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
指導(dǎo)教師
課題類型
科研
題目
智能諧波促動器的設(shè)計
主要研究
目標(biāo)
(或研
究內(nèi)容)
研究內(nèi)容：
1.技術(shù)領(lǐng)域:本裝置涉及到一種新型電動執(zhí)行器，尤其涉及大型射電望遠鏡主反射面主動調(diào)整系統(tǒng)中使用的專用電動執(zhí)行器，屬電動執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域。
2.背景技術(shù):大型射電望遠鏡由于自身重量及風(fēng)載的影響，其主反射面會偏離標(biāo)準(zhǔn)拋物面形狀，這會嚴(yán)重降低射電望遠鏡的效率，其高頻效率更會衰減5倍以上。為了提高其高頻工作效率，需要將其主反射面切割成許多小塊，每一塊由一臺電動執(zhí)行器控制，利用電動執(zhí)行器的主動運動來補償主反射面的變形量，這種技術(shù)稱之為主反射面主動調(diào)整技術(shù)。該系統(tǒng)的核心就是主反射面主動調(diào)整用電動執(zhí)行器，與其他電動執(zhí)行器相比其具有以下特點：1.功率重量比大；2. 定位精度高；3. 承受側(cè)向力 4.可靠性高；5. 防水防塵 6. 防電磁輻射；7.掉電可自鎖；8.能通過現(xiàn)場總線控制。由于國內(nèi)現(xiàn)有電動執(zhí)行器無法滿足上述設(shè)計要求，因此有必要重新設(shè)計一臺射電望遠鏡主反射面主動調(diào)整用電動執(zhí)行器。
新型電動執(zhí)行器的設(shè)計實踐是鞏固和深化大學(xué)生所學(xué)知識，提高他們理論綜合分析和設(shè)計能力的一種行之有效的方法。通過設(shè)計可以培養(yǎng)學(xué)生在工程設(shè)計中包括結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)擬定、傳動設(shè)計、強度計算等能力。
3. 傳動器技術(shù)要求：
a) 傳動形式：直線式
b) 有效行程：60 mm
c) 最大行程：60 mm
d) 額定出力（N）：2400
e) 額定速度（mm/sec）：0.5
f) 定位精度（mm）：≤±0.03（負(fù)載不變的情況下）
g) 內(nèi)部防轉(zhuǎn)機構(gòu)：有
h) 防護等級：IP67
i) 使用溫度范圍（℃）：-40 - +60
j) 抗側(cè)向負(fù)載能力（N）：≥5700
k) 垂直破壞負(fù)載力（N）：≥8,000
課題要求、主要任務(wù)及數(shù)量（指圖紙規(guī)格、張數(shù)，說明書頁數(shù)、論文字?jǐn)?shù)等）
目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生具有獨立完成較復(fù)雜的電動傳動器的能力。
要求：
1. 分析題目和設(shè)計技術(shù)要求，查閱18篇以上的相關(guān)文獻資料。
2. 圖紙量不少于3張A0（至少1張中等難度的計算機繪圖、1號圖幅量的手工繪圖）裝配和零件圖總量。驗算設(shè)計參數(shù)并進行主要有零部件的強度校核；
3. 英文翻譯一篇、撰寫12000字的畢業(yè)設(shè)計論文、開題報告各一份。
進度計劃
第3周 ~ 第 5周 查閱資料，撰寫開題報告
第 6周 ~ 第11周 進行結(jié)構(gòu)分析，確定設(shè)計方案；對傳動系統(tǒng)進行設(shè)計、計算，并對重要零部件進行安全與疲勞校核，最后繪制傳動器零件圖及裝配圖。
第12周 ~ 第14周 完善設(shè)計，審查圖紙，翻譯外文文獻，寫設(shè)計說明書(論文)，寫中文摘要并翻譯。
第15周 畢業(yè)設(shè)計論文定稿，打印。
第16～17周：答辯。
主要參
考文獻
1） 機械設(shè)計課程設(shè)計 于惠力等 科學(xué)出版社，2007?
2) 機械設(shè)計課程設(shè)計 楊光等 高等教育出版社 2010
3) 簡明機械設(shè)計手冊 宋寶玉等 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2008?
4) 機械設(shè)計手冊．第3卷：機械零部件設(shè)計(軸系、支承與其他),?機械工業(yè)出版社，2010
5) 機械設(shè)計手冊：單行本．減速器和變速器 機械設(shè)計手冊編委會[編]?機械工業(yè)出版社，2007
6) 機械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 向敬忠等 化學(xué)工業(yè)出版社 2009?
7) 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 張龍 國防工業(yè)出版社，2006
8) 機械原理 （第六版）孫桓主編，北京：高等教育出版社， 2001年
）機械設(shè)計課程設(shè)計
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于惠力
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等
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科學(xué)出版社，
2007?
機械設(shè)計課程設(shè)計
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楊光
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等
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高等教育出版社
,?2010
指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字：
年 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）
題 目 智能諧波促動器的設(shè)計
姓 名
院 （部）
專 業(yè)
指導(dǎo)教師
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
院（部）：機械工程學(xué)院 年 4 月 18 日 （學(xué)生填表）
課題名稱
智能諧波促動器的設(shè)計
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
課題類型
工程設(shè)計
指導(dǎo)教師
職稱
課題來源
科研
一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義
1933年美國貝爾實驗室的卡爾央斯基意外發(fā)現(xiàn)來自銀河系中心的穩(wěn)定的電磁輻射，從此誕生了的射電望遠鏡。1993年國際無線電科技聯(lián)合會在日本東京召開，中、澳、加、法、德、美等國射電文學(xué)家聯(lián)合建議籌建面積為一平方公里的大射電望遠鏡，其后多國積極開展這方面研究。1994年起中國天文學(xué)家提出建造具有主動反射面的500m口徑球反射面望遠鏡\FAST，2012年10月28日在上海天文臺松江佘山建成65m口徑的全方位轉(zhuǎn)動大型射電望遠鏡。英國76m射電望遠鏡，澳大利亞64m射電望遠鏡，德國100m射電望遠鏡，美國110m射電望遠鏡等目前最大的是美國305m的阿雷西沃射電望遠鏡，為了滿足科技的需求，反射面越來越大，大型射電望遠鏡由于自身重量及風(fēng)載的影響，其主反射面會偏離標(biāo)準(zhǔn)拋物面形狀，這會嚴(yán)重降低射電望遠鏡的效率，其高頻效率更會衰減5倍以上。為了提高其高頻工作效率，需要將其主反射面切割成許多小塊，每一塊由一臺電動執(zhí)行器控制，利用電動執(zhí)行器的主動運動來補償主反射面的變形量，這種技術(shù)稱之為主反射面主動調(diào)整技術(shù)。
位于美國佛吉尼亞州的 GBT 射電望遠鏡是目前世界上最大的單體可動射電望遠鏡，天線的反射面直徑 100m，是從直徑 208m 的旋轉(zhuǎn)拋物面上截取的。天線全部結(jié)構(gòu)質(zhì)量為 7856噸，其中反射體結(jié)構(gòu)約 5000噸，整個反射面由 2004 片鋁板拼接而成，單板精度 0.068mm，整面精度 0.39mm。它采用了無遮擋偏饋設(shè)計和反射面主動調(diào)整技術(shù)，天線工作在 5GHz 時口徑效率為 70%，22GHz 時口徑效率為 62%，43GHz 時為 44%。它不僅是目前世界上最大的單體可動射電望遠鏡，也是技術(shù)設(shè)計上最為先進的射電望遠鏡。 與美國 GBT比德國的 Effelsberg 射電望遠鏡直徑也達到 100m，但是因為沒有使用偏饋、主動面調(diào)整等技術(shù)，其在 43GHz 時的口徑效率為 23%，與美國GBT有較大差距。 可見，主動面調(diào)整技術(shù)在射電望遠鏡領(lǐng)域具有非常重要的意義，受此影響目前意大利正在修建同樣采用了主動面系統(tǒng)的直徑 64m 的射電望遠鏡。 射電望遠鏡的口徑越來越大，天線結(jié)構(gòu)收到重力、溫度的影響，發(fā)生一定的變形，而隨著望遠鏡工作波長的縮短，變形對接收效率的影響會愈加明顯。此時，僅僅依靠保形技術(shù)已經(jīng)無法保證射電望遠鏡天線的工作效率，必須調(diào)整反射面的形狀，使之與理想形狀相吻合，才可以滿足電性能指標(biāo)的要求。
自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一臺電動執(zhí)行機構(gòu)以來,國際上電動執(zhí)行器技術(shù)水平發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代起,國外相繼推出了符合各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行器,在工業(yè)現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果。由于高新技術(shù)的迅猛發(fā)展,目前國外己開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品,電子計算機技術(shù)、微機控制技術(shù)己在閥門設(shè)計中得到支持多種現(xiàn)場總線的功能,而且其獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設(shè)定使它可用在任何環(huán)境中,防水防暴,終身可靠,調(diào)試及故障排除簡單。德國Hartmann&Braum公司新一代產(chǎn)品智能電動執(zhí)行器MOE700實現(xiàn)了智能式電子一體化,變頻變速定位監(jiān)控等功能。代表著該領(lǐng)域的世界先進水平的公司還有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等幾家國外著名的公司。JORDAN公司的智能電動執(zhí)行器突出特點是動作頻率高,其動作頻率是2000~4000/h,而國內(nèi)的電動執(zhí)行器動作頻率在2000/h以下,一般動作頻率達到1200/h就是很高的了?？傊?國際上智能電動執(zhí)行器有以下特點:
(1) 智能通信,智能控制智能電動執(zhí)行器利用微機技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù),實現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能,有效提高控制水平。
(2) 機電一體化新型智能化電動執(zhí)行機構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)合為一體,驅(qū)動電路應(yīng)用功能強大的集成模塊,結(jié)構(gòu)簡單,控制性能好。
(3) 控制策略更為先進先進的控制方法有利于解決電機的慣性問題,實現(xiàn)準(zhǔn)確定位,提高控制精度。Nucom電動執(zhí)行器利用先進的電制動技術(shù),控制精度可達1/250,國產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動執(zhí)行器控制精度一般為2.5/100。
我國電動執(zhí)行器的研制起步較晚,是從蘇聯(lián)有觸點的執(zhí)行機構(gòu)進行仿制開始的,60年代末、70年代初,逐步發(fā)展了DDZ-II型和DDZ-III型產(chǎn)品[1]。80年代以來,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電動執(zhí)行器發(fā)展快速,無觸點的DKJ型角行程和DKZ型直行程電動執(zhí)行機構(gòu)兩大類產(chǎn)品進入市場,DKJ、DKZ是我國最早的、唯一生產(chǎn)的電動執(zhí)行器,此產(chǎn)品以結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用等優(yōu)點被最早的國營大型企業(yè)使用。隨著現(xiàn)代工控計算機管理的發(fā)展,目前我國儀器儀表行業(yè)整體綜合技術(shù)水平普遍上升,微電子技術(shù)和計算機技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用,多數(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了智能化。今天,DKJ、DKZ系列與以前相比有了兩大實質(zhì)性改進:(1)生產(chǎn)出直接受計算機控制的智能電子型、戶外型、隔爆型等改進型產(chǎn)品;(2)將電路控制部分灌封在一個小型塑料盒中,即模塊,形成了便于維護的即插即用型。因此,普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、負(fù)載能力、信號品質(zhì)系數(shù)等性能有了很大提高,而且對環(huán)境條件的要求降低了很多，智能型的電動執(zhí)行器實現(xiàn)了智能控制、防護等級高、控制精度較高、重量輕、穩(wěn)定性好的功能。但是國內(nèi)的許多智能電動執(zhí)行器是引用國外先進技術(shù)生產(chǎn)制造的,如天津市龍城自動化儀表有限公司生產(chǎn)制造的SH系列智能型電動執(zhí)行機構(gòu)采用了法國新一代先進技術(shù)。因此與國際上先
進的智能促動器相比，現(xiàn)有的國產(chǎn)促動器機構(gòu)仍存在著控制方式落后，可靠性不高的特點。
隨著各種過程控制要求的不斷提高,電動執(zhí)行器必須提高控制性能,才能真正提高自動控制水平。
促動器單體
促動器安裝現(xiàn)場
二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題
實現(xiàn)天線反射面面板調(diào)節(jié)的機械執(zhí)行器即促動器，是有箱體、蝸輪蝸桿副、滾珠絲杠副、法蘭、步進電機等元件組成。
1.動力元件的選擇
美國GBT 目前仍然使用開環(huán)方式控制主動面系統(tǒng)，即預(yù)先計算好各個角度時所有促動器位置，運行的過程中主動面系統(tǒng)的主控計算機接收射電望遠鏡主控計算機發(fā)送的俯仰角度指令信息，讀取預(yù)先保存的促動器指令位置，控制促動器運動到預(yù)定位置。GBT 的促動器使用直流電刷電機驅(qū)動促動器，并且在促動器上安裝 LVDT來測量促動器的位置，并且開發(fā)相應(yīng)的控制器安裝在促動器上。這樣做可以做到整套系統(tǒng)都由用戶來開發(fā)，可定制性強，但是缺點也是顯而易見的。因為直流電機沒有使用無刷電機，因此電磁兼容性較差。而且部件較多，開發(fā)周期長，在使用之前需要對各個部件進行各方面測試，在使用過程中也會因為部件較多造成可靠性降低，可維護性變差，這對于安裝在高空的促動器來說是比較大的缺陷。所以要使用性能好的步進電機 步進電機在構(gòu)造上有三種主要類型反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，保可靠性難證。永磁式：永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）?；旌鲜剑夯旌鲜讲竭M電機綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。經(jīng)過計算查詢選用的智能步進電機型號是STM23S/Q-3輸出的最大轉(zhuǎn)矩是1.5N.M是一款可編程集成式步進電機，性能見資料。
2.減速器的選擇
減速器是一種動力傳達機構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到大轉(zhuǎn)矩的機構(gòu)。一般減速器有斜齒輪減速器、渦輪減速器、錐齒輪減速器行星輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、諧波減速器減速器等。
國內(nèi)外減速器的種類雖然很多,但普通圓柱齒輪減速器的體積大,結(jié)構(gòu)笨重。
普通的蝸輪減速器在傳遞大傳動比時,效率較低。現(xiàn)有的機械減速裝置其主要的
傳力構(gòu)件為齒輪、蝸輪等,由于這種傳力構(gòu)件在工作過程中,傳力的接觸部分只是
局部的齒廓,而絕大多數(shù)處于不傳力狀態(tài),因此普通減速器的性能已不能滿足現(xiàn)
代工業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)外動力齒輪傳動正沿著小型化、高速化、標(biāo)準(zhǔn)化、小振動、
低噪聲的方向發(fā)展諧波傳動是五十年代中期隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在薄殼彈
性變形的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動。較一般齒輪傳動具有運動精度
高、虛動量小、傳動比大、重量輕、體積小、承載能力大、并能在高真空和介質(zhì)
輻射的空間正常工作等優(yōu)點。1運動精度高:由于諧波齒輪傳動是多齒嚙合,并且
嚙合區(qū)在徑向方向?qū)ΨQ分布,誤差有相互補償和消減的作用,因而傳動裝置的運
動誤差小于剛輪(或柔輪)的運動誤差，當(dāng)諧波齒輪傳動的元件與普通齒輪傳動的
元件具有相同的制造精度時,諧波齒輪傳動的精度較普通齒輪傳動的精度高2傳
動比大、變化范圍廣:一般單級諧波齒輪傳動,其速比范圍為50一500,當(dāng)采用行
星式波發(fā)生器時為150一400若采用復(fù)波傳動則可達1.6X10’。3重量輕、體積
小、結(jié)構(gòu)簡單、零件少:與普通齒輪減速器相比,在滿足同樣運動要求和傳遞同樣
載荷的情況下,零件的數(shù)目大量減少,體積和重量大幅度下降。如國外為代替火箭。
火箭伺服傳動系統(tǒng)中的液壓傳動裝置,而研制的諧波馬達減速器,其體積和重量較原來竟降低10倍左右。我所為射電望遠鏡設(shè)計的復(fù)波諧波齒輪傳動裝置,較同功能的齒輪或蝸輪傳動,重量也將減小4一5倍。在材料機械性能相同,傳動比相同的情況下,承載能力較一般傳動顯著提高。因在嚙合中,相對速度比較小,所以輪齒上允許的工作載荷可以接近于輪齒的靜態(tài)強度載荷。在許多情況下,允許的靜態(tài)過載超過計算載荷近10倍左右經(jīng)計算選擇諧波減速器型號：XSF-80-66-00，速比是66
3. 制動器的選擇
制動器（brake?staff）是具有使運動部件（或運動機械）減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)等功能的裝置。制動能量傳輸方式：制動系統(tǒng)可分為機械式、液壓式、氣壓式、電磁式等多種。同時采用兩種以上傳能方式的制動系稱為組合式制動系統(tǒng)。結(jié)合設(shè)計內(nèi)容是斷電制動，因此選用電磁式，制動器選擇型號是SBR-60-127EZ，最大制動扭矩是2N.M。
4.進給傳動系統(tǒng)選用滾珠絲杠副，
滾珠絲杠副又名滾珠絲桿副、滾珠螺桿副。是由絲杠及螺母二個配套組成的。是目前傳動機械中精度最高也是最常用的傳動裝置。特點是：?高精度的保證、微進給可能、無側(cè)隙、剛性高、高速進給可能、循環(huán)方式。
5.系統(tǒng)的誤差分析
1）步進電機的誤差
機械式微位移促動器采用的步進電機的步距角為1.8°,折算到位移輸出端的位移為4.6 nm。在實際控制中,需整化運行步數(shù),由此引入的是1/2步距角的誤差,折算到位移輸出端的位移誤差為2.3 nm。步進電機不產(chǎn)生累積誤差,假設(shè)步距角誤差為5%,則實際上由整化誤差和步距角誤差兩項綜合的誤差ΔM也不超過3 nm。
2）滾珠絲杠的誤差
滾珠絲桿的傳動誤差為8μm,這是影響微位移促動器傳動精度最主要的因素。實際上如果不能校正滾珠絲桿的傳動誤差,機械式微位移促動器對LAMOST項目是沒有實用價值的。對于開環(huán)控制的精密傳動,絲桿傳動誤差通常采用軟件查表進行校正的方法,機械式微位移促動器也是采用了這種方法,實測中發(fā)現(xiàn)校正效果很好。
3） 諧波減速器的誤差
諧波齒輪減速器誤差的傳動誤差為13′,折算到輸出端相當(dāng)于輸出誤差ΔX為602 nm。諧波齒輪減速器傳動誤差中的高頻誤差幾乎占了50%,這對開環(huán)控制十分有利,這是因為一般機械結(jié)構(gòu)普遍具有通低頻、阻高頻的特點。 綜上所述該機械式微位移促動器機構(gòu)的誤差Δe(RMS)為:Δe= ±ΔM32+ΔX32+ΔS32= ± 207 nm理論設(shè)計結(jié)果表明,該設(shè)計方案滿足。與其他電動執(zhí)行器相比其具有以下特點：1.功率重量比大；2. 定位精度高；3. 承受側(cè)向力 4.可靠性高；5. 防水防塵 6. 防電磁輻射；7.掉電可自鎖；8.能通過現(xiàn)場總線控制
三、研究步驟、方法及措施
1.研究步驟
1）通過相關(guān)科學(xué)文獻了解國內(nèi)外諧波減速器的發(fā)展情況，研究情況。
2 ) 到售賣該零件店面實際察看進行結(jié)構(gòu)分析
3）結(jié)合所有資料進行科學(xué)分析計算，進而設(shè)計繪圖
4）進行改進、論證、實驗可行性。
2、研究方法
1）調(diào)查法
2）觀察法
3）文獻研究法
4）描述性研究法
5）經(jīng)驗總結(jié)法
四、研究工作進度
第3周 ~ 第 5周 查閱資料，撰寫開題報告
第6周 ~ 第11周 進行結(jié)構(gòu)分析，確定設(shè)計方案；對傳動系統(tǒng)進行設(shè)計、計 算，并對重要零部件進行安全與疲勞校核，最后繪制傳動器零件圖及裝配圖。
第12周 ~ 第14周 完善設(shè)計，審查圖紙，翻譯外文文獻，寫設(shè)計說明書(論文)，寫中文摘要并翻譯。
第15周 畢業(yè)設(shè)計論文定稿，打印。
第16～17周： 答辯。
五、主要參考文獻
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教學(xué)系意見
系主任簽字： 年 月 日
智能諧波促動器
摘 要
大型射電望遠鏡由于自身重量及風(fēng)載的影響，其主反射面會偏離標(biāo)準(zhǔn)拋物面形狀，這會嚴(yán)重降低射電望遠鏡的效率。需要將其主反射面切割成許多小塊，每一塊由一臺促動器調(diào)節(jié)。首先對工作環(huán)境進行分析，確定促動器的基本規(guī)格。促動器要安裝在型面保持架上，所以要保證體積小結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；一般都在露天洼地潮濕環(huán)境所以要防水防塵防腐蝕；一般調(diào)節(jié)量都比較微小，要求調(diào)節(jié)精度高可靠性強；要很多臺促動器同時協(xié)同工作，需要能夠是與微機連接進行總線控制，除此以外還要能夠斷電制動。因此確定促動器基本構(gòu)件是步進電機、制動器、圓柱直齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠副和電動缸體。與其他電動執(zhí)行器相比其具有以下特點：1.功率重量比大；2. 定位精度高；3. 承受側(cè)向力 4.可靠性高；5. 防水防塵 6. 防電磁輻射；7.掉電可自鎖；8.能通過現(xiàn)場總線控制
關(guān)鍵詞：射電望遠鏡，諧波減速器，促動器，智能
Intelligent Harmonic Actuators
ABSTRACT
Large radio telescope due to its own weight and wind load influence, its main reflector deviate from standard parabolic shape, which would seriously reduce the efficiency of the radio telescope. It needs to be the main reflector surface into many small pieces, each one by a actuator adjustment. First, the work environment is analyzed to determine the basic specifications of the actuator. The actuator mounted on the type of surface to the cage, so make sure the structure is compact small size, light weight; usually in open lowland humid environment so waterproof and dustproof anti-corrosion; general adjustment amount are relatively small, it requires high precision adjustment reliability; for a lot of desk work while the actuator, the computer needs to be able to connect with the bus control, in addition also be able to power brake. Therefore, the basic building blocks to determine the actuator is a stepping motor, brake, spur gear, harmonic reducer, ball screw and electric cylinder. Having the following characteristics compared with other electric actuator which: 1 power to weight ratio; 2 high positioning accuracy; 3 to withstand lateral forces 4. High reliability; 5Waterproof and dustproof 6. waterproof and dustproof anti-electromagnetic radiation; 7.... Power-down self-locking; 8 through fieldbus control
Keywords: radio telescope, harmonic reducer, actuators, intelligent
6
目 錄
前 言 1
第1章 緒論 2
1.1 智能促動器的研究動態(tài)及選題意義 2
1.1.1 研究背景 2
1.1.2 國內(nèi)外動態(tài) 3
1.1.3 促動器研究的意義 5
第2章 促動器方案的選擇 7
2.1 方案設(shè)計 7
2.2 主要元件的選擇 7
2.2.1動力元件的選擇 6
2.2.2減速元件的選擇 8
2.2.3進給傳動元件的選擇 9
2.2.4制動元件的選擇 9
第3章 步進電機的設(shè)計和計算 11
3.1 步進電機概況 11
3.1.1 步進電機背景介紹 11
3.1.2 步進電機工作特點 11
3.2 步進電機的選擇 12
3.2.1 步進電機選擇原則 12
3.2.2 步進電機的數(shù)據(jù)計算 13
第4章 滾珠絲杠副的設(shè)計計算 16
4.1 滾珠絲杠副設(shè)計計算步驟 16
4.1.1 計算滾珠絲杠導(dǎo)程 16
4.1.2 滾珠絲杠副的載荷和轉(zhuǎn)速設(shè)計 16
4.1.3計算滾珠絲杠底徑 18
4.1.4 計算滾珠絲杠的規(guī)格型號 18
4.1.5 計算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值 19
4.1.6 絲杠的剛度校核和精度 20
4.1.7 滾珠絲杠副臨界載荷的校核 20
4.1.8 校核極限轉(zhuǎn)速 20
第5章 齒輪的設(shè)計與校核 21
5.1 選擇齒輪類型 21
5.2 按齒面接觸強度設(shè)計 21
5.2.1 確定使用參數(shù) 21
5.2.2 計算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩 21
5.2.3 計算小齒輪分度圓直徑 22
5.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 23
5.3.1 確定計算參數(shù) 23
5.3.2 幾何尺寸 24
5.3.3 齒輪寬度 24
第6章 軸的設(shè)計與校核 25
6.1 軸的最小軸徑計算 25
6.2 軸的計算與校核 25
6.2.1 輸入軸的設(shè)計和計算 25
6.2.2 輸入軸的校核 26
6.3 軸承的計算和校核 27
結(jié) 論 29
謝 辭 30
參考文獻 31
外文資料翻譯 32
前 言
1928年美國的卡爾央基做出了世界第一架射電望遠鏡，并與1933年發(fā)現(xiàn)來自銀河的電磁輻射，射電望遠鏡的應(yīng)用發(fā)展也由此拉開序幕，世界各國競相向太空探索。
我國也在1960年開始設(shè)計建造了第一批射電望遠鏡，例如在上海和烏魯木齊分別建有25m口徑的射電望遠鏡，北京五十米口徑的射電望遠鏡，以及不久前上海佘山的65m口徑的望遠鏡。隨著對太空探索的需求，射電望遠鏡的口徑越來越大。比如德國的100m射電望遠鏡美國的305m的阿雷西沃射電望遠鏡等。但是隨著主反射面的增大，但是射電望遠鏡受到自身重量、風(fēng)力和溫度等因素的影響，主反射面會偏離拋物面的形狀，這也會嚴(yán)重降低射電望遠鏡的效率。其高頻率更會衰減5倍以上嚴(yán)重影響到科學(xué)家的工作，因此我們會把切割成三角形、四邊形等許多小塊。然后用用一種促動器進行調(diào)節(jié)用促動器來補償這種偏差。
我國對于促動器的研究比較晚，是從蘇聯(lián)有觸電的促動器進行仿制開始的隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，促動器的發(fā)展也很快，但是與國外一些國家的促動器知道互相比，現(xiàn)在國內(nèi)的促動器結(jié)構(gòu)仍存在控制方式落后、可靠性不高精度差等不足，因此需要設(shè)計一種智能促動器，尤其是調(diào)整大型射電望遠鏡主反射面主動調(diào)節(jié)促動器。屬于電動執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域。與其他促動器相比該裝置具有以下特點。(1）利用微機技術(shù)可以進行總場控制。（2）防磁輻射。（3）可靠性高。(4)定位精度較高。（5）功率重量比大。（6）承受側(cè)向力（7）防塵防水（8）端的可以自鎖。
本裝置的技術(shù)要求：（1）采用直線型傳動方式（2)有效行程是60mm。（3）最大行程是60mm（4)額定輸出力是2400N（5）額定輸出速度0.5mm/sec（6）定位精度≦0.03（7)內(nèi)部有防轉(zhuǎn)機構(gòu)。（8）防護等級IP67（9)使用溫度范圍-40—+60攝氏度。（10)抗側(cè)向力負(fù)載能力≥5700N（11）垂直破壞負(fù)載力≥8000N。
第1章 緒論
1.1 智能促動器的研究動態(tài)及選題意義
1.1.1 研究背景
1931年美國的科學(xué)家用天線陣在貝爾實驗室有一重大發(fā)現(xiàn)，即接收到了從銀河系發(fā)來的無線電波。后來有個叫羅伯特雷柏的美國人在院子里安裝了一個口徑為9.5米的天線，用來觀測接收來至銀河系的無線電波，并將研究成果發(fā)表出來來。射天文學(xué)從此開始。隨后被稱為“四大發(fā)現(xiàn)”的脈沖星、類星體、星際有機分子、宇宙微波背景輻射都與射電望遠鏡有關(guān)。
射電望遠鏡的口徑和使用到的觀測波長決定了他的極限分辨率，它的口徑越大波長越短，射電望遠鏡的分辨率就會越高，因此為了科學(xué)發(fā)展的需求，射電望遠鏡的口徑越來越大。
表1-2 中國射電望遠鏡數(shù)據(jù)
地址
口徑
工作頻率
表面經(jīng)度
建造日期
青海德令哈
13
85-115
0.07
1990
上海佘山
25
1.6-23
0.52
1987
烏魯木齊南山
25
0.3-2.3
0.4
1994
昆明
40
2.3-8.4
1.2
2006
佳木斯
65
2.3-12
0.7
2012
表1-1 國際上的射電望遠鏡數(shù)據(jù)
名稱
口徑
（m）
總重量
（t）
建造日期
國家
Lovell Telescope
76
3200
1955
英國
Parkes Telescope
64
1000
1961
澳大利亞
Arecibo Observatory
305
900
1963
美國
Ef}elsberg Telescope
100
3200
1965
德國
Green Bank Telescope
100
7856
1999
美國
Large Millimeter Telescope
50
800
2008
墨西哥
由上面數(shù)據(jù)可以看出為了口徑增大表面經(jīng)度重量都會增加，再加上受到風(fēng)力和溫度等因素的影響，會嚴(yán)重影響到射電望遠鏡的分辨精度，為了達到科學(xué)研究的需求，就將主反射面切割成許多小塊，例如位于美國的波多黎阿雷西博天文臺的射電望遠鏡，其口徑達到305米的射電望遠鏡，反射面就是由38778塊小面板組成。每塊小面板用促動器進行調(diào)節(jié)。所以促動器的性能影響對太空的科學(xué)探索有很重要
圖1-1波多黎阿雷西博射電望遠鏡
1.1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)
我國對于促動器的研究比較遲，起初是中蘇友好，從蘇聯(lián)進口傳統(tǒng)的促動器，然后進行仿制。后來慢慢地有了自己的自主產(chǎn)品電液促動器投入市場。80年代后中國的電子技術(shù)發(fā)展迅速，促動器也得以快速的發(fā)展。我國研發(fā)的無觸點促動器產(chǎn)品投入使用。后來我國也加入了探索太空的行列，所以就開始了對射電望遠鏡的研究，在早期的有電液馬達式和電機油缸式。如下圖1-2；圖1-3所示
圖1-2 電液馬達式促動器
圖1-3 電機油缸式
從圖中可以看出其結(jié)構(gòu)比較簡陋，控制和校核差，精度不高。后來廣西柳州歐維姆機械有限公司推出兩種液壓促動器，其方案原理圖如下圖1-4；圖1-5。國外對于促動器的研究比我國早得多，1929年就制造出了世界上的第一臺促動器，隨后便其技術(shù)水平便得到快速發(fā)展。如變頻從動器液壓促動器，實體實驗如圖1-6。
圖1-4液壓促動器
圖1-5 液壓促動器
圖1-6左圖變頻促動器右圖液壓促動器
80年代后，電控微機等技術(shù)快速發(fā)展，世界很多國家也推出了各種適合很多場合的促動器，目前世界上已經(jīng)推出受總線程控制的智能化的促動器，如電磁式促動器和步進電機式促動器。
1.1.3 促動器研究的意義
目前中國市場上的促動器，按他們的動力能源大致分為三種，即氣動式、電動式和液壓式。這三種方式都各有優(yōu)缺點。如液壓式促動器優(yōu)點是承受載荷大、快速性和直線來回運動行性好。但容易漏油、受環(huán)境影響、控制矯正能力差。氣動式促動器，價格便宜，反應(yīng)靈敏。但是所占空間大，運行時會發(fā)出很大噪音。電動式的優(yōu)點是調(diào)節(jié)控制性能好，能源容易獲取，對環(huán)境適應(yīng)性強，但是調(diào)節(jié)精度差。未來促動器發(fā)展趨勢是與總線控制、智能化，高精度，小體積等。因需要設(shè)計一種新型電動執(zhí)行器如圖1-7，尤其涉及大型射電望遠鏡主反射面主動調(diào)整系統(tǒng)中使用的專用此電動執(zhí)行器，屬電動執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域。新型電動執(zhí)行器的設(shè)計實踐是鞏固和深化我所學(xué)知識，提高我的理論綜合分析和設(shè)計能力的一種行之有效的方法。通過設(shè)計可以培養(yǎng)我在工程設(shè)計中包括結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)擬定、傳動設(shè)計、強度計算等能力。
圖1-7 促動器安裝現(xiàn)戰(zhàn)場
第2章 促動器方案的選擇
2.1 方案的設(shè)計
一個完美的理想促動器需要滿足一下要求
（1） 要有足夠的精度和控制性能是反射面的誤差最小，保證在允許的誤差范圍之內(nèi)。
（2） 促動器需要擁有非常好的剛度來承受外加載荷。
（3） 促動器要有足夠的抗干擾性，來適應(yīng)惡劣的環(huán)境變化和其他干擾
（4） 促動器要結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、成本便宜，質(zhì)量輕，適合高空安裝和維修。
（5） 促動器要有自鎖制動功能，這樣就會使促動器運行到到合適的位置是不在施加驅(qū)動力仍能夠保持姿態(tài)，或者突然斷電發(fā)生逆轉(zhuǎn)。
（6） 促動器還要能夠適應(yīng)微機的總線控制。
2.2 主要元件的選擇
2.2.1 動力元件的選擇
目前市場上使用的電動促動器的動力元件大部分都是變頻電機和電刷
電機，雖然比以往好了很多，但仍存在一些問題。例如電刷電機的兼容性
較差，整體的零件非常多且生產(chǎn)周期長成本高。使用時因零件數(shù)很多導(dǎo)致
可靠性低，體積大不利于高空安裝。為了能夠適應(yīng)微機的總線控制，所以
選用目前較為先進的步進電如圖2-1。它具有以下優(yōu)點。
(1) 步進電機的的旋轉(zhuǎn)角度受脈沖控制，與脈沖數(shù)成正比，具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍，有利于系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控。
(2)電機的每一步精度都在3%——5%，且每步的誤差不會累計，因此具有非常好的位置精度。
(3)啟停和返還時的響應(yīng)非常靈敏，所以具有很好的往復(fù)直線運動性能。
(4)步進電機結(jié)構(gòu)中沒有電刷部件，可靠性高使用壽命長。
圖2-1 步進電機
2.2.2 減速元件的選擇
使用減速器可以將電機的回轉(zhuǎn)速度減到我們所需要的回轉(zhuǎn)速度并且得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。目前市場上的減速器種類繁多。例如斜齒輪減速器、行星輪減速器、諧波減速器等。種類雖然很多，但是大多數(shù)減速器所占空間大質(zhì)量較重，傳動效率低，噪音大。普通渦輪減速器在傳動較大的傳動比時效率就比較低。現(xiàn)在使用的渦輪齒輪等部件的傳動機構(gòu)，在傳動力時，這種機構(gòu)接觸的部分只是局部齒廓，剩下的絕大部分處在不傳力的工作狀態(tài)，為了滿足促動器體積小，質(zhì)量輕的特點。就要選擇就夠緊湊、傳動比大、質(zhì)量輕的減速器。所以就選用符合條件的諧波減速器，它主要由鋼輪1、滾珠2、凸輪3、鏈輪4、鏈?zhǔn)奖３旨?組成如圖2-2，它具有以下優(yōu)點：
圖2-2 諧波減速器結(jié)構(gòu)簡圖
（1) 諧波減速器 傳動比大有較寬的傳動范圍從幾十到幾千不等，適合這個裝置的要求。
（2) 承載能力大，可以承受主動面面板重力所施加的載荷。
（3) 轉(zhuǎn)動精度非常精準(zhǔn)，在傳動工作時輪齒的嚙合齒數(shù)較多，因此可以把誤差相互平準(zhǔn)和相互補償設(shè)置可以達到嚙合時沒有與側(cè)向間隙，適用于正反往復(fù)運動。
（4) 由于工作時的輪齒是均勻徑向運動，幾乎沒有相對滑動，所以傳動效率很高，達到69%——96%,也不會發(fā)生突然沖擊，傳動平穩(wěn)。
（5) 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、零件數(shù)量少，可靠性高。
（6) 應(yīng)為柔輪的柔性性能，諧波減速器可以在封閉的空間進行傳動。
2.2.3 進給傳動元件的選擇
在現(xiàn)有的電動促動器的傳動件多選用梯形絲杠，它的結(jié)構(gòu)比較簡單而且具有自鎖能力。但是梯形絲杠傳動時的效率低，容易磨損，并且不容易給它潤滑，結(jié)合設(shè)計需求，所以選用滾珠絲杠，與其他傳動相比它具有很多優(yōu)點，滾珠絲杠是一種高精度的傳動裝置。塔在絲杠和螺母之間安裝了滾珠，用滾動摩擦代替滑動摩擦。所以摩擦小，壽命長。啟動時利用滾珠的滾動所以力矩很小。不會發(fā)生爬向現(xiàn)象，保證精準(zhǔn)的進給。對絲杠進行預(yù)緊，可以消除間隙提高剛度。但是滾珠的絲桿不具備自鎖功能，因此需要加入一個制動裝置。
2.2.4 制動元件的選擇
現(xiàn)在市場上大部分促動器沒有使用制動器部件，但是這個裝置不具備自鎖功能，所以需要加入制動器裝置。它可以使運動機構(gòu)減速、停止或者保持姿態(tài)。制動器的種類很多，有機械式、液壓式、氣壓式。電磁式等。結(jié)合設(shè)計能用，所以選用電磁式制動器。電磁制動器利用電磁效應(yīng)實現(xiàn)制動的制動器。電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動化執(zhí)行元件，在機械傳動系統(tǒng)中主要起傳遞動力和控制運動等作用。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，響應(yīng)靈敏，壽命長久，使用可靠，易于實現(xiàn)遠距離控制等優(yōu)點如圖2-3.
圖2-3 制動器
結(jié)合上面所選擇的的內(nèi)容初步設(shè)定方案是：步進電機為動力，用齒輪配合傳給諧波減速器，然后傳到滾珠絲杠副，傳到電動缸拉桿。如圖2-4
圖2-4 促動器效果圖
10
第3章 步進電機的設(shè)計和計算
3.1 步進電機的慨況
3.1.1 步進電機簡介
步進電機在70時期早期非常受歡迎，后來在中期時受到直流伺服電機和交流伺服電機的沖擊，便不再流行，但是隨著科技的發(fā)展，特別是微機技術(shù)的進步，步進電機又逐漸展現(xiàn)出了它的獨特魅力。步進電機大體只有三個部件，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護保養(yǎng)。成本低容易控制。特別是在數(shù)控領(lǐng)域的速度和位置的控制域發(fā)揮著重要的作用。
步進電機的角位移受脈沖控制，與脈沖數(shù)成正比，當(dāng)計算機給給步進電機發(fā)出一個脈沖信號時，它就會按設(shè)定好的步距角和方向轉(zhuǎn)動，然后按照脈沖數(shù)一步一步進行轉(zhuǎn)動。脈沖數(shù)量決定了步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，所以我們可以進行精準(zhǔn)的控制它的運動情況。我們還可以利用不同頻率的脈沖來控制步進電機的啟動、停止、減速、加速等運行姿態(tài)?，F(xiàn)在市場上的步進電機多種多樣，但總體可以慨括為三類，永磁式步進電機一般是兩相的。它的工作轉(zhuǎn)矩和功耗很小，整體形狀小，斷電后仍有制動力矩。但是步距角相對較大，一般是7.5度或者15度。反應(yīng)式步進電機可以輸出較大的轉(zhuǎn)矩，步距角只有1.5度。但是功耗太大，噪聲和振動也很厲害，所以西方很多國家已經(jīng)不再使用?；旌鲜讲竭M電機一般分兩相和無相，具有永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，步距角很小，兩相的只有1.8度，五相的僅有0.72度，應(yīng)用很廣但是價格比較貴。
3.1.2 步進電機工作特點
1 步進電機在空載時實際運行的步距角與理論上的步距角是有差別的，這個誤差反映了步進電機運行時所能達到的精度，目前這一誤差還無法消除，但是已經(jīng)減少了很多。我國一般的步進電機的這個誤差一般在±10’--±30’的范圍，經(jīng)過高精度制造的步進電機可以減誤差減少五倍左右。
2 步進電機在工作通電后在還未運動時多承受的最大外加力矩就是步進電機所能輸出的最大力矩，它的大小反映出了電機工作時的制動能力和在低速時所能夠承受負(fù)載能力。
3 步進電機啟動承受負(fù)載時，不發(fā)生電機的實際運轉(zhuǎn)數(shù)不等于理論運轉(zhuǎn)數(shù)現(xiàn)象的正常啟動，此時步進電機所接收的頻率與承受負(fù)載力矩的關(guān)系如圖所示。由圖中數(shù)據(jù)分析可知，在規(guī)定范圍內(nèi)的最大啟動頻率與步進電機承受負(fù)載呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。只有在啟動工作時啟動頻率與負(fù)載的交點在曲線下方是才能不發(fā)生是不現(xiàn)象。
圖3-1 頻率力矩關(guān)系圖
4 在步進電機工作時所測到的微機給出的脈沖頻率和電機輸出力矩之間的關(guān)系曲線如圖所示。這是我們選擇步進電機的根本依據(jù)，有圖可以看出隨著給出的脈沖頻率增大電機給出的輸出頻率減小，這也是電機使用受限制的重要原因。
3.2 步進電機的選擇
3.2.1 步進電機選擇原則
當(dāng)我們對步進電機選擇是，首先要確定幾個原則。首先每步轉(zhuǎn)動的角度要與傳動當(dāng)量相匹配，其次步進電機工作時輸出的最大靜力矩與傳動系統(tǒng)的空載力矩要求匹配?？偟母艣r我們選擇原則如下。
（1） 首先要得出步進電機所承受的負(fù)載，使選擇的步進電機給出的轉(zhuǎn)矩滿稍大于負(fù)載，來保證它能正常工作運行。我們選擇選擇的不及電機要在據(jù)頻特性曲線允許范圍內(nèi)。
（2） 初步估量出系統(tǒng)給步進電機的負(fù)載慣量和要求的步進電機啟動時所需要的頻率，選擇滿足要求的步進電機。
（3） 通過傳動系統(tǒng)所需要的精度要就估算出適合的脈沖當(dāng)量，否則就會造成達不到系統(tǒng)的精度標(biāo)準(zhǔn)或系統(tǒng)傳動無法完成。
（4） 初步計算系統(tǒng)的傳動比計算公式
上面公式中α是步進電機步距角；L是滾珠絲杠導(dǎo)程單位mm；為移動部件的脈沖當(dāng)量mm。因為傳動比數(shù)一般不會是數(shù)值1，所以要在要在步進電機和絲杠之間安裝減速器部件。
3.2.2步進電機的數(shù)據(jù)計算
1 計算負(fù)載力矩
步進電機的軸上所承受的負(fù)載力矩由系統(tǒng)摩擦力生成的摩擦力矩、齒輪傳動產(chǎn)生的力矩和滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的負(fù)載力矩組成。絲杠負(fù)載力矩的計算
=2400N
在公式中為在分割好的面板重力下滾珠絲杠在軸上的負(fù)載力N；L為電機每轉(zhuǎn)一圈絲杠螺母在軸上的移動距離m；是進級傳動系統(tǒng)的總效率
系統(tǒng)摩擦產(chǎn)生的力矩
=56N
公式中 為沒有負(fù)載時滾珠絲杠的軸上負(fù)載力
由滾珠絲杠預(yù)緊而產(chǎn)生的力矩計算
公式中Fp為滾珠絲杠副的預(yù)緊力N；Lo為滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程m；為滾珠絲杠螺母副的效率取0.98.折算到電機軸上的負(fù)載力矩T（N m)的計算。
空載時
切削時
2 步進電機上加速力矩的計算
公式中為步進電機正常工作時的最高轉(zhuǎn)速r/min。Jm是轉(zhuǎn)動慣量。是加速度時間。
3 把所得到的數(shù)值進行折算
當(dāng)步進電機空載時加速力矩的計算Tq（N m)
=7Nm
?承受負(fù)載時的加速力矩計算Tt（Nm)
=2865Nm
4 計算步進電機通電后還未運行時的力矩，啟動時所需的啟動頻率最大值和運行時的最大頻率值。
計算最大靜力矩Ts
步進電機中Ts的計算首先要由公式得到的在空載時的計算數(shù)值Tq和表格進行對照查出空載啟動時步進電機Ts1的最大值是1.493NM
表3-1 步進電機對照表
步進電機相數(shù)
3
3
4
4
5
5
6
6
運行拍數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.886
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
然后再計算步進電機負(fù)載狀態(tài)下所得到的負(fù)載力矩Tc用公式（10）計算步進電機的最大靜力矩Ts2
計算得=1.5
最后選取Ts1和Ts2中的較大值為Ts且Ts≥max[Ts1 Ts2]
步進電機啟動時的最大頻率值計算
步進電機啟動時的最大頻率值與系統(tǒng)的力矩Tq有關(guān)系，因為空載力矩在不同的傳動裝置中是不同的，所以，步進電機啟動時的頻率最大值在不同的傳動裝置中也一樣不同。因此應(yīng)該計算得到的空載機動力矩Ta，按照運來選定的啟動力矩-頻率曲線圖來確定啟動時的最大頻率值這一數(shù)值要稍大于實際使用時的啟動頻率最大值，即Fa≦
5 計算最大運行頻率的數(shù)值
步進電機在工作時有快進和工進兩種運行狀態(tài)。步進電機在工作時它的輸出力矩和運行時收到的頻率關(guān)系是想反相關(guān)的，為了保證電機不發(fā)生失步現(xiàn)象導(dǎo)致故障，就要對步進電機在快進運行和工進運行時的頻率進行校核。按照公式（12）計算實際使用的最大運行頻率
=5KHz
徑查詢步進電機手冊算用的型號是STM23X—3，其技術(shù)規(guī)格如下表3-2
表3-2 步進電機規(guī)格
功率模塊
功率放大類型
雙H橋、4象限
電流控制
4態(tài)，PWM頻率20KHz
輸出力矩
合適電壓下1.5N
供電電源
外部12-70V
輸出電壓范圍
12-70VDG
保護
過壓、欠壓、過熱、電機繞組短路(時間、相地）
自動半流
電機運動停止后的可選數(shù)毫秒內(nèi)運行電流降到安全值
環(huán)境溫度
0-104度（安裝有合適的散熱板）
濕度范圍
90%無積露
15
第4章 滾珠絲杠副的設(shè)計計算
4.1 滾珠絲杠副設(shè)計計算步驟
4.1.1 計算滾珠絲杠的導(dǎo)程
滾珠絲杠在促動器運行時受到射電望遠鏡主反射面施加到軸向載荷，使的滾珠和滾道之間之間造成接觸應(yīng)力。對于滾道型面來說這個接觸應(yīng)力是變化的，滾珠在絲杠和絲杠螺母之間運動的狀態(tài)和滾動軸承差不多。所以滾珠絲杠副的失效形式主要是疲勞點蝕和由于擠壓而產(chǎn)生的塑性變形。因此我們要對其剛度，穩(wěn)定性和臨街轉(zhuǎn)速等的數(shù)值進行校核驗證計算、首先計算滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph其公式是
=）0.5mm
公式中Vmax時電動缸移動速度最大值，是步進電機的最大轉(zhuǎn)速，傳動比計算得到的數(shù)值Ph要查表取與它相近的整數(shù)值
4.1.2 滾珠絲杠副的載荷和轉(zhuǎn)速設(shè)計計算
1 絲杠最小載荷Fmin
促動器在沒有負(fù)載時的滾珠絲杠傳動副的傳動力電動缸自重導(dǎo)致的摩擦力。
2 絲杠的最大載荷Fmax
促動器在承受面板時的最大負(fù)載時滾珠絲杠副的傳動力，由支配的面板、電動缸體自身重力和系統(tǒng)摩擦力之和
3計算滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速和當(dāng)量載荷Fm
本裝置的設(shè)計是使用的動力源是步進電機，減速結(jié)構(gòu)式諧波減速器在每個時段幾乎是勻速，所以計算公式
= =0.5mm/s
/3 =2400N
4計算額定動載荷的數(shù)值
因為本設(shè)計的導(dǎo)程已知，所以按照電動缸拉桿的期望行進距離Ls計算設(shè)計。
=2876
公式中Ls是絲杠的期望運行距離；是勁度系數(shù)根據(jù)表格4-1查詢；是可靠系數(shù)，通常數(shù)值選擇１，如果在某些重要地方，期望在相同的條件下壽命更長一些按照表格4-2查詢；是滾珠絲杠的負(fù)荷系數(shù)，其數(shù)值按照表格4-3查詢
表4-1
可靠性%
90
95
96
97
98
99
1
0.62
0.53
0.44
0.33
0.21
表4-2
負(fù)荷性質(zhì)
無沖擊
輕微撞擊
伴有沖擊或共振
1-1.2
1.2-1.5
1.5-2
表4-3
精度等級
1.2.3
4.5
7
10
1.0
0.9
0.8
0.7
當(dāng)系統(tǒng)需要進行預(yù)緊時還要計算軸上最大負(fù)載時的數(shù)值
=2783N
式中預(yù)緊載荷負(fù)荷系數(shù)可在表4-4查詢
表4-4
預(yù)加負(fù)荷類型
輕預(yù)載
中預(yù)載
重預(yù)載
6.7
4.5
3.4
在以上兩個結(jié)果中選擇最大值
5滿足精度的前提下計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑
計算滾珠絲杠在正常工作時軸向變量的最大值
影響死區(qū)間隙的主要因素有滾珠絲杠本身的拉壓剛度、支撐軸承的在軸方向上的剛度和滾珠與滾道型面接觸剛度。所以計算公式一般是
促動器發(fā)生移動的結(jié)構(gòu)在不同位置時系統(tǒng)的剛度也不一樣。當(dāng)剛度的數(shù)值達到最小時用表示。滾珠絲杠承受主動反射面面板時負(fù)載時傳動系統(tǒng)就會有一個彈性變量。使促動器的控制精度降低。
當(dāng)促動器沒有負(fù)載時滾珠絲杠副上軸上的最大運行載荷移動機構(gòu)在
往復(fù)運動時方向發(fā)生變化。這個變化引起的誤差是，這是影響多次定位精度的主要原因，因此滾珠絲杠副在正常工作時軸上的最大變形量數(shù)值是重復(fù)定位精度0.7
4.1.3 計算滾珠絲杠副的底徑
促動器中絲杠的安裝凡是固定自由式。因此計算公式是
=14mm
公式中E是楊氏彈性模量數(shù)值是；滾珠絲杠正常工作時在軸方向上的最大變形量（）；Fo電動缸的靜摩擦力。L是絲杠螺母與固定端支撐距離的最大值（mm），L1.1行程+10Ph
4.1.4 計算選擇滾珠絲杠的規(guī)格型號
在促動器中絲杠和螺母的相對運動情況是絲杠固定轉(zhuǎn)動，螺母直線移動，這樣可以使可以使結(jié)構(gòu)簡單緊湊。這個設(shè)計的滾珠絲杠螺紋滾道的截面形狀選擇雙圓弧形的。因為在滾珠絲杠工作的時候，其接觸角數(shù)值大小幾乎是不變的，所以滾珠絲杠副的傳動效率很高，絲杠在軸方向上的剛度和負(fù)載能力都比較穩(wěn)定。在兩個圓弧之間以及滾珠和滾道底部之間有一定的空隙，因此可以存一定量的潤滑油以減少摩擦和磨損。滾珠絲杠副在電動缸的內(nèi)部，所以循環(huán)方式選擇內(nèi)循環(huán)浮動式。這個種方式的特點是內(nèi)部安裝的彈簧套2借助拱型片簧4總是給方向器一個徑向推力讓絲杠和滾珠始終保持著一定的接觸壓力。從而使方向器起到自定位作用。讓通道保持流暢，摩擦小。符合促動器靈敏度好和剛度高的精密進給要求。滾道截面是雙圓弧面且要使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，所以預(yù)緊方式采用單螺母增大鋼球預(yù)緊式。
按照已經(jīng)根據(jù)設(shè)計需求選擇好的滾珠螺母型式，依據(jù)所計算出開的數(shù)值Ph、在絲杠設(shè)計手冊里查出對應(yīng)的底徑和額定動載荷Ca。都要稍大于計算值。
圖4-1 滾珠絲杠副
4.1.5 計算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值
公式中是螺紋的力矩（N)；是軸承與滾珠絲杠的的摩擦力矩（N)；是公稱直徑（mm）；是滾珠絲杠副的螺紋升角；是當(dāng)量摩擦角。
4.1.6 滾珠絲杠副的剛度校核和精度的選擇
滾珠絲杠副在沒有承受負(fù)載時摩擦死區(qū)誤差Δ=剛度變化引起的誤差。系統(tǒng)的方向差值主要由Δ決定，而絲杠的精度和剛度變化引起的誤差決定了定位誤差。
系統(tǒng)的剛度校核，即0.8Δ≤反向誤差，也就是方向誤差。滾珠絲杠副精度的選擇按照公式計算
=0.032
按照計算結(jié)果選擇的精度等級是 4C級
4.1.7滾珠絲杠副臨界載荷Fc的校核
公式中是絲杠的螺紋底經(jīng)（mm）；是絲杠的受壓長度最大值，是絲杠軸向壓縮載荷的最大值；
4.1.8 校核極限轉(zhuǎn)速
滾珠絲杠告訴轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生共振，為了避免這種現(xiàn)象需要進行極限轉(zhuǎn)速的校核。
=20r/min
公式中是極限轉(zhuǎn)速（r/min）；是計算長度值；E是楊氏彈性模量2.1;是材料的密度;A絲杠的最小橫截面積，f是與支承有關(guān)的系數(shù)。符合要求。
20
第5章 齒輪的設(shè)計與校核
5.1 選擇齒輪的類型、精度等級、齒數(shù)和使用材料
選用直齒圓柱硬齒面齒輪傳動，精度等級先定位8級，選擇齒輪的材料及應(yīng)力范圍。因為要進行i=1的傳動，所以兩個齒輪大小相同，都選用45號剛調(diào)制處理，齒面硬度是240HBS。知道中心距a=120 輪齒的模數(shù)m=3，有公式，且相等。代入計算得=40
5.2 按齒面接觸強度設(shè)計
5.2.1 確定使用參數(shù)
初選
5.2.2 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T=33338.18N.m
查取齒寬系數(shù)
查得材料彈性影響系數(shù)=189.8.
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度 ，大齒輪齒面接觸疲勞強度極限
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
查取接觸疲勞壽命系數(shù)
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，
接觸疲勞許用應(yīng)力：
5.2.3 小齒輪分度圓直徑
圓周速度V
小齒輪齒寬
計算齒高和齒寬之比
小齒輪模數(shù)
載荷系數(shù)已知使用系數(shù) ，根據(jù),8級精度.查得動載荷系數(shù)
查得 ，由表10-13查得
查得，
則載荷系數(shù)
按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
模數(shù)
5.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計
5.3.1 確定計算參數(shù)
載荷系數(shù)
查取齒形系數(shù)，
查取應(yīng)力校正系數(shù)，
查得，小齒輪曲面疲勞強的極限；
大齒輪曲面疲勞強的極限。;
查取彎曲疲勞壽命系數(shù)
查取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4
則彎曲疲勞應(yīng)力
計算大、小齒輪的
則
則按模數(shù)設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由于齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于齒彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，取，已可滿足彎曲強度要求，但為了同時滿足接觸疲勞強度要求，需按接觸疲勞強度求得的分度圓直徑
實際應(yīng)有
對小齒輪齒數(shù)圓取整，則，則
5.3.2 幾何尺寸
大、小齒輪的分度圓直徑
中心距
5.3.3齒輪寬度 mm，
圓整后大齒輪寬 等于 小齒輪寬等于10mm
第6章 軸的設(shè)計與校核
6.1軸的最小軸徑的計算
由公式 ，在公式中=112。
所以軸的最小直徑：由輸入功率：，計算轉(zhuǎn)速,。
輸出軸的最小直徑：由輸入功率：，計算轉(zhuǎn)速，
6.2 軸的計算和校核
6.2.1 輸入軸的設(shè)計計算
1 軸上的功率、轉(zhuǎn)速,和轉(zhuǎn)矩
=3.5kw
2. 求作用在齒輪上的力
已知齒輪的分度圓直徑為
3. 軸上零件的裝配方案
該設(shè)計的裝配方案本著滿足各種性能和要求的前提下,盡量簡化軸的結(jié)構(gòu)形式。
為了便于裝配零件并去掉毛刺,軸端應(yīng)制出的倒角:需要磨削加工的軸段應(yīng)該留有砂輪越程槽:需要切削的軸段,應(yīng)該留有退刀槽。
為了減少裝卡的時間,同一軸上不同軸段的鍵槽應(yīng)布置在軸的同一母線上.為了減少加工道具種類和提高勞動生產(chǎn)率,軸上直徑相近處的圓角,倒角,鍵槽寬度,砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應(yīng)盡可能采用相同尺寸。
4. 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
為了滿足三聯(lián)齒輪的軸向定位要求,需在軸的下端用擋圈定位,按軸端直徑取擋圈直徑D=14mm.三聯(lián)齒與軸配合的轂孔長度，為了滿足軸承軸向定位要求, 為了滿足剛度和強度要求及實際需要,在距齒輪的下端處制出個軸肩。
初步選擇滾動軸承 因軸承受徑向力作用,故選擇深溝球軸承.參照工作要求且結(jié)合軸的直徑d=35mm, 由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組,標(biāo)準(zhǔn)等級代號為6214,其尺寸為的深溝球軸承.故取軸的直徑為D=mm35。
下端滾動軸承采用軸肩軸向定位.由于軸肩高度就是上段軸的直徑并且由軸肩高度，.結(jié)合實際和軸承的標(biāo)準(zhǔn),選擇代號為6213的深溝球軸承,其尺寸為.
取安裝齒輪處軸段直徑d=14mm;齒輪的上端與上軸承的下端之間均采用軸套定位.已知齒輪輪轂的寬度為12mm,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度,故取L=10mm.齒輪的下端采用軸肩定位,軸肩高度,故取h=5m,則軸環(huán)處直徑為d=17mm。
軸承端蓋的總寬度為25mm(由減速器和軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定).根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承潤滑油的要求,取端蓋的外端和上蓋的下端面間的距離為85mm。.
軸上零件的軸向定位
齒輪的軸向定位采用平鍵連接.按照軸及齒輪的輪轂高度查得平鍵類型,鍵槽用鍵槽銑刀加工,同時為了保證齒輪雨軸配合有良好的對中型,故選擇齒輪輪轂與軸的配合為;滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的,此處選軸的直徑尺寸公差為。確定軸上圓角和倒角尺寸。
6.2.2 輸入軸的校核
1彎曲應(yīng)力校核如下：
危險截面的x坐標(biāo)：13mm 直徑：12mm
危險截面的彎矩M：20000N·mm 扭矩T：97161.76N·mm
截面的計算工作應(yīng)力：14.69MPa 許用疲勞應(yīng)力：180MPa
13mm處彎曲應(yīng)力校核通過
結(jié)論：彎曲應(yīng)力校核通過
2安全系數(shù)校核如下：
疲勞強度校核如下：
危險截面的x坐標(biāo)：13mm 直徑：12mm
危險截面的彎矩M：20000N·mm 扭矩T：97161.76N·mm
有效應(yīng)力集中系數(shù)（彎曲作用）：2.05 （扭轉(zhuǎn)作用）：1.55
截面的疲勞強度安全系數(shù)S：6.52 許用安全系數(shù)[S]：2.0
13mm處疲勞強度校核通過
結(jié)論：疲勞強度校核通過
3靜校核計算：
危險截面的x坐標(biāo)：13mm 直徑：12mm
危險截面的彎矩M：20000N·mm 扭矩T：97161.76N·mm
截面的靜強度安全系數(shù)：20.42 許用安全系數(shù)[Ss]：1.8
13mm處靜強度校核通過
結(jié)論：靜強度校核通過
6.3 軸承的計算和校核
1. 設(shè)計參數(shù)
徑向力 Fr=1519.66 (N) 軸向力=0 (N) 軸頸直徑 d1=35 (mm)
轉(zhuǎn)速 n=68 (r/min) 要求壽命=5000 (h) 溫度系數(shù) ft=1
潤滑方式 Grease=油潤滑
2.被選軸承信息
軸承類型 深溝球軸承 軸承型號 6214 軸承內(nèi)徑 d=14(mm)
軸承外徑 D=25 (mm) 軸承寬度 B=10 (mm)
基本額定動載荷 C=60800 (N)
基本額定靜載荷 Co=45000 (N) 極限轉(zhuǎn)速(油) =6000 (r/min)
3. 當(dāng)量動載荷
接觸角 a=0 (度) 負(fù)荷系數(shù)=1.2 判斷系數(shù) e=0.16
徑向載荷系數(shù) X=1 軸向載荷系數(shù) Y=0
當(dāng)量動載荷 P=1823.592 (N)
軸承所需基本額定動載荷 C'=4982.773 (N)
4. 校核軸承壽命
軸承壽命=9083800 (h) 驗算結(jié)果 Test=合格
其它軸承校核方法一樣，校核合格.
29
結(jié) 論
現(xiàn)在世界各國都在快速的向外太空探索，而射電望遠鏡是探索過程中必不可少的工具，隨著探索科研的需求，射電望運鏡口徑越來越大。由于自身重量及風(fēng)載的影響，其主反射面會偏離標(biāo)準(zhǔn)拋物面形狀，這會嚴(yán)重降低射電望遠鏡的效率。所以就要把主反射面切割成小塊用促動器調(diào)節(jié)。目前市場也有一些款式的促動器，但是都存在著一些問題。例如精度不夠，不易控制，抗干擾性比較弱等原因，為了科研的需求，性能更好地促動器研究就很有必要。與現(xiàn)有的促動器相比主要優(yōu)點有，采用步進電機方便控制調(diào)整，使用諧波減速器，結(jié)構(gòu)緊奏，傳動比高，傳動部件用滾珠絲杠副，精度高，摩擦小，能耗低。促動器整體結(jié)構(gòu)比較簡單，便于維修。傳動效率高，降低了能源消耗。體積小質(zhì)量輕，不會發(fā)生漏油漏氣現(xiàn)象。整體效果達到了預(yù)期的目的。
設(shè)計的不足是，這些只是理論設(shè)計，沒能進行實體檢驗，傳動系統(tǒng)不具備自鎖，所以了制動結(jié)構(gòu)所以加了制動結(jié)構(gòu)，調(diào)整方向單一。所以希望進一步研究的建議是。對傳動系統(tǒng)加以改進，對傳動精度進行提高，可以多方位的進行調(diào)整。
洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文
謝 辭
當(dāng)?shù)谝淮慰吹竭@個題目時，還有點擔(dān)心，這與我所熟悉的車床、卡具類的設(shè)計。感覺很陌生，完全不知有何作用，也沒見過類似結(jié)構(gòu)。擔(dān)心老師很嚴(yán)肅，害怕做不好被老師批評。但是后來發(fā)現(xiàn)老師除了涉及到專業(yè)知識時很嚴(yán)厲嚴(yán)謹(jǐn)外，與我們交流總是那么讓人感覺舒服。
開始時我們對這個課題不太了解，老師就專門找出時間給我們講解這個裝置的作用、所涉及的知識范圍以及研究設(shè)計的使用價值和意義。這讓我突然有種撥開云霧見青天的感覺，其實它不是那么神秘，運用我們所學(xué)的知識完全可以設(shè)計出來。然后讓我們小組討論如何設(shè)計，我們激烈討論時老師就在一旁認(rèn)真的聽著，然后一語中的的指出我們所沒有考慮到的問題。然后讓我們查閱資料看看國內(nèi)外的設(shè)計動態(tài)，總結(jié)出優(yōu)缺點。和自己的對比找出優(yōu)點和不足。然后再討論如何改進自己的不足。老師就會認(rèn)真聽我們的方案，讓后告訴我們什么地方需要改進。每當(dāng)涉及到我們不會的知識時，老師就會一遍一遍講解，知道聽懂并能自己解決面臨的問題。這次要求使用的SolidWorks軟件就是在老師的教導(dǎo)下學(xué)會的。在整個設(shè)計期間無論是學(xué)習(xí)問題還是生活問題，楊老師都會盡心盡力幫助。楊奎民老師不僅是我學(xué)習(xí)上的老師，還是生活中的知心朋友。
除此之外還要感謝張洪濤老師、鮑麗老師、王長昕老師、張麗潔老師以及在大學(xué)教過我的所有老師。是他們教會了我專業(yè)的知識和解決問題的能力。
30
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