智能諧波促動(dòng)器的設(shè)計(jì)【含9張CAD圖紙、SW三維模型和說(shuō)明書】

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1933年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的卡爾央斯基意外發(fā)現(xiàn)來(lái)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(yuǎn)鏡。1993年國(guó)際無(wú)線電科技聯(lián)合會(huì)在日本東京召開(kāi)，中、澳、加、法、德、美等國(guó)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(yuǎn)鏡，其后多國(guó)積極開(kāi)展這方面研究。1994年起中國(guó)天文學(xué)家提出建造具有主動(dòng)反射面的500m口徑球反射面望遠(yuǎn)鏡\FAST，2012年10月28日在上海天文臺(tái)松江佘山建成65m口徑的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)大型射電望遠(yuǎn)鏡。英國(guó)76m射電望遠(yuǎn)鏡，澳大利亞64m射電望遠(yuǎn)鏡，德國(guó)100m射電望遠(yuǎn)鏡，美國(guó)110m射電望遠(yuǎn)鏡等目前最大的是美國(guó)305m的阿雷西沃射電望遠(yuǎn)鏡，為了滿足科技的需求，反射面越來(lái)越大，大型射電望遠(yuǎn)鏡由于自身重量及風(fēng)載的影響，其主反射面會(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)拋物面形狀，這會(huì)嚴(yán)重降低射電望遠(yuǎn)鏡的效率，其高頻效率更會(huì)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(tái)電動(dòng)執(zhí)行器控制，利用電動(dòng)執(zhí)行器的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償主反射面的變形量，這種技術(shù)稱之為主反射面主動(dòng)調(diào)整技術(shù)。 位于美國(guó)佛吉尼亞州的 GBT 射電望遠(yuǎn)鏡是目前世界上最大的單體可動(dòng)射電望遠(yuǎn)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(gè)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(wú)遮擋偏饋設(shè)計(jì)和反射面主動(dòng)調(diào)整技術(shù)，天線工作在 5GHz 時(shí)口徑效率為 70%，22GHz 時(shí)口徑效率為 62%，43GHz 時(shí)為 44%。它不僅是目前世界上最大的單體可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡，也是技術(shù)設(shè)計(jì)上最為先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡。 與美國(guó) GBT比德國(guó)的 Effelsberg 射電望遠(yuǎn)鏡直徑也達(dá)到 100m，但是因?yàn)闆](méi)有使用偏饋、主動(dòng)面調(diào)整等技術(shù)，其在 43GHz 時(shí)的口徑效率為 23%，與美國(guó)GBT有較大差距。 可見(jiàn)，主動(dòng)面調(diào)整技術(shù)在射電望遠(yuǎn)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(dòng)面系統(tǒng)的直徑 64m 的射電望遠(yuǎn)鏡。 射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越來(lái)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(yuǎn)鏡工作波長(zhǎng)的縮短，變形對(duì)接收效率的影響會(huì)愈加明顯。此時(shí)，僅僅依靠保形技術(shù)已經(jīng)無(wú)法保證射電望遠(yuǎn)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(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以來(lái),國(guó)際上電動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)水平發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代起,國(guó)外相繼推出了符合各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行器,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(guó)外己開(kāi)發(fā)出新一代智能化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品,電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)己在閥門設(shè)計(jì)中得到支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線的功能,而且其獨(dú)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(jiǎn)單。德國(guó)Hartmann&Braum公司新一代產(chǎn)品智能電動(dòng)執(zhí)行器MOE700實(shí)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(jìn)水平的公司還有美國(guó)的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等幾家國(guó)外著名的公司。JORDAN公司的智能電動(dòng)執(zhí)行器突出特點(diǎn)是動(dòng)作頻率高,其動(dòng)作頻率是2000~4000/h,而國(guó)內(nèi)的電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作頻率在2000/h以下,一般動(dòng)作頻率達(dá)到1200/h就是很高的了?？傊?國(guó)際上智能電動(dòng)執(zhí)行器有以下特點(diǎn): (1) 智能通信,智能控制智能電動(dòng)執(zhí)行器利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動(dòng)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(jī)電一體化新型智能化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體,驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用功能強(qiáng)大的集成模塊,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制性能好。 (3) 控制策略更為先進(jìn)先進(jìn)的控制方法有利于解決電機(jī)的慣性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位,提高控制精度。Nucom電動(dòng)執(zhí)行器利用先進(jìn)的電制動(dòng)技術(shù),控制精度可達(dá)1/250,國(guó)產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動(dòng)執(zhí)行器控制精度一般為2.5/100。 我國(guó)電動(dòng)執(zhí)行器的研制起步較晚,是從蘇聯(lián)有觸點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿制開(kāi)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(lái),隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電動(dòng)執(zhí)行器發(fā)展快速,無(wú)觸點(diǎn)的DKJ型角行程和DKZ型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大類產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng),DKJ、DKZ是我國(guó)最早的、唯一生產(chǎn)的電動(dòng)執(zhí)行器,此產(chǎn)品以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)被最早的國(guó)營(yíng)大型企業(yè)使用。隨著現(xiàn)代工控計(jì)算機(jī)管理的發(fā)展,目前我國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用,多數(shù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了智能化。今天,DKJ、DKZ系列與以前相比有了兩大實(shí)質(zhì)性改進(jìn):(1)生產(chǎn)出直接受計(jì)算機(jī)控制的智能電子型、戶外型、隔爆型等改進(jìn)型產(chǎn)品;(2)將電路控制部分灌封在一個(gè)小型塑料盒中,即模塊,形成了便于維護(hù)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(hào)品質(zhì)系數(shù)等性能有了很大提高,而且對(duì)環(huán)境條件的要求降低了很多，智能型的電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)了智能控制、防護(hù)等級(jí)高、控制精度較高、重量輕、穩(wěn)定性好的功能。但是國(guó)內(nèi)的許多智能電動(dòng)執(zhí)行器是引用國(guó)外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)制造的,如天津市龍城自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)制造的SH系列智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了法國(guó)新一代先進(jìn)技術(shù)。因此與國(guó)際上先 進(jìn)的智能促動(dòng)器相比，現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)促動(dòng)器機(jī)構(gòu)仍存在著控制方式落后，可靠性不高的特點(diǎn)。 隨著各種過(guò)程控制要求的不斷提高,電動(dòng)執(zhí)行器必須提高控制性能,才能真正提高自動(dòng)控制水平。 促動(dòng)器單體 促動(dòng)器安裝現(xiàn)場(chǎng) 二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題 實(shí)現(xiàn)天線反射面面板調(diào)節(jié)的機(jī)械執(zhí)行器即促動(dòng)器，是有箱體、蝸輪蝸桿副、滾珠絲杠副、法蘭、步進(jìn)電機(jī)等元件組成。 1.動(dòng)力元件的選擇 美國(guó)GBT 目前仍然使用開(kāi)環(huán)方式控制主動(dòng)面系統(tǒng)，即預(yù)先計(jì)算好各個(gè)角度時(shí)所有促動(dòng)器位置，運(yùn)行的過(guò)程中主動(dòng)面系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)接收射電望遠(yuǎn)鏡主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的俯仰角度指令信息，讀取預(yù)先保存的促動(dòng)器指令位置，控制促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置。GBT 的促動(dòng)器使用直流電刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器，并且在促動(dòng)器上安裝 LVDT來(lái)測(cè)量促動(dòng)器的位置，并且開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制器安裝在促動(dòng)器上。這樣做可以做到整套系統(tǒng)都由用戶來(lái)開(kāi)發(fā)，可定制性強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)沒(méi)有使用無(wú)刷電機(jī)，因此電磁兼容性較差。而且部件較多，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，在使用之前需要對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行各方面測(cè)試，在使用過(guò)程中也會(huì)因?yàn)椴考^多造成可靠性降低，可維護(hù)性變差，這對(duì)于安裝在高空的促動(dòng)器來(lái)說(shuō)是比較大的缺陷。所以要使用性能好的步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)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(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動(dòng)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(jìn)電機(jī)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(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。經(jīng)過(guò)計(jì)算查詢選用的智能步進(jìn)電機(jī)型號(hào)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(jìn)電機(jī)，性能見(jiàn)資料。 2.減速器的選擇 減速器是一種動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達(dá)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(jī)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(guó)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(dòng)比時(shí),效率較低。現(xiàn)有的機(jī)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(guò)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(guó)內(nèi)外動(dòng)力齒輪傳動(dòng)正沿著小型化、高速化、標(biāo)準(zhǔn)化、小振動(dòng)、 低噪聲的方向發(fā)展諧波傳動(dòng)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(lái)的一種新型傳動(dòng)。較一般齒輪傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)精度 高、虛動(dòng)量小、傳動(dòng)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(diǎn)。1運(yùn)動(dòng)精度高:由于諧波齒輪傳動(dòng)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(bǔ)償和消減的作用,因而傳動(dòng)裝置的運(yùn) 動(dòng)誤差小于剛輪(或柔輪)的運(yùn)動(dòng)誤差，當(dāng)諧波齒輪傳動(dòng)的元件與普通齒輪傳動(dòng)的 元件具有相同的制造精度時(shí),諧波齒輪傳動(dòng)的精度較普通齒輪傳動(dòng)的精度高2傳 動(dòng)比大、變化范圍廣:一般單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng),其速比范圍為50一500,當(dāng)采用行 星式波發(fā)生器時(shí)為150一400若采用復(fù)波傳動(dòng)則可達(dá)1.6X10’。3重量輕、體積 小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少:與普通齒輪減速器相比,在滿足同樣運(yùn)動(dòng)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(guó)外為代替火箭。 火箭伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓傳動(dòng)裝置,而研制的諧波馬達(dá)減速器,其體積和重量較原來(lái)竟降低10倍左右。我所為射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的復(fù)波諧波齒輪傳動(dòng)裝置,較同功能的齒輪或蝸輪傳動(dòng),重量也將減小4一5倍。在材料機(jī)械性能相同,傳動(dòng)比相同的情況下,承載能力較一般傳動(dòng)顯著提高。因在嚙合中,相對(duì)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(qiáng)度載荷。在許多情況下,允許的靜態(tài)過(guò)載超過(guò)計(jì)算載荷近10倍左右經(jīng)計(jì)算選擇諧波減速器型號(hào)：XSF-80-66-00，速比是66 3. 制動(dòng)器的選擇 制動(dòng)器（brake?staff）是具有使運(yùn)動(dòng)部件（或運(yùn)動(dòng)機(jī)械）減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)等功能的裝置。制動(dòng)能量傳輸方式：制動(dòng)系統(tǒng)可分為機(jī)械式、液壓式、氣壓式、電磁式等多種。同時(shí)采用兩種以上傳能方式的制動(dòng)系稱為組合式制動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)合設(shè)計(jì)內(nèi)容是斷電制動(dòng)，因此選用電磁式，制動(dòng)器選擇型號(hào)是SBR-60-127EZ，最大制動(dòng)扭矩是2N.M。 4.進(jìn)給傳動(dòng)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(gè)配套組成的。是目前傳動(dòng)機(jī)械中精度最高也是最常用的傳動(dòng)裝置。特點(diǎn)是：?高精度的保證、微進(jìn)給可能、無(wú)側(cè)隙、剛性高、高速進(jìn)給可能、循環(huán)方式。 5.系統(tǒng)的誤差分析 1）步進(jìn)電機(jī)的誤差 機(jī)械式微位移促動(dòng)器采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°,折算到位移輸出端的位移為4.6 nm。在實(shí)際控制中,需整化運(yùn)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(jìn)電機(jī)不產(chǎn)生累積誤差,假設(shè)步距角誤差為5%,則實(shí)際上由整化誤差和步距角誤差兩項(xiàng)綜合的誤差ΔM也不超過(guò)3 nm。　 2）滾珠絲杠的誤差 滾珠絲桿的傳動(dòng)誤差為8μm,這是影響微位移促動(dòng)器傳動(dòng)精度最主要的因素。實(shí)際上如果不能校正滾珠絲桿的傳動(dòng)誤差,機(jī)械式微位移促動(dòng)器對(duì)LAMOST項(xiàng)目是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的精密傳動(dòng),絲桿傳動(dòng)誤差通常采用軟件查表進(jìn)行校正的方法,機(jī)械式微位移促動(dòng)器也是采用了這種方法,實(shí)測(cè)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(dòng)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(dòng)誤差中的高頻誤差幾乎占了50%,這對(duì)開(kāi)環(huán)控制十分有利,這是因?yàn)橐话銠C(jī)械結(jié)構(gòu)普遍具有通低頻、阻高頻的特點(diǎn)。 綜上所述該機(jī)械式微位移促動(dòng)器機(jī)構(gòu)的誤差Δe(RMS)為:Δe= ±ΔM32+ΔX32+ΔS32= ± 207 nm理論設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方案滿足。與其他電動(dòng)執(zhí)行器相比其具有以下特點(diǎn)：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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制 三、研究步驟、方法及措施 1.研究步驟 1）通過(guò)相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)了解國(guó)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(shí)際察看進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 3）結(jié)合所有資料進(jìn)行科學(xué)分析計(jì)算，進(jìn)而設(shè)計(jì)繪圖 4）進(jìn)行改進(jìn)、論證、實(shí)驗(yàn)可行性。 2、研究方法 1）調(diào)查法 2）觀察法 3）文獻(xiàn)研究法 4）描述性研究法 5）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法 四、研究工作進(jìn)度 第3周 ~ 第 5周 查閱資料，撰寫開(kāi)題報(bào)告 第6周 ~ 第11周 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定設(shè)計(jì)方案；對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì) 算，并對(duì)重要零部件進(jìn)行安全與疲勞校核，最后繪制傳動(dòng)器零件圖及裝配圖。 第12周 ~ 第14周 完善設(shè)計(jì)，審查圖紙，翻譯外文文獻(xiàn)，寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文)，寫中文摘要并翻譯。 第15周 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文定稿，打印。 第16～17周： 答辯。 五、主要參考文獻(xiàn) [1]??韋有仁、叢鳳廷，鄧澄文，遲建山．機(jī)械設(shè)計(jì)?上海：上?？茖W(xué) 技術(shù)出版社，1985.? 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