裝配圖超聲電機(jī)星型減速器傳動(dòng)器的設(shè)計(jì),裝配,超聲,電機(jī),機(jī)電,減速器,傳動(dòng),設(shè)計(jì)
洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
超聲電機(jī)行星減速器促動(dòng)器的設(shè)計(jì)
摘 要
射電望遠(yuǎn)鏡是人們了解宇宙天空的奧秘的強(qiáng)力工具，而射電望遠(yuǎn)鏡的主反射面通常擁有300米或者更大的口徑，促動(dòng)器的設(shè)計(jì)目的就是準(zhǔn)確方便的調(diào)整主反射面。良好的的促動(dòng)器設(shè)計(jì)方案關(guān)系到射電望遠(yuǎn)鏡的制作成本、使用壽命、維護(hù)保養(yǎng)等性能指標(biāo)。
本文的主要內(nèi)容是針對(duì)促動(dòng)器的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，研究設(shè)計(jì)了電機(jī)、減速器、滾珠絲杠、箱體結(jié)構(gòu)及其他零部件配合的促動(dòng)器設(shè)計(jì)方案。對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的促動(dòng)器設(shè)計(jì)選擇有著良好的參考意義。
本次設(shè)計(jì)研究方向：
1. 選擇超聲電機(jī)作為本促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)合超聲電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的促動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化改良，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電機(jī)型號(hào)選擇。
2. 根據(jù)促動(dòng)器的傳動(dòng)要求，選擇行星減速器來(lái)調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)的中的轉(zhuǎn)速與扭矩。
3. 滾珠絲杠副做為促動(dòng)器的核心傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速及尺寸。
4. 設(shè)計(jì)促動(dòng)器的各零部件的配合。
關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)，滾珠絲杠，行星減速器，結(jié)構(gòu)優(yōu)化
I
The design of the ultrasonic motor actuators planetary reducer
Ultrasonic motor
ABSTRACT
Radio telescope is the useful tool for the people to understand the mysteries of the universe the sky?.And radio telescope main reflector is usually have 500 meters or a larger diameter.so a good actuator design is important，It is related to the production of a radio telescope cost, service life, maintenance of performance indicators.
The main content of this paper is the design of mechanical transmission system for actuator analysis, research design and the motor, reducer, ball screw, the actuator of structure and other parts of the design. The design of the actuator with radio telescopes choice has a good reference significance.
In this paper, This design research direction:
1. Choose ultrasonic motor as the actuator drives, combined with the advantages of ultrasonic motor, to optimize the traditional actuator, and motor type selection is made according to the design requirements.
2.?According to the requirements of the actuator drive, select the planet reducer transmission system to adjust the rotate speed and torque
3. The core of the ball screw vice as actuator transmission device, the advantages of calculation of the ball screw rotation speed and size.
4. The design of the component parts of the actuator.
Key words: ultrasonic motor, ball screw, planetary gear reducer, structure optimization
II
目 錄
前 言 1
第1章 緒論 3
1.1 智能促動(dòng)器的研究動(dòng)態(tài)及選題意義 3
1.1.1 國(guó)內(nèi)外研究 3
1.1.2 選題意義 4
第2章 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 6
2.1 擬定傳動(dòng)方案 6
2.1.1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 6
2.1.2 分析和選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8
2.2 選擇電動(dòng)機(jī) 8
2.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式 8
2. 3 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比與各級(jí)傳動(dòng)比分配 11
2. 4 促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)及計(jì)算參數(shù) 13
第3章滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)及計(jì)算 14
3.1滾珠絲杠副 14
3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)與計(jì)算 15
3.3 滾珠絲杠副的承載能力計(jì)算 17
3.3.1滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷計(jì)算 17
3.3.2 滾珠絲杠副的額定靜載荷的計(jì)算 18
3.4穩(wěn)定性驗(yàn)算 18
3.5滾珠絲杠副的軸的強(qiáng)度校核 19
第4章 促動(dòng)器其他零件的設(shè)計(jì) 24
4.1 電動(dòng)缸的設(shè)計(jì) 24
4.1.1 電動(dòng)缸的特點(diǎn) 24
4.1.2電動(dòng)缸的組成 24
4.2 促動(dòng)器箱體的設(shè)計(jì) 25
結(jié) 論 27
謝 辭 28
參考文獻(xiàn) 29
附 錄 29
外文資料翻譯 30
前 言
1609年 伽利略制造了世界上第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)簡(jiǎn)單的小東西是用平凸透鏡作為物鏡，凹透鏡作為目鏡。當(dāng)它被指向天空時(shí)，天文學(xué)進(jìn)入了望遠(yuǎn)鏡時(shí)代。
322年后，在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)了能夠接收到銀河系中心的無(wú)線電波的的天線陣，爾后美國(guó)人哥魯特·雷柏制造了一架半徑為4.95米的大型天線，并于1939年接受到來(lái)自銀河系中心的無(wú)線電波，從此第一架射電望遠(yuǎn)鏡誕生。接下來(lái)的近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，射電望遠(yuǎn)鏡在不斷的發(fā)展，為人類了解太空，認(rèn)識(shí)宇宙做出了巨大的貢獻(xiàn)。在宇宙面前，人類始終是渺小的存在，但是正是有了射電望遠(yuǎn)鏡，我們才了解到自我的渺小。我國(guó)也在1960年開始設(shè)計(jì)建造了第一批射電望遠(yuǎn)鏡，例如在上海和烏魯木齊分別建有25m口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，首都超過(guò)50m半徑的大型射電望遠(yuǎn)鏡，以及不久前上海佘山的65m口徑的望遠(yuǎn)鏡。隨著對(duì)太空探索的需求，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越來(lái)越大。比如德國(guó)的超過(guò)一百米的射電望遠(yuǎn)鏡，甚至美國(guó)的300m以上的阿類西厄射電望遠(yuǎn)鏡等。但是設(shè)計(jì)的反射面越來(lái)越大的，射電望遠(yuǎn)鏡受到自身重量、風(fēng)力和溫度等因素的影響，主反射面會(huì)偏離拋物面的形狀，這也會(huì)嚴(yán)重降低射電望遠(yuǎn)鏡的效率。其高頻率更會(huì)衰減5倍以上嚴(yán)重影響到科學(xué)家的工作，因此我們會(huì)把射電望遠(yuǎn)鏡切割成三角形、四邊形等許多小塊。然后用用一種促動(dòng)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，用促動(dòng)器來(lái)補(bǔ)償這種偏差。
對(duì)于促動(dòng)器的研究，我國(guó)雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速。如今與國(guó)外的某些促動(dòng)器設(shè)計(jì)相比，略顯落后，所以應(yīng)設(shè)計(jì)一種智能促動(dòng)器，能夠微調(diào)整個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的反射面，是勢(shì)在必行的。與傳統(tǒng)的促動(dòng)器相比，新型促動(dòng)器，應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1）利用微機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行總場(chǎng)控制。（2）防磁輻射。（3）可靠性高。(4)精確定點(diǎn)。（5）功率重量比大。（6）承受側(cè)向力（7）防塵防水（8）斷電的可以自鎖。
本裝置的技術(shù)要求：（1）采用直線型傳動(dòng)方式（2)有效行程是60mm。（3）最大行程是60mm（4)額定輸出力是350N（5）額定輸出速度0.3mm/sec（6）定位精度≦±0.05（7)內(nèi)部有防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。（8）防護(hù)等級(jí)IP67（9)使用溫度范圍-40—+60攝氏度。（10)抗側(cè)向力負(fù)載能力≥6000N（11）垂直破壞負(fù)載力≥8000N。
聲明：本次設(shè)計(jì)的主要偏向于傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)任務(wù)交給他人完成。
第1章 緒論
1.1 智能促動(dòng)器的研究動(dòng)態(tài)及選題意義
1.1.1 國(guó)內(nèi)外研究
射電望遠(yuǎn)鏡在現(xiàn)代社會(huì)的科研中起到了非常重要的作用。是人們觀察宇宙太空的一雙眼睛，由于科技水平的不同，這雙眼睛的銳利與否都是不同的。在射電望遠(yuǎn)鏡的研究中，我們國(guó)家起步較晚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)歐洲等國(guó)家，這個(gè)受限于機(jī)械工業(yè)的先進(jìn)程度以及和國(guó)外的先進(jìn)的力學(xué)理論擁有這一定的差距。目前世界上最先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡都在美國(guó)。美國(guó)擁有世界上最大的固定射電望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡的直徑為305米，頂角掃描能達(dá)到20度。它的接收系統(tǒng)非常靈敏，甚至能夠接收和區(qū)分來(lái)自來(lái)自400萬(wàn)光年以上的遠(yuǎn)太空電磁信號(hào)。而且世界上最大孔徑的射電望遠(yuǎn)鏡也位于美國(guó)，那就是甚大射電望遠(yuǎn)鏡，這是個(gè)無(wú)線電天線群組，由27個(gè)大型的拋物面天線組成，每個(gè)天線的直徑達(dá)到25米，天線的臂長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)2.1公里，呈現(xiàn)的是Y型的排布陣列。多種不同的組合方式，能夠達(dá)到的最大基線是36公里。該望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)層級(jí)領(lǐng)先于世界上任何的射電望遠(yuǎn)鏡，空間識(shí)別的分辨率最高可以達(dá)到弧秒。光學(xué)成像效果甚至能夠達(dá)到地面望遠(yuǎn)鏡的程度。美國(guó)還擁有世界上最大的全方位可轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡，其探測(cè)面能夠達(dá)到110x110米，其視野方位能夠達(dá)到觀察與地面成5度角的整個(gè)天空，更可以可以提供幾英寸秒精確的指向精度。我們國(guó)家的射電望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的技術(shù)要求，這是我們必須彌補(bǔ)的劣勢(shì)。
我國(guó)自1960年開始著手建造了第一批射電望遠(yuǎn)鏡，時(shí)間過(guò)去了55年，目前擁有亞洲最大，世界上性能排名第四的上海佘山天文望遠(yuǎn)鏡,這臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)100多億光年以外的天體，對(duì)我國(guó)的太空探索有這巨大的作用，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)代表這我們國(guó)家的天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到世界前列，而且為了讓國(guó)際上最尖端的射電望遠(yuǎn)鏡合作設(shè)計(jì)計(jì)劃注意到中國(guó)，我國(guó)正利用貴州的天然地形優(yōu)勢(shì)，籌建全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)項(xiàng)目是我國(guó)2007年國(guó)防部批準(zhǔn)建立的口徑為500米的球面射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。望遠(yuǎn)鏡建成后，不僅僅是世界上單口徑最大的天文望遠(yuǎn)鏡，并且在未來(lái)20年至30年內(nèi)將持續(xù)保持世界上的領(lǐng)先地位。預(yù)期在射電望遠(yuǎn)鏡建成之后， 還將把中國(guó)空間的測(cè)控能力從地球同步軌道一直延伸到太陽(yáng)系上網(wǎng)外緣，將通訊數(shù)據(jù)上網(wǎng)速率至少提高100倍。脈沖星時(shí)間到達(dá)測(cè)量精度會(huì)從目前的120納秒提高為30納秒，并成為世界上最精確的脈沖星計(jì)時(shí)器，為自主導(dǎo)航這一前瞻性研究提供強(qiáng)有力的后盾。同時(shí)，射電望遠(yuǎn)鏡還可以進(jìn)行高分辨率的微波巡視，以1Hz的分辨率診斷并識(shí)別微弱的空間信號(hào)，同時(shí)作為戰(zhàn)略雷達(dá)為軍事安全服務(wù)，并且還可跟蹤探測(cè)物質(zhì)拋射事件，對(duì)天氣進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。
1.1.2 選題意義
目前世界上了的大國(guó)強(qiáng)國(guó)都展開了太空探索和深海探索的競(jìng)賽，但是海洋的空間是有限的，而且中國(guó)的海洋資源也是比不上歐美等科技先進(jìn)的國(guó)家，所以未來(lái)中國(guó)發(fā)展的舞臺(tái)就是太空。那里有著無(wú)限的空間的與資源，對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，探索太空可以了解宇宙演化及其中的各種物理現(xiàn)象和過(guò)程； 了解人類和地球生物在宇宙中的地位及意義；發(fā)展各種太空技術(shù)并將其運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域； 探索和占有各種太空資源； 利用太空的極端環(huán)境進(jìn)行各種科學(xué)和技術(shù)試驗(yàn)； 顯示國(guó)家的先進(jìn)和強(qiáng)大。探索太空有著這樣的好處，我們必須牢牢把握住這次航天大時(shí)代的機(jī)會(huì)，但也是兵家必爭(zhēng)之地，發(fā)展航天工業(yè)是迫在眉睫的，工欲善其事，必先利其器，能在射電望遠(yuǎn)鏡的研究上面取得一定的突破，也是一個(gè)突破點(diǎn)。
射電望遠(yuǎn)鏡有著兩大基本指標(biāo)。那就是“分辨率”和“靈敏度”。靈敏度是指射電望遠(yuǎn)鏡"最低可測(cè)"的能量值，這個(gè)值越低靈敏度越高。為提高靈敏度常用的辦法有降低接收機(jī)本身的固有噪聲，增大天線接收面積，延長(zhǎng)觀測(cè)積分時(shí)間等。分辨率是指區(qū)分兩個(gè)彼此靠近射電源的能力，分辨率越高就能將越近的兩個(gè)射電源分開。那么，怎樣提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率呢？對(duì)單天線射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，天線的直徑越大分辨率越高。而分辨率指的是區(qū)分兩個(gè)彼此靠近的相同點(diǎn)源的能力﹐因?yàn)閮蓚€(gè)點(diǎn)源角距須大于天線方向圖的半功率波束寬度時(shí)方可分辨﹐故宜將射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率規(guī)定為其主方向束的半功率寬。為電波的衍射所限﹐對(duì)簡(jiǎn)單的射電望遠(yuǎn)鏡﹐它由天線孔徑的物理尺寸D 和波長(zhǎng)λ決定。這兩個(gè)基本指標(biāo)都要求射電望遠(yuǎn)鏡的鏡面做的足夠大，但是如果做成一個(gè)超大型的射電望遠(yuǎn)鏡，不僅僅的成本高昂的問(wèn)題，還有就是要能夠做到可以精確的調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的主反射面，而解決這個(gè)難題的辦法就是設(shè)計(jì)一個(gè)精度足夠高而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器。一個(gè)巨大的射電望遠(yuǎn)鏡的鏡面是由幾千個(gè)小的鏡面拼湊起來(lái)的，這就代表著一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的背后有著上千個(gè)促動(dòng)器在起著調(diào)整作用。射電望遠(yuǎn)鏡的精度就代表著接收型號(hào)的清晰與否，所以這就要求這些促動(dòng)器調(diào)整精度非常的高。有限于我們的國(guó)家的機(jī)械制造的精度水準(zhǔn)低于歐美國(guó)家，我們可以采取設(shè)計(jì)一種智能的促動(dòng)器，采用電動(dòng)執(zhí)行器的技術(shù)。使促動(dòng)器的配合精度更高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且成本更低。這種促動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究，可以讓我們?cè)黾釉O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)也可以讓射電望遠(yuǎn)鏡的促動(dòng)器能有更多的選擇和參考，與此同時(shí)也可能為我國(guó)的航天，科研，氣象等行業(yè)做出貢獻(xiàn)。一個(gè)優(yōu)秀的促動(dòng)器的設(shè)計(jì)，可能會(huì)為我國(guó)望遠(yuǎn)鏡事業(yè)的發(fā)展做出不小的推動(dòng)，從而帶動(dòng)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
4
第2章 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)
2.1 擬定傳動(dòng)方案
機(jī)器有著三大要素—驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)。其中的核心就是傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置的作用是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的中間裝置。它連接著驅(qū)動(dòng)裝置和工作機(jī)，相當(dāng)于一個(gè)中介，但是是必不可少的東西。沒(méi)有它的存在，我們的機(jī)器就無(wú)法實(shí)現(xiàn)多樣化，有了它，機(jī)器就被賦予了靈活的變化，可以實(shí)現(xiàn)工作需求。傳動(dòng)裝置具有改變運(yùn)動(dòng)方向或者運(yùn)動(dòng)形式和減速甚至增速以及將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分配與傳遞的功效。傳動(dòng)裝置作為機(jī)器的核心，往往也占據(jù)著整部機(jī)器結(jié)構(gòu)與重量的大部分。它的設(shè)計(jì)會(huì)影響到機(jī)器的設(shè)計(jì)成本、工作性能。一個(gè)優(yōu)秀的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)工作有著非常重要的作用。
2.1.1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖是傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)方案，合理的選擇傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)方案，不僅僅要滿足工作機(jī)的性能要求，還要適應(yīng)工作環(huán)境。與此同時(shí)，能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、傳動(dòng)效率高、尺寸緊湊、具有良好的工藝性能就是良好的傳動(dòng)方案。但是要滿足所以有條件是很困難的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的同時(shí)，要選擇出要優(yōu)選考慮的因素，分清主次，先滿足重要的條件，再去考慮其他。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖2-1，這是促動(dòng)器的傳動(dòng)方案，它反應(yīng)了機(jī)器如何運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力傳遞的線路以及機(jī)器的重要零部件的組成聯(lián)接。從機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，構(gòu)件是機(jī)構(gòu)的基本組成單元，而機(jī)構(gòu)則可以看做是若干個(gè)構(gòu)件組成的構(gòu)件組合體。傳動(dòng)裝置作為機(jī)器的核心，往往也占據(jù)著整部機(jī)器結(jié)構(gòu)與重量的大部分。它的設(shè)計(jì)會(huì)影響到機(jī)器的設(shè)計(jì)成本、工作性能。一個(gè)優(yōu)秀的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)工作有著非常重要的作用。
擁有一個(gè)清楚明了的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，可以幫助設(shè)計(jì)者與制造商更加方便的去設(shè)計(jì)與制造構(gòu)件。從而大大減輕設(shè)計(jì)工作中的工作量，而且能夠在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)候提供參考.
1. 編碼器 2.電動(dòng)機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.減速器 5.聯(lián)軸器 6.螺母 7.絲杠
圖2-1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
圖2-2 傳動(dòng)參數(shù)比較
2.1.2 分析和選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
擬定傳動(dòng)方案的重要環(huán)節(jié)是分析選擇傳動(dòng)裝置的類型，例如擁有同樣的傳遞功率，低速軸轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比也是相同的，可以設(shè)計(jì)出不同的尺寸輪廓。見圖2-2.所以傳動(dòng)參數(shù)只是一個(gè)要求，具體的結(jié)構(gòu)尺寸還要結(jié)合機(jī)構(gòu)的特性與用途加以分析。我們就需要查閱資料，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能與用途來(lái)選擇機(jī)構(gòu)的類型。
2.2 選擇電動(dòng)機(jī)
驅(qū)動(dòng)裝置是機(jī)器的動(dòng)力來(lái)源，有很多類型，比方說(shuō)電動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)、發(fā)電機(jī)的核心、液壓機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等等。電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、維護(hù)方便、性能可靠，大多數(shù)機(jī)械生產(chǎn)都選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
現(xiàn)在電機(jī)已經(jīng)系列化，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中只需要根據(jù)裝置工作時(shí)所需要功率，還有該裝置的工作條件，來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的類型、轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)樣式，來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。
2.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式
電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式需要根據(jù)具體的工作條件來(lái)選擇。而且有時(shí)候還要根據(jù)設(shè)計(jì)的要求來(lái)選擇。
超聲電機(jī)作為一種新型的高科技電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)不再像傳統(tǒng)的電機(jī)一樣，它的力矩與運(yùn)動(dòng)不是通過(guò)電磁交叉來(lái)獲得的，超聲電機(jī)是通過(guò)超聲振動(dòng)與壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，放大材料的微觀變形，然后和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子，化微觀運(yùn)動(dòng)成宏觀運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)拋棄了傳動(dòng)的電機(jī)材料，壓電陶瓷成為這種新型電機(jī)的核心材料。
超聲電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，由于促動(dòng)器是安裝在鋼鐵支架上面，數(shù)量較大，對(duì)底座的鋼架壓力很大，所以盡量減輕促動(dòng)器的重量，超聲電機(jī)有著簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，體積很小，重量輕，能降低對(duì)箱體的空間要求，間接減輕箱體重量，由于超聲電機(jī)不受磁場(chǎng)干擾，而且低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)讓超聲電機(jī)省掉了附加齒輪這樣的變速結(jié)構(gòu)，從而使得電機(jī)幾乎沒(méi)有噪聲，和射電望遠(yuǎn)鏡的工作環(huán)境很適合，既能保證自己的正常運(yùn)行，也不會(huì)干擾到射電望眼鏡的信號(hào)接收，更是易于控制，具有高效率。超聲電機(jī)有著一個(gè)其他電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，那就是斷電自鎖，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以給促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，去除一個(gè)制動(dòng)裝置，大大減輕整體裝置的重量。這是本次設(shè)計(jì)的核心亮點(diǎn)，無(wú)制動(dòng)器的促動(dòng)器。是促動(dòng)器結(jié)構(gòu)的一個(gè)創(chuàng)新。超聲電機(jī)見圖2-3，圖2-4.這是超聲電機(jī)的外形與內(nèi)部構(gòu)造。超聲電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與其他電機(jī)相比，體積比很小，可以適應(yīng)較多的工作環(huán)境，雖然是個(gè)新型的電機(jī)系統(tǒng)但是我相信，這種電機(jī)將很快的普及開來(lái)，即使造價(jià)有點(diǎn)高，但是我相信這個(gè)問(wèn)題會(huì)很快得到解決。
圖2-3 超聲電機(jī)
圖2-4 超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
2.2.2 確定電動(dòng)機(jī)的功率
促動(dòng)器的如果擁有一個(gè)合適的電動(dòng)機(jī)功率，這將對(duì)電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能與運(yùn)作狀況有著良好的改善。若功率達(dá)不到生產(chǎn)或工作要求，電動(dòng)機(jī)就不能正常工作，或者會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而損壞，功率大的電動(dòng)機(jī)往往價(jià)格也高，還會(huì)因?yàn)椴粷M載的情況，白白浪費(fèi)電能，所以為了節(jié)約成本，我們應(yīng)選擇的電機(jī)功率最好是恰當(dāng)?shù)摹＿x擇電機(jī)的功率主要是根據(jù)電機(jī)的發(fā)熱情況來(lái)決定，對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)性工作的機(jī)器，我們所選擇的電機(jī)的額定功率應(yīng)比所需求的電動(dòng)機(jī)Po稍微大一點(diǎn)是最好的,就是，這樣電動(dòng)機(jī)就會(huì)在正常的工作運(yùn)轉(zhuǎn)中不會(huì)過(guò)熱，從而也不用去校檢起動(dòng)力矩和發(fā)熱。
計(jì)算步驟
1.計(jì)算促動(dòng)器工作時(shí)需求功率
(2-1)
或
(2-2)
式子中，F(xiàn)w就是促動(dòng)器所受到的阻力（N）；是促動(dòng)器的線速度（m/s）；是滾珠絲杠副的扭矩（）；Nw是電動(dòng)缸中絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）；是促動(dòng)器的工作效率，本促動(dòng)器的工作效率一般為=0.90。
2. 計(jì)算電動(dòng)機(jī)的所需求功率
電動(dòng)機(jī)的功率主要是由促動(dòng)器所需求功率和整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率來(lái) (2-3)
其中η為傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，是傳動(dòng)裝置中各級(jí)運(yùn)動(dòng)副的效率的乘積，即。 (2-4)
2.2.3確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
就算是電動(dòng)機(jī)的功率一樣，它們的轉(zhuǎn)速有可能不同，1000r/min、1500r/s、2000r/s幾種都有。如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很大，那么體積和質(zhì)量越小，也就會(huì)越便宜，但是超聲電機(jī)恰恰相反，由于其采用壓電陶瓷的材料，具有低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)，所以選擇合適的輸出扭矩的超聲電機(jī)即可。超聲電機(jī)的型號(hào)選擇見表2-1。對(duì)于促動(dòng)器來(lái)說(shuō)，它的設(shè)計(jì)功率需要按照電動(dòng)機(jī)的功率Po來(lái)計(jì)算。傳動(dòng)裝置的輸入扭矩要按超聲電機(jī)的額定功率下的滿載扭矩Mm來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
表2-1 超聲電機(jī)參數(shù)表
型號(hào)
TRUM-30-P-A
TRUM-45-P-A
TRUM-60-P-A
定子直徑
30
45
60
額定扭矩
0.1
0.15
0.5
額定轉(zhuǎn)速
180
150
120
額定輸出
1.8
2.3
6.0
轉(zhuǎn)速范圍
5~250
4~180
4~150
轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性
5
5
5
最大扭矩
0.2
0.35
1.6
自鎖扭矩
0.1
0.25
1.2
旋轉(zhuǎn)方向
CW
CW
CW
電機(jī)自重
40
100
250
檢驗(yàn)
IS9001
為了達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，在本次的促動(dòng)器設(shè)計(jì)中我選擇的超聲電機(jī)的型號(hào)是：TRUM-60-P-A，該種型號(hào)的電機(jī)的額定扭矩為：， 額定轉(zhuǎn)速：n=120（r/min).在接下來(lái)的計(jì)算中以電機(jī)的額定功率和扭矩做為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)滾珠絲杠副。
2. 3 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比與各級(jí)傳動(dòng)比分配
選定了電動(dòng)機(jī)后，我們可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速nm以及滾珠絲杠的工作轉(zhuǎn)速nm,我們就能夠計(jì)算出促動(dòng)整體的總傳動(dòng)比為
(2-5)
在本次的促動(dòng)器設(shè)計(jì)方案中，轉(zhuǎn)速與扭矩的輸出是由電動(dòng)機(jī)直接傳遞給減速器，然后由減速器傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠接收到轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成螺母的平動(dòng)，從而帶動(dòng)促動(dòng)的支架上下移動(dòng)。所以本傳動(dòng)裝置中只經(jīng)過(guò)一級(jí)的傳動(dòng)改變，本促動(dòng)器選用的是PL60行星減速器，速比為32，所以 i1= ，即總傳動(dòng)比
所以，
分配后的各級(jí)傳動(dòng)比只是一個(gè)初步確定的數(shù)值，但是真是的傳動(dòng)比要經(jīng)過(guò)傳動(dòng)件才能最后確定下來(lái)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。因此，滾珠絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)速，要在傳動(dòng)件的整體設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行核算，如果符合技術(shù)要求，就選用此傳動(dòng)比，或者進(jìn)行微調(diào)。若不滿足誤差允許的范圍，要進(jìn)行重新分配傳動(dòng)比。
PL60行星減速器的結(jié)構(gòu)如圖2-5,2-6所示，行星減速器是一種伺服系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，相對(duì)于其他的減速器來(lái)說(shuō)，行星減速器具有高效的傳動(dòng)效率，能夠完成大部分的減速任務(wù)，精度要求能夠達(dá)到高精度的優(yōu)點(diǎn)，體積小也是行星減速器被運(yùn)用到促動(dòng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約箱體的空間，從而在整體上減輕促動(dòng)器的重量，優(yōu)化促動(dòng)器的物理結(jié)構(gòu)。為更高效的完成設(shè)計(jì)任務(wù)，降低促動(dòng)器的設(shè)計(jì)難度，提供了很好的思路，目前很多設(shè)計(jì)者都采用伺服系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)來(lái)完成促動(dòng)器設(shè)計(jì)，這也證明了行星減速器用來(lái)設(shè)計(jì)促動(dòng)器是一個(gè)很好的選擇。
圖2-5 PL60行星減速器
圖2-6行星減速器的裝配
從圖2-6可以看出，行星減速器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)裝配難度不高，這對(duì)促動(dòng)器的安裝和維護(hù)都有很大的幫助，機(jī)械設(shè)計(jì)的目的是服務(wù)于人，人性化的設(shè)計(jì)方案往往深受廣大用戶的喜愛。
2. 4 促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)及計(jì)算參數(shù)
要求出促動(dòng)器的最終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要計(jì)算出該促動(dòng)器中各軸的轉(zhuǎn)速，扭矩或者功率。在該促動(dòng)器中由電機(jī)輸出軸為Ι軸，滾珠絲杠為II軸,所以我們可以得到各軸的轉(zhuǎn)速n,每個(gè)軸的轉(zhuǎn)矩T
每個(gè)軸的轉(zhuǎn)速 (2-6)
(2-7）
每個(gè)軸的轉(zhuǎn)矩 （2-8)
(2-9)
所以，由可得，
23
第3章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1滾珠絲杠副
滾珠絲杠副是近年來(lái)非常受歡迎的傳動(dòng)元件，到目前為止，滾珠絲杠副的的誕生僅僅只有幾十年，但是它的出現(xiàn)及普及已經(jīng)對(duì)社會(huì)工業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。如今，滾珠絲杠副作為一種優(yōu)秀的螺旋傳動(dòng)元件，被廣泛運(yùn)用到各種行業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)中。這依賴著滾珠絲杠副擁有高效率和能達(dá)到的高精度要求，同時(shí)滾珠絲杠副的使用壽命比傳統(tǒng)的絲杠要長(zhǎng)且耐磨，這使得運(yùn)用滾珠絲杠副的設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)難度大大降低。滾珠絲杠副及其內(nèi)部構(gòu)造可以見圖3-1及圖3-2。滾珠絲杠副的技術(shù)已經(jīng)很成熟了，雖然滾珠絲杠的普及還沒(méi)有達(dá)到整個(gè)行業(yè)都普及的地步，但是已經(jīng)成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，設(shè)計(jì)者只需要設(shè)計(jì)出基本尺寸，相應(yīng)廠商就會(huì)根據(jù)參數(shù)做出符合標(biāo)準(zhǔn)的滾珠絲杠副。滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，如部件重量未加平衡，必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)，防逆?zhèn)鲃?dòng)方法可用渦輪螺桿傳動(dòng)，液壓式電器制動(dòng)器及超越離合器等。
圖3-1 滾珠絲杠副
1.油孔 2.曲折式防塵片 3.樹脂 4.滾珠回流管 5.螺母 6.滾珠 7.絲杠
圖3-2滾珠絲杠的內(nèi)部構(gòu)造
3.1.1 滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)
1.滾動(dòng)替代了滑動(dòng)
2.高效的傳動(dòng)
3.高精度
4.無(wú)軸向間隙
5.使用壽命長(zhǎng)
6.運(yùn)動(dòng)是可逆的
7.準(zhǔn)確的同步性
3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)與計(jì)算
由促動(dòng)器的技術(shù)要求我們可以得到滾珠絲杠受的軸向壓力，絲杠的最大行程，額定的輸出速度0.3mm/sec，定位精度。
3.2.1 滾珠絲杠尺寸的計(jì)算
1.滾珠絲杠副的導(dǎo)程
基本導(dǎo)程是絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，螺母上面的基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移，如圖3-2所示。我們也可按照查表選取。
圖3-2 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程原理圖
在這里我所選取的公稱直徑，可得最佳的基本導(dǎo)程=5mm后我們選擇的接觸角，一般取理想接觸角為45度。螺紋升角，是公稱直徑的圓柱螺旋線的切線和螺紋軸線的平面夾角，其計(jì)算公式為
（3-1）
滾珠的實(shí)際直徑，實(shí)際直徑是滾珠與絲杠和螺母在實(shí)際的工作狀態(tài)下，滾珠的中心的圓柱體的直徑。滾珠的直徑，就是鋼球的公稱直徑，可以按照公式計(jì)算.滾道半徑R，是螺紋法向面截面的的滾道半徑R，。圓弧的偏心距，是圓弧滾道中心到螺紋軸線的垂線間距。
偏心距的公式如下
（3-2）
2.滾珠絲杠的主要尺寸
（1） 絲杠大徑
（3-3）
（2） 絲杠的小徑
（3-4）
（3） 絲杠的接觸點(diǎn)直徑
（3-5）
（4） 絲杠的牙頂圓角半徑
（3-6）
（5） 絲杠的內(nèi)徑
（3-7）
其中是絲杠材料的拉伸需用應(yīng)力，;
，其中為絲杠材料的拉伸極限，n為安全系數(shù)一般取n=5~7。
3. 滾珠螺母的主要尺寸
(1) 螺母螺紋大徑
（3-8）
(2) 螺母小徑
（3-9）
3.3 滾珠絲杠副的承載能力計(jì)算
滾珠絲杠副的承載通常是額定動(dòng)軸向載荷和額定靜軸向載荷來(lái)表示。滾珠絲杠副和推力球軸承的結(jié)構(gòu)類型與工作原理相似，我們可以采用45°角的推力球軸承的載荷計(jì)算方式來(lái)確定滾珠絲杠副的額定動(dòng)靜載荷。
3.3.1滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷計(jì)算
滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷測(cè)試一般為一批規(guī)格相同的滾珠絲杠副，運(yùn)行一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，超過(guò)90%的滾珠絲杠副，螺紋滾道或者滾珠表面不產(chǎn)生疲勞損傷時(shí)的軸向載荷。
我們可以采用以下公式進(jìn)行運(yùn)算
（3-10）
式子中，i——工作圈數(shù)，有，j為沒(méi)列的工作圈數(shù)，k為列數(shù)；
—接觸角，（°）；
Z一圈螺紋滾道內(nèi)承受載荷的滾珠數(shù)；
—滾珠直徑，mm；
—系數(shù)，與滾珠絲杠副滾道的幾何形狀，制作材料還有相應(yīng)精度有關(guān).
3.3.2 滾珠絲杠副的額定靜載荷的計(jì)算
額定靜載荷指滾珠絲杠副在靜止?fàn)顟B(tài)下或者低速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，承受最大接觸應(yīng)力，滾珠和滾道接觸面所發(fā)生的塑性變形量不大于滾珠直徑的萬(wàn)分之一的軸向載荷。
我們可以采用下面的式子計(jì)算其額定靜載荷：
（3-11）
式子中，i——工作圈數(shù)，有，j為沒(méi)列的工作圈數(shù)，k為列數(shù)；
—接觸角，（°）；
Z一圈螺紋滾道內(nèi)承受載荷的滾珠數(shù)；
—滾珠直徑，mm；
—系數(shù)，與滾珠絲杠副滾道的幾何形狀，制作材料還有相應(yīng)精度有關(guān).
3.4穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于滾珠絲杠在長(zhǎng)期的工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生失效，故再設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該校核安全系數(shù)S，S應(yīng)該大于滾珠絲杠副允許安全系數(shù)[S]，
臨界載荷 （3-12）
式中，E為彈性模量，45號(hào)鋼，E=206GPa；l是絲杠長(zhǎng)度；Ia為絲杠慣量；是長(zhǎng)度系數(shù)。
（3-13）
取=2/3，則：
（3-14）
安全系數(shù)
（3-15）
[S]=2.5~3.3，在安全范圍內(nèi)。
所以產(chǎn)品合格.
接下來(lái)驗(yàn)算一下絲杠的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。
長(zhǎng)絲杠工作時(shí)會(huì)發(fā)生共振，因此需要校核引起共振的的高轉(zhuǎn)速ncr，要求nmax
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