智能諧波促動器的設計【含9張CAD圖紙、SW三維模型和說明書】

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射電望遠鏡直徑也達到 100m，但是因為沒有使用偏饋、主動面調整等技術，其在 43GHz 時的口徑效率為 23%，與美國GBT有較大差距。 可見，主動面調整技術在射電望遠鏡領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，天線結構收到重力、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，僅僅依靠保形技術已經無法保證射電望遠鏡天線的工作效率，必須調整反射面的形狀，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)行機構以來,國際上電動執(zhí)行器技術水平發(fā)展迅速。20世紀80年代起,國外相繼推出了符合各種現場總線標準的智能執(zhí)行器,在工業(yè)現場取得了較好的應用效果。由于高新技術的迅猛發(fā)展,目前國外己開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機構產品,電子計算機技術、微機控制技術己在閥門設計中得到支持多種現場總線的功能,而且其獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設定使它可用在任何環(huán)境中,防水防暴,終身可靠,調試及故障排除簡單。德國Hartmann&Braum公司新一代產品智能電動執(zhí)行器MOE700實現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。總之,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)行器利用微機技術和現場通信技術,實現雙向通信、PID調節(jié)、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能,有效提高控制水平。 (2) 機電一體化新型智能化電動執(zhí)行機構將伺服放大器與執(zhí)行機構合為一體,驅動電路應用功能強大的集成模塊,結構簡單,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,實現準確定位,提高控制精度。Nucom電動執(zhí)行器利用先進的電制動技術,控制精度可達1/250,國產的普通型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型產品[1]。80年代以來,隨著電力電子技術的發(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)行機構兩大類產品進入市場,DKJ、DKZ是我國最早的、唯一生產的電動執(zhí)行器,此產品以結構簡單、經濟實用等優(yōu)點被最早的國營大型企業(yè)使用。隨著現代工控計算機管理的發(fā)展,目前我國儀器儀表行業(yè)整體綜合技術水平普遍上升,微電子技術和計算機技術在儀器儀表產品中普遍采用,多數產品實現了智能化。今天,DKJ、DKZ系列與以前相比有了兩大實質性改進:(1)生產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、負載能力、信號品質系數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。但是國內的許多智能電動執(zhí)行器是引用國外先進技術生產制造的,如天津市龍城自動化儀表有限公司生產制造的SH系列智能型電動執(zhí)行機構采用了法國新一代先進技術。因此與國際上先 進的智能促動器相比，現有的國產促動器機構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 促動器安裝現場 二、研究的基本內容，擬解決的主要問題 實現天線反射面面板調節(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，讀取預先保存的促動器指令位置，控制促動器運動到預定位置。GBT 的促動器使用直流電刷電機驅動促動器，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 步進電機在構造上有三種主要類型反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、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子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。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電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉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，但結構復雜、成本相對較高。經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，利用齒輪的速度轉換器，將馬達的回轉數減速到所要的回轉數，并得到大轉矩的機構。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,結構笨重。 普通的蝸輪減速器在傳遞大傳動比時,效率較低?，F有的機械減速裝置其主要的 傳力構件為齒輪、蝸輪等,由于這種傳力構件在工作過程中,傳力的接觸部分只是 局部的齒廓,而絕大多數處于不傳力狀態(tài),因此普通減速器的性能已不能滿足現 代工業(yè)的發(fā)展,國內外動力齒輪傳動正沿著小型化、高速化、標準化、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技術的發(fā)展,在薄殼彈 性變形的理論基礎上發(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 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)在徑向方向對稱分布,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,當采用行 星式波發(fā)生器時為150一400若采用復波傳動則可達1.6X10’。3重量輕、體積 小、結構簡單、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計的復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、停止或保持停止狀態(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)。結合設計內容是斷電制動，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,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。步進電機不產生累積誤差,假設步距角誤差為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構普遍具有通低頻、阻高頻的特點。 綜上所述該機械式微位移促動器機構的誤差Δe(RMS)為:Δe= ±ΔM32+ΔX32+ΔS32= ± 207 nm理論設計結果表明,該設計方案滿足。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）通過相關科學文獻了解國內外諧波減速器的發(fā)展情況，研究情況。 2 ) 到售賣該零件店面實際察看進行結構分析 3）結合所有資料進行科學分析計算，進而設計繪圖 4）進行改進、論證、實驗可行性。 2、研究方法 1）調查法 2）觀察法 3）文獻研究法 4）描述性研究法 5）經驗總結法 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 進行結構分析，確定設計方案；對傳動系統(tǒng)進行設計、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 完善設計，審查圖紙，翻譯外文文獻，寫設計說明書(論文)，寫中文摘要并翻譯。 第15周 畢業(yè)設計論文定稿，打印。 第16～17周： 答辯。 五、主要參考文獻 [1]??韋有仁、叢鳳廷，鄧澄文，遲建山．機械設計?上海：上?？茖W 技術出版社，1985.? 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