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）任務(wù)書
填表時(shí)間：2015 年 3 月 5 日 （指導(dǎo)教師填表）
學(xué)生姓名
駱開陽(yáng)
專業(yè)班級(jí)
B110208
指導(dǎo)教師
楊奎民
課題類型
科研
題目
超聲電機(jī)星型減速器傳動(dòng)器的設(shè)計(jì)
主要研究
目標(biāo)
(或研
究?jī)?nèi)容)
研究?jī)?nèi)容：
1.技術(shù)領(lǐng)域:本裝置涉及到一種新型電動(dòng)執(zhí)行器，尤其涉及大型射電望遠(yuǎn)鏡主反射面主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中使用的專用電動(dòng)執(zhí)行器，屬電動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域。
2.背景技術(shù):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)。該系統(tǒng)的核心就是主反射面主動(dòng)調(diào)整用電動(dòng)執(zhí)行器，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.能通過現(xiàn)場(chǎng)總線控制。由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電動(dòng)執(zhí)行器無(wú)法滿足上述設(shè)計(jì)要求，因此有必要重新設(shè)計(jì)一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡主反射面主動(dòng)調(diào)整用電動(dòng)執(zhí)行器。
新型電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)實(shí)踐是鞏固和深化大學(xué)生所學(xué)知識(shí)，提高他們理論綜合分析和設(shè)計(jì)能力的一種行之有效的方法。通過設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)學(xué)生在工程設(shè)計(jì)中包括結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)擬定、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算等能力。
3. 傳動(dòng)器技術(shù)要求：
a) 傳動(dòng)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）：350
e) 額定速度（mm/sec）：0.3
f) 定位精度（mm）：≤±0.05（負(fù)載不變的情況下）
g) 內(nèi)部防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：有
h) 防護(hù)等級(jí)：IP67
i) 使用溫度范圍（℃）：-40 - +60
j) 抗側(cè)向負(fù)載能力（N）：≥6000
k) 垂直破壞負(fù)載力（N）：≥8000
課題要求、主要任務(wù)及數(shù)量（指圖紙規(guī)格、張數(shù)，說(shuō)明書頁(yè)數(shù)、論文字?jǐn)?shù)等）
目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立完成較復(fù)雜的電動(dòng)傳動(dòng)器的能力。
要求：
1. 分析題目和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，查閱18篇以上的相關(guān)文獻(xiàn)資料。
2. 圖紙量不少于3張A0（至少1張中等難度的計(jì)算機(jī)繪圖、1號(hào)圖幅量的手工繪圖）裝配和零件圖總量。驗(yàn)算設(shè)計(jì)參數(shù)并進(jìn)行主要有零部件的強(qiáng)度校核；
3. 英文翻譯一篇、撰寫12000字的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、開題報(bào)告各一份。
進(jìn)度計(jì)劃
第3周 ~ 第 5周 查閱資料，撰寫開題報(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。
主要參
考文獻(xiàn)
1） 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 于惠力等 科學(xué)出版社，2007?
2) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 楊光等 高等教育出版社 2010
3) 簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 宋寶玉等 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2008?
4) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．第3卷：機(jī)械零部件設(shè)計(jì)(軸系、支承與其他),?機(jī)械工業(yè)出版社，2010
5) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：?jiǎn)涡斜荆疁p速器和變速器 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)[編]?機(jī)械工業(yè)出版社，2007
6) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè) 向敬忠等 化學(xué)工業(yè)出版社 2009?
7) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 張龍 國(guó)防工業(yè)出版社，2006
8) 機(jī)械原理 （第六版）孫桓主編，北京：高等教育出版社， 2001年
）機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)
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于惠力
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等
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科學(xué)出版社，
2007?
機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)
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楊光
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高等教育出版社
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指導(dǎo)教師簽字： 系主任簽字：
年 月 日
洛陽(yáng)理工學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
系（部）：機(jī)械工程學(xué)院 2015 年 4月23日 （學(xué)生填表）
課題名稱
超聲電機(jī)行星減速器促動(dòng)器的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
駱開陽(yáng)
專業(yè)班級(jí)
B110207
課題類型
工程設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師
楊奎民
職稱
課題來(lái)源
科研
1. 綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義
射電望遠(yuǎn)鏡（radio telescope）是指觀測(cè)和研究來(lái)自天體的射電波的基本設(shè)備，可以測(cè)量天體射電的強(qiáng)度、頻譜及偏振等量。包括收集射電波的定向天線，放大射電信號(hào)的高靈敏度接收機(jī)，信息記錄﹑處理和顯示系統(tǒng)等。2012年10月28日，亞洲最大的全方位可轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡在上海天文臺(tái)正式落成。這臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡的綜合性能排名亞洲第一、世界第四，能夠觀測(cè)100多億光年以外的天體，將參與我國(guó)探月工程及各項(xiàng)深空探測(cè)。射電望遠(yuǎn)鏡是主要接收天體射電波段輻射的望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的外形差別很大，有固定在地面的單一口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡，有能夠全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的類似衛(wèi)星接收天線的射電望遠(yuǎn)鏡，有射電望遠(yuǎn)鏡陣列，還有金屬桿制成的射電望遠(yuǎn)鏡。射電天文所研究的對(duì)象﹐有太陽(yáng)那樣強(qiáng)的連續(xù)譜射電源﹐有輻射很強(qiáng)但極其遙遠(yuǎn)因而角徑很小的類星體﹐有角徑和流量密度都很小的恒星﹐也有頻譜很窄﹑角徑很小的天體微波激射源等。為了檢測(cè)到所研究的射電源的信號(hào)﹐將它從鄰近背景源中分辨出來(lái)﹐并進(jìn)而觀測(cè)其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)﹐射電望遠(yuǎn)鏡必須有足夠的靈敏度和分辨率。
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。
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。
射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，它既沒有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡簡(jiǎn)，也沒有物鏡，目鏡，它由天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成。
1931年，在美國(guó)新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室里，負(fù)責(zé)專門搜索和鑒別電話干擾信號(hào)的美國(guó)美國(guó)無(wú)線電工程師卡爾·央斯基(Karl Guthe Jansky)發(fā)現(xiàn)：有一種每隔
23小時(shí)56分04秒出現(xiàn)最大值的無(wú)線電干擾。
經(jīng)過仔細(xì)分析，他在1932年發(fā)表的文章中斷言：這是來(lái)自銀河系中射電輻射。由此，楊斯基開創(chuàng)了用射電波研究天體的新紀(jì)元。當(dāng)時(shí)他使用的是長(zhǎng)30.5米、高3.66米的旋轉(zhuǎn)天線陣，在14.6米波長(zhǎng)取得了30度寬的 “扇形”方向束。此后，射電望遠(yuǎn)鏡的歷史便是不斷提高分辨率和靈敏度。
自從楊斯基宣布接收到銀河系的射電信號(hào)后，美國(guó)人G·雷伯潛心試制射電望遠(yuǎn)鏡，終于在1937年制造成功。這是一架在第二次世界大戰(zhàn)以前全世界獨(dú)一無(wú)二的拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡。它的拋物面天線直徑為9.45米，在1.87米波長(zhǎng)取得了12度的 “鉛筆形”方向束，并測(cè)到了太陽(yáng)以及其它一些天體發(fā)出的無(wú)線電波。因此，雷伯被稱為是拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡的首創(chuàng)者。
1946年﹐英國(guó)曼徹斯特大學(xué)開始建造直徑66.5米的固定拋物面射電望遠(yuǎn)鏡﹐1955年建成當(dāng)時(shí)世界上最大的76米直徑的可轉(zhuǎn)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。與此同時(shí)﹐澳﹑美﹑蘇﹑法﹑荷等國(guó)也競(jìng)相建造大小不同和形式各異的早期射電望遠(yuǎn)鏡。除了一些直徑在10米以下﹑主要用于觀測(cè)太陽(yáng)的設(shè)備外﹐還出現(xiàn)了一些直徑20～30米的拋物面望遠(yuǎn)鏡﹐發(fā)展了早期的射電干涉儀和綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。六十年代以來(lái)﹐相繼建成的有美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)的42.7米﹑加拿大的45.8米﹑澳大利亞的64米全可轉(zhuǎn)拋物面﹑美國(guó)的直徑 305米固定球面﹑工作于厘米和分米波段的射電望遠(yuǎn)鏡（見固定球面射電望遠(yuǎn)鏡）以及一批直徑10米左右的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)榭赊D(zhuǎn)拋物面天線造價(jià)昂貴﹐固定或半固定孔徑形狀（包括拋物面﹑球面﹑拋物柱面﹑拋物面截帶）的天線的技術(shù)得到發(fā)展﹐從而建成了更多的干涉儀和十字陣（見米爾斯十字）。
1962年 Ryle 發(fā)明了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡并獲得了1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
射電天文技術(shù)最初的起步和發(fā)展得益于二戰(zhàn)后大批退役雷達(dá)的"軍轉(zhuǎn)民用"。射電望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)的工作方式不同，雷達(dá)是先發(fā)射無(wú)線電波再接收物體反射的回波，射電望遠(yuǎn)鏡只是被動(dòng)地接收天體發(fā)射的無(wú)線電波.。20世紀(jì)50、60年代，隨著射電技術(shù)的發(fā)展和提高，人們研究成功了射電干涉儀，甚長(zhǎng)基線干涉儀，綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡等新型的射電望遠(yuǎn)鏡射電干涉技術(shù)使人們能更有效地從噪音中提取有用的信號(hào)；甚長(zhǎng)基線干涉儀通常是相距上千公里的。幾臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡作干涉儀方式的觀測(cè)，極大地提高了分辨率。
六十年代末至七十年代初﹐不僅建成了一批技術(shù)上成熟﹑有很高靈敏度和分辨率的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡﹐還發(fā)明了有極高分辨率的甚長(zhǎng)基線干涉儀這種所謂現(xiàn)代射電望遠(yuǎn)鏡。另一方面還在計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)了經(jīng)典射電望遠(yuǎn)鏡天線的設(shè)計(jì)﹐建成直徑100米的大型精密可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡（德意志聯(lián)邦共和國(guó)波恩附近。
上世紀(jì)80年代以來(lái)，歐洲的VLBI網(wǎng)﹑美國(guó)的VLBA陣﹑日本的空間VLBI相繼投入使用，這是新一代射電望遠(yuǎn)鏡的代表，它們的靈敏度﹑分辨率和觀測(cè)波段上都大大超過了以往的望遠(yuǎn)鏡。其中，美國(guó)的超常基線陣列（VLBA）由10個(gè)拋物天線組成，橫跨從夏威夷到圣科洛伊克斯8000千米的距離，其精度是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的500倍，是人眼的60萬(wàn)倍。它所達(dá)到的分辨率相當(dāng)讓一個(gè)人站在紐約看洛杉磯的報(bào)紙。這樣的精度是很多光學(xué)儀器都很難達(dá)到的，而射電望遠(yuǎn)鏡只是通過電波信號(hào)的接受，就可以達(dá)到這種地步實(shí)在是令人嘆為觀止，這種先進(jìn)的科技完全可以讓人類生活發(fā)生巨大的改變，我們我合理利用這種先進(jìn)技術(shù)去為人類服務(wù)。
今天射電的分辨率高于其它波段幾千倍，能更清晰地揭示射電天體的內(nèi)核；綜合孔徑技術(shù)的研制成功使射電望遠(yuǎn)鏡具備了方便的成像能力，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于工作在射電波段的照相機(jī)。為了更加清晰的接受到宇宙的信號(hào)，科學(xué)家們建議把射電望遠(yuǎn)鏡搬到太空。
2015年02月10日，科學(xué)家正計(jì)劃從地球向宇宙發(fā)射信息，希望主動(dòng)與太陽(yáng)系其他生命取得聯(lián)系，獲取它們的信號(hào)。天文學(xué)家將通過射電望遠(yuǎn)鏡把信號(hào)發(fā)射到數(shù)百個(gè)遙遠(yuǎn)的星系，希望獲得開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
這個(gè)計(jì)劃由加利福尼亞州“地外智能生物搜索研究所”科學(xué)家負(fù)責(zé)。他們認(rèn)為這個(gè)計(jì)劃是人類太空探索的重要一步。如果計(jì)劃進(jìn)展順利，距地球20光年的太空區(qū)域?qū)⑹盏竭@些信息。
巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡最顯著的標(biāo)志，它的種類很多，有拋物面天線，球面天線，半波偶極子天線，螺旋天線等。最常用的是拋物面天線。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，就好比是它的眼睛，它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡。它要把微弱的宇宙無(wú)線電信號(hào)收集起來(lái)，然后通過一根特制的管子（波導(dǎo)）把收集到的信號(hào)傳送到接收機(jī)中去放大。接收系統(tǒng)的工作原理和普通收音機(jī)差不多，但它具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。接收系統(tǒng)將信號(hào)放大，從噪音中分離出有用的信號(hào)，并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)。記錄的結(jié)果為許多彎曲的曲線，天文學(xué)家分析這些曲線，得到天體送來(lái)的各種宇宙信息。2012年3月，65米口徑可轉(zhuǎn)動(dòng)射電天文望遠(yuǎn)鏡工程在上海佘山腳下緊張施工，這將是亞洲最大的該類型射電望遠(yuǎn)鏡，總體性能在國(guó)際上處于第四位。據(jù)介紹，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡屬于中國(guó)科學(xué)院和上海市政府重大合作項(xiàng)目，已于2012年10月28日在滬啟動(dòng)。據(jù)了解，這臺(tái)65米的射電望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)科學(xué)院和上海市人民政府于2008年10月底聯(lián)合立項(xiàng)的重大合作項(xiàng)目。其接收范圍覆蓋8個(gè)波段，總體性能列全球第四。這臺(tái)65米的射電天文望遠(yuǎn)鏡如同一只靈敏的耳朵，能仔細(xì)辨別來(lái)自宇宙的射電信號(hào)。它覆蓋了從最長(zhǎng)21厘米到最短7毫米的8個(gè)接收波段，涵蓋了開展射電天文觀測(cè)的厘米波波段和長(zhǎng)毫米波波段，是中國(guó)目前口徑最大、波段最全的一臺(tái)全方位可動(dòng)的高性能的射電望遠(yuǎn)鏡，總體性能僅次于美國(guó)的110米射電望遠(yuǎn)鏡、德國(guó)的100米射電望遠(yuǎn)鏡和意大利的64米射電望遠(yuǎn)鏡。
望遠(yuǎn)鏡采用的修正型卡塞格倫天線能在方位和俯仰兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，下方軌道上有6組共12個(gè)輪子驅(qū)動(dòng)天線的方位轉(zhuǎn)動(dòng)，上方的俯仰大齒輪控制天線的俯仰運(yùn)動(dòng)，這使得望遠(yuǎn)鏡可以以高精度指向需要觀測(cè)的天體和航天器，其最高指向精度優(yōu)于3角秒。
望遠(yuǎn)鏡的主反射面面積為3780平方米（相當(dāng)于9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)），由14圈共1008塊高精度實(shí)面板拼裝成，每塊面板單元精度達(dá)到0.1毫米，代表了國(guó)內(nèi)大尺度高精度面板設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的最高水平。
主反射面的安裝則采用了國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的主動(dòng)面技術(shù)，在面板與天線背架結(jié)構(gòu)的連接處安裝有1104臺(tái)高精度促動(dòng)器，用以補(bǔ)償跟蹤觀測(cè)時(shí)重力引起的反射面變形，提高高頻觀測(cè)的天線接收效率。促動(dòng)器的單位精度可達(dá)15微米，即一根頭發(fā)絲直徑的一半左右。根據(jù)天線總體結(jié)構(gòu)的不同，射電望遠(yuǎn)鏡按設(shè)計(jì)要求可以分為連續(xù)和非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡兩大類。按機(jī)械裝置和驅(qū)動(dòng)方式，連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（它通常又是非連續(xù)孔徑的基本單元）還可分為三種類型。
主要天線反射面固定，一般用移動(dòng)饋源（又稱照明器）或改變饋源相位的方法。
望遠(yuǎn)鏡坐落的軌道由無(wú)縫焊接技術(shù)全焊接而成。這是國(guó)內(nèi)首次采用全軌道焊接技術(shù)，解決了軌道焊接變形等多項(xiàng)技術(shù)難題。
本次研究課題主要是針對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡中單盤拋物面天線的經(jīng)典射電望遠(yuǎn)鏡的的主反射面的拋物面的微調(diào)而準(zhǔn)備的。主要的目的就是能夠快速、準(zhǔn)確的調(diào)整射電望遠(yuǎn)鏡以達(dá)到清楚接受到遠(yuǎn)距離的宇宙信號(hào)，為我國(guó)的天文事業(yè)做出一絲微不足道，但是又是必不可少的貢獻(xiàn)。不積跬步，無(wú)以至千里。本次的研究課題就是射電望遠(yuǎn)鏡的小小基礎(chǔ)，但是也是保證射電望遠(yuǎn)鏡正常，準(zhǔn)確運(yùn)行的重要保證。
而且我在這個(gè)課題中主要致力于研究射電望遠(yuǎn)鏡的支架的電機(jī)系統(tǒng)，，尤其涉及大型射電望遠(yuǎn)鏡主反射面主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中使用的專用電動(dòng)執(zhí)行器，屬電動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域。我采用的超聲電機(jī)星型減速器傳動(dòng)器。超聲電機(jī)的雛形最早由前蘇聯(lián)在60年代初提出。1973年，美國(guó)IBM公司的H.V Barth博士、前蘇聯(lián)的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超聲電機(jī)。80年代，日本許多科學(xué)工作者致力將美國(guó)和蘇聯(lián)的原理性樣機(jī)開發(fā)成使用的超聲電機(jī)，并于90年代初投入到商業(yè)應(yīng)用。至今，日本、美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)競(jìng)相研制各種類型和用途的超聲電機(jī)。
超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量、響應(yīng)速度快，噪聲低、低速大轉(zhuǎn)矩、控制特點(diǎn)好、斷電自鎖、不受磁場(chǎng)干擾，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，另外還具有耐低溫、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點(diǎn)。首先由于質(zhì)量輕，低速且大轉(zhuǎn)矩從而不需要附加齒輪等變速結(jié)構(gòu)，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的震動(dòng)、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問題；其次它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能力，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動(dòng)和摩擦耦合來(lái)轉(zhuǎn)換能量。從而實(shí)現(xiàn)了安靜、污染?。欢ㄎ痪雀?；不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f(shuō)超聲電機(jī)技術(shù)處于世界上最新高科技之一。
采用超聲電機(jī)是把最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)用來(lái)服務(wù)科研，既可以使超聲電機(jī)這種比較前沿的電機(jī)更快的投入的到民生、科研等等領(lǐng)域，又可以讓射電望遠(yuǎn)鏡的支架的傳動(dòng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、方便、降低成本。為天文望遠(yuǎn)鏡事業(yè)做出一絲小小的貢獻(xiàn)，還可以提高我們這些應(yīng)屆畢業(yè)生的設(shè)計(jì)能力，鞏固我們大學(xué)生涯中所學(xué)到的知識(shí)，一舉多得。
2. 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題
1、 研究射電望遠(yuǎn)鏡的的支架結(jié)構(gòu)
2、 確定超聲電機(jī)的主要參數(shù)規(guī)格
3、 整個(gè)支架的傳動(dòng)系統(tǒng)的受力分析
4、 整個(gè)系統(tǒng)中主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪出零件圖紙
5、 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6、 翻譯本專業(yè)英文一篇
3. 研究步驟、方法及措施
1、根據(jù)課題內(nèi)容，查看有關(guān)書籍，認(rèn)真了解和掌握射電望遠(yuǎn)鏡支架的加工特點(diǎn)及加工能力范圍，重點(diǎn)了解超聲電機(jī)在射電望遠(yuǎn)鏡支架中的地位及變速原理。
2、通過分析論證，結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。包括確定支架箱體結(jié)構(gòu)形式，制訂變速的各傳動(dòng)軸和主動(dòng)軸的總體布局形式及一些主要零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3、根據(jù)合理性的要求不斷反復(fù)的進(jìn)行修改，以達(dá)到最終的設(shè)計(jì)要求和目的。
爭(zhēng)取使設(shè)計(jì)做的全面，正確。
4. 研究工作進(jìn)度
第3周 ~ 第 5周 查閱資料，撰寫開題報(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。
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教學(xué)系意見
系主任簽字： 年 月 日
步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
工作原理
步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器
雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
分類
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
永磁式步進(jìn)電機(jī)
永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；
永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角大。
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動(dòng)態(tài)性能差。
混合式步進(jìn)電機(jī)
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
變頻器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的節(jié)能改造
三相步進(jìn)電機(jī)專用變頻器特點(diǎn)：
1低頻轉(zhuǎn)矩輸出180% ，低頻運(yùn)行特性良好
2.輸出頻率最大600Hz，可控制高速電機(jī)
3.全方位的偵測(cè)保護(hù)功能(過壓、欠壓、過載)瞬間停電再起動(dòng)
4.加速、減速、動(dòng)轉(zhuǎn)中失速防止等保護(hù)功能
5.電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別功能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性
6.高速停機(jī)時(shí)響應(yīng)快
7.豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式，通用性強(qiáng)
8.采用SMT全貼裝生產(chǎn)及三防漆處理工藝，產(chǎn)品穩(wěn)定度高
9.全系列采用最新西門子IGBT功率器件，確保品質(zhì)的高質(zhì)量
基本原理
通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。
1、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。1/3 、2/3 ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以 表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3 ，C與齒3向右錯(cuò)開2/3 ，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：
2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3 ，此時(shí)齒3與C偏移為1/3 ，齒4與A偏移（ -1/3 ）=2/3 。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 ，此時(shí)齒4與A偏移為1/3 對(duì)齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3 ,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3 改變?yōu)?/6 。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3 變?yōu)?/12 ，1/24 ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
1、特點(diǎn)
感應(yīng)子式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。
2、分類
感應(yīng)子式電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、86BYG、110BYG、（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：
產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。
4、動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)：
1、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。
2、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
3、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。
4、最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
5、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
6、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。
7、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。
8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CD-BC-AB或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)
電機(jī)固有步距角
它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。
通常步進(jìn)電機(jī)步距角β的一般計(jì)算按下式計(jì)算。
β=360°/（Z·m·K） 式中 β―步進(jìn)電機(jī)的步距角；
Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；
m―步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；
K―控制系數(shù)，是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)
步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)
是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）
是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。
是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有保持轉(zhuǎn)矩。
步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)
1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。
2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。
步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
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)不是通過電磁交叉來(lái)獲得的，超聲電機(jī)是通過超聲振動(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^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)?。選擇電機(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)期的工作過程中會(huì)發(fā)生失效，故再設(shè)計(jì)過程中應(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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