裝配圖超聲電機星型減速器傳動器的設(shè)計,裝配,超聲,電機,機電,減速器,傳動,設(shè)計
洛陽理工學院
畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
填表時間:2015 年 3 月 5 日 (指導教師填表)
學生姓名
駱開陽
專業(yè)班級
B110208
指導教師
楊奎民
課題類型
科研
題目
超聲電機星型減速器傳動器的設(shè)計
主要研究
目標
(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載的影響,其主反射面會偏離標準拋物面形狀,這會嚴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生所學知識,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):350
e) 額定速度(mm/sec):0.3
f) 定位精度(mm):≤±0.05(負載不變的情況下)
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)向負載能力(N):≥6000
k) 垂直破壞負載力(N):≥8000
課題要求、主要任務(wù)及數(shù)量(指圖紙規(guī)格、張數(shù),說明書頁數(shù)、論文字數(shù)等)
目標:培養(yǎng)學生具有獨立完成較復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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機械設(shè)計課程設(shè)計
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指導教師簽字: 系主任簽字:
年 月 日
洛陽理工學院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
系(部):機械工程學院 2015 年 4月23日 (學生填表)
課題名稱
超聲電機行星減速器促動器的設(shè)計
學生姓名
駱開陽
專業(yè)班級
B110207
課題類型
工程設(shè)計
指導教師
楊奎民
職稱
課題來源
科研
1. 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
射電望遠鏡(radio telescope)是指觀測和研究來自天體的射電波的基本設(shè)備,可以測量天體射電的強度、頻譜及偏振等量。包括收集射電波的定向天線,放大射電信號的高靈敏度接收機,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)動射電望遠鏡在上海天文臺正式落成。這臺射電望遠鏡的綜合性能排名亞洲第一、世界第四,能夠觀測100多億光年以外的天體,將參與我國探月工程及各項深空探測。射電望遠鏡是主要接收天體射電波段輻射的望遠鏡。射電望遠鏡的外形差別很大,有固定在地面的單一口徑的球面射電望遠鏡,有能夠全方位轉(zhuǎn)動的類似衛(wèi)星接收天線的射電望遠鏡,有射電望遠鏡陣列,還有金屬桿制成的射電望遠鏡。射電天文所研究的對象﹐有太陽那樣強的連續(xù)譜射電源﹐有輻射很強但極其遙遠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。為了檢測到所研究的射電源的信號﹐將它從鄰近背景源中分辨出來﹐并進而觀測其結(jié)構(gòu)細節(jié)﹐射電望遠鏡必須有足夠的靈敏度和分辨率。
靈敏度是指射電望遠鏡"最低可測"的能量值,這個值越低靈敏度越高。為提高靈敏度常用的辦法有降低接收機本身的固有噪聲,增大天線接收面積,延長觀測積分時間等。分辨率是指區(qū)分兩個彼此靠近射電源的能力,分辨率越高就能將越近的兩個射電源分開。那么,怎樣提高射電望遠鏡的分辨率呢?對單天線射電望遠鏡來說,天線的直徑越大分辨率越高。
分辨率指的是區(qū)分兩個彼此靠近的相同點源的能力﹐因為兩個點源角距須大于天線方向圖的半功率波束寬度時方可分辨﹐故宜將射電望遠鏡的分辨率規(guī)定為其主方向束的半功率寬。為電波的衍射所限﹐對簡單的射電望遠鏡﹐它由天線孔徑的物理尺寸D 和波長λ決定。
射電望遠鏡與光學望遠鏡不同,它既沒有高高豎起的望遠鏡鏡簡,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,在美國新澤西州的貝爾實驗室里,負責專門搜索和鑒別電話干擾信號的美國美國無線電工程師卡爾·央斯基(Karl Guthe Jansky)發(fā)現(xiàn):有一種每隔
23小時56分04秒出現(xiàn)最大值的無線電干擾。
經(jīng)過仔細分析,他在1932年發(fā)表的文章中斷言:這是來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元。當時他使用的是長30.5米、高3.66米的旋轉(zhuǎn)天線陣,在14.6米波長取得了30度寬的 “扇形”方向束。此后,射電望遠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后,美國人G·雷伯潛心試制射電望遠鏡,終于在1937年制造成功。這是一架在第二次世界大戰(zhàn)以前全世界獨一無二的拋物面型射電望遠鏡。它的拋物面天線直徑為9.45米,在1.87米波長取得了12度的 “鉛筆形”方向束,并測到了太陽以及其它一些天體發(fā)出的無線電波。因此,雷伯被稱為是拋物面型射電望遠鏡的首創(chuàng)者。
1946年﹐英國曼徹斯特大學開始建造直徑66.5米的固定拋物面射電望遠鏡﹐1955年建成當時世界上最大的76米直徑的可轉(zhuǎn)拋物面射電望遠鏡。與此同時﹐澳﹑美﹑蘇﹑法﹑荷等國也競相建造大小不同和形式各異的早期射電望遠鏡。除了一些直徑在10米以下﹑主要用于觀測太陽的設(shè)備外﹐還出現(xiàn)了一些直徑20~30米的拋物面望遠鏡﹐發(fā)展了早期的射電干涉儀和綜合孔徑射電望遠鏡。六十年代以來﹐相繼建成的有美國國立射電天文臺的42.7米﹑加拿大的45.8米﹑澳大利亞的64米全可轉(zhuǎn)拋物面﹑美國的直徑 305米固定球面﹑工作于厘米和分米波段的射電望遠鏡(見固定球面射電望遠鏡)以及一批直徑10米左右的毫米波射電望遠鏡。因為可轉(zhuǎn)拋物面天線造價昂貴﹐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鏡并獲得了1974年諾貝爾物理學獎。
射電天文技術(shù)最初的起步和發(fā)展得益于二戰(zhàn)后大批退役雷達的"軍轉(zhuǎn)民用"。射電望遠鏡和雷達的工作方式不同,雷達是先發(fā)射無線電波再接收物體反射的回波,射電望遠鏡只是被動地接收天體發(fā)射的無線電波.。20世紀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,甚長基線干涉儀,綜合孔徑望遠鏡等新型的射電望遠鏡射電干涉技術(shù)使人們能更有效地從噪音中提取有用的信號;甚長基線干涉儀通常是相距上千公里的。幾臺射電望遠鏡作干涉儀方式的觀測,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鏡﹐還發(fā)明了有極高分辨率的甚長基線干涉儀這種所謂現(xiàn)代射電望遠鏡。另一方面還在計算技術(shù)基礎(chǔ)上改進了經(jīng)典射電望遠鏡天線的設(shè)計﹐建成直徑100米的大型精密可跟蹤拋物面射電望遠鏡(德意志聯(lián)邦共和國波恩附近。
上世紀80年代以來,歐洲的VLBI網(wǎng)﹑美國的VLBA陣﹑日本的空間VLBI相繼投入使用,這是新一代射電望遠鏡的代表,它們的靈敏度﹑分辨率和觀測波段上都大大超過了以往的望遠鏡。其中,美國的超?;€陣列(VLBA)由10個拋物天線組成,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鏡的500倍,是人眼的60萬倍。它所達到的分辨率相當讓一個人站在紐約看洛杉磯的報紙。這樣的精度是很多光學儀器都很難達到的,而射電望遠鏡只是通過電波信號的接受,就可以達到這種地步實在是令人嘆為觀止,這種先進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鏡具備了方便的成像能力,綜合孔徑射電望遠鏡相當于工作在射電波段的照相機。為了更加清晰的接受到宇宙的信號,科學家們建議把射電望遠鏡搬到太空。
2015年02月10日,科學家正計劃從地球向宇宙發(fā)射信息,希望主動與太陽系其他生命取得聯(lián)系,獲取它們的信號。天文學家將通過射電望遠鏡把信號發(fā)射到數(shù)百個遙遠的星系,希望獲得開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
這個計劃由加利福尼亞州“地外智能生物搜索研究所”科學家負責。他們認為這個計劃是人類太空探索的重要一步。如果計劃進展順利,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鏡最顯著的標志,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。天線對射電望遠鏡來說,就好比是它的眼睛,它的作用相當于光學望遠鏡中的物鏡。它要把微弱的宇宙無線電信號收集起來,然后通過一根特制的管子(波導)把收集到的信號傳送到接收機中去放大。接收系統(tǒng)的工作原理和普通收音機差不多,但它具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。接收系統(tǒng)將信號放大,從噪音中分離出有用的信號,并傳給后端的計算機記錄下來。記錄的結(jié)果為許多彎曲的曲線,天文學家分析這些曲線,得到天體送來的各種宇宙信息。2012年3月,65米口徑可轉(zhuǎn)動射電天文望遠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鏡,總體性能在國際上處于第四位。據(jù)介紹,這臺望遠鏡屬于中國科學院和上海市政府重大合作項目,已于2012年10月28日在滬啟動。據(jù)了解,這臺65米的射電望遠鏡是中國科學院和上海市人民政府于2008年10月底聯(lián)合立項的重大合作項目。其接收范圍覆蓋8個波段,總體性能列全球第四。這臺65米的射電天文望遠鏡如同一只靈敏的耳朵,能仔細辨別來自宇宙的射電信號。它覆蓋了從最長21厘米到最短7毫米的8個接收波段,涵蓋了開展射電天文觀測的厘米波波段和長毫米波波段,是中國目前口徑最大、波段最全的一臺全方位可動的高性能的射電望遠鏡,總體性能僅次于美國的110米射電望遠鏡、德國的100米射電望遠鏡和意大利的64米射電望遠鏡。
望遠鏡采用的修正型卡塞格倫天線能在方位和俯仰兩個方向轉(zhuǎn)動,下方軌道上有6組共12個輪子驅(qū)動天線的方位轉(zhuǎn)動,上方的俯仰大齒輪控制天線的俯仰運動,這使得望遠鏡可以以高精度指向需要觀測的天體和航天器,其最高指向精度優(yōu)于3角秒。
望遠鏡的主反射面面積為3780平方米(相當于9個標準籃球場),由14圈共1008塊高精度實面板拼裝成,每塊面板單元精度達到0.1毫米,代表了國內(nèi)大尺度高精度面板設(shè)計與制造技術(shù)的最高水平。
主反射面的安裝則采用了國內(nèi)首創(chuàng)的主動面技術(shù),在面板與天線背架結(jié)構(gòu)的連接處安裝有1104臺高精度促動器,用以補償跟蹤觀測時重力引起的反射面變形,提高高頻觀測的天線接收效率。促動器的單位精度可達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,射電望遠鏡按設(shè)計要求可以分為連續(xù)和非連續(xù)孔徑射電望遠鏡兩大類。按機械裝置和驅(qū)動方式,連續(xù)孔徑射電望遠鏡(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,一般用移動饋源(又稱照明器)或改變饋源相位的方法。
望遠鏡坐落的軌道由無縫焊接技術(shù)全焊接而成。這是國內(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技術(shù)難題。
本次研究課題主要是針對射電望遠鏡中單盤拋物面天線的經(jīng)典射電望遠鏡的的主反射面的拋物面的微調(diào)而準備的。主要的目的就是能夠快速、準確的調(diào)整射電望遠鏡以達到清楚接受到遠距離的宇宙信號,為我國的天文事業(yè)做出一絲微不足道,但是又是必不可少的貢獻。不積跬步,無以至千里。本次的研究課題就是射電望遠鏡的小小基礎(chǔ),但是也是保證射電望遠鏡正常,準確運行的重要保證。
而且我在這個課題中主要致力于研究射電望遠鏡的支架的電機系統(tǒng),,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。我采用的超聲電機星型減速器傳動器。超聲電機的雛形最早由前蘇聯(lián)在60年代初提出。1973年,美國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。80年代,日本許多科學工作者致力將美國和蘇聯(lián)的原理性樣機開發(fā)成使用的超聲電機,并于90年代初投入到商業(yè)應(yīng)用。至今,日本、美國、俄羅斯、德國競相研制各種類型和用途的超聲電機。
超聲電機與傳統(tǒng)電機相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量、響應(yīng)速度快,噪聲低、低速大轉(zhuǎn)矩、控制特點好、斷電自鎖、不受磁場干擾,運動準確等優(yōu)點,另外還具有耐低溫、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點。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、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)電機的概念,沒有電磁繞組和磁路,不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能力,而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動和摩擦耦合來轉(zhuǎn)換能量。從而實現(xiàn)了安靜、污染??;定位精度高;不受電磁干擾等優(yōu)點??梢哉f超聲電機技術(shù)處于世界上最新高科技之一。
采用超聲電機是把最先進的科學技術(shù)用來服務(wù)科研,既可以使超聲電機這種比較前沿的電機更快的投入的到民生、科研等等領(lǐng)域,又可以讓射電望遠鏡的支架的傳動系統(tǒng)更加簡單、方便、降低成本。為天文望遠鏡事業(yè)做出一絲小小的貢獻,還可以提高我們這些應(yīng)屆畢業(yè)生的設(shè)計能力,鞏固我們大學生涯中所學到的知識,一舉多得。
2. 研究的基本內(nèi)容,擬解決的主要問題
1、 研究射電望遠鏡的的支架結(jié)構(gòu)
2、 確定超聲電機的主要參數(shù)規(guī)格
3、 整個支架的傳動系統(tǒng)的受力分析
4、 整個系統(tǒng)中主要零件的設(shè)計計算,并繪出零件圖紙
5、 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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,認真了解和掌握射電望遠鏡支架的加工特點及加工能力范圍,重點了解超聲電機在射電望遠鏡支架中的地位及變速原理。
2、通過分析論證,結(jié)合實踐進行總體方案設(shè)計。包括確定支架箱體結(jié)構(gòu)形式,制訂變速的各傳動軸和主動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的進行修改,以達到最終的設(shè)計要求和目的。
爭取使設(shè)計做的全面,正確。
4. 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。
5. 參考文獻
【1】 機械設(shè)計課程設(shè)計 于惠力等 科學出版社,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
【9】 滾珠絲杠副及自鎖裝置 饒振綱等 國防工業(yè)出版社,1990
【10】 滾珠螺旋傳動設(shè)計基礎(chǔ) 程光仁等 機械工業(yè)出版社,1987
【11】 諧波齒輪傳動的理論和設(shè)計 沈允文等 機械工業(yè)出版社,1985
【12】 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計 王昆等 高等教育出版社,2013
【13】 SolidWorks機械設(shè)計教程2012,詹迪維 機械工業(yè)出版社,2012
【14】 機械設(shè)計第九版 蒲良貴等 高等教育出版社,2013
【15】 AutoCAD2007中文版基礎(chǔ)教程 孫小撈等 化學工業(yè)出版社,2012
【16】 機械精度規(guī)范學(第二版) 何永熹等 北京理工大學出版社,2012
【17】 機械設(shè)計制作及其自動化專業(yè)英語 馬玉錄等 化學工業(yè)出版社,2012
教學系意見
系主任簽字: 年 月 日
步進電機
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的??梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。
工作原理
步進電機是一種感應(yīng)電機,它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時供電的,多相時序控制電流,用這種電流為步進電機供電,步進電機才能正常工作,驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的,多相時序控制器
雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用,但步進電機并不能象普通的直流電機,交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事,它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
步進電機作為執(zhí)行元件,是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。
分類
現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。
永磁式步進電機
永磁式步進電機一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進角一般為7.5度 或15度;
永磁式步進電動機輸出力矩大,動態(tài)性能好,但步距角大。
反應(yīng)式步進電機
反應(yīng)式步進電機一般為三相,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成,定子上有多相勵磁繞組,利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)成本低,步距角小;但動態(tài)性能差。
混合式步進電機
混合式步進電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點,它的步距角小,出力大,動態(tài)性能好,是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進電動機。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。
變頻器對步進電機的節(jié)能改造
三相步進電機專用變頻器特點:
1低頻轉(zhuǎn)矩輸出180% ,低頻運行特性良好
2.輸出頻率最大600Hz,可控制高速電機
3.全方位的偵測保護功能(過壓、欠壓、過載)瞬間停電再起動
4.加速、減速、動轉(zhuǎn)中失速防止等保護功能
5.電機動態(tài)參數(shù)自動識別功能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性
6.高速停機時響應(yīng)快
7.豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式,通用性強
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
通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體,當電流流過定子繞組時,定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖,電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。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,電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。
反應(yīng)式步進電機
由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。
1、結(jié)構(gòu): 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,定子齒有三個勵磁繞阻,其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。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相對齊,B與齒2向右錯開1/3 ,C與齒3向右錯開2/3 ,A'與齒5相對齊,(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,由于磁場作用,齒1與A對齊,(轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同)。 如B相通電,A,C相不通電時,齒2應(yīng)與B對齊,此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3 ,此時齒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對齊,此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 ,此時齒4與A偏移為1/3 對齊。 如A相通電,B,C相不通電,齒4與A對齊,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,電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距,如果不斷地按A,B,C,A……通電,電機就每步(每脈沖)1/3 ,向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A……通電,電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見:電機的位置和速度由導電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導電順序決定。 不過,出于對力矩、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這種導電狀態(tài),這樣將原來每步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 ,這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出:電機定子上有m相勵磁繞阻,其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機,出于成本等多方面考慮,市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩: 電機一旦通電,在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(磁通量Ф)當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F與(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密,S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度,D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數(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,電機有效體積越大,勵磁安匝數(shù)越大,定轉(zhuǎn)子間氣隙越小,電機力矩越大,反之亦然。
感應(yīng)子式步進電機
1、特點
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,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機具有較強的反電勢,其自身阻尼作用比較好,使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機。一個四相電機可以作四相運行,也可以作二相運行。(必須采用雙極電壓驅(qū)動),而反應(yīng)式電機則不能如此。例如:四相,八相運行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致,小功率電機一般直接接為二相,而功率大一點的電機,為了方便使用,靈活改變電機的動態(tài)特點,往往將其外部接線為八根引線(四相),這樣使用時,既可以作四相電機使用,可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。
2、分類
感應(yīng)子式電機以相數(shù)可分為:二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號(電機外徑)可分為:42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號)、57BYG、86BYG、110BYG、(國際標準),而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。
3、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語 相數(shù):
產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。 拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機為例,有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角:對應(yīng)一個脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)),以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步),八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。 定位轉(zhuǎn)矩:電機在不通電狀態(tài)下,電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的) 靜轉(zhuǎn)矩:電機在額定靜態(tài)電作用下,電機不作旋轉(zhuǎn)運動時,電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準,與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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,增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的,這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。
4、動態(tài)指標及術(shù)語:
1、步距角精度: 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同,四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。
2、失步: 電機運轉(zhuǎn)時運轉(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,電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,采用細分驅(qū)動是不能解決的。
4、最大空載起動頻率: 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負載的情況下,能夠直接起動的最大頻率。
5、最大空載的運行頻率: 電機在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
6、運行矩頻特性: 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的,也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示: 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定,電機的靜力矩確定,而動態(tài)力矩卻不然,電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態(tài)電流),平均電流越大,電機輸出力矩越大,即電機的頻率特性越硬。 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,曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動電壓,使采用小電感大電流的電機。
7、電機的共振點:步進電機均有固定的共振區(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),電機驅(qū)動電壓越高,電機電流越大,負載越輕,電機體積越小,則共振區(qū)向上偏移,反之亦然,為使電機輸出電矩大,不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低,一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。
8、電機正反轉(zhuǎn)控制: 當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn),通電時序為DA-CD-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。
步進電機的一些基本參數(shù)
電機固有步距角
它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號,電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值,如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°),這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’,它不一定是電機實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。
通常步進電機步距角β的一般計算按下式計算。
β=360°/(Z·m·K) 式中 β―步進電機的步距角;
Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù);
m―步進電動機的相數(shù);
K―控制系數(shù),是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)
步進電機的相數(shù)
是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù),目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同,其步距角也不同,一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅(qū)動器時,用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器,則‘相數(shù)’將變得沒有意義,用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù),就可以改變步距角。
保持轉(zhuǎn)矩(HOLDING TORQUE)
是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一,通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。比如,當人們說2N.m的步進電機,在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。
是指步進電機沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(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)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有保持轉(zhuǎn)矩。
步進電機特點
1.一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。
2.步進電機外表允許的最高溫度。
步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步,因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講,磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上,所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3.步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
當步進電機轉(zhuǎn)動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。
4.步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進電機有一個技術(shù)參數(shù):空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動,可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下,啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動,脈沖頻率應(yīng)該有加速過程,即啟動頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。
步進電動機以其顯著的特點,在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高,步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計(論文)
超聲電機行星減速器促動器的設(shè)計
摘 要
射電望遠鏡是人們了解宇宙天空的奧秘的強力工具,而射電望遠鏡的主反射面通常擁有300米或者更大的口徑,促動器的設(shè)計目的就是準確方便的調(diào)整主反射面。良好的的促動器設(shè)計方案關(guān)系到射電望遠鏡的制作成本、使用壽命、維護保養(yǎng)等性能指標。
本文的主要內(nèi)容是針對促動器的機械傳動系統(tǒng)的設(shè)計分析,研究設(shè)計了電機、減速器、滾珠絲杠、箱體結(jié)構(gòu)及其他零部件配合的促動器設(shè)計方案。對射電望遠鏡的促動器設(shè)計選擇有著良好的參考意義。
本次設(shè)計研究方向:
1. 選擇超聲電機作為本促動器的驅(qū)動裝置,結(jié)合超聲電機的優(yōu)點,來對傳統(tǒng)的促動器進行優(yōu)化改良,并根據(jù)設(shè)計要求進行電機型號選擇。
2. 根據(jù)促動器的傳動要求,選擇行星減速器來調(diào)整傳動系統(tǒng)的中的轉(zhuǎn)速與扭矩。
3. 滾珠絲杠副做為促動器的核心傳動裝置的優(yōu)點,計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速及尺寸。
4. 設(shè)計促動器的各零部件的配合。
關(guān)鍵詞:超聲電機,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 智能促動器的研究動態(tài)及選題意義 3
1.1.1 國內(nèi)外研究 3
1.1.2 選題意義 4
第2章 傳動方案的設(shè)計 6
2.1 擬定傳動方案 6
2.1.1 運動簡圖 6
2.1.2 分析和選擇傳動機構(gòu) 8
2.2 選擇電動機 8
2.2.1 選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu)型式 8
2. 3 傳動裝置的總傳動比與各級傳動比分配 11
2. 4 促動器的運動及計算參數(shù) 13
第3章滾珠絲杠副的設(shè)計及計算 14
3.1滾珠絲杠副 14
3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計與計算 15
3.3 滾珠絲杠副的承載能力計算 17
3.3.1滾珠絲杠副的額定動載荷計算 17
3.3.2 滾珠絲杠副的額定靜載荷的計算 18
3.4穩(wěn)定性驗算 18
3.5滾珠絲杠副的軸的強度校核 19
第4章 促動器其他零件的設(shè)計 24
4.1 電動缸的設(shè)計 24
4.1.1 電動缸的特點 24
4.1.2電動缸的組成 24
4.2 促動器箱體的設(shè)計 25
結(jié) 論 27
謝 辭 28
參考文獻 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望遠鏡,這個簡單的小東西是用平凸透鏡作為物鏡,凹透鏡作為目鏡。當它被指向天空時,天文學進入了望遠鏡時代。
322年后,在美國貝爾實驗室出現(xiàn)了能夠接收到銀河系中心的無線電波的的天線陣,爾后美國人哥魯特·雷柏制造了一架半徑為4.95米的大型天線,并于1939年接受到來自銀河系中心的無線電波,從此第一架射電望遠鏡誕生。接下來的近一個世紀的時間里,射電望遠鏡在不斷的發(fā)展,為人類了解太空,認識宇宙做出了巨大的貢獻。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鏡,我們才了解到自我的渺小。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,首都超過50m半徑的大型射電望遠鏡,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。比如德國的超過一百米的射電望遠鏡,甚至美國的300m以上的阿類西厄射電望遠鏡等。但是設(shè)計的反射面越來越大的,射電望遠鏡受到自身重量、風力和溫度等因素的影響,主反射面會偏離拋物面的形狀,這也會嚴重降低射電望遠鏡的效率。其高頻率更會衰減5倍以上嚴重影響到科學家的工作,因此我們會把射電望遠鏡切割成三角形、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。
對于促動器的研究,我國雖然起步較晚,但是發(fā)展迅速。如今與國外的某些促動器設(shè)計相比,略顯落后,所以應(yīng)設(shè)計一種智能促動器,能夠微調(diào)整個射電望遠鏡的反射面,是勢在必行的。與傳統(tǒng)的促動器相比,新型促動器,應(yīng)具有以下優(yōu)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)精確定點。(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)向力負載能力≥6000N(11)垂直破壞負載力≥8000N。
聲明:本次設(shè)計的主要偏向于傳動系統(tǒng)的設(shè)計,控制系統(tǒng)方面的設(shè)計作為設(shè)計任務(wù)交給他人完成。
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 國內(nèi)外研究
射電望遠鏡在現(xiàn)代社會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。在射電望遠鏡的研究中,我們國家起步較晚,遠遠落后于美國歐洲等國家,這個受限于機械工業(yè)的先進程度以及和國外的先進的力學理論擁有這一定的差距。目前世界上最先進的射電望遠鏡都在美國。美國擁有世界上最大的固定射電望遠鏡,該望遠鏡的直徑為305米,頂角掃描能達到20度。它的接收系統(tǒng)非常靈敏,甚至能夠接收和區(qū)分來自來自400萬光年以上的遠太空電磁信號。而且世界上最大孔徑的射電望遠鏡也位于美國,那就是甚大射電望遠鏡,這是個無線電天線群組,由27個大型的拋物面天線組成,每個天線的直徑達到25米,天線的臂長長達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,能夠達到的最大基線是36公里。該望遠鏡的技術(shù)層級領(lǐng)先于世界上任何的射電望遠鏡,空間識別的分辨率最高可以達到弧秒。光學成像效果甚至能夠達到地面望遠鏡的程度。美國還擁有世界上最大的全方位可轉(zhuǎn)動射電望遠鏡,其探測面能夠達到110x110米,其視野方位能夠達到觀察與地面成5度角的整個天空,更可以可以提供幾英寸秒精確的指向精度。我們國家的射電望遠鏡遠遠達不到這樣的技術(shù)要求,這是我們必須彌補的劣勢。
我國自1960年開始著手建造了第一批射電望遠鏡,時間過去了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鏡,這臺天文望遠鏡能夠觀測100多億光年以外的天體,對我國的太空探索有這巨大的作用,這臺望遠鏡已經(jīng)代表這我們國家的天文望遠鏡技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到世界前列,而且為了讓國際上最尖端的射電望遠鏡合作設(shè)計計劃注意到中國,我國正利用貴州的天然地形優(yōu)勢,籌建全球最大的射電望遠鏡。這個項目是我國2007年國防部批準建立的口徑為500米的球面射電望遠鏡項目。望遠鏡建成后,不僅僅是世界上單口徑最大的天文望遠鏡,并且在未來20年至30年內(nèi)將持續(xù)保持世界上的領(lǐng)先地位。預期在射電望遠鏡建成之后, 還將把中國空間的測控能力從地球同步軌道一直延伸到太陽系上網(wǎng)外緣,將通訊數(shù)據(jù)上網(wǎng)速率至少提高100倍。脈沖星時間到達測量精度會從目前的120納秒提高為30納秒,并成為世界上最精確的脈沖星計時器,為自主導航這一前瞻性研究提供強有力的后盾。同時,射電望遠鏡還可以進行高分辨率的微波巡視,以1Hz的分辨率診斷并識別微弱的空間信號,同時作為戰(zhàn)略雷達為軍事安全服務(wù),并且還可跟蹤探測物質(zhì)拋射事件,對天氣進行更加準確的預報。
1.1.2 選題意義
目前世界上了的大國強國都展開了太空探索和深海探索的競賽,但是海洋的空間是有限的,而且中國的海洋資源也是比不上歐美等科技先進的國家,所以未來中國發(fā)展的舞臺就是太空。那里有著無限的空間的與資源,對于中國來說,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)并將其運用到各個領(lǐng)域; 探索和占有各種太空資源; 利用太空的極端環(huán)境進行各種科學和技術(shù)試驗; 顯示國家的先進和強大。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代的機會,但也是兵家必爭之地,發(fā)展航天工業(yè)是迫在眉睫的,工欲善其事,必先利其器,能在射電望遠鏡的研究上面取得一定的突破,也是一個突破點。
射電望遠鏡有著兩大基本指標。那就是“分辨率”和“靈敏度”。靈敏度是指射電望遠鏡"最低可測"的能量值,這個值越低靈敏度越高。為提高靈敏度常用的辦法有降低接收機本身的固有噪聲,增大天線接收面積,延長觀測積分時間等。分辨率是指區(qū)分兩個彼此靠近射電源的能力,分辨率越高就能將越近的兩個射電源分開。那么,怎樣提高射電望遠鏡的分辨率呢?對單天線射電望遠鏡來說,天線的直徑越大分辨率越高。而分辨率指的是區(qū)分兩個彼此靠近的相同點源的能力﹐因為兩個點源角距須大于天線方向圖的半功率波束寬度時方可分辨﹐故宜將射電望遠鏡的分辨率規(guī)定為其主方向束的半功率寬。為電波的衍射所限﹐對簡單的射電望遠鏡﹐它由天線孔徑的物理尺寸D 和波長λ決定。這兩個基本指標都要求射電望遠鏡的鏡面做的足夠大,但是如果做成一個超大型的射電望遠鏡,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)整望遠鏡的主反射面,而解決這個難題的辦法就是設(shè)計一個精度足夠高而且結(jié)構(gòu)相對簡單的望遠鏡促動器。一個巨大的射電望遠鏡的鏡面是由幾千個小的鏡面拼湊起來的,這就代表著一個望遠鏡的背后有著上千個促動器在起著調(diào)整作用。射電望遠鏡的精度就代表著接收型號的清晰與否,所以這就要求這些促動器調(diào)整精度非常的高。有限于我們的國家的機械制造的精度水準低于歐美國家,我們可以采取設(shè)計一種智能的促動器,采用電動執(zhí)行器的技術(shù)。使促動器的配合精度更高,結(jié)構(gòu)簡單而且成本更低。這種促動器的設(shè)計研究,可以讓我們增加設(shè)計經(jīng)驗的同時也可以讓射電望遠鏡的促動器能有更多的選擇和參考,與此同時也可能為我國的航天,科研,氣象等行業(yè)做出貢獻。一個優(yōu)秀的促動器的設(shè)計,可能會為我國望遠鏡事業(yè)的發(fā)展做出不小的推動,從而帶動其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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第2章 傳動方案的設(shè)計
2.1 擬定傳動方案
機器有著三大要素—驅(qū)動裝置、傳動裝置和工作機。其中的核心就是傳動裝置,傳動裝置的作用是傳遞運動和動力的中間裝置。它連接著驅(qū)動裝置和工作機,相當于一個中介,但是是必不可少的東西。沒有它的存在,我們的機器就無法實現(xiàn)多樣化,有了它,機器就被賦予了靈活的變化,可以實現(xiàn)工作需求。傳動裝置具有改變運動方向或者運動形式和減速甚至增速以及將動力和運動進行分配與傳遞的功效。傳動裝置作為機器的核心,往往也占據(jù)著整部機器結(jié)構(gòu)與重量的大部分。它的設(shè)計會影響到機器的設(shè)計成本、工作性能。一個優(yōu)秀的傳動裝置設(shè)計對機械設(shè)計工作有著非常重要的作用。
2.1.1 運動簡圖
運動簡圖是傳動裝置的運動方案,合理的選擇傳動裝置的運動方案,不僅僅要滿足工作機的性能要求,還要適應(yīng)工作環(huán)境。與此同時,能夠達到結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、傳動效率高、尺寸緊湊、具有良好的工藝性能就是良好的傳動方案。但是要滿足所以有條件是很困難的,所以我們設(shè)計的同時,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。運動簡圖見圖2-1,這是促動器的傳動方案,它反應(yīng)了機器如何運動,動力傳遞的線路以及機器的重要零部件的組成聯(lián)接。從機構(gòu)的運動運動學觀點來看,構(gòu)件是機構(gòu)的基本組成單元,而機構(gòu)則可以看做是若干個構(gòu)件組成的構(gòu)件組合體。傳動裝置作為機器的核心,往往也占據(jù)著整部機器結(jié)構(gòu)與重量的大部分。它的設(shè)計會影響到機器的設(shè)計成本、工作性能。一個優(yōu)秀的傳動裝置設(shè)計對機械設(shè)計工作有著非常重要的作用。
擁有一個清楚明了的運動簡圖,可以幫助設(shè)計者與制造商更加方便的去設(shè)計與制造構(gòu)件。從而大大減輕設(shè)計工作中的工作量,而且能夠在優(yōu)化設(shè)計時候提供參考.
1. 編碼器 2.電動機 3.聯(lián)軸器 4.減速器 5.聯(lián)軸器 6.螺母 7.絲杠
圖2-1 運動簡圖
圖2-2 傳動參數(shù)比較
2.1.2 分析和選擇傳動機構(gòu)
擬定傳動方案的重要環(huán)節(jié)是分析選擇傳動裝置的類型,例如擁有同樣的傳遞功率,低速軸轉(zhuǎn)速、傳動比也是相同的,可以設(shè)計出不同的尺寸輪廓。見圖2-2.所以傳動參數(shù)只是一個要求,具體的結(jié)構(gòu)尺寸還要結(jié)合機構(gòu)的特性與用途加以分析。我們就需要查閱資料,根據(jù)傳動機構(gòu)的性能與用途來選擇機構(gòu)的類型。
2.2 選擇電動機
驅(qū)動裝置是機器的動力來源,有很多類型,比方說電動機、蒸汽機、發(fā)電機的核心、液壓機、內(nèi)燃機等等。電動機由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、維護方便、性能可靠,大多數(shù)機械生產(chǎn)都選擇電動機驅(qū)動。
現(xiàn)在電機已經(jīng)系列化,我們在設(shè)計過程中只需要根據(jù)裝置工作時所需要功率,還有該裝置的工作條件,來選擇電動機的類型、轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)樣式,來確定電動機的型號。
2.2.1 選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu)型式
電動機的類型和結(jié)構(gòu)型式需要根據(jù)具體的工作條件來選擇。而且有時候還要根據(jù)設(shè)計的要求來選擇。
超聲電機作為一種新型的高科技電動機,已經(jīng)不再像傳統(tǒng)的電機一樣,它的力矩與運動不是通過電磁交叉來獲得的,超聲電機是通過超聲振動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,化微觀運動成宏觀運動。該電機拋棄了傳動的電機材料,壓電陶瓷成為這種新型電機的核心材料。
超聲電機具有很多優(yōu)點,由于促動器是安裝在鋼鐵支架上面,數(shù)量較大,對底座的鋼架壓力很大,所以盡量減輕促動器的重量,超聲電機有著簡單的結(jié)構(gòu),體積很小,重量輕,能降低對箱體的空間要求,間接減輕箱體重量,由于超聲電機不受磁場干擾,而且低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點讓超聲電機省掉了附加齒輪這樣的變速結(jié)構(gòu),從而使得電機幾乎沒有噪聲,和射電望遠鏡的工作環(huán)境很適合,既能保證自己的正常運行,也不會干擾到射電望眼鏡的信號接收,更是易于控制,具有高效率。超聲電機有著一個其他電機無法比擬的優(yōu)點,那就是斷電自鎖,這個優(yōu)點可以給促動器的結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化,去除一個制動裝置,大大減輕整體裝置的重量。這是本次設(shè)計的核心亮點,無制動器的促動器。是促動器結(jié)構(gòu)的一個創(chuàng)新。超聲電機見圖2-3,圖2-4.這是超聲電機的外形與內(nèi)部構(gòu)造。超聲電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單,與其他電機相比,體積比很小,可以適應(yīng)較多的工作環(huán)境,雖然是個新型的電機系統(tǒng)但是我相信,這種電機將很快的普及開來,即使造價有點高,但是我相信這個問題會很快得到解決。
圖2-3 超聲電機
圖2-4 超聲電機結(jié)構(gòu)圖
2.2.2 確定電動機的功率
促動器的如果擁有一個合適的電動機功率,這將對電動機的經(jīng)濟性能與運作狀況有著良好的改善。若功率達不到生產(chǎn)或工作要求,電動機就不能正常工作,或者會因為過載而損壞,功率大的電動機往往價格也高,還會因為不滿載的情況,白白浪費電能,所以為了節(jié)約成本,我們應(yīng)選擇的電機功率最好是恰當?shù)摹_x擇電機的功率主要是根據(jù)電機的發(fā)熱情況來決定,對于長期連續(xù)性工作的機器,我們所選擇的電機的額定功率應(yīng)比所需求的電動機Po稍微大一點是最好的,就是,這樣電動機就會在正常的工作運轉(zhuǎn)中不會過熱,從而也不用去校檢起動力矩和發(fā)熱。
計算步驟
1.計算促動器工作時需求功率
(2-1)
或
(2-2)
式子中,F(xiàn)w就是促動器所受到的阻力(N);是促動器的線速度(m/s);是滾珠絲杠副的扭矩();Nw是電動缸中絲杠的轉(zhuǎn)速(r/min);是促動器的工作效率,本促動器的工作效率一般為=0.90。
2. 計算電動機的所需求功率
電動機的功率主要是由促動器所需求功率和整個傳動系統(tǒng)的總效率來 (2-3)
其中η為傳動系統(tǒng)的總效率,是傳動裝置中各級運動副的效率的乘積,即。 (2-4)
2.2.3確定電動機的轉(zhuǎn)速
就算是電動機的功率一樣,它們的轉(zhuǎn)速有可能不同,1000r/min、1500r/s、2000r/s幾種都有。如果電動機轉(zhuǎn)速很大,那么體積和質(zhì)量越小,也就會越便宜,但是超聲電機恰恰相反,由于其采用壓電陶瓷的材料,具有低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點,所以選擇合適的輸出扭矩的超聲電機即可。超聲電機的型號選擇見表2-1。對于促動器來說,它的設(shè)計功率需要按照電動機的功率Po來計算。傳動裝置的輸入扭矩要按超聲電機的額定功率下的滿載扭矩Mm來進行計算。
表2-1 超聲電機參數(shù)表
型號
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
電機自重
40
100
250
檢驗
IS9001
為了達到設(shè)計的要求,在本次的促動器設(shè)計中我選擇的超聲電機的型號是:TRUM-60-P-A,該種型號的電機的額定扭矩為:, 額定轉(zhuǎn)速:n=120(r/min).在接下來的計算中以電機的額定功率和扭矩做為依據(jù)來設(shè)計滾珠絲杠副。
2. 3 傳動裝置的總傳動比與各級傳動比分配
選定了電動機后,我們可以根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速nm以及滾珠絲杠的工作轉(zhuǎn)速nm,我們就能夠計算出促動整體的總傳動比為
(2-5)
在本次的促動器設(shè)計方案中,轉(zhuǎn)速與扭矩的輸出是由電動機直接傳遞給減速器,然后由減速器傳遞給滾珠絲杠,滾珠絲杠接收到轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)換成螺母的平動,從而帶動促動的支架上下移動。所以本傳動裝置中只經(jīng)過一級的傳動改變,本促動器選用的是PL60行星減速器,速比為32,所以 i1= ,即總傳動比
所以,
分配后的各級傳動比只是一個初步確定的數(shù)值,但是真是的傳動比要經(jīng)過傳動件才能最后確定下來參數(shù)進行準確計算。因此,滾珠絲杠的實際轉(zhuǎn)速,要在傳動件的整體設(shè)計完成之后進行核算,如果符合技術(shù)要求,就選用此傳動比,或者進行微調(diào)。若不滿足誤差允許的范圍,要進行重新分配傳動比。
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)的減速機構(gòu),相對于其他的減速器來說,行星減速器具有高效的傳動效率,能夠完成大部分的減速任務(wù),精度要求能夠達到高精度的優(yōu)點,體積小也是行星減速器被運用到促動器設(shè)計的一個優(yōu)勢,可以節(jié)約箱體的空間,從而在整體上減輕促動器的重量,優(yōu)化促動器的物理結(jié)構(gòu)。為更高效的完成設(shè)計任務(wù),降低促動器的設(shè)計難度,提供了很好的思路,目前很多設(shè)計者都采用伺服系統(tǒng)的減速機構(gòu)來完成促動器設(shè)計,這也證明了行星減速器用來設(shè)計促動器是一個很好的選擇。
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)簡單,同時裝配難度不高,這對促動器的安裝和維護都有很大的幫助,機械設(shè)計的目的是服務(wù)于人,人性化的設(shè)計方案往往深受廣大用戶的喜愛。
2. 4 促動器的運動及計算參數(shù)
要求出促動器的最終運動狀態(tài),需要計算出該促動器中各軸的轉(zhuǎn)速,扭矩或者功率。在該促動器中由電機輸出軸為Ι軸,滾珠絲杠為II軸,所以我們可以得到各軸的轉(zhuǎn)速n,每個軸的轉(zhuǎn)矩T
每個軸的轉(zhuǎn)速 (2-6)
(2-7)
每個軸的轉(zhuǎn)矩 (2-8)
(2-9)
所以,由可得,
23
第3章 滾珠絲杠副的設(shè)計及計算
3.1滾珠絲杠副
滾珠絲杠副是近年來非常受歡迎的傳動元件,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)對社會工業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。如今,滾珠絲杠副作為一種優(yōu)秀的螺旋傳動元件,被廣泛運用到各種行業(yè)的機械設(shè)計中。這依賴著滾珠絲杠副擁有高效率和能達到的高精度要求,同時滾珠絲杠副的使用壽命比傳統(tǒng)的絲杠要長且耐磨,這使得運用滾珠絲杠副的設(shè)備的維護與保養(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到整個行業(yè)都普及的地步,但是已經(jīng)成為一個產(chǎn)業(yè)鏈,設(shè)計者只需要設(shè)計出基本尺寸,相應(yīng)廠商就會根據(jù)參數(shù)做出符合標準的滾珠絲杠副。滾珠絲杠副由于傳動效率高,不能自鎖,在用于垂直方向傳動時,如部件重量未加平衡,必須防止傳動停止或電機失電后,因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃樱滥鎮(zhèn)鲃臃椒捎脺u輪螺桿傳動,液壓式電器制動器及超越離合器等。
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
1.滾動替代了滑動
2.高效的傳動
3.高精度
4.無軸向間隙
5.使用壽命長
6.運動是可逆的
7.準確的同步性
3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計與計算
由促動器的技術(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 滾珠絲杠尺寸的計算
1.滾珠絲杠副的導程
基本導程是絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)一周時,螺母上面的基準點的軸向位移,如圖3-2所示。我們也可按照查表選取。
圖3-2 滾珠絲杠的基本導程原理圖
在這里我所選取的公稱直徑,可得最佳的基本導程=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,其計算公式為
(3-1)
滾珠的實際直徑,實際直徑是滾珠與絲杠和螺母在實際的工作狀態(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算
滾珠絲杠副的承載通常是額定動軸向載荷和額定靜軸向載荷來表示。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算方式來確定滾珠絲杠副的額定動靜載荷。
3.3.1滾珠絲杠副的額定動載荷計算
滾珠絲杠副的額定動載荷測試一般為一批規(guī)格相同的滾珠絲杠副,運行一百萬轉(zhuǎn)后,超過90%的滾珠絲杠副,螺紋滾道或者滾珠表面不產(chǎn)生疲勞損傷時的軸向載荷。
我們可以采用以下公式進行運算
(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算
額定靜載荷指滾珠絲杠副在靜止狀態(tài)下或者低速轉(zhuǎn)動的情況下,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分之一的軸向載荷。
我們可以采用下面的式子計算其額定靜載荷:
(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)定性驗算
由于滾珠絲杠在長期的工作過程中會發(fā)生失效,故再設(shè)計過程中應(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號鋼,E=206GPa;l是絲杠長度;Ia為絲杠慣量;是長度系數(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.
接下來驗算一下絲杠的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。
長絲杠工作時會發(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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