大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計含12張CAD圖
大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計含12張CAD圖,大型,設備,裝備,動力裝置,減速,裝置,對接,平臺,結構設計,12,十二,cad
附錄一:外文翻譯
一臺帶有滑塊曲柄和螺桿機構變速機的運動和動態(tài)特色設計
設計現有機制的可變輸入速度可以提高機器的輸出動力學和動態(tài)特性?;谶@個概念,本文提出了一種方法以提高復合機構的運動學和動態(tài)特性。它開始衍生出一個運動學和動力學特征的復合機理的分析模型。帶有控制點的 Bezier 功能被用來設計復合機構的可變入;控制點和該復合機制的運動學和動力特性是在 MATLAB 的優(yōu)化工具箱通過求解最優(yōu)函數來確定的。另外,建議方法由兩個設計實例說明。結果表明現存機器的輸出運動學和動力特性可以通過設計帶有貝塞爾功能的可變輸入速度來改進。
關鍵詞:可變輸入速度; 復合機制;運動和動態(tài)特性;
1 引言
傳統(tǒng)上,工程師以恒定的輸入速度設計現有機制的輸出特性。如果所需的輸出不同,則應重新設計機構的尺寸。為達到此目的,但不修改幾何尺寸的現有機制的一種替代方法。是為原來的機制設計可變輸入速度。
關于變量輸入速度的概念的應用程序,可追溯到由 Rothbart 設計的凸輪機構[1],其中
Whitworth 急回機構轉化可變輸入速度到凸輪。Tesar 和 Matthew [2]運動方程用于基于可變凸輪轉速概念的凸輪從動機構。Yan et al [3-6]開發(fā)了具有可變輸入速度系統(tǒng)的方法用于改善凸輪從動系統(tǒng)的運動特點,如消除跟隨運動的不連續(xù)性和低峰值。Van de Straete 和 De Schutter [7]提出了一種凸輪機構帶有恒速電機和伺服電機,由差速驅動驅動。作為其電源輸入,用于靈活地修改輸出運動。姚等人 [8-13]應用了最優(yōu)控制理論以提高輸出運動的凸輪速度和減少跟隨器的殘余振動。后來,可變輸入速度也適用于處理其他種類的機制。Kaplan 和 Rao [14]制定了一個可變輸入速度機制作為多目標優(yōu)化問題。閻和陳[15-17]設計了滑塊 - 曲柄機構輸入速度功能,Watt 型壓力機和 Stephenson 形成這些機制近似于所需的功能輸出軌跡。Liu et al [18]設計了一個用于降低滾珠絲桿傳動機構的峰值加速度的多項式速度函數。閻和宋[19-22]開發(fā)了對于四桿連桿的可變輸入速度的設計方法以獲得預期的輸出運動特性和動態(tài)平衡性能。姚等人 [23,24]提出一種通過改變輸入的速度功能鏈接來最小化驅動轉矩和振動力矩的四桿聯動方法。Yan 和 Yan [25]開發(fā)了一種用于具有可變輸入速度的四桿連桿綜合設計方法以降低峰值振動力和力矩的值,以提高性能的跟蹤速度軌跡,并盡量減少電機功率耗散。
基于上述研究結果,顯而易見現有機器的輸出運動和動態(tài)特性由機構的配置和輸入決定。一般來說,如果一種現有設計的運動和動態(tài)特性需要被改進為在恒速輸入;然后,原始機制的尺寸也需要變。但是 Rothbart [1]提出的使用另一種機制的辦法推動現有機制改善原有機制的機制。Yan 等提出的其他方法[3-6,8-13,15-18,20-25]通過設計提高產量直接變速輸入,而不改變尺寸的相同的機制。本研究的目的是開發(fā)和設計一個具有滑塊式機構和螺絲機構復合機制的可變輸入速度的模型用
于提高復合機制的運動學和動態(tài)特性來滿足所需的約束。這里,貝塞爾曲線[26]是
用于設計復合機構的輸入速度功能以提高這種復合機理的輸出運動和動態(tài)特征。兩個被提出來的設計實例來說明設計過程。
2. 運動和動態(tài)分析
考慮具有滑塊式機構和螺桿機構復合機制,如圖 1 所示,滑塊曲柄機構的輸入和輸出是曲柄和滑塊(架);螺絲機構的輸入和輸出分別是小齒輪(螺絲)和從動件;和機架驅動小齒輪?;瑝K - 曲柄機構如圖 2 所示?;瑝K的位移表示為 r4,速度表示為 v4 和加速度表示為 a4。
大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計
¢ ¢
¢
其中f4 和f4 是運動系數和它的一階導數。曲柄 2 的角速度w2 和角加速度w2 是曲柄角位移q2
的一階和二階導數,角位移q5 ,角速度w5 ,螺旋物的角加速度w5
可以表示為:
其中 rg 是小齒輪的半徑,Dr4 是位移 r4 的變化。 修正正弦加速度運動曲線為應用于設計螺桿
5 的位置,位移 s6,跟隨器 6 的速度 v6 和加速度 a6 表示為:
圖一 復合機制
圖二 滑塊 - 曲柄機構的環(huán)向量其中 b 和 h 分別是在時段 s 期間螺桿 5 的角行程和行程跟隨者 6。
顯然, 曲柄 2 的角位移q2(t )是時間 t 的一個功能, g = 2p 曲柄 2 的角行程是在相同時間
段t 的角行程。然后,歸一化時間 T 和標準化曲柄 2 的角位移q2(T )被定義為 T =t/t ,q2 =q2 / g 。因此 0≤T≤1,0≤q2(T )≤1。此外,歸一化加速度是:
W2(T )=dQ2(T ) / dT
= (t
/ g )w2 ;
歸一化角加速度是W (T )=d 2Q (T ) / dT 2 = (t 2 / g )w
。當確定角速度時;復合機制的運
2 2 2
動特性將通過應用方程式(1)–(15)來計算。
應用牛頓第二定律來鏈接產生 20 個方程。輸入轉矩 M2 可以通過 20 個方程計算。搖晃的時刻,在框架上的復合機制,可以表示為:
的鏈接 i 其中 rOi 是向量從點 O 到質心。
3.貝塞爾曲線
貝塞爾曲線廣泛應用于計算機圖形模型中光滑的曲線。Winkel [26]指出,伯恩斯坦多項式和貝塞爾曲線是至關重要的計算機輔助幾何設計。因此,這項工作使用這些基本功能來設計歸一化的曲
柄 2 輸入角速度W2(T )。n 度貝塞爾函數是 n 階可微分連續(xù)曲線,其形狀由 n 個受控點控制。除了高分辨率的連續(xù)性,貝塞爾功能還提供了足夠的各種曲線圖輸入速度功能。歸一化的輸入角速度
W2(T )可以用 n 度貝塞爾函數表示:
其中 Pi,0≤i≤ n + 1 是 Bezier 功能的第 i 個控制點,Bi, n (T)是伯恩斯坦多項式。
通過整合表達式W2(T ),等式(17),對于 T,然后進行歸一化輸入角位移Q2(T )可以被派生為:
其中伯恩斯坦多項式的積分可以由其導出使用部件集成的方法。
對于歸一化輸入角位移,初始歸一化輸入角位移為零, Q2(0) =
0 ,最終歸一化輸入角位移為
一, Q2(1) = 1。將這兩個要素代入方程 (19)
由于貝塞爾曲線是 n 階微分,歸一化輸入角加速度, Q2(T ),可以通過微分得出。歸一化輸入
角速度Q2(T ),相對于 T 為
其中:
4.設計實例
這項工作使用貝塞爾曲線作為,復合機制的變速輸入,以提高復合機制的輸出運動學特性。這種改善可以被制定為受到設計師提出的一些設計約束一個優(yōu)化問題。最佳設計結果可以通過求解函數找到。
圖三 示例 1 的運動特性:(a)曲柄運動特性和(b)跟隨器運動特性
大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計
“fmincon”在 MATLAB 的優(yōu)化工具箱中。函數 fmincon 可以實現最優(yōu)設計應用順序二次編程
(SQP)算法的局部最小值。設計過程由如下兩個例子說明。例 1
如果從動件 6 的運動特性是用應用變速輸入改進,目標函數可以表示為兩個比率的總和:一個是均方根比;另一個是波動比。對于該示例,優(yōu)化結果與恒定輸入結果的比率是[a6b]/[a6]。目標函數必須最小化并可以表達為
受制于以下約束:
其中下標 b 表示優(yōu)化結果,下標 rms 表示均方根的結果,從動件 6 是加速度 a6,ei(i=1,2,3,4,5)
是平等約束。方程(26)和(27)表明初始和最終的歸一化輸入
角位移分別為 0 和 1。方程(28)表明歸一化輸入角速度的邊界條件必須相等。類似地,
(29)歸一化輸入角加速度的邊界條件必須相等。這些邊界條件使曲柄的運動連續(xù)。方程(30)顯示了控制點的極限; 這個也在等式(21)。復合機理的相關規(guī)范列于表 1。
平均輸入速度為 200rpm,即正?;瘯r間 T 和時間 t 的范圍分別為:0≤T≤1 和 0≤ t≤ 0.3s。使用十階 Bezier 曲線作為歸一化輸入角速度。有 11 個控制點,它可以作為設計變量。這項工作解決了在 MATLAB 的優(yōu)化工具箱中 fmincon 的功能確定最優(yōu)設計變量:P0,P1,...,P10 分別為1.1250,1.1250,0.5000,0.5000, 1.5000, 1.5000, 1.5000, 0.5000, 0.5000, 1.1250, and1.1250。角位移,
速度和曲柄加速度,由設計變量確定,如圖圖 3(a)。從動件 6 的相應運動特性如圖 3(b)。圖3 也顯示了相應的恒速輸入特性。
設計結果表明,從動件 6 速度的峰值和加速度會被應用變量輸入減少。實施例 1 的特點的比較
展示于表 2 中。
例 2
如果從動件 6 的運動特性和曲柄 2 的輸入轉矩特性用應用變速輸入改進,目標函數可以表示為四個比率的總和:兩個是均方根比,而其他兩個是波動比。對于這個例子,優(yōu)化結果至恒定輸入結
果為[a6b]/[a6]和[M2b]/[M2]。目標函數必須最小化并可以表達為
受限于公式(26) - (31),其中下標 b 表示優(yōu)化結果,下標 rms 表示結果均方根,下標 flu 表示造成的結果,M2 是曲柄 2 的輸入轉矩。平均輸入速度為 200 rpm。十階 Bezier 曲線用于表示歸一化的輸入角速度。有是 11 個控制點,可以用作設計變量。這項工作解決了在 MATLAB 的優(yōu)化工具箱中 fmincon 的功能來確定最優(yōu)設計變量。P0,P1,...,
P10 為 1.0234,1.0234,0.5000,0.7032,1.5000,1.5000,1.5000,分別為 0.7032,0.5000,1.0234 和
1.0234。曲柄的角位移,速度和加速度 2 由設計變量確定,如圖 4(a)所示。從動件 6 的相應運動特性和曲柄 2 的輸入轉矩如圖 4(b)和 5。圖 4 和圖 5 也示出了常數 - 速度輸入。設計結果表明,速度的峰值和從動件 6 的加速度和曲柄 2 的輸入轉矩可以通過應用變速輸入減小。
和例 2 的特點的比較列在表 3 中。概要。
根據設計實例的結果,這項工作提出以下結論:
(1)現有的機制運動和動態(tài)特性的改善可以通過變速輸入的 應用提出的方法實現。
(2)研究復合機制的鏈路長度 r1(圖 2 和表 1)等于零; 滑塊和跟隨器的運動特性是對稱的。獲得控制點的價值遵循相同的模式。他們是對稱的,并具有相同的重復。
(3)方程(25)和(32)是多目標函數包含一些子目標函數。事實上,當采用多目標函數時,如何確定對于每個子目標合適的權重,總是有一個問題。合適的權重的確定取決于設計師提出要求。為了簡單的討論,這項工作使得在等式 (25)和(32 每個子目標函數的權重等于 1。
(4)這個工作解決了在 MATLAB 的優(yōu)化工具箱中函數 fmincon 確定最優(yōu)設計變量 P0, P1,...,P10。功能 fmincon 可以依靠應用 SQP 算法的局部最小值實現最優(yōu)設計這項工作的最佳設計結果可能是本地化的。
5 結論
基于可變輸入速度的設計,這項工作提出了一種用于改善復合機制的輸出運動學和動態(tài)特性的方法。導出機制的運動和動態(tài)特性的分析模型。貝塞爾函數用于設計可變輸入速度,以及復合機理的局部最優(yōu)運動學和動態(tài)特性的確定。最后,所提出的方法由兩個設計實例說明。結果表明復合機制的輸出動力學和動態(tài)特性通過使用貝塞爾函數設計可變輸入速度的軌跡得到改進。
附錄二:翻譯原文
大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計
任務書
論文(設計)題目:大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計
工作日期:2016年12月12日 ~ 2017年05月26日
1.選題依據:
以解決大型動力與減速裝置裝配的對接調整時間長的問題為出發(fā)點,展開對接平臺的設計工作,在平臺設計過程中鍛煉學生對所學知識的綜合應用能力。且該課題具有工程實際背景,結合我校畢業(yè)生培養(yǎng)計劃,培養(yǎng)學生對設計思路及相關理論的實際運用
,有利于理論與實踐的結合。
2.論文要求(設計參數):
1)平臺應能實現對發(fā)動機、傳動裝置的可靠固定,兩者的支撐固定應能相對獨立運 動,以滿足對中要求,
2)基座最大承重: 8t
3)基座初始高度距離安裝臺表面為300mm ,可向上調整至600mm,且在運動過程中任意位置可閉鎖 。調整精度為±10mm。
4)用于支撐傳動裝置的機構和支撐發(fā)動機的機構相對高度可調,調整結構應設計有 標尺指示 。
調 整 范 圍 :±100mm 調 整 精 度 ±0.1mm 6)用于支撐傳動裝置的機構和支撐發(fā)動機的機構相對縱向可調,調整結構應設計有
標尺指示。
調 整 范 圍 :0mm~300mm 調 整 精 度 ±0.1mm 7)用于支撐傳動裝置的機構和支撐發(fā)動機的機構相對橫向可調,調整結構應設計有
標尺指示。
調 整 范 圍 :±100mm 調 整 精 度 ±0.1mm 8)發(fā)動機相對傳動裝置角度可調 ,調整結構應設計有標尺指示。旋轉調整范圍:±5°調整精度±0.1°
9)基座外廓尺寸 ≤3m×2.5m
3.個人工作重點:
1)裝配平臺功能結構設計:橫向、縱向、高度方向調整結構以及旋轉調節(jié)功能結構
設計
2)關鍵部件設計選用計算:導軌選用的相關計算
3)關鍵部件強度及剛度校核:橫向、縱向、升降滑臺以及旋轉臺等的校核
4.時間安排及應完成的工作:
第1周:熟悉題目,明確任務,查閱相關資料第2周:對資料進行分析總結
第3周:擬定工作內容與初步設計方案第4周:撰寫開題報告,進行開題
第5周:完成整體方案構型設計 第6周:完成相關校核計算與修正
第7周:根據設計參數進行高度相對調整機構的設計
第8周:根據設計參數進行橫向與縱向相對調整機構的設計 第9周:根據設計參數進角度相對調整機構的設計
第10周:進行其它相關機構的設計,完成裝配圖,進行必要的校核計算 第11周:對主要零件進行細節(jié)設計,完成零件圖
第12周:整理相關設計資料,撰寫說明書第13周:完成設計說明書初稿
第14周:修改完善說明書,完成英文資料翻譯第15周:修改完善說明書
第16周:做PPT,準備答辯相關材料
5.應閱讀的基本文獻:
1)一種大型設備多自由度自動對接方法,周召發(fā), 黃先祥, 強寶民,《光電工程》 2005年
6期
2)一種混聯精密裝校平臺的設計與分析,謝志江, 宋文軍, 劉小波, 倪衛(wèi),《機械設計》
2012年4期
3)滾動直線導軌副可動結合部動力學建模,毛寬民, 李斌, 謝波, 魏要強,《華中科技大學學 報 ( 自 然 科 學 版 ) 》 2008 年 8 期4)帶滾珠絲杠副的直線導軌結合部動態(tài)剛度特性,蔣書運, 祝書龍,《機械工程學報》
2010年1期
5)飛機大部件自動對接裝配技術,郭洪杰,《航空制造技術》 2013年13期
6)大型飛機部件數字化對接裝配技術研究,鄒冀華, 劉志存, 范玉青,《計算機集成制造系統(tǒng)》 2007年7期
7)大尺度產品數字化智能對接關鍵技術研究,文科, 杜福洲, 《計算機集成制造系統(tǒng)》
2016年3期
8)狹長盲視空間中精密止口柔順對接集成裝配裝置,何建國, 吳祉群, 蒲潔, 吉方《組合機床 與 自 動 化 加 工 技 術 》 2005 年 1 期9)基于混聯機構的六自由度精密裝校平臺研究,宋文軍, 2012 - 重慶大學:機械電子工程
10)一種新型的對接裝配裝置的設計,劉勇, 蒲如平, 敬興久, 張華全 - 《機械工程師》
2001年11期
指導教師簽字:
XX
教研室主任意見:
同意
簽字:XX 2016年12月11日
教學指導分委會意見:
同意
簽字:XX 2016年12月11日 學院公章
一、選題依據
1.論文(設計)題目
大型設備動力裝置與減速裝置對接平臺結構設計
2.研究領域
機械設計及其自動化——工程設計
實現大型設備動力裝置與減速裝置的自動機械對接, 在對接過程中保證對接的精度和效率。
3.論文(設計)工作的理論意義和應用價值
理論意義: 隨著大型現代化機械裝備在社會上的廣泛應用, 規(guī)格較大的動力與減速部件的裝配工作的問題日益凸顯出來。由于裝配工作是一個頻度較高的工作, 人工操作效率低并且給人帶來了很大工作強度。所以要充分利用機械的優(yōu)越性, 可以大大的減少人的勞動強度, 并且效率較高。鑒于對接條件的復雜性, 我們可以做出來多自由度的對接平臺, 以適應對接多種條件, 在設計過程中, 使用絲杠等構件可以提高平臺的精度, 再附加上反饋設備, 可以減少對接時間。適應了社會對機械對接平臺的大趨勢, 為我國發(fā)展做出貢獻。
特別對于大型動力與減速裝置的對接問題是裝配過程中一個難點, 由于對接處接口精度較高, 且對接的兩部件比較笨重, 調整過程往往采用人工手動的方式調整, 且對接調整過程無實時反饋, 只能憑經驗預測, 耗時較長。本課題旨在通過設計具有實時反饋功能的對接平臺, 達到提高對接精度與成功率, 節(jié)省調整時間的目的。
4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢
現在對接平臺有混聯六自由度精密裝校平臺, 六自由度精密裝校平臺在整個下裝裝校系統(tǒng)中具有核心地位, 其六自由度末 端執(zhí)行器的位姿調整速度及調整精度直接影響到 LRu 模塊精確、可靠以及高效率的裝校 。六自由度位姿調整涉及到平臺的輸入與輸出關系, 平臺的輸出即六自由度位姿調整是實現 LRU 模塊裝校的前提 。平臺的輸入是伺服電機的驅動旋轉,其中六自由度平臺的末端執(zhí)行器在空間的位置變化與伺服電機的驅動輸入存在一定的數學映射關系, 簡稱控制算法, 將這種控制算法以程序的形式輸入運動控制器,則通過運動控制器的控制即可實現對運動平臺末端執(zhí)行器的可控調整。用運動學理論, 推導用于運動控制器控制的末端平臺位置逆解及正解、速度的正解與逆解, 構建誤差模型并對末端平臺誤差作補償, 研究了傳感器反饋的閉環(huán)控制, 最終實現六自由度精密裝校平臺對 LRU 模塊的可控精密自動調整。
目前能對末端執(zhí)行器進行六自由度位姿調整的主要是并聯六自由度運動臺, 簡稱
Stewan 運動平臺, 在較長一段時間內, 并聯機構產生以后, 并未引起時人們的足夠關注, 基于串聯機構的串聯機器人占據主導地位, 主要是由于并聯結構計算量大, 運動學分析及動力學難度大, 并且位置有時還存在奇異性。然而串聯機構由于自身的缺點無法克服, 在工業(yè)應用上有一定的局限性, 隨著對并聯機器人的認識不斷加深、一些理論問題的解決及計算機的計算功能增強, 并聯機器人較串聯機構的優(yōu)勢得到凸
顯, 因此并聯機構大大彌補了串聯機構在應用中存在的不足?;炻摼苎b校平臺是一個較為復雜的機電系統(tǒng), 涉及到并聯機構的各類知識, 是一個較為復雜的綜合性的工程, 涉及到空間機構、調平技術、自動化技術、先進制造和精度設計等多項領域。
對于現代飛機大部件自動對接裝配技術涉及面向柔性裝配的數字化產品定義、裝配 T 藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化、數字化柔性定位、自動控制、先進測量檢測和計算機軟件等眾多先進技術和裝備, 是機械、電子、控制、計算機等多學科交叉融合的高新技術。大部件對接柔性裝配: 裝配系統(tǒng)組成主要由機械結構部分、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計算機軟件等組成。大部件對接柔性裝配工裝的主要機械執(zhí)行機構分為 3 種形式:柱式結構、塔式結構和塔一柱混聯結構。
自動控制控制系統(tǒng)是飛機數字化裝配的大腦, 但是在飛機數字化裝配過程中, 與裝配相關的硬軟件系統(tǒng)眾多, 數據處理方式多樣, 設計數據、工藝數據、測量數據、定位數據、制孑 L 數據、連接數據等之間存在大量的交互與協(xié)調, 而多系統(tǒng)集成控制技術便是實現交互與協(xié)調的基礎。誤差分析與優(yōu)化控制關鍵特征的數字化傳遞過程誤差是不可避免的, 主要包括測量系統(tǒng)誤差、定位系統(tǒng)運動誤差、零部件變形誤差和算法誤差等, 各因素之間是相互獨立的, 參照數據處理中的測量不確定度分析方法, 對上述誤差進行分析與優(yōu)化控制。
大尺度產品數字化智能對接技術應用綜合框架的基礎上,結合全局坐標的位姿引導柔性裝配與六維力引導的柔順對接應用模式。包括采用數字化測量系(激光跟蹤儀)、基于并聯機構的調姿平臺、控制柜、力傳感器、集成控制平臺、固定平臺、裝配工裝。大部件自動對接裝配技術已不單單是提高產品質量、生產效率的手段, 而是新一代軍機制造不町缺少的必備技術, 需要從產品定義開始人手, 建立數字化柔性裝配技術體系, 貫通產品、T 藝、丁裝、裝配和檢測全過程。結合某型機大部件對接的 T 程實際應用, 對數字量協(xié)調的 T 藝設計、面向飛機裝配的數字化測量技術、柔性 T 裝,需要從大量的工程實踐中總結梳理成功的經驗, 制定相關的技術規(guī)范和標準, 完善技術體系。針對大部件自動對接裝配技術進行了探討分析, 實現了柔性工裝、數字化測量檢測設備的協(xié)同規(guī)劃與管理,下一步應對建立數字化柔性裝配生產線相關技術展開深入研究.實現飛機的整個裝配過程的柔性化、自動化。
與串聯機構相比, 并聯機構在剛度、承載能力、結構、慣量、位置誤差、力反饋
控制及運動學逆解等方面較串聯優(yōu)越; 但其自身也存在缺點, 如運動學正解復雜、工作空間小、力誤差積累等。
二、論文(設計)研究的內容
1.重點解決的問題
對接的適應性, 可以通過調整角度和位置自動連接。
1)裝配平臺功能結構設計: 橫向、縱向、高度方向調整結構以及旋轉調節(jié)功能結構設計
2)關鍵部件設計選用計算: 導軌選用的相關計算
3)關鍵部件強度及剛度校核: 橫向、縱向、升降滑臺以及旋轉臺等的校核
2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設計思路)
1)文獻閱讀, 發(fā)展現狀及文獻綜述
2)運動功能分解, 機構選型, 確定總體方案
3)根據各執(zhí)行機構完成總體結構布局, 進行機體受力分析與剛度分析
4)完成各執(zhí)行機構細節(jié)設計, 包括軸類, 箱體、基座等零部件的設計與校核
5)進行導軌選型與尺寸綜合設計
6)進行對接平臺的裝配圖和零件圖細節(jié)設計
7)進行機構精度分析
3.本論文(設計)預期取得的成果
1)最終可以實現對大型重載連接件的對接
2)確定基體的結構, 導軌位置 電機位置 絲杠位置
3)完成驅動方案, 精準對接位置
4)對薄弱點進行力的分析, 確保安全可靠
5)確定各結構的尺寸
6)完成對接平臺的裝配圖和零件圖
7)編寫設計說明書一份
三、論文(設計)工作安排
1.擬采用的主要研究方法(技術路線或設計參數);設計參數:
1)基座最大承重: 8t
2)基座初始高度距離安裝臺表面為 300mm , 可向上調整至 600mm, 且在運動過程中任意位置可閉鎖 。調整精度為±10mm 。
3)用于支撐傳動裝置的機構和支撐發(fā)動機的機構相對高度可調, 調整結構應設計有標尺指示 。調整范圍: ±100mm 調整精度±0.1mm
4)用于支撐傳動裝置的機構和支撐發(fā)動機的機構相對縱向可調, 調整結構應設計有標尺指示。調整范圍: 0mm~300mm 調整精度±0.1mm
5)用于支撐傳動裝置的機構和支撐發(fā)動機的機構相對橫向可調, 調整結構應設計有標尺指示。調整范圍: ±100mm 調整精度±0.1mm
6)發(fā)動機相對傳動裝置角度可調 , 調整結構應設計有標尺指示。旋轉調整范圍: ±5°調整精度±0.1°
7)基座外廓尺寸 ≤3m×2.5m
技術路線:
對接功能分析
機構選型, 總體結構方案設計
考 慮 運動 及 驅動 方 式
執(zhí)行部分
底 基座 中間 連接部分 左 調 節(jié) z 向 右 調節(jié)x y 向及z 旋轉
結構尺寸
不滿足
運動精度計算校核計算
滿足
畫零件圖 裝配圖
完善說明書
2.論文(設計)進度計劃
第 1 周: 熟悉題目, 明確任務, 查閱相關資料第 2 周: 對資料進行分析總結
第 3 周: 擬定工作內容與初步設計方案第 4 周: 撰寫開題報告, 進行開題
第 5 周: 完成整體方案構型設計第 6 周: 完成相關校核計算與修正
第 7 周: 根據設計參數進行高度相對調整機構的設計
第 8 周: 根據設計參數進行橫向與縱向相對調整機構的設計第 9 周: 根據設計參數進角度相對調整機構的設計
第 10 周: 進行其它相關機構的設計, 完成裝配圖, 進行必要的校核計算第 11 周: 對主要零件進行細節(jié)設計, 完成零件圖
第 12 周: 整理相關設計資料, 撰寫說明書第 13 周: 完成設計說明書初稿
第 14 周: 修改完善說明書, 完成英文資料翻譯第 15 周: 修改完善說明書
第 16 周: 做 PPT, 準備答辯相關材料
四、需要閱讀的參考文獻
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附: 文獻綜述或報告
文獻綜述
摘要: 對接平臺是實現裝配部件對接的機械設備, 在實現對接功能時, 有一定的適應性??烧{整自己的位姿, 應對不同情況下的對接。其結構主要是, 基座, 導軌, 中間結合部分和執(zhí)行部件(對接平臺)。驅動部分主要是伺服電機, 絲杠, 渦輪蝸桿等傳動??刂品矫婵梢酝ㄟ^光柵尺, 編碼器, PLC, 聯合作用保證對接的精度和自動化。
關鍵詞: 對接平臺, 伺服電機, 滾動絲杠, 導軌。
文獻 1 指出:現在比較廣為應用的是六自由度精密裝校平臺,目前能對末端執(zhí)行器進行六自由度位姿調整的主要是并聯六自由度運動平臺, 簡稱 Stewan 運動平臺。到目前為止, 并聯機構的樣機多種多樣, 包括多自由度的平面機構, 不同自由度的空間機構, 多種布置方式結構, 少自由度結構以及超多自由度串并聯機構。小型并聯機構大多輕載, 輸入多采用“伺服電機+滾動絲杠+導軌”等方式實現, 而大型重載并聯機構的運動輸入則主要采用電液伺服液壓缸驅動, 液壓伺服驅動主要得益于其體積小、功率大、精度高、速度快等特點。該精密裝校平臺提出如下功能要求: ①一級提升功能。LRU 模塊在粗定位以后需要作一級提升。②調平功能。LRu 模塊粗定位完成以后,
LRu 模塊需要作調平調節(jié)。使 LRu 模塊盡量保證與潔凈廂平行。③平面對接功能。
LRu 模塊調平功能完成以后,需要與潔凈廂底端的卡槽自動對接。為插入式安裝提供基礎性準備。對于并聯機構來說, 機械結構幾何參數誤差以及驅動輸入誤差是位姿輸出誤差的主要因素。①調平機構:幾何結構參數誤差包括:上、下鉸點零件形位誤差,如: 上、下鉸點分度圓的半徑誤差, 角度分度誤差和安裝平面的平面度誤差; 上、下鉸點裝配誤差, 如: 鉸的間隙、支撐腿安裝誤差等, 調平機構存在超靜定問題, 為了使機構在運行過程中有一定的柔性, 要求鉸點有一定的間隙, 所以間隙造成的誤差不可避免; 另外還有伺服電動推缸的初始長度誤差及運動過程中自身的定位誤等。②對接機構。導軌自身在基準平臺上的安裝偏差。
伺服電機可使控制速度, 位置精度非常準確, 可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制, 并能快速反應, 在自動控制系統(tǒng)中, 用作執(zhí)行元件, 且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性, 可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類, 其主要特點是, 當信號電壓為零時無自轉現象, 轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。伺服系統(tǒng)(servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位, 基本上可以這樣理解, 伺服電機接收到 1 個脈沖, 就會旋轉 1 個脈沖對應的角度, 從而實現位移, 因為, 伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能, 所以伺服電機每旋轉一個角度, 都會發(fā)出對應數量的脈沖, 這樣, 和伺服電機接受的脈沖形成了呼應, 或者叫閉環(huán), 如此一來, 系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機, 同時又收了多少脈沖回來, 這樣, 就能夠很精確的控制電機的轉動, 從而實現精確的定位, 可以達到 0.001mm 。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低, 結構簡單, 啟動轉矩大, 調速范圍寬, 控制容易, 需要維護, 但維護不方便(換碳刷), 產生電磁干擾, 對環(huán)境有要求高。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。對于它的選用, 文獻 2 指出: 步進電機的比較(1)控制精度更高; (2)低頻特性好, 即使在低速時也不會出現振動現象(3)具有較強的速度過載和轉矩過載能力,最大轉矩為額定轉矩的 2—3 倍;
(4)交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣.內
部構成位置環(huán)和速度環(huán), 控制性能更為可靠: 因此, 伺服電機廣泛應用于對精度有較高要求的機械設備, 伺服電機選型的原則: 1 負載/電機慣量比正確沒定慣量比參數
是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提, 伺服系統(tǒng)的默認參數在 1~3 倍負載電機慣量比下,系統(tǒng)會達到晟佳工作狀態(tài)。2 轉速電機選擇首先應依據機械系統(tǒng)的快速行程速度來計算, 快速行程的電機轉速應嚴格控制在電機的額定轉速之內, 并應在接近電機的額定轉速的范圍使用, 以有效利用伺服電機的功率; 額定轉速、最大轉速、允許瞬間轉速之問的關系為: 允許瞬間轉速>最大轉速>額定轉速。3 轉矩伺服電機的額定轉矩必須滿足實際需要, 但是不需要留有過多的余量, 因為一般情況下, 其最大轉矩為額定轉矩的 3 倍。需要注意的是,連續(xù)工作的負載轉矩≤伺服電機的額定轉矩, 機械系統(tǒng)所需要的最大轉矩<伺服電機輸出的最大轉矩。驅動力和對接平臺執(zhí)行部件要通過出動機構來實現, 常用的有滾珠絲杠副和蝸輪蝸桿。
對于傳動方面的問題, 文獻 3 指出: 宏微雙重驅動精密工作臺可以實現大行程、高精度的要求.其中宏動部分由交流伺服電機驅動滾珠絲杠來實現.滾珠絲杠傳動是傳統(tǒng)的精密驅動方式, 技術已經相當成熟, 成本低.但宏動進給系統(tǒng)中的一些非線性因素, 如滾珠絲杠螺母副間隙存在、彈性聯軸器的變形、導軌摩擦等, 對微運動特性的影響非常明顯, 制約了工作臺運動精度和定位精度的進一步提高, 因而研究滾珠絲杠傳動工作臺的微定位特性顯得尤為重要.宏動部分系統(tǒng)主要有: 1)工作臺與光柵測量裝置組成的控制對象及位置測量系統(tǒng); 2)基于 FPGA 的運動控制系統(tǒng), 由電機控制模塊, 光柵計數模塊、與上位機通信的數據輸入/輸出接口等組成.
1 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的特點滾珠絲杠傳動效率高。摩擦小, 在伺服控制系統(tǒng)中采用滾動螺旋傳動, 不僅提高傳動效率, 而且可以減小啟動力矩、顫動及滯后時間, 但傳動系統(tǒng)的剛度不高, 尤其細長的滾珠絲杠更是剛度的薄弱環(huán)節(jié).起動和制動時能量的一部分要消耗在克服中間環(huán)節(jié)的彈性變形上, 彈性變形使系統(tǒng)的控制難度增加, 伺服性能下降。2 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)光柵檢測部分利用光柵的莫爾條紋測量位移, 需要
2 塊光柵:指示光柵和標尺光柵.指示光柵與運動件連在一起,并與運動件一起運動,
光源發(fā)出的光線經透鏡后成為平行光束,垂直投向標尺光柵.而 2 塊光柵迭合時就形成了莫爾條紋.光柵測量實質上就是讀取相應的柵線數.
除了滾珠絲桿傳動外, 還有其他傳動方式, 例如渦輪蝸桿和齒輪傳動。文獻 4 指出: 蝸輪蝸桿傳動是一種桿傳動機構.是可廣泛替代已有擾性傳動和齒輪傳動的傳動機構.由桿輪和作為擾性曳引元件的桿共同構成蝸輪的傳動比齒輪傳動動力大, 而且在動力傳遞中, 傳動比在 8~100, 在分度機構中傳動比可以達到 1 000.所以動力較大, 應用性比較廣泛, 傳動平穩(wěn)、噪聲低; 結構緊湊; 在一定條件下可以實現自鎖等優(yōu)點而得到廣泛使用。但蝸桿傳動有效率低、發(fā)熱量大和磨損嚴重, 蝸輪齒圈部分經常用減磨性能好的有色金屬(如青銅)制造, 成本高: 蝸輪傳動是垂直軸傳動, 圓柱齒輪為平行軸傳動.傘齒輪傳動兩軸可成 90 度或其他角度。
在實現對接平臺導向的機構是導軌。在文獻 5 中,我們可以了解到深層次的導軌問題: 機床導軌運動的作用是用來支撐和引導運動部件, 按給定的方向做往復直線運動, 其結合部包含了導軌與滑塊, 以及兩者相聯結的結合面.導軌結合部是數控機床整機系統(tǒng)中最重要的結合部之一, 其動力學特性對整機動力學性能有著顯著的影
響.影響數控機床結合部動力學特性的因素眾多.以直線滾動導軌為例, 主要包括結合部的尺寸與形狀、初始面壓、滾動體的接觸形態(tài)、結合面之間的介質狀態(tài)、結合部的材質等。通常將導軌滑塊結合部簡化成一個單自由度系統(tǒng), 進一步可通過識別滑塊在導軌上所表現出來的模態(tài)來獲得導軌結合面的接觸剛度忌、阻尼比 f、阻尼系數f等.
在對接平臺的控制方面,我們可以以文獻 6 為參考,它講了一個機械手控制的例子: 從往復移動機械手結構示意圖可知, 機械手的移動, 是通過同步齒形帶, 帶動移
動平臺作往復移動的, 齒形帶移動的距離通過增量型編碼器轉換成相應的脈沖信號, 此脈沖信號被PLC的高速計數器進行計數,其計數值與齒形帶移動的距離存在著對應關系, 當齒形帶移動達到某一設定值時, 通過高速計數器的計數值就可以控制P
LC輸出, PLC的輸出控制電動機停止工作, 從而實現了機械手的位置控制。利用編碼器與PLC實現齒形帶移動距離的控制原理。為了控制齒形帶的移動距離, 必須知道編碼器的脈沖當量, 即一個脈沖對應齒形帶移動的距離, 也就是控制齒形帶的移動精度。
對接平臺主要部分也就是驅動部分伺服電機, 傳動機構滾珠絲杠副和蝸輪蝸桿, 已經執(zhí)行部件的移動導軌。這些是一個對接平臺基本而有重要的東西?,F在還有升華的部分, 如對接中平臺的反饋系統(tǒng), 對接平臺的誤差分析已經計算, 而對于自動對接裝配技術更涉及面向柔性裝配的數字化產品定義、裝配 T 藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化、數字化柔性定位、自動控制、先進測量檢測和計算機軟件等眾多先進技術和裝備, 是機械、電子、控制、計算機等多學科交叉融合的高新技術??傊?, 未來整個裝配過程的柔性化、自動化會成為一個大趨勢。
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