4.7 机械系统设计综合应用实例

± 100mm +8度至-2度 ±2度 大于1600Kg X γ Y β Z
X、Y方向旋转定位精度
副面精调系统设计指标
设计指标: 1、调整范围
位移：-100mm<X<100mm; -100mm<Y<100mm; -100mm<Z<100mm。
姿态：-2°<X<6°; -2°<Y<2°;Z=0°
2、位置精度：
二、机构方案的选型与设计
竖直装卸姿态
水平运输姿态
采用具有45°斜面的上下两个支架，通过上旋转支架绕固定的下 支架旋转180°即可将卫星由水平运输姿态调整为竖直装卸姿态。 反之，上旋转支架反向转动180°即可将卫星由竖直装卸姿态调整 为水平运输姿态。
三、翻转支撑系统结构设计
回转支承 驱动小齿轮
偏心盘 随动小齿轮
第四章 机械系统设计
第四章
机械系统设计
4.7 机械系统设计综合应用实例
4.7机械系统设计案例—副面精调机构
主反射面 桁架 副反射面
1.6吨
修正副面的指向误差 在频段L、S、C、X、Ku、Ka之间 进行转换
65米射电望远镜
一、副面调整机构技术指标
X、Y、Z 最大调整范围 X方向旋转 Y方向旋转 最大承载力 X、Y、Z 方向平移 定位精度
65米射电望远镜落成典礼
上海 65 米射电望远镜天线 系统已于 2012 年 10 月 28 日正式 落成，研发的基于 Stewart 并联 机构的副反射面调整系统运行 状况良好，完全满足高运动精 度、恶劣环境适应性及工作可 靠性要求。
4.7机械系统设计案例2—翻转机构设计
一、自动翻转机构技术指标
回转支承 驱动小齿轮 偏心盘
伺服电机
行星减速器
蜗杆减速机
翻转机构减速器选型实例
经过近似理论计算，得到下列负载参数：
翻转机使用工况
卫星吊装上翻转支撑系统
包装箱盖处于打开状态，支撑系统适配器对接面朝上，起吊卫星落 至支撑系统适配器，安装卫星与适配器连接紧固件，紧固卫星。 卫星运输工况 卫星落入包装箱内适配器后。翻转卫星90°至水平状态，运输支撑 系统自动锁定，处于运输状态。 卫星吊出包装箱 卫星运输完毕后，打开包装箱盖，控制自动翻转支撑系统翻转90° 至垂直状态，吊出卫星，完成卫星运输工作。
期望工作空间范围 （满足姿态能力）
100
是
分析整个工作空间内此构型下 各分支杆的受力
50
找出整个工作空间内 各杆受力最大值fimax 并保存
0
-50
-100 200 100 0 -100 -200 -200 -100 100 0 200
找出全部fimax中的最小值 （fimax）min
设计的最小工作空间 （满足姿态能力）
轴向间隙（预压）的选择 导程：
滚珠丝杠底径：
预压载荷为：
Fa 0 5500 N
Ph 10 mm
d1 75 mm 挫曲载荷 P 1 >2500N 拉伸压缩载荷 P 2 >2500N
N2>132rpm
拟采用双螺母
BNFN 8010-5
容许轴向负荷：
容许转速 螺母的选择 初选型号 静态安全系数
整体装配完成
副面精调系统电气施工
电装完成的副面调整机构电气控制系统
副面精调系统EMC测试
对电气系统EMC性能进 行测试，以避免对天线系 统信号造成干扰
副面精调系统调试
对电气系统进行调试，以确保各项性能指标达到设计要求
副面精调系统调试
副面精调人机界面
副面精调系统标定
上海天文台松 江佘山基地现场天 线副面倾斜 45°标定 现场
A3 A2
H=1450mm
副面精调系统结构尺寸参数优化
150 100 50 0 -50 -100 -150 100 0 -100 -100 100 0
机构参数初始化 r=1535;R,h,α,β取离散值
求解对应初始杆长li0， 针对工作空间求解杆长 最大变化量lmax 否 判断铰链安装位置、 分支杆行程等约束条件 是否满足实际要求 机构参数 R+R h+h α+ α β+β
一、自动翻转机构技术指标
刚度和强度要求
足够的刚度。在卫星垂直、水平以及翻转停放状态下，适配

器法兰面的最大变形量小于0.1mm，在倾倒90°后，轴线的变 形应小于2′。 足够的强度，以保证卫星在各项工作中安全可靠。 卫星运输过程中，结构不得出现失稳现象。 翻转机构采用消隙设计，防止由于翻转机构结构间隙引起的 晃动。 根据力学分析结果，保证翻转系统外形尺寸和重量最小化。
45°支撑板
弹性隔振系统
三、翻转支撑系统结构设计
隔振板
钢丝绳隔振器
钢丝绳隔振系统三维示意
三、翻转支撑系统结构设计
由于齿侧间隙的 存在，会降低传 动系统的精度并 对系统稳定性造 成影响。鉴于此， 需要对翻转机构 进行消隙设计。 偏心轴套消隙法原理图
三、翻转支撑系统结构设计
传动机构偏心套筒消隙
翻转机构减速器选型实例
一、自动翻转机构技术指标
翻转系统控制要求
在翻倒和回转操作时，应具有手动操作和电动控制两种方式，电动 控制应采用有线手柄控制，控制操作应方便；在电动控制出现故障 时，可采用手动操作实现相应的翻倒和回转功能，同时使用手动操 作可实现翻倒和回转角度的微调。 显示屏能够显示翻转系统实时姿态信息和姿态图形示意，角度显示 分辨率为0.05°。 控制部分应设置过流保护、过压保护、过热保护、失控保护、故障 保护、限位保护、电源缺相保护、急停保护、通讯失败保护等自动 保护和报警功能，以及具有故障指示功能。 电气控制柜可根据构型需要灵活调整放置位置，可放置在包装箱内， 也可单独放置在包装箱外，翻转系统需要工作时，通过连接电缆实 现对翻转系统的控制。控制柜电源电缆不小于30m。
f s 11.3
FFZD8010TR-6-P2/1294×1020
磁栅尺的选型—MTS RD4
磁栅尺的选型—MTS RD4
坚固耐用工 业传感器 线性测量、 绝对输出 分辨率 0.001mm 无接触 测量、 寿命长 非线性度低于 0.01%
重复精度 0.001%
磁栅尺的选型—MTS RD4
磁致伸缩位移传感器具体型号：
RD4MD3B1025MD70S2G821 分辨率为0.001mm，保证了各分支定位精度的测量实现。
四、关键性能指标的实现
2、调整时间 在满足给定工作空间要求前提下，各分支最大行 程为690mm，丝杠导程为10mm，减速器速比为45， 为实现副面调整机构最大调整时间小于30秒，所需
初 始 竖 直 位 置
旋 转 位 置
90°
最终水平位置
一、自动翻转机构技术指标
主要技术要求
承载要求：承载6t，自重小于3t。 安全系数：3。
翻转要求：在0~90°之间能连续倾倒，随意可停，具备自锁功能，
0~6°/min速度分三级可调，翻转精度0.05°，转动灵活、平稳，不能 出现抖动和摆动现象。 尺寸约束：星体尺寸约束、包装箱尺寸约束。 柔性支撑：在运输支架上设计柔性支撑，运输过程中柔性支撑力通 过远程控制端实时显示并记录存储，同时可以远程控制支撑力调节。 适配器：适配器高度350mm，适配器与支撑系统之间采用灵活连接 方式，根据不同型号需要，可随时更换适配器。
关键精度保证：通过设计精密的定位措施，保证球铰和虎 克铰中心位于各分支丝杠轴线。
四、关键性能指标的实现
1、定位精度
所选滚珠丝杠等级为C1，其运行距离误差为±10μm
每变动300mm误差为7μm 定位精度可达0.02mm。 具体型号为：BNFN7010-7.5RRGT+1075C1
实际型号：FFZD8010TR-6-P2/1294×1020
轴向力25000N作用下丝杠变形
轴向力25000N作用下丝杠应力
副面精调系统关键零件强度校核
轴向力25000N作用下轴承端盖变形
轴向力25000N作用下轴承端盖应力
副面精调系统整体刚度校核
天线处于90°时机构整体形变
天线处于0°时机构整体形变
系统精度的保证
虎克铰 减速器箱体 分支杆套筒 球铰
分支杆装配图
固定螺栓孔
下平台轴测图
三、翻转支撑系统结构设计
1270mm
2980mm
1914mm
下平台外形尺寸
三、翻转支撑系统结构设计
柔性支撑装置
Βιβλιοθήκη Baidu
三、翻转支撑系统结构设计
钢丝绳隔振器
在卫星运载过程中，由于路 况或其它不可预测状况，运 载装置不可避免地会产生振 动，这不利于设备运输。 隔振器是连接设备和基础的 弹性元件，用以减少和消除 由设备传递到基础的，振动 力和由基础传递到设备的振 动。
伺服电机 行星减速器 弹性柱销联轴器 蜗杆减速机
传动系统设计
三、翻转支撑系统结构设计
锁紧螺母
内齿圈
小齿轮
随动小齿轮 回转支承外圈
回转支承布置方式
三、翻转支撑系统结构设计
适配器接口
回转支承接口
上平台结构方案
三、翻转支撑系统结构设计
上平台外形尺寸
三、翻转支撑系统结构设计
驱动轴接口
回转支承接口
随动小齿轮接口
湿度/露点 90% 不能结露 工作温度 -40 ℃至+70 ℃
温度系数 <15ppm/ ℃
工作环境
放射 EN 50081-1
抗扰 EN 50082-2
天线副面调整机构结构设计
导向推杆
直线导向单元结构图
副面精调系统关键零件强度校核
对不同转角情况下虎克铰的受力变形进行了分析
副面精调系统关键零件强度校核
优于0.05mm。姿态精度：优于10角秒
0.05mm=硬币厚度的1/32
10角秒=秒针跳动一下转过角度的1/2160
副面精调系统设计指标
设计指标： 抗风能力： ≤ 20 m/s保精度工作； ≤ 28 m/s可以驱动； ≤ 45 m/s在收藏位置不破环。 工作温度：-10℃～+50℃ 工作湿度：5%～95% 下雨：雨量100 mm/h时不积水 积雪：积雪20 cm不产生永久变形
副面精调系统标定
为降低温度、振动对测量 精度的影响，在晚上对副面 调整机构进行了标定。
副面精调系统安装
上海佘山基地现场副面调整设备吊装
副面精调系统安装
地面调试完毕后， 进行设备的最终安装。 此图为工人师傅正在 使用600T吊车将电控 柜安装在距离地面40 米的馈源仓中。
副面精调系统
安装在近70米高空的副面并联调整机构
确定该最小值 所对应的构型
基本机构参数优化流程
实际工作空间与要求工作空间对比分析
优化后实际工作空间XY视图
优化后实际工作空间45°视图
副面精调系统静力学分析
通过静力学计算分析，对调整机构的静态承载能力进行了验证
副面精调系统动力学分析
通过动力学仿真，对运动过程中调整机构各部件的受力进行了分析
三、副面精调系统结构设计
分支杆结构设计
直线运 动单元 虎 克 铰
分支杆具体结构
球铰
三、副面精调系统结构设计
连接箱体 端盖 蜗轮蜗杆 减速器 双螺母 套筒 丝杠螺母 吊环 端盖 组合轴承 滚珠丝杠 磁栅尺
导向单元
直线运动单元内部结构
伺服电机的选型——瑞诺FP0711
额定功率1.92KW 实现真正无间隙转矩 高动态响应
额定转矩6.10Nm
五、副面精调系统关键零件
根据设计图生产出来的套筒和滚珠丝杠
五、副面精调系统关键零件
装配完成的直线运动单元
五、副面精调系统整装准备
整体装配前对各 驱动分支电气系统进 行进一步调试，确保 运行的稳定性。
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
电机最大转速为6210rpm，而所选电机最高转速为
6300rpm，故调整时间满足要求。
四、关键性能指标的实现
3、防护
调整机构各元器件在设计或选型时均认真考虑防 护要求，注意维护的方便性，合理进行密封和防水 结构设计。
四、关键性能指标的实现
4、安全性
五、副面精调系统关键零件
考虑加工性能，进行虎克铰结构的再优化，设计工程图，生产出虎克铰
抗震：地面加速度：水平分量0.20 g，垂直分量0.10 g
二、机构方案的选型与设计
Z
B4 OB B5 B6 R Φ1 B1 B3
Y X
B2 θ1
Z
H
Y
A5 A4 r θ2 A6 A1 OA
A3
X
A2 Φ2
B4
B3
B5 B6
61 m R=16
m OB
B1
B2
A5
A4
r=1535mm
OA
A6 A1
特性
波纹转矩降低到最小 体积紧凑
工作温度范围-40 ℃ 至+70 ℃ 线圈工作温度可达150 ℃
减速器的选型—Danabox蜗轮蜗杆减速器
具有自锁性能 齿隙空回小 （< 1 arcminutes)
结构紧凑，采用高性能的聚乙二稀润滑剂， 确保长寿命润滑，免维护。
滚轴丝杠副的初选—THK BNFN8010-5