（机械电子工程专业论文）车载伺服升降云台系统研究.pdf

车载伺服升降云台系统研究 摘要 车载升降云台系统主要为在可移动车辆上安装可升降桅杆式承载平台，帮助车辆在 运动过程中提高车载侦察、观瞄及火控等光电系统的作用距离，同时载车能够更好地隐 蔽自己，提高生存能力。 本文首先介绍了伺服云台及车载伺服升降系统的发展现状。根据车载伺服升降云台 的设计要求，升降部分依靠多级丝杠螺母机构实现升降，云台由两个电机控制机构实现 回转及俯仰运动。具体的研究内容如下： 首先根据丝杠螺母机构的运动特点，对升降机构进行了强度校核，以保证系统的运 行稳定。根据升降云台的结构特点，建立了系统的三自由度运动学约束方程。并根据约 束方程，推导了机器人的位姿正逆解的数学模型。并根据机构尺寸，分析了系统的工作 空间。建立系统关键部件的有限元模型并进行静力学分析，获得各组件的应力及变形状 况，验证关键件韵强度、刚度，通过增大接触面积及增加圆角结构消除应力集中。分别 建立了升降机构及云台系统的动力学方程，求解了工作过程的关节驱动力矩，为电机的 选择及实现伺服系统的稳定控制提供了依据。 控制方案采用分散控制方式，系统的硬件由上位p c 机与下位关节独立伺服控制单 元组成。利用m a t a l b 的s i m m e c h a n i c s 和s i m u l i n k 模块库，建立直流电机的数学模型、 升降机构及云台机构的闭环控制仿真模型，对单关节的运动进行了速度、位置双闭环的 控制仿真分析。根据末端期望轨迹对系统三个关节的协调运动进行了仿真分析，以验证 了模型的正确性。 最后利用a u t o d e s ki n v e n t o r2 0 1 0 t 程设计软件，根据确定的机构方案及三维软件建 模流程分别建立零件模型，并装配获得升降机构、云台机构及升降云台系统三维模型。 关键词：伺服升降云台；动力学分析；控制系统；三维建模 车载伺服升降云台系统研究 a b s t r a c t v e h i c l es e r v ol i f t i n gp a n t i l ti sak i n do fs y s t e mw h i c hi sl i f t e dm a s tt y p eo fb e a r i n g p l a t f o r mf i x e di nam o b i l ec a li tc a nh e l pt h ev e h i c l ei m p r o v et h ed i s t a n c eo fp h o t o e l e c t r i c s y s t e ms u c ha sv e h i c l ei n v e s t i g a t i o n ，v i e w sa i ma n df i r ec o n t r o ld u r i n gm o t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h ev e h i c l ec 跹h i di t s e l fb e t t e ra n di m p r o v es u r v i v a b i l i t y t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fs c r v op a n - t i l ta n dv e h i c l e i v o l i f t i n gs y s t e m i s s y s t e m a t i c a l l yo v e r v i e wi nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fv e h i c l es e r v o l i f t i n gp a n t i l ts y s t e m ，l i f t i n gs y s t e mi ss c r e w - n u tm e c h a n i s m t h er o t a t i o na n dp i t c hm o t i o n a r ec o n t r o l l e db yt w om o t o r ss e p a r a t e l y t h ec o n c r e t er e s e a r c hc o n t e n t s 鲢f o l l o w s ： t oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h es t r e n g t ho fs c r e w n u tm e c h a n i s ma c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e ma r ec h e c k e di nt h i sp a p e r a n dt h ek i n e m a t i c sc o n s t r a i n te q u a t i o n s o ft h et h r e ed e g r e e so ff r e e d o ms y s t e ma r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fs e r v ol i f t i n gp a n - t i l ts y s t e m f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fk e yc o m p o n e n t so ft h e s y s t e mi se s t a b l i s h e da n ds t a t i ca n a l y s i si sd o n et oo b t a i nt h es u e s sa n ds t r a i no ft h ep a t s t h e s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ek e yp a r t sa r ec h e c k e d , a n di n c r e a s i n gt h ec o n t a c ta r e aa n d r o u n d e ds t r u c t u r ec a ne l i m i n a t ec o n c e n t r a t i o ns t r e s s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o na r ed e r i v e d , u s i n gt h em o t i o nc o n s t r a i n te q u a t i o n s b a s e do nt h ek i n e m a t i c ss o l u t i o n ，t h ew o r k s p a c e o ft h e r o b o ti sa n a l y z e d d y n a m i cm o d e l so fl i f t i n gs y s t e ma n dp a n - t i l ts y s t e ma r ee s t a b l i s h e d s e p a r a t e l y b a s e do nt h i sm o d e lt h ed r i v i n gt o r q u ei sd e r i v e d , w h i c hp r o v i d e sb a s i sf o rt h e c h o i c eo fm o t o r sa n dc o n t r o l l e r s t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t sd e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，t h eh a r d w a r ec o n t a i nt h eu p p e rp c c o m p u t e ra n dt h el o w e rs e r v oc o n t r o lu n i to fe a c hj o i n t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd c ，t h e c l o s e d l o o pc o n t r o lm o d e l so fl i f t i n g m e c h a n i s ma n dp a n - t i l ta r ee s t a b l i s h e du s i n g s i m m e c h a n i c sa n ds i m u l i n kb l o c k so fm a t l a bs o f tw a r e s i n g l e - j o i n ts p e e da n dp o s i t i o n c o n t r o lo fd u a l - l o o ps i m u l a t i o ni sf i n i s h e d a n dt h ec o o r d i n a t ec o n t r o ls i m u l a t i o no ft h ee n d o ft h er o b o ti sd o n ea c c o r d i n gt ot h ed e s i r e dt r a j e c t o r yt oc h e c kt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l a t l a s t ，u s i n gt h ea u t o d e s ki n v e n t o r2 0 1 0e n g i n e e r i n gs o f tw a r e ，t h em o d e l so fp a r t sa r e e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ea g e n c y p r o g r a ma n dm o d e l i n gp r o g r e s so ft h r e e d i m e n s i o n a ls o f t 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 w a r e t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l so fl i f t i n gm e c h a n i s m ，p a n - t i l ta n dl i f t i n gp a n t i l ts y s t e m 砌ca s s e m b l e db yt h o s e p a r t s k e y w o r d s ：s e r v ol i f t i n gp a n t i l t ；d y n a m i ca n a l y s i s ；c o n t r o ls y s t e m ；t h r e e - - d i m e n s i o n a lm o d e l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定和电动云台两种。 固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机 的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。 电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台 高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。 在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人 员的操纵下跟踪监视对象。 云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能 上下旋转的全方位云台。一般来说，水平旋转角度范围为0 0 - 3 5 0 0 ，垂直旋转角度范围 为9 0 0 。 而随着技术的发展，云台的应用已不仅仅局限于安装在固定场所，诸多自动运动平 台、救援设施、侦查器材及煤炭、石油、化工、纺织、粮食加工等行业的储运等也广泛 采用云台设施进行图像监视。而特种车辆因其功能的拓展需要，安装了监视云台，但是 传统的转动云台已不能满足其应用要求，为了获得更宽阔的监视视野，需要云台具有升 降功制。故这就带来了几方面的挑战： ( 1 ) 从体积方面说：传统云台主要应用于大型场所的安防监控，具有体积大、结 构复杂等特点，多数属于重型云台，且现有的云台升降系统都采用液压驱动方式，液压 源站体积庞大，而特种车辆内部空闲空间较小，无法架设此类大体积装备。 ( 2 ) 从电源方式方面说：一般车载发电设备能够输出5 v 、1 2 v 、2 4 v 直流工作电 压，而多数传统云台采用交流a c l 2 4 v 和a c 2 2 0 v 工作电压，所以需要提供专门的电源 保证云台工作，而升级设备的液压站的功率大，根本不适于安装在小型特种车上。 ( 3 ) 从控制器方面说：传统云台多采用单核或双核的单片机作为控制器m ，数据 交换量和传输速度有限，因而基本上采用恒速运动。速度基本上在水平方向3 0 - 1 0 0 s ， 垂直方向为4 0 s ，当特种车辆运动时进行某目标的跟踪时该速度就影响任务的完成了， 特别是在危险环境下，对云台的快速响应能力和可调速能力要求更高睁切。 综上所述可知，云台研究和设计并非是将传统意义上的云台、摄像装置和升降设施 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三者之间简单的机械联结。需要对整个系统进行严格的研究与设计方能达到预定要求。 1 2 伺服云台国内外研究现状 伺服云台即具有伺服控制特性的电动云台设备，这两年随着监控市场的大规模发 展，其取得了很大的市场化发展，如图1 1 所示，即为市场上较为常见的电动伺服云台。 图1 1 市场上常见的建筑用电动伺服云台 此类云台是较为常见的电动云台，一般安装在建筑物上，对道路交通、厂区安全等 进行监控。而车载升降设施上使用的云台要求体积、质量较小，控制灵活，一般可与移 动机器人的视频捕获用的伺服云台系统通用。 国外对移动机器人所用的小型伺服云台的研究开始于九十年代早期，其起步点比较 高，对云台的调速控制和定位精度要求比较高；同时，由于结构设计软件在国外的率先 使用，研究者可以通过全面的优化设计以及工程仿真来获取满足运动学和动力学特性的 合理结构布局，因而拥有领先优判1 4 1 。 牛津大学( u n i v e r s i t yo fo x f o r d ) 在1 9 9 1 年最早开始研制立体视觉云台，后来研究 组在p a u ls h a r k e y 教授的带领下转到英国雷丁大学( u n i v e r s i t yo fr e a d i n g ) 继续进行相关 研究。早期的y o r i c k 3 z 体视觉云台设计的转速较低，以便于进行可预测的位置控制，后 期设计了较高的加速度来达到对未知突发情况的快速反应。y o r i c k 系列立体云台都采用 了直流伺服电机和谐波齿轮减速箱，因而几乎不用考虑回差对精度的影响。1 9 9 3 年研制 出中型y o r i c k8 1 1 样机，应用于移动机器人导航及同时定位和地图构建( s i m u l t a n e o u s l o c a l i z a t i o na n dm a p p i n g ，简称s l a m ) 。 y o r i c k 系列云台如图1 2 所示，其中图( a ) 为b i g y o r i c k ，图( b ) 为y o r i c k8 1 1 ，图 ( c ) 为y o r i c k5 5 c 。各云台的性能详见表1 1 n ”卅。 2 第1 章绪论 ( a )c o ) 图1 2y o f i c k 系列云台 表1 1y o r i c k 系列云台性能对比 ( c ) y o r i c k11 1 4y o r i c k8 - 1 1y o r i c k5 5 c 类别横向纵向 横摇横向纵向横摇横向纵向横摇 转角范围 o 3 6 03 6 03 6 0- 1 7 8 51 7 7 53 3 52 8 59 02 3 5 最大加速度 。s 2 6 0 0 05 0 0 03 0 0 03 8 0 0 02 5 0 0 02 0 0 0 02 8 7 5 02 8 1 2 51 9 5 0 0 最大转速 4 0 04 0 02 4 05 4 0 4 7 0 4 3 0 5 6 0 6 8 04 2 5 。s 最小转速 0 0 2 70 0 2 70 0 1 40 0 2 7o 0 2 70 0 1 4 4 旧 主体宽度 5 5 0 咖3 3 8 m1 1 0 锄 质量8 5 k g ( 不含摄像机)2 k g ( 含摄像机) 有效载荷 2 5 k g2 5 0 0 9 重复精度 0 0 0 3 1 2 5 0 0 1 0 5 5 。 主动立体视觉系统( a c t i v es t e r e ov i s i o ns y s t e m ) 是德国比勒费尔德大学技术学院 ( b i e l e f e l du n i v e r s i t yf a c u l t yo f t e c h n o l o g y ) 研究开发，用于服务机器人领域的图形视 觉采集系统，其上安装有两个摄像头，以一定的角度安装，以便进行视觉对焦，如图1 3 ( a ) 所示i 删。另一主动立体视觉系统的设计来自日本工业科技局下属电工实验室的 y a s u ok u n i y o s h i 主持下设计完成的，主要用于移动机器人或者机械手上，如图1 3 ( b ) 所示，其具有四个自由度，利用空心杯直流伺服电机作为动力装置，可同时控制两台摄 像机快速、稳定运动，设计结构紧凑。该系统的具体参数如表1 2 所示刚。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 图1 3 主动立体视觉系统 表1 2 日本主动立体视觉系统参数 尺寸规格 长宽高基线长质量 1 6 0 衄2 2 2 m1 8 7 衄 1 8 0 r a m 2 o k g 性能参数 轴范围最大转速最大加速度回程精度 水平转动 2 0 0 。 1 4 0 。s4 0 0 0 。s 2 0 0 0 4 4 。 倾角9 0 。3 5 0 。s1 4 0 0 0 。s 20 0 1 4 5 。 左摄像机转 1 0 0 。 4 0 0 。s1 6 0 0 0 。s 2 0 0 1 2 5 。 右摄像机转 1 0 0 0 4 0 0 。s1 6 0 0 0 。s 2 0 0 1 2 5 。 澳大利亚国立大学( a u s t r a l i a nn a t i o n a lu n i v e r s i t y ) 机器人系统实验室研制的m i v e e y es y s t e m ，是一种双目立体视觉云台c e d a r ( c a b l ed r i v ea c t i v ev i s i o nr o b o t ) 2 1 1如 图1 4 所示，c e d a r 采用了改进的绳传动，重点对双摄像机和云台工作的实时性和交互 性进行了研究，该系统的基本性能参数如表1 3 所示陋硐。 4 第1 章绪论 图1 4c e d a r 主动立体视觉系统 表1 3c e d a r 主动立体视觉系统参数 测试倾摆转动测试水平转动需用倾摆转动需用水平转动 最大速度6 0 0 。s8 0 0 。s6 0 0 。s6 0 0 。s 最大加速度1 8 0 0 0 。s 2 2 0 0 0 0 。s = 1 0 0 0 0 。s 21 0 0 0 0 。s 2 摆动频率 5 t - i z6 h z 5 h z 5 h z 重复精度 o 0 l 。0 0 l 。0 0 l 。0 0 1 。 转角精度 0 o l 。 o 0 1 4 0 o l 。0 0 l 9 最大角度范围 9 0 。9 0 。9 0 。9 0 。 如图1 5 所示为2 0 0 0 年时，w o o ny o n gk i m 设计的基于齿轮传动的两轴转动摄像机云 台系统嘲，能都灵活的带动摄像机绕轴转动。该类云台在基座外加有一透明防护罩，以 保护内部的摄像机光学元件免遭损害。 一飞 图1 5p a n t i l tc a m e r a 系统 而现在常用的车载云台如图1 6 所示，其具有两轴运动自由度，并针对车载震动情况 对转动关节进行了加固设计，以保证摄像机能够在工作中可靠、稳定运行。 5 k ljl 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 车载伺服升降技术 图1 6 车载云台摄像机 相较于伺服云台系统，车载云台伺服升降系统的研究较为少见，其一般升降采用液 删碱冽或气动式升降技术，体积、质量都较为庞大，常见于大型移动通讯、转播车，如 图1 7 所示。 图1 7 常见车载伺服升降系统 而小型的伺服升降云台系统则采用电动的居多，应用于移动机器上。其升降形式也 很丰富，有如图1 8 ( a ) 所示的小范围的螺旋升降，( b ) ( c ) 所示的剪叉升降机构， ( d ) 所示的连杆升降机构。( c ) 所示的剪叉式升降机器人，体积较小，易于操作，体 积仅9 5 英寸长，6 5 英寸宽，伸展时可从4 2 5 英寸变形至7 2 英寸，变形率达1 7 倍，自重5 磅，能够承载1 磅，采用1 2 v 直流供电。 6 第1 章绪论 ( a )( b )( c )( d ) 图1 8 小碰伺服升降系统 小型升降系统亦存在较大的技术局限性，主要为当其处于伸展状态时，最高端具有 较大的不稳定性，即在车辆运行时顶端的摄像云台设备将产生震动，无法稳定可靠的进 行工作。 1 4 车载伺服升降云台研究关键技术 针对车载平台，首先需要考虑车辆在运动中将会产生较大的移动速度及风载荷的影 响嗍。针对该问题首先升降技术具有以下设计难点： ( 1 ) 升降动力的选择。传统升降设备一般采用大功率交流电机，或者液压作为驱 动元件，而当运用到特种车辆上时，并不具备安装液压泵的空间，亦不能够提供大功率 供电，针对该情况只能选用小功率直流电机作为驱动元件，需要针对车载供电情况设计 较为可靠的直流驱动系统。 ( 2 ) 升降方式的选择。由于驱动力较小，故需要设计一省力机构方能将云台摄像 设备可靠的伸至设计高度，较为常见的快速升降机构为剪叉机构，其广泛应用于高空作 业设备上，但是作为车载设备时，其并不具备良好的刚度，即抗震能力较差，故需要设 计能够满足车载需求的升降机构。 在解决升降机构的同时，需要对云台系统进行设计，该云台主要安装于升降机构的 顶端，自身具有两自由度，而针对不同的摄像、检测等设备，其需要提供统一可更换的 快速安装平台，主要难点有： ( 1 ) 驱动机构的设计。由于具有两个自由度，故对其的连接形式有一定的要求， 以满足车载情况时的强震动要求，且得体积、质量小巧，运动灵活。 ( 2 ) 通用转接平台的设计。常用特种伺服云台均是针对某一特定检测设备进行设 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 计的支撑平台，而作为特种侦测设备，其一般种类较多，且经常更换，故有必要设计转 接平台方便更换，需要平台具有一定的快速拆卸特性。 1 5 本文主要完成的工作 本课题研究内容为车载伺服升降云台系统，主要为在可移动车辆上安装可升降桅杆 式承载平台，帮助车辆在运动过程中为提高诸如车载侦察、观瞄和火控等光电系统的作 用距离，同时载车能够更好地隐蔽自己，提高生存能力。本文主要工作如下： ( 1 ) 总体方案设计，根据车载伺服升降云台的设计要求，设计了基于丝杠螺母机 构传动的升降机构及具有回转及俯仰运动的云台。 ( 2 ) 根据升降机构的传动特点，对螺旋传动进行了强度、稳定性等方面的校核。 并对升降云台系统进行了正逆运动学分析，求解了机构的工作空间。 ( 3 ) 静力学及动力学分析。对关键受载部件建立有限元模型并进行静力学分析， 获得各组件的应力及变形状况；分析各部件受载情况及应力、变形结果，验证关键件的 强度、刚度；对应力集中的部位进行分析，通过增大其接触面积及增加圆角结构以降低 局部应力、消除应力集中。建立升降机构及云台机构的动力学方程，根据期望运动轨迹， 求解关节驱动力矩。 ( 4 ) 控制系统的设计及仿真分析。利用m a t l a b 的s i m m e c h a n i c s 和s i m u l i n k 模 块集，建立升降云台伺服控制系统，并进行了单关节控制仿真分析及系统末端轨迹仿真 分析。 ( 5 ) 利用a u t o d e s ki n v e n t o r2 0 1 0 工程设计软件对升降云台进行三维仿真设计。 8 第2 章伺服升降云台总体方案 第2 章伺服升降云台总体方案 2 1 伺服升降云台技术要求 伺服升降云台由升降机构、云台以及相应的机械电气结构如电动机、拉线传感器等 所组成，其中升降部分和云台是整个系统的基础部分。 伺服升降云台要达到的主要技术指标如下： ( 1 ) 两种用途：静态、5 0 公里4 时移动状态下均可使用； ( 2 ) 具有6 6 k m h 的抗风能力； ( 3 ) 传动结构可靠，可耐汽车长期振动和冲击； ( 4 ) 当升降机构升起时最高升至离底面1 5 m 高度，升降机构收起后最低降至离底 面0 6 m 高度； ( 5 ) 垂直升降速度： 0 5 m m i n ，位置误差小于5 m m ： ( 6 ) 在静态下应用天线可升到设计的最高处，移动状态下可考虑半升起状态 ( 1 2 m ) ，降低重心，利于行驶； ( 7 ) 水平旋转无死角，可完成满圆周运动； ( 8 ) 垂直旋转角度：1 8 0 0 ( 0 0 4 9 0 0 ) ； ( 9 ) 水平、垂直旋转速度： 3 6 。s 。 2 2 伺服升降云台结构方案 伺服升降云台由机械结构模块和伺服控制模块构成。机械机构模块包括升降机构、 云台水平回转机构和云台俯仰机构。伺服控制模块包括升降伺服控制模块、云台水平回 转伺服控制模块和云台俯仰伺服控制模块构成。三大模块通过有机结合构成了满足我们 技术指标要求的伺服升降云台系统。设计的总体结构图如图2 1 所示。图中共分为三部 分：底座、升降机构、云台。底座是整个系统的安装平台，底座通过螺栓联接的方式和 各种车辆连接，采用螺栓联接的方式主要是结构简单，便于快速安装、运输以及维修方 便，同时可以降低经济成本。其上面安装升降机构，提供整个云台的升降；升降机构上 端安装有两自由度的云台，其提供所装设备的回转运动和俯仰运动。由于升降机构惯量 比较大，故将其直接安装在底座上，以减少回转运动的惯量，使回转运动驱动电机功率 变小。 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 2 2 1 升降机构 图2 1 伺服升降云台总体方案图 升降机构主要实现整个系统的上下方向的运动，是整个系统的关键部分之一，系统 的技术指标中的传动精度、稳定性、抗风能力等主要取决于此。常见的升降机构方式有 剪叉式升降机构、链条式升降机构、折臂式升降机构、丝杠螺母式升降机构等。由于链 传动式机构运转时不能保持恒定的瞬时传动比，工作时噪音比较大，不宜在载荷变化很 大和急速反向的传动中应用，折臂式机构工作空间较大，稳定性较差等缺点，剪叉机构 虽然是应用比较广泛的大行程的升降机构，其具有结构紧凑、承载量大、噪声小、行程 大、落下后自身高度小等特点，但是剪叉机构大部分采用液压系统为动力源，所以本设 计不选用以上几种方案。丝杆螺母机构是将回转运动转换为直线运动，同时传递运动和 动力。其具有较高的传动精度、传动平稳，具有自锁性能等优点，适合本设计的基本要 求，所以本设计的升降机构选择丝杆螺母传动的形式。 本设计丝杆螺母传动的安装方式：图2 2 底座9 是固定端，三级套筒1 6 固定在其上， 滑块1 8 安装在三级套筒1 6 上，滑轨1 5 安装在二级套筒1 4 上，一级套筒1 3 与二级套 筒也采用滑轨滑块连接，一级套筒1 3 与云台座1 7 通过螺栓安装在一起，云台座1 7 与 一级丝杠4 固结在一起，动力轴1 通过止推轴承1 0 固定在底座9 上，并与直流力矩电 机8 相连接；一级螺母7 通过两个销与二级丝杠5 固结在一起，为消除一级螺母7 与 一级丝杠4 螺纹之间的间隙，螺母采用剖分螺母，螺母与二级丝杠采用大过盈配合安装； 二级螺母6 通过两个销与传动轴3 固结在一起，它们的连接方式与一级螺母7 和二级丝 1 0 第2 章伺服升降云台总体方案 ； 杠5 的方式相同。一级衬套2 和二级衬套1 2 分别固定在一级丝杠4 和二级丝杆5 上， 法兰盘1 1 通过螺栓与二级丝杠安装在一起。 6 比鳓心h z捌趾斟l 陛趔。 厂 ； 錾 。、- - 、瑷：葵 一 i磁 ，一一 r。 。多 ，一一 _ 一一 一 m 萋 爨： ， 匡 一 l - - ，一一 一：饕 余 多 ，j 。一 7 浏 心 甄匡 汹一冀 亡珥口 湖錾冀 + ，最 - 一一一w 、i 荔贰沁霞沥 广1 ， 黝一一、锄；! 勿一堋兹鬯 纵 + 笏过 么荔 甚 、 衫杉么，形? 引。眦“| 邕“越i 4 v 8 1 、动力轴2 、一级衬套3 、传动轴4 、一级丝杆5 、二级丝杆6 、二级螺母 7 、一级螺母8 、电机9 、底座1 0 、止推轴承1 1 、法兰盘1 2 、二级衬套 1 3 、一级套筒1 4 、二级套筒1 5 、滑轨1 6 、三级套筒1 7 、云台座1 8 、滑块 图2 2 原理图 本设计丝杠螺母机构工作原理：上升过程电机8 带动动力轴1 通过传动轴3 使二级 螺母6 实现回转运动，二级螺母6 带动二级丝杠实现直线运动，由于二级丝杠5 与一级 螺母7 固结、一级丝杠4 与一级螺母7 螺旋啮合，所以一级丝杠4 将于二级丝杠5 一起 直线运动，并同时带动与它固定在一起的云台座1 7 和一级套筒1 3 一起沿滑轨方向直线 运动；当一级丝杠4 运动到其上固定的一级衬套2 的圆弧形端面与二级螺母6 的端面相 切时，将停止直线运动，此时动力轴1 、传动轴3 、二级螺母6 、二级丝杠5 和一级螺母 7 将成为一个固结的整体，在电机8 的带动下进行回转运动，带动一级丝杠4 实现直线 运动，同时当一级套筒1 3 完全升起后，由于一级套筒1 3 外壁安装的滑轨末端有挡块将 挡住滑块1 8 ，以此带动二级套筒1 4 沿滑轨1 5 方向实现直线运动，直至升到指定高度。 1 1 蝎 埔 坫 h 埒 圪 n 加 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 下降过程电机带动动力轴反向旋转由于摩擦力的原因一级衬套2 与一级螺母7 先分离， 同时由于重量的原因二级套筒1 4 将先落下，当一级丝杠4 回落到与法兰盘1 1 上的圆弧 面相切时将停止其直线运动，此时二级衬套1 2 将与二级螺母6 分离回落，最后回到初 始位置，完成整个运动过程。本设计选用具有自锁功能的梯形螺纹，云台可以稳定地停 留在任何需要的上下位置上。一级丝杠的最大行程为4 6 0 r n m ，二级丝杠的最大行程为 4 4 0 r a m ，升降机构高度为6 0 0 m m ，全部升起后最大高度为1 5 m ，从而达到设计要求。 2 2 2 云台机构 云台机构实现系统的回转运动和俯仰运动，回转运动的原理，如图2 3 所示，本设 计为满足水平回转没有死角，所以采用竖直固定的电机6 ，经行星轮减速器带动轴线竖 直的齿轮组中的小齿轮4 回转，小齿轮4 和大齿轮2 啮合，大齿轮2 上固定回转台1 ， 实现回转台1 的整周回转：俯仰运动的原理，如图2 4 所示，本设计采用蜗轮蜗杆传动 方式，使其具有自锁功能，以增加运动的稳定性。俯仰运动的范围是与水平面成9 0 0 ， 所以采用电机6 带动蜗杆4 ，蜗杆4 带动蜗轮2 沿水平轴回转，同时蜗轮2 带动蜗轮轴 3 ，蜗轮轴3 与俯仰台5 固定在一起，从而实现俯仰台的俯仰运动。 1 、回转台2 、大齿轮3 、回转台座 4 、小齿轮5 、电机座6 、电机 图2 3 回转台原理图 2 3 升降云台机构的设计计算 1 、支座2 、蜗轮3 、蜗轮轴 4 、蜗杆5 、俯仰座6 、电机 图2 4 俯仰台原理图 2 3 1 升降机构设计计算 丝杠作为传动机构，其主要参数如表2 1 、表2 2 所示，材料为4 5 钢，螺母材料为 1 2 3 4 5 6 第2 章伺服升降云台总体方案 q t t 0 0 2 ，d 表示螺纹大径，d 。表示螺纹小径，d ：表示螺纹中经。 2 1 一级丝杠的主要参数 d ( m i l l )d l ( m m )d 2 ( m m ) 口( o )上( m m ) 3 02 1 3 42 5 6 73 0 。8 2 2 二级丝杠的主要参数 d ( m i l l )d l ( f i l m )d 2 ( m m )口o )工( m m ) 5 0 4 1 3 4 4 5 6 73 0 。 8 螺旋传动按其用途可分为三种类型： ( 1 ) 传力螺旋：它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向力，用以 克服阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一 般为间歇性工作，每次的工作问较短，工作速度也不高通常需要自锁能力。、 ( 2 ) 传导螺旋：它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷，如机床进给机 构的螺旋等传导螺旋常需要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此要求具有较 高的传动精度。 ( 3 ) 调整螺旋：它用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中 的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整阳。 因此，根据丝杠螺母升降机构的工作特点，需对其进行强度、耐磨性等校核。升降 机构采用两级丝杠传动，因此只对直径细且承载大的丝杠进行校核即可。 由文献嗍可知，丝杠螺母机构运动过程中，所受扭矩如下： m 一q t a n + 吼) 年( 2 - 1 ) ， 钆。删觚南 ( 2 - 动 式中，m 为丝杠传递的最大扭矩；q 为轴向载荷；伊为螺旋平均升角；吼为当 量摩擦角；为螺纹对称牙型的牙侧角；，为摩擦系数；d c v 为丝杆的螺纹中径。 由于各级杆件质量以及负载均构成丝杠的轴向载荷，已知负载质量约为3 2 1 4 k g ， 因此： q 一3 2 1 4 x9 8 11 3 1 5 2 9 3 4 ( ( 2 - 3 ) 1 3 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 已知螺距为p 一0 0 0 8 m ，螺旋平均升角9 为： 9 觚去锄( 器- 0 1 0 5 7 ( r a d ) 则当量摩擦角吼为： 吼- 绷蛐南一删柚茜，- o 1 2 ( 2 - 5 ) 因此： m 一- q ，t 柚+ 钆) ，气尹 ( 2 6 ) - 3 1 5 2 9 3 4 x t a n ( o 1 0 5 7 + 0 1 0 3 2 ) x 0 0 2 4 2 0 8 0 2 1 ( n 。m ) 丝杠工作过程中，主要承受转矩及轴向压力作用，同时，在丝杠和螺母的旋合螺纹 间有较大的相对滑动。其主要失效形式为螺纹的磨损。因此，丝杠的基本尺寸( 丝杠直 径与螺纹高度) 通常是根据耐磨性条件确定的。 1 、耐磨性计算： 丝杠上螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状 态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成 过度磨损。因此，耐磨性计算，主要限制螺纹工作面上的压力p ，使其小于材料的许用 压力【p 】。 p 一旦刃d 1 2 h h s 【p 】 ( 2 7 ) 式中，q 为轴向力，d 1 2 为螺纹中径( 单位为m m ) ，h 为螺纹工作高度( 单位为m m ) ， p 为螺距( 单位为m m ) ，日为螺母高度( 单位为m m ) 。 令h - 彬。：，则整理可知，螺纹中径需满足： 叱苫厮 ( 2 - 8 ) 本姗梯形贼材料选用糊舢叱乩8 厮- 0 8 藤| 2 6 2 、丝杠的稳定性校核 丝杠在工作过程中受轴向载荷以及弯矩的作用，可能产生轴向失稳，而发生侧向弯 1 4 第2 苹伺服升降云台总体方粟 曲丧失其稳定性。因此需要对丝杠进行稳定性校核。正常情况下，丝杠承受的轴向力q 必须小于临界载荷风。则丝杠的稳定性条件为： & 一鲁苫墨( 2 - 9 ) 式中，& 为丝杠稳定性的计算安全系数。墨丝杠稳定性安全系数，可取为4 。 而临界载荷常用欧拉公式校核：其中f d _ _ l t 。 瓯一筹 ( 2 - 1 0 ) 式中，e 为螺杆材料的压力弹性模量，( 单位为m p a ) ：，。至! 车为螺杆危险截面惯 6 4 性矩( 单位姗4 ) ；d l 表示螺纹小径；z 为螺杆的长度系数，j 为螺杆的工作长度( 单 位l n l n ) 。 针对本文所选材料及螺纹的主要作用，可知e = 2 0 6 x 1 0 s m p ，一0 7 ，l - 4 7 5 m m ， d i - 2 1 3 4 m m ，因此瓯- 1 8 7 2 1 x 1 0 5n ，s 雎- 5 9 2 s 。，丝杠稳定。 3 、丝杠强度校核。 由于第一级丝杠直径最小，所承受的压力最大，因此需要对其进行轻度校核。根据 第四强度理论获得危险界面的计算应力仃： s 【】 ( 2 1 1 ) 式中，q 表示轴向载荷，m 邮表示丝杠转矩，反表示螺纹小径，p 】表示丝杠材料 的许用应力。已知q 一3 1 5 2 9 3 4 n ，肘叫0 8 0 2 1 n m ，d l - 2 1 3 4 m m ，因此， o r 一1 1 8 6 m p asp 1 ，满足强度要求。 4 螺母螺纹牙弯曲强度校核 螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度都低于螺杆，故只需要校核螺 母螺纹牙的强度。 螺纹牙的危险截面的强度计算： 使用螺纹牙剪应力的公式( 如下) 校核螺纹牙的剪切强度： ，】 f 一考三皇f f 】( 2 1 2 ) ，j、， 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 式中，z 为螺纹牙剪切强度；q 为轴向载荷( 单位为n ) ；d 为螺纹大径( 单位为 r a m ) ；b 为螺纹牙底宽度( 单位为r a m ) ；z 为旋合圈数，其数值为1 0 ；p 】为材料的许 用剪切应力，其数值为3 0 m p a 。 计算得出f 0 1 6 7 6 m p a 妄p 】，剪切强度满足设计要求。 利用螺纹牙危险截面的弯曲应力公式校核螺纹牙的弯曲强度： 吼一墨墨 o d ( 2 - 1 3 ) 式中，o 。为弯曲强度；q 为轴向载荷( 单位为n ) ；z 为弯曲力臂( 单位为m i l l ) ；b 为螺纹牙根部的厚度( 单位为衄) ；d 为螺纹大径；z 为旋合圈数，其数值为1 0 ；【c r b 】 为材料的许用弯曲应力，其数值为4 0 m p a 。 计算得出：a t , - 1 1 9 m p a 引盯】6 ，螺纹牙的弯曲强度远小于其许用弯曲强度，满足 设计要求。 根据校核计算结果可知，丝杠螺母传动机构满足设计要求，可作为升降机构。 2 3 2 升降云台机构运动学分析 升降伺服机构具有三个自由度，分别为一个移动关节和两个转动关节，机构简图如 图2 5 ( a ) 所示，应用d h 法建立机器人的连杆坐标系啪1 如图2 5 ( b ) 所示。 (a)(b) 图2 5 升降云台机构简图 根据表2 3 机构的连杆参数及图2 5 的连杆坐标系，求各连杆间的齐次变换矩阵， 为了简化符号，令c o s c ，s mts 得： 1 6 第2 章伺服升降云台总体方案 表2 3 云台的连杆参数 连杆i 只g i - ta i 1d j 关节变量 1o oo 。o d l d l 2 q ，( 0 ) 9 0 0 d 2 0 吼 3 q ：( 一9 0 。) 0 0 d ， 0 q 2 言z 一 10 01 o 0 o o ? t - t r a n s ( o , o , d 1 ) 一 0q 0 0 y 1d 01 10 01 o o 00 ：t r o t ( z ，q 1 ) t r a n s ( o , o ，d 2 ) r o t ( x , 9 0 ) t ；r r o t ( z ，9 2 ) t r a n s ( 0 ，0 ，d 3 ) 一 00 00 1 d l 0 1 c 吼0 叼l 0 o1 o0 s q ld 2 c q l - c q ld 2 s q l o0 ol c 9 2 - s q 2 0 d 3 叼2 叼2 叼2 0 d 3 s q 2 o0l0 0001 ( 2 i 4 ) ( 2 - 1 5 ) 霹1 6 ) ( 2 1 7 ) 将各个连杆变换矩阵相乘，则得到末端p 点相对于系统参考坐标系 d 一驴) 的变换 矩阵为： 式中： 丁宇矸e 彳z 一 玎x 。c q l 叼2 撑y 。s q l c q 2 ，露z _ s q 2 ： q 一0 ，o y - 0 ，o z c q 2 ； 1 7 咒x0 ， 疗yd y 嘿绣 00 a lp l 4 yp y a tp 01 ( 2 1 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 口i s q l ， 口y - 。q 吼， 口z - 0 ； p l - d 3 c q ：c q l + d 2 c , q l + q ，p y d 3 c 留2 s 留1 + d