自由度云台结构设计.doc

_仿真式多自由度云台结构设计目录摘要.1前言.2第一章绪论.3第二章产品的技术指标和技术参数.4第一节数控云台的技术指标.4第二节可行性论证及技术经济分析.4第三章云台总体方案的设计.5第一节云台设计方案的提出.5第二节云台设计方案的论述.5第四章机械部分的设计.7 第一节步进电机的选用.7第二节减速机构传动系统设计.9第三节轴的设计.14第四节轴承的设计.15第五章总结.18第六章外文翻译.19附录一英文文献翻译19附录二英文文献原文23第七章参考资料.32摘要：本次毕业设计是设计闭路电视监控系统中的前端设备数控云台，此设计根据数控云台的工作环境、机械指标、设计参数和主要技术要求，采用室内智能球型云台。球型外壳能减少灰尘及各种干扰，日常维护方便，可达到隐蔽监视的目的，云台在水平方向可连续350无级变速扫描，并设有设置摄像点的功能。本设计介绍了数控云台的传动原理、结构特点和功能，并对步进电机的特点作了简单的介绍。关键词：闭路电视系统数控云台步进电机ABSTRACT：Thisgraduationprojectistodesignanumericalcontrol(NC)sputnikoftheclosed-circuitvideotapesystem.Theprojectbasedontheworkconditions、themechanicalguideline、thedesignparameterandtheprimarytechnicalacquirements.Theintellectualsphericalsputnikforindoorwasappliedtotheproject.Thesphericalhuskcanreducedustandallkindsofdisturb,itiseasytomaintain,itcanspyinhiddenplace.Inhorizon,itcansuccessivelyscanaroundinsleeplesstiming,andhavethefunctionofPresetPositions.TheprojectintroducedruggingprincipleconstructionfeaturesandthefunctionofNCsputnik.Itsimplyintroducerepeatingmotor.KEYWORDS:Closed-circuitvideotapesystem,Numericalcontrolsputnik,steppingmotor前言随着科学技术的不断发展，人们已经不满足于电话通信，对信息传输的要求，不但要求听到对方的声音，更希望看到对方的形象，而且还要看到对方活动的现场。黑白图像早己不能满足人们的要求，人们希望看到的是对方的彩色图像。监控电视主要是对机要部门、商场、货场、生产等部门的监视、控制和报警。最简单地监控系统是由一架摄像机和一台监视器，中间馈线连接而组成。一般的监控系统都是比较复杂的。它可以完成的功能也是比较多的。目前，图像通信与监控系统已逐渐普及到了文化教育、工农业生产、交通运输管理、医疗卫生、水下作业、铁路现场、公安系统等国民经济的各个部门。由于图像通信与监控系统，具有形象直观安全可靠，效率高等一系列优点，它在我国现代化建设中，特别在通信现代化，管理现代化中无疑将会日益发挥重要作用。第一章绪论云台是承载摄象机进行水平和垂直两个方向转动的装置。云台内装两个电动机。这两个电动机一个负责水平方向的转动，另一个负责垂直方向的转动。水平转动的角度一般350。，垂直转动则有土45。，土35。、土75。等等。水平及垂直转动的角度大小可通过限位开关进行调整。云台的分类大致分为室内用云台及室外用云台。室内用云台承重小，没有防雨装置。室外用云台承重大，有防雨装置。有些高档的室外云台除有防雨装置外，还有防冻加温装置。为适应安装不同的摄象机及防护罩，云台的承重应是不同的。因而应根据选用的摄象机及防护罩的总重量来选用合适承重的云台。室内云台的承重量较小，云台的体积和自重也较小。室外用云台因为肯定要在它的上面安装带有防护罩(往往还是全天候防护罩)的摄象机，所以承重量都较大。它的体积和自重也较大。目前出厂的室内云台承重量大约1.5KG7KG左右。室外用云台承重量大约7KG50KG左右。还有些云台是微型云台，比如与摄象机一起安装在半球型防护罩内或全天候防护罩内的云台。一般的云台均属于有线控制的数控云台。云台的转动是通过在控制室操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的步进电机上，或者通过通信电缆控制远端的解码器，再又解码器经局部多芯电缆将电压加到云台内的电动机上，从而实现云台的旋转。还有的云台内装继电器等控制电路，这样的云台往往有六个控制输入端。一个是电源的公共端，另四个是上、下、左、右端。还有一个则是自动转动端。当电源的一端接在公共端后，电源另一端接在“自动”端后，云台将带动摄象机头按一定的转动速度进行上、下、左、右的自动转动。在电源供电电压方面，目前常见的有交流24V和220v两种。云台的耗电功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，还有直流6V供电的室内用小型云台，可在其内部安装电池，并用红外遥控器进行遥控。目前大多数云台仍采用有线遥控方式。云台的安装位置距控制中心较近，且数量不多时，一般采用从控制台直接输出控制信号进行控制。而当云台的安装位置距离控制中心较远且数量较多时，往往采用总线方式传送编码的控制信号并通过终端解码解出控制信号再去控制云台的转动。第二章产品的技术指标和技术参数第一节数控云台的技术指标云台的设计参数和技术指标：（1）控制轴：两旋转轴，点位控制，水平Z轴，垂直X轴;（2）行程：Z轴，0o350o；X轴，45o45o;（3）速度：Z轴350o/s700o/s,X轴15o/s90o/s（4）供电：AC220V或DC12V（5）负载：3kg（6）脉冲当量：0.5度/脉冲第二节可行性论证及技术经济分析智能高速球云台的优点：（1）普通云台的监视范围有限，在云台的正下方存在死点，而智能高速球云台在水平方向上可以连续360度无级变速扫描，不存在任何死点。（2）普通云台多为匀速云台，只能以10RAD/S左右的固定速度进行扫描，无法应付突发事件的发生。而智能高速球云台可以在0.5度125RAD/S的可变速搜索目标。（3）普通云台过于暴露，往往给被监视者以反感，且使人轻而易举得发现当前摄象机的位置；而智能高速球云台采用的是球型液态金属镀膜单反防护罩，使人根本看不到里面的摄象机，它既隐藏了摄象机，又具有极好的装饰效果，特别适合银行、机场、商店、广场等隐蔽性的监视和跟踪。（4）普通云台通常没有预置摄象点的功能，而智能高速球云台则可以有预置摄象点。综上所述，球型云台比普通云台更有使用价值！第三章云台总体方案的设计第一节云台设计方案的提出初步确定水平轴和垂直轴分别使用反应式步进电机作驱动源，并利用齿轮减速机构，以细分步进电机的步距角。垂直转动轴与齿轮的连接是用一对背靠背的角接触球轴承，水平转动轴是用与支架连滑动轴承接。分别用水平支架和垂直支架支承摄象机。外部采用吊装支承，外型仿效球型云台的设计。第二节云台设计方案的论述步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。其特点是输入一个脉冲就转动一步，即转子转过一个相应的步距角。实际上，驱动步进电机的开关是晶体管，开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到，步进电机是一种把开关激励的变化变换成为梢确的转子位置增量运动的执行机构。与能够实现类似功能的其他部件相比，使用步进电机的控制系统有下面几个明显的优点：(1)通常不需要反馈就能对位置或速度进行控制。(2)位置误差不会积累。(3)与数字设备兼容。步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。反应式步进电动机由于其结构简单和经久耐用，所以是目前应用最普及的一种步进电动机。这种电动机按变磁阻原理工作，于是有的国家又称之为变磁阻步进电动机。其优点是；力矩惯性比高；步进频率高，频率响应快；不通电时转子能自由转动；机械结构简单、寿命长；能双向旋转；有适量阻尼；正常电机无失步区。缺点是：不通电时无定位力矩；每步有振荡和过冲。永磁式步进电动机特点：功耗较小，在断电时仍有定位转矩，但是步距角大，需供给正负脉冲电源，启动和运行频率较低。混合式电机特点：转矩大，步距角小，运行频率高，功耗低及有自锁功能，但需有正负电脉冲供电，结构复杂，价格高。比较以上各种电机，决定选择反应式步进电机作为驱动摄象机的动力源。摄象机的脉冲当量等于步进电动机的步距角除以传动比，为使摄象机达到较小的脉冲当量，利用齿轮减速机构，细分步距角以达到目的，同时降低驱动齿轮的转速，提高转矩。垂直轴上的一对轴承主要用于承受轴向力；水平轴采用滑动轴承，可以减小径向空间尺寸。整个云台采用吊装球型设计，其优点如下：（1）最大限度地减少灰尘和外来的干扰，使云台寿命大大延长，也使系统的可靠性进一步提高。（2）球型防护罩采用内侧单面镀膜工艺，有利于隐蔽监视。（3）防护罩表面进行防静电处理，可以防止灰尘吸附，日常维护简单.（4）防护罩降低了云台的转动噪音。第四章机械部分的设计第一节步进电机的选用步进电机的选用主要考虑三个问题：（1）步距角bq要满足系统脉冲当量的要求；（2）满足最大静转矩的要求；（3）启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相对应的启动矩频特性和工作矩频特性。一、垂直X轴步进电机的选择设计参数和技术要求：行程-45o45o，最大速度90o/s。（1）计算负载转矩M垂直=M惯性+M重力+M摩擦其中：M垂直为垂直方向上的转矩；M惯性为惯性转矩；M重力为重力方向上的转矩；M摩擦为摩擦力产生的转矩步进电机的速度控制，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。步进电机的加减速控制，对于点位控制系统，从起点到终点的运行速度都有一定的要求。对于云台在点位控制过程中，运行速度都需要有一个加速恒速减速-（低恒速）-停止过程并要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。本设计中，近似认为地认为升速规律按直线规律升速（实际上按指数规律升速），设定从静止升到90o/s用0.2s。M惯性=J* e*e角加速度=（w1-w0）/tD=（p/2-0）0.2=7.85rad/s考虑支架等附件的重量，取m=700g,L=110mm,H=80mm摄像机及其框架在垂直转动时的转动惯量为：J=m(L+H)/12=0.7(0.11+0.08)/12=10.79*10-kg.m所以M惯性=J*=10.79*10*7.85=0.0085N.m本设计中，将转动中心定于重心附近，即重心产生的转矩可忽略不计，即M重力0N.mM摩擦难以计算，可将M惯性乘以一个修正系数后，得到M垂直，取修正系数为1.3则M垂直=1.3*M惯性=1.3*0.0085=0.011N.m将负载转矩折算到步进电机的主轴上：M垂直=M垂直/i=0.011/3=0.0037N.m根据ML（0.3-0.5）Mmax其中：ML：折算到电机轴上的力矩；Mmax：最大静转矩即：MmaxML/0.3=0.0037/0.3=0.0123N.m（2）步进电机的最高运行频率取脉冲当量Ld为：Ld=0.5o/脉冲最高运行速度：Nmax=90/s所以Fmax=Nmax/Ld=90/0.5=180Hz因此，从步进电机步距角考虑，在X方向上选用36BF003反应式步进电机二、水平Z轴步进电机的选择设计参数和技术要求：行程：0o-355o；最高速度：2r/s（1）计算负载转矩M水平=M惯性+M摩擦其中：M水平为水平方向上的转矩M惯性为惯性转矩；M摩擦为摩擦力产生的转矩同前述道理，设定摄像机从静止升到最高速用0.2s，M惯性=J*e角加速度e=（W1w-wW0）/tD=（4p-0）/0.2=20prad/s将水平移动部分看成为矩形实体，其中m=2.5kg，L=100mm，H=100mm即水平移动的总体转动惯量为：J=m(L+H)/12=2.5*（0.1+0.1）/12=0.00417kg.m所以M惯性=J*=0.00417*20=0.2617N.mM摩擦难以计算，可将M惯性乘以一个修正系数后，得到M水平，由于采用的是滚动轴承，摩擦系数远小于滑动轴承，所以选修正为1.1M水平=1.1*M惯性=1.1*0.2619=0.288N.m折算到电机轴上M水平=M水平/i=0.288/3.75=0.0768N.mML（0.3-0.5）Mmax所以MmaxML/0.4=0.0768/0.4=0.192N.m（2）步进电机的最高运行频率取脉冲当量Ld为：Ld=0.5o/脉冲最高运行速度：Nmax=720/s所以Fmax=Nmax/Ld=720/0.5=1440Hz综上计算，并考虑步进电机的步距角，选用45BF006反应式步进电机。第二节减速机构传动系统设计一、垂直X轴减速齿轮机构设计初步拟定已知条件：i=3，nmax2=15r/min，m=1mm,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）以下计算过程选自机械设计：选定齿轮类型、精度、材料及齿数1）、按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动2）、考虑该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面，由表10-1选大、小齿轮材料为45号钢，经常化处理，齿面硬度为162-217HBS3）、选取精度等级：选7度等级（GB10095-88）4）选小齿轮齿数z1=18,大齿轮齿数z2=z1i=3*16=54.所以大、小齿轮分度圆直径分别为d1=mz1=18*1=18mm,d2=mz2=54*1=54mm1、按齿根弯曲疲劳强度校核校核公式为：Fs=bmYYKFSaFatsFMPam（FFaYdSaYzKT1221sf）3/1mm计算载荷系数K：K=KAKVKaKb（其中KA为使用系数；KV为动载系数；Ka为齿间载荷分配系数；Kb为齿向载荷分布系数）因为d1=20mm，所以也满足要求因为垂直X轴的运动范围是o45，所以该减速机构中大齿轮定为齿扇结构，角度为120o二、水平Z轴减速齿轮机构设计初步拟定已知条件：i=3.75，nmax2=2r/min，m=1mm,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）1、选定齿轮类型、精度、材料及齿数1）、按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动2）、考虑该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面，由表10-1选大、小齿轮材料为45号钢，经常化处理，齿面硬度为162-217HBS3）、选取精度等级：选7度等级（GB10095-88）4）选小齿轮齿数z1=20,大齿轮齿数z2=z1i=3.7520=75.所以大、小齿轮分度圆直径分别为d1=mz1=201=20mm,d2=mz2=751=75mm2、齿根弯曲疲劳强度校核校核公式为：Fs=bmYYKFSaFatsFMPam（FFaYdSaYzKT1221sf）3/1mm参照垂直X轴的计算方法，得载荷系数K=1.224计算齿形系数YFa及应力校正系数YSa：由表10-5可查的Y1Fa=2.8；Y1Sa=1.55Y2Fa=2.23；Y2Sa=1.775Ft=2T1/d=20.196/20103-=19.6N所以1Fs=bmYYKFSaFat=33101101055.18.26.19224.1-=10.4MPa2Fs=bmYYKFSaFat=331011010775.123.26.19224.1-=9.5MPa同理可得：sF=272.8MPa取Fs中最大值即Fs=10.4MPa很明显Fs=10.4MPasF=272.8MPa故安全m（FFaYdSaYzKT1221sf）3/1（8.27255.18.2205.0196.0224.122）3/1=0.3mm满足要求3、按齿面接触疲劳强度校核Hs=2.5ZEuubdKFt11HsMPad12.32321)(1HEdZuuKTsfmm同上Hs=2.5ZEuubdKFt11=2.5188.975.3175.3102010106.192856.133+-=0.19MPa由上计算得sH=347.7MPa，显然Hs=0.19MPasH=347.7MPad12.32321)(1HEdZuuKTsf2.3232)7.3479.188(75.3175.35.0196.02856.1+1.32mm综上所述，该齿轮机构满足要求三、各齿轮参数1、垂直X轴齿轮参数分度圆直径：d1=mz1=181=18mmd2=mz2=541=54mm齿顶高：h1a=h2a=h*am=11=1mm齿根高：h1f=h2f=(h*a+c*)m=(1+0.25)1=1.25mm齿全高：h1=h2=h1a+h1f=1.25+1=2.25mm齿距：p=mp=pmm齿厚：s=mp/2=0.5pmm齿槽宽：e=mp/2=0.5pmm顶隙：c=c*m=0.251=0.25mm标准中心距：a=m(z1+z2)/2=1(18+54)/2=36mm2、水平Z轴齿轮参数分度圆直径：d3=mz3=201=20mmd4=mz4=751=75mm齿顶高：h3a=h4a=h*am=11=1mm齿根高：h3f=h4f=(h*a+c*)m=(1+0.25)1=1.25mm齿全高：h3=h4=h3a+h3f=1.25+1=2.25mm齿距：p=mp=pmm齿厚：s=mp/2=0.5pmm齿槽宽：e=mp/2=0.5pmm顶隙：c=c*m=0.251=0.25mm标准中心距：a=m(z3+z4)/2=1(20+75)/2=47.5mm（h*2、水平Z轴齿轮参数分度圆直径：d3=mz3=201=20mmd4=mz4=751=75mm齿顶高：h3a=h4a=h*am=11=1mm齿根高：h3f=h4f=(h*a+c*)m=(1+0.25)1=1.25mm齿全高：h3=h4=h3a+h3f=1.25+1=2.25mm齿距：p=mp=pmm齿厚：s=mp/2=0.5pmm齿槽宽：e=mp/2=0.5pmm顶隙：c=c*m=0.251=0.25mm标准中心距：a=m(z3+z4)/2=1(20+75)/2=47.5mm（h*a：齿顶高系数，c*：顶隙系数，其数值分别为：h*a=1，c*=0.25）第三节轴的设计一、垂直X轴的设计因为X方向的轴同时承受转矩和弯曲作用，所以按弯扭组合强度条件进行计算（材料为45号钢，经退火、淬火和回火处理）强度条件为：cas=Mca/W=2275.0TM+/W1-s（其中W为抗弯截面系数，1-s为许用弯曲应力）W=3dp/32=p103109-/32=0.098106-m3所选摄像质量为m=540g，考虑其附加器件的质量，设总量为m总=700g即F=m总g=0.710=7N在B处的弯矩M为：M=FL=70.02=0.14N.m所选电机的转矩T1=0.078N.m，折算到X轴上，T=T1i=0.0783=0.234N.m因此cas=2275.0TM+/W=22234.075.014.0+/0.098106-=2.51MPa查表可得45号钢的弯曲许用应力为1-s=100MPa很明显cas=2.51MPa1-s=100MPa，满足强度要求垂直X轴左右两边各一条，而且作成阶梯轴，均用螺钉和齿扇、摄像机连接在一起，起定位和传递转矩作用。二，水平Z轴的设计由于水平Z轴有上下两根，上轴只承受轴向拉力作用，故只须满足抗拉强度要求，即AN/=sbs（其中s为正应力；N为轴向力；A为轴的横截面积）设上轴承受质量为3kg的器件，即N=mg=310=30N由材料力学P33可查的45号钢的抗弯强度极限为bs=598MPa因此59830/A得有效面积为A30/598=0.25mm2现从总体结构上考虑，上轴轴径最小处为16mm，内开一个f10mm的内孔，用以通视频线、电源线等线路，其有效面积为：S=p（D2-d2）/4=3.14(162-102)/4=122.46mm20.25mm2，显然满足要求对于Z方向下轴，除承受轴向拉伸外，还有承受扭矩作用，应分别进行强度校核。设下轴承受质量为2.5kg的器件，所以N=mg=2.510=25N有效面积A25/598=0.04mm2，从整体结构考虑，下轴轴径最小处为10mm，内留一个f8mm的孔，则有效面积为S=p（D2-d2）/4=3.14（102-82）/4=28.26mm2,满足要求对于扭矩作用，其强度条件为：maxt=maxT/tWt（maxT为轴承受的最大转矩，tW为抗扭截面系数，t为许用剪切应力）因为T电=0.196N.m，所以折算到轴上的扭矩为maxT=T电i=0.1963.75=0.735N.mtW=163Dp（1-4a）=16101093-p1-（108）4=0.12106-m3所以maxt=maxT/tW=0.735/0.12106-=6.15MPa查表可得45号钢的许用剪切应力为t=60MPa，很明显maxtt，满足强度要求第四节轴承的设计一、垂直X轴轴承的选用为使径向尺寸较小和安装方便，选用滑动轴承，轴瓦材料为聚四氟乙烯（PTFE），该材料能抗强酸强碱，具有一定的自润滑性，可以在无润滑条件下工作，在高温条件下具有一定的润滑能力，具有包容异物的能力（嵌入性好），不易擦伤配偶表面，减磨性及耐磨性都比较好。初选轴径为d=10mm，轴瓦宽度B=10mm，摄像机及支架的重量约为0.7kg，即轴承所承受的径向力2F=mg=0.710=7N，即F=3.5N1、验算轴承平均压力pp=F/(dB