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仿真式多自由度云台结构设计【11张图纸】【Word+CAD全套设计】【优秀】

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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：

This graduation project is to design a numerical control (NC) sputnik of the closed-circuit video tape system.The project based on the work condition's、the mechanical guideline、the design parameter and the primary technical acquirements.The intellectual spherical sputnik for indoor was applied to the project.The spherical husk can reduce dust and all kinds of disturb,it is easy to maintain,it can spy in hidden place.In horizon,it can successively scan a round in sleepless timing,and have the function of Preset Positions.The project introduce drugging principle construction features and the function of NC sputnik.It simply introduce repeating motor.


KEYWORDS:

Closed-circuit videotape system,   Numerical control sputnik,   stepping motor


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。



内容简介：
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：This graduation project is to design a numerical control (NC) sputnik of the closed-circuit video tape system.The project based on the work conditions、the mechanical guideline、the design parameter and the primary technical acquirements.The intellectual spherical sputnik for indoor was applied to the project.The spherical husk can reduce dust and all kinds of disturb,it is easy to maintain,it can spy in hidden place.In horizon,it can successively scan a round in sleepless timing,and have the function of Preset Positions.The project introduce drugging principle construction features and the function of NC sputnik.It simply introduce repeating motor.KEYWORDS: Closed-circuit videotape system, Numerical control sputnik, stepping motor 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，0350；X轴，45 45;（3） 速度：Z轴350/s700/s,X轴15/s90/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-4545，最大速度90/s。（1）计算负载转矩 M=M+M+M 其中：M为垂直方向上的转矩； M为惯性转矩； M为重力方向上的转矩 ；M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90/s用0.2s。M=J角加速度=（-）/=（/2-0）0.2=7.85 rad/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=10.7910kg.m所以 M=J=10.79107.85=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M0 N.mM难以计算，可将M乘以一个修正系数后，得到M，取修正系数为1.3 则 M=1.3 M=1.30.0085=0.011N.m将负载转矩折算到步进电机的主轴上：M= M/i=0.011/3=0.0037 N.m根据M（0.3-0.5）M 其中： M：折算到电机轴上的力矩；M：最大静转矩 即： MM/0.3=0.0037/0.3=0.0123 N.m（2）步进电机的最高运行频率 取脉冲当量为： =0.5 /脉冲 最高运行速度： n=90 /s 所以 f= n/=90/0.5=180 Hz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： 0-355； 最高速度： 2 r/s（1） 、计算负载转矩M=M+M其中： M为水平方向上的转矩M为惯性转矩；M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=J角加速度=（-）/=（4-0）/0.2=20 rad/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=J=0.0041720=0.2617 N .mM难以计算，可将M乘以一个修正系数后，得到M，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=1.1 M=1.10.2619=0.288 N .m折算到电机轴上 M= M/ i =0.288/3.75=0.0768 N .m M（0.3-0.5）M 所以 MM/ 0.4 = 0.0768 / 0.4 = 0.192 N .m（2）步进电机的最高运行频率 取脉冲当量为： =0.5 /脉冲 最高运行速度： n=720 /s 所以 f= n/=720 / 0.5=1440 Hz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， n=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z=18 ,大齿轮齿数z= zi=316=54.所以大、小齿轮分度圆直径分别为d=m z=181=18mm, d=m z=541=54mm1、 按齿根弯曲疲劳强度校核 校核公式为： = M Pa m（） mm计算载荷系数K ： K = KKKK （其中K为使用系数；K为动载系数；K为齿间载荷分配系数；K为齿向载荷分布系数） 由表10-2查得K=1.00； 因为n=0.25 r/s， 所以v=2nd/2=20.2518/2=14.13mm/s 而且属于7级精度，由图10-8查的K=1.02； 因为 F= 2T/d= 20.078/1810=8.7N，所以KF/b = 1.008.7/0.518=0.97 N/mm ( 齿宽系数 =0.5 )由表10-3可查的K= K=1.0由表10-4可查的K=1.26, 由图10-13可查的K=1.2所以 K = KKKK=1.001.021.01.2 = 1.224计算齿形系数Y及应力校正系数Y：由表10-5可查的Y=2.91 ； Y=1.53Y=2.32+（54-50）=2.344Y=1.70+（54-50）=1.712 所以 =4.25MPa =3.83MPa而 =M Pa计算应力系数 N=60nAL=601531(2436020)=0.4710 N= N/3=0.4710/3=0.1610由图10-18可查的弯曲疲劳寿命系数K为： K=0.88； K= 0.89按硬度中间值189.5HBS，由图10-20b可查的=310MPa 取安全系数S=1，所以 =272.8 M Pa =275.9 M Pa取中最大值，即=4.25 M Pa； 取中最小值，即=272.8 M Pa很明显 ，满足要求m（）=0.29 mm，满足要求2、 按齿面接触疲劳强度校核 =2.5Z M Pa d2.32 mm 大、小齿轮都是锻钢，由表10-6可查的材料的弹性影响系数为Z=188.9载荷系数 K = KKKK=1.001.021.01.26=1.2852所以 =2.5188.9=0.12 M Pa计算接触疲劳许用应力： =由于工作应力循环次数 N=0.4710，N=0.1610所以由图10-19，可得K=0.915； K=0.92 （不允许出现点蚀）由硬度中间值189.5HBS，图10-21c可得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为=380 M Pa取安全系数S=1，则=347.7 M Pa =349.6 M Pa取最小值即 =347.7 M Pa，很明显=0.12 M Pa=347.7 M Pa，安全d2.322.32=4.62mm因为d=20mm，所以也满足要求因为垂直X轴的运动范围是，所以该减速机构中大齿轮定为齿扇结构，角度为120二、 水平Z轴减速齿轮机构设计 初步拟定已知条件： i= 3.75， n=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z=20 ,大齿轮齿数z= zi=3.7520=75.所以大、小齿轮分度圆直径分别为d=m z=201=20mm, d=m z=751=75mm2、 齿根弯曲疲劳强度校核 校核公式为： = M Pa m（） mm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Y及应力校正系数Y：由表10-5可查的Y=2.8 ； Y=1.55 Y=2.23 ； Y=1.775 F=2T/d=20.196/2010=19.6N所以 =10.4MPa =9.5 M Pa同理可得： =272.8 M Pa 取中最大值即=10.4MPa很明显 =10.4MPa=272.8 M Pa 故安全m（）（）=0.3 mm 满足要求3、 按齿面接触疲劳强度校核 =2.5Z M Pa d2.32 mm同上 =2.5Z=2.5188.9 =0.19 M Pa 由上计算得 =347.7 M Pa， 显然=0.19 M Pa=347.7 M Pad2.322.32 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： d=m z=181=18mm d=m z=541=54mm齿顶高： h= h= hm=11=1mm齿根高： h= h=( h+ c)m=(1+0.25) 1=1.25mm齿全高： h= h= h+ h=1.25+1=2.25mm齿距： p=mm齿厚： s=/2=0. 5mm齿槽宽： e=/2=0. 5mm顶隙： c= cm=0.251=0. 25mm标准中心距： a=m(z+ z)/2=1(18+54)/2=36mm2、 水平Z轴齿轮参数 分度圆直径： d=m z=201=20mm d=m z=751=75mm 齿顶高： h= h= hm=11=1mm齿根高： h= h=( h+ c)m=(1+0.25) 1=1. 25mm齿全高： h= h= h+ h=1.25+1=2. 25mm齿距： p=mm齿厚： s=/2=0. 5mm齿槽宽： e=/2=0. 5mm 顶隙： c= cm=0.251=0. 25mm标准中心距： a=m(z+ z)/2=1(20+75)/2=47.5mm（h：齿顶高系数，c：顶隙系数，其数值分别为：h=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：=M/W=/W （其中W为抗弯截面系数，为许用弯曲应力） W =/32=1010/32=0.09810 m所选摄像质量为m=540g，考虑其附加器件的质量，设总量为m=700g即F= mg=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T=0.078 N.m，折算到X轴上，T= T i =0.0783=0.234 N.m因此=/W=/0.09810=2.51MPa查表可得45号钢的弯曲许用应力为=100 M Pa很明显=2.51MPa=100 M Pa，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 （其中为正应力；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=598 M Pa因此 59830/A 得有效面积为A30/598=0.25mm现从总体结构上考虑，上轴轴径最小处为16mm，内开一个10mm的内孔，用以通视频线、电源线等线路，其有效面积为： S=（D-d）/4=3.14(16-10)/4=122.46mm0.25mm， 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=0.04 mm，从整体结构考虑，下轴轴径最小处为10mm，内留一个8mm的孔，则有效面积为S=（D-d）/4=3.14（10-8）/4=28.26mm,满足要求 对于扭矩作用，其强度条件为：=/ （为轴承受的最大转矩，为抗扭截面系数，为许用剪切应力）因为T=0.196N.m，所以折算到轴上的扭矩为= Ti=0.1963.75=0.735 N.m=（1-）=1-（）=0.1210m 所以 =/=0.735/0.1210=6.15 M Pa查表可得45号钢的许用剪切应力为=60 M Pa ， 很明显，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p p=F/(dB) p M Pa （p为轴瓦材料的许用应力）查表12-3，可得p=3 M Pa 则 p=F/(dB)=3.5/（10101010）=0.035 M Pap =3 M Pa2、 验算轴承的av值轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fp成正比（f是摩擦系数），限制av值就是限制轴承的温升 av=En/(19100B) av M Pam/s 其中：v为轴颈的圆周速度，即滑动速度（m/s） av为轴瓦材料的av许用值（M Pam/s）因为n=15r/min，查表12-3可得，av=0.04 M Pam/s av=En/(19100B)=3.515/1910010=0.00027 M Pam/sav=0.04 M Pam/s3、验算轴承的滑动速度VV=V m/s （V为许用滑动速度）查表12-3，可得V=1.3m/s V=3.141015/601000=0.00785m/sV=1.3m/s 综上计算所得，可知该滑动轴承满足要求二、水平Z轴轴承的选用根据水平Z轴下轴的轴径和工作要求，选用一对型号为36203的角接触球轴承（背靠背放置）。轴承与轴承套、轴都采用间隙配合，轴承内圈用轴肩定位，上加垫圈和螺母夹紧。已知条件：轴承轴向载荷A=25N，径向载荷R=1N，轴承转速n=120r/min，运转时无冲击，设计寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）1、 求比值A/R=25/1=25根据表13-5，角接触球轴承的最大e值为1.14，即A/Re2、 初步计算当量动载荷P P=f(XR+YA)按照表13-6，f=1.01.2，取f=1.2按照表13-5，X=0.44查表可知该轴承的额定静载荷C=5.38KN，所以A/ C=25/5380=0.0046由表10-5可得Y=1.90则P=1.2（0.441+1.925）=57.53N则所需的基本额定动载荷C为 C=P（）=57.53=618.76N （取） 查表得该轴承的额定动载荷为C=8.38KN很明显 C=618.76NC=8.38KN，满足要求使用寿命：L=10（C/P）/（60n）=10（8380/57.53）/60120=4.2910h设计使用寿命：L=2436020=1.29610h 满足要求 第五章 总结岁月匆匆，很快大学四年时光就快过去了！这次毕业设计是大学四年最大、最正规的一个设计，也是大学四年最后一个设计！多少有点标志性意义，很高兴自己能全力去做完这个设计。这次设计的题目是多自由度云台结构设计，云台是一个比较现代化和电子化的东西，以前都没有接触过，刚开始的几个星期虽然一直在拼命查找相关的资料，看了很多相关的书，但都摸不着头绪，幸亏李明富老师的悉心指导，我的设计才得以进行下去。由于这是最后一次设计了，是对我们大学四年的学习的总结，所以我在设计中充分考虑了各方面的因素，我觉得这对我来说是最重要的，以前在做毕业设计的时候，都是只会画图，其余的加工、装配等问题就没有去考虑，现在就不同了，每做一步我都尽量考虑各个步骤。该设备主要是对机要部门、商场、货场、生产等部门的监控，所以对其在实际情况中的应用性有很大要求，在设计当中，我通过上网或者去图书馆等方式查阅了当前社会实际中运用的各种云台的外型、参数、结构等，结合自己设计中的参数和要求设计出了自己的设计作品，而且在球罩的内部涂了一层特殊的材料，使外界看不到云台内部的运作情况，而摄像机却能正常的进行监控，使该设备具有一定的隐蔽性。所以，从这方面来说，该设备已经基本达到了满足社会需求的要求！控制方面对于我来说是最难的，因为对于通信和程序方面，我比较弱，为了完善自己的设计，我努力去看相关的书籍，把设计的内容都补了回来，使我们对这方面的课外内容多少了解了一点。但是最后也没能设计出控制程序，这是比较遗憾的事情。在设计过程中，虽然其结构不是很大，但是设计内容相对来说比较多，经过一段长时间的工作，最后还是把毕业设计完成了。通过这次毕业设计，让我对自己的所学有了更深刻的理解和认识。 随着最后一项任务的完成，我的毕业设计也完成了，也就意味着我们校园生活最后一次作业也完成了，很感谢培养我们的老师们，没有老师们的辛勤栽培，就不会有我们的今天！感谢所有老师，我们一定不辜负老师们的辛勤汗水，到工作岗位上努力工作，为我们的国家贡献自己的力量！祝老师们一生平安！ 第六章 翻译附录一：英文文献翻译非圆齿轮与机械压力机运动学优化 1997年1月8日研制摘要：使用金属成形方法来加工生产零件的质量很大取决于压力杆。在机械压力传动时，有一种依赖于驱动旋转角度速度比的非圆齿轮，提供了一种获得这么动作时间的新途径，我们致力于为不同的优化金属成型运作的制造。本文阐述了由汉诺威的大学研究所建成的金属成形和金属成形加工机床的使用原型原则，它就是目前运动学以及在原型产生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和锻造的一个例子，几乎所有的金属成形操作可有利用于机械传动机构的非圆齿轮。关键词：压力，齿轮，运动学。1. 简介 提高质量的要求在生产工程制造，所有的金属成形以及在锻造，有必要去携手制定生产经济。日益增长的市场定位要求技术和经济条件都得到满足。提高质量、生产力、生产手段的创新解决方案,是一种用来维持和扩大的市场地位的关键所在。所生产的金属部件,我们需要分清期间所需的形成过程和处理零件所需的时间。随着我们必须添加一些必要的额外工作，例如冷却或润滑的模具一次成型过程。根据质量和产量两个方面，产生了两个最优化方法。为了满足这两个方面，我们的任务是设计运动学形成过程中考虑到该进程的要求，也考虑到的是改变部分以及与一个优先线辅助运作所需的时间短周期的时间。2. 压力机的要求 一个生产周期,这相当于一个冲程来回压的过程,大致经历了三个阶段:加载、成型和移除零件。相反,在加载和移除零件阶段，我们经常发现送料的薄板,尤其是在纯粹的切割时候。为此，压力泵必须要一个确定时间的最小高度。成型周期中杆应该有一个特别速度曲线,它将会降到最低。这个转变期之间应尽快来确保短周期时间。短周期的要求是事件的原因,以确保通过高产量低成本的部分。基于这个原因，关于对大型汽车车身冲压片机和自动1200/min、拉深24/min的冲程数是标准的做法。增加冲程数是为了减少设计的周期变化导致增加的压实机械应变率, 然而，这对成形过程有很明显影响,使它必须考虑参数确定过程和被它所影响。在拉深成形过程中,当敲打板块时的撞击速度应尽量避免产生了深远影响。一方面,速度成形时必须充分润滑。另一方面,我们必须要考虑提高产量的相应的压力来增加造成更大的应变速率力,这可能导致冲床半径一侧的一部分过渡疲劳而导致断裂。在锻造时，停留时间短的压力是可取的。随着停留时间的压力下降了模具的表面温度将降低，其结果是热磨损。这是提高抵消了由于机械磨损形成更大的力量，但由于增加的应变率是较低的，因为较低的部分冷却屈服应力补偿。目前，最佳短住压力可以用有限元分析法莱分析。此外,避免由于成本降低磨损、短压住时间也是一个重要的技术要求的精密锻造，近净形部分有一个光明的未来。 高质量的要求和高产量将只能通过一个机技术,考虑到金属成形过程的考察要求等同于减少工作的目标成本。以前按设计已经不能同时满足这些技术要求和经济的充分程度，或他们是非常昂贵的设计和制造，例如链接驱动压力机。这就需要寻找对泵创新设计的解决方案，它的设计应主要标准化，模块化，以降低成本。3非圆齿轮的压力传动3.1 原则 使用非圆齿轮传动机械曲柄压力机，它提供了一种新方式的技术和经济需求的压力杆运动。一对非圆齿轮有不变的中心距, 因此采用了电动马达，或由飞轮、曲柄和驱动机制本身。制服驱动器的速度传送是通过一对非圆齿轮传递给非均匀的偏心轴。如果非圆齿轮的适当设计，从动齿轮的非均匀驱动器会导致泵所需的行程时间行为。调查中心的金属成形和金属成型机床(IFUM)汉诺威的大学已经表明,在这个简单的方式所有相关的压力杆的连续运动，可以达到各种成形过程。此外从运动学和缩短生产周期，驱动概念导致新的驱动器的优点被以下的良好性能所区分。因为它是一个机械压力机，它具有高可靠性、低维护性和可预期性。对连杆压力机的数量和轴承零件显然是减少。首先，一个基本泵类型可以通过安装不同的齿轮而进一步改变设计，它根据客户的要求而设计。不同环节的驱动器，轴承的安装位置不会随着单一载荷方向的不同运动而改变。因此，上述要求的模块化和标准化是考虑到时间和成本，它降低了设计和冲压生产成本。3.2 原型在金属成型和金属成型工具机（IFUM）1架的c型泵，它已经进行了修整和安装了非圆齿轮副。为达到这种目的，先前的背轮背一个行星齿轮组做取代。这项工作表明了存在的新型传动印刷机是可能的，在最后对标准压力泵的改造在Fig. 1中进行说明。图表1 压力机设计是为了所受1000KN的柱塞力和200KN的冲压模具缓冲力。 这一对非圆齿轮传动比平均为1，每个齿轮轮齿有59，直齿，模数10mm（图2）齿面宽是150mm，这些齿轮有渐开线轮齿。我假设了非圆曲线设计是以侧面几何设计为基础。因此，一个非圆齿轮的齿形沿齿轮圆周而改变。尽管如此,它可以来自知名的梯形齿条. 然而4.5,提出了一种计算方法，它精确地把齿顶高和齿根高考虑在内，进行相应的调整。压力机是为了在单一冲程模式下对零件进行深拉而设计的。最高滑块行程为180mm，行程数32/min。在140毫米的冲压速度几乎保持71mm/s不变，它是静点中心线到静点中心线之前的速度。见图3。这种速度就相当于液压机工作的速度。这个速度影响到曲柄机构，使其与击打具有相同的数目相比较，速度都是220m/。为了跟一个曲柄压力机具有相同的平均速度击打的数目不得不将减少一半。短周期内的机械改造将导致最后的向上运动。由于压力机是运行在单一的操作模式,在设计时对其做相关的处理没有提出特别的要求。驱动机制的原型与非圆齿轮有另外一个有利的影响及其驱动力矩（图4）。对于一个曲柄压力机的公称力通常可以降低静点之前把曲柄轴按正常方式旋转。这对应于公称力作用下相对于击打力的75%。若要达到1000kN标准力，该驱动器已提供45 kam 的曲柄轴扭矩。该原型只要求对非圆齿轮传动增加额外的30kNm力矩。他们被传送一个循环，非均匀的曲柄转矩，将导致一个标准力在静点范围内变化。这相当于27.5%的行程。如果非圆齿轮副是在压力机的工作范围，我们总能找到类似的条件。这几乎总是与板料成形及冲压件有关。这样可以设计一些较弱的机器零件，而且节约成本。4. 进一步的设计实例利用二冲程时间行为的设计实例说明了以下几点。假设一系列的零件时通过压力机来加工的。为了达到这一目的，压力杆所需的速度和击打成形速度要求假设成立必须量化。再者，处理零件所需的时间必须确定，而且必须假设在处理时压力杆的最小高度。由此，我们设计动作的顺序，我们用数学含义来描述它。在IFUM中，由该研究所开发使用软件程序。从这个数学描述的冲程运动,我们可以计算出所需要的非圆齿轮速度比，从这我们可以得到齿轮的圆周曲线1.2.7。在第一个例子，在深拉伸冲压速度应该是在静止点前，金属板材成形保持在至少超过100mm，它的速度应该是约400m/s。让行程数定为30/min。第450mm以上击打的地方，让处理零件时间和曲柄压力机在25min/n的击打时间相同。图5表明了冲程运动情况，这是由一对齿轮的描绘所获得。该齿轮是通过他们的圆周率所描绘。在25/min传统的余弦曲线作为比较。除了生产周期时间减少了20，应把杆速度的影响也大大减少。下静点前110mm，当使用曲柄机构时，冲击速度为700mm/s，而当使用非圆齿轮时仅仅只有410mm/s。第二个例子显示了驱动装置是用于锻造。在图6中，常规锻造曲轴的行程时间是相对于在图片中说明非圆齿轮压力运动学。曲柄压力机的周期时间是0.7s、行程数是85/min和标准力是20mn。它的保压时间为86ms与50mm的成形部份时间。非圆齿轮压力机描绘的保压描绘时间67%减少至28ms。因此，它达到了和锤子一样的幅度。通过增加1.5倍的冲程数，周期时间缩短至46mm。尽管如此,处理时间依旧与常规非圆齿轮曲柄压力机的运动学相同。在这种情况下为了实现这些运动,传统的圆弧齿轮可以作为驱动装置，安排偏心。这为齿轮制造降低了成本。这些例子表明，不同的运动可以通过使用非圆齿轮驱动装置实现。在同一时间内，这个驱动器的实用潜力用实现理想的运动学变得清晰，而且生产周期时间减少。例如，通过不同的例子，如果运动的顺序对一系列压力机生产零件有利，可能增加拉深成形后的速度。5总结高生产率，降低成本和保证产品质量的高要求，这时所有制造公司所期望的，特别适用于公司的金属加工领域。这种情况导致我们重新考虑压力传动机的使用。对曲柄与非圆齿轮传动压力机的描述，使我们能够优化简单的机械压力机运动学。这意味着周期时间缩短,以达到高生产率和运动学的成形工艺的要求。这个设计工作需要很低。相对于多连杆压力机驱动器，可以实现其他运动学在其他齿轮轴承位置不改变时的压力机构建使用。这使压力机模块化和标准化。6致谢作者想表达他们的谢意，感谢德国机床制造商协会(VDW),位于德国法兰克福，其经济援助以及一些成员，感谢他们的支持。7. 参考文献附录二:英文文献原文Optimized Kinematics of Mechanical Presses with Noncircular GearsE. Dodge ( l ) , M. HinderanceReceived on January 8, 1997Abstract：The quality of parts manufactured using metal forming operations depends to a large degree on the kinematics of the press ram. Non-circular Geary to obtain those stroke-time behaviorisms we aim at as an optimum for the various metal forming ope with a rotational-angle-dependent speed ratio in the press drive mechanism offer a new WA rations in terms of manufacturing. The paper explains the principle using a prototype press which was built by the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools at Hanover University. It will present the kinematics as well as the forces and torques that occur in the prototype. Furthermore, the paper demonstrates using one example of deep drawing and one of forging that the press drive mechanism with non-circular gears may be used advantageously for virtually all metal forming operations.Keywords: Press, Gear, Kinematics1 introductiveIncreasing demands on quality in all areas of manufacturing engineering, in sheet metal forming as well as in forging, go hand in hand with the necessity to make production economical. Increasing market orientation requires that both technological and economic requirements be met. The improvement of quality, productivity and output by means of innovative solutions is one of the keys to maintaining and extending ones market position.In the production of parts by metal forming, we need to distinguish between the period required for the actual forming process and the times needed to handle the part.With some forming processes we have to add time for necessary additional work such as cooling or lubrication of the dies. This yields two methods of optimization, according to the two aspects of quality and output. In order to satisfy both aspects, the task is to design the kinematics taking into account the requirements of the process during forming; also to be considered is the time required for changing the part as well as for auxiliary operations in line with the priority of a short cycle time.2 Pressing Machine RequirementsOne manufacturing cycle, which corresponds to one stroke of the press goes through three stages: loading,forming and removing the part. Instead of the loading and removal stages we often find feeding the sheet, especially in sheer cutting. For this, the press ram must have a minimum height for a certain time. During the forming period the ram should have a particular velocity curve,which will be gone into below. The transitions between the periods should take place as quickly as possible to ensure short cycle time. The requirement of a short cycle time is for business reasons, to ensure low parts costs via high output. For this reason stroke numbers of about 24/min for the deep drawing of large automotive body sheets and 1200/min for automatic punching machines are standard practice.Increasing the number of strokes in order to reduce cycle times without design changes to the pressing machine results in increasing strain rates, however. This has a clear effect on the forming process, which makes it necessary to consider the parameters which determine the process and are effected by it.In deep drawing operations, the velocity of impact when striking the sheet should be as low as possible to avoid the impact. On the one hand, velocity during forming must be sufficient for lubrication. On the other hand, we have to consider the rise in the yield stress corresponding to an increase in the strain rate which creates greater forces and which may cause fractures at the transition from the punch radius to the side wall of the part.In forging, short pressure dwell time is desirable. As the pressure dwell time drops the die surface temperature goes down and as a result the thermal wear This is counteracted by the enhanced mechanical wear due to the greater forming force, but the increase due to the strain rate is compensated by lower yield stress because of the lower cooling of the part. The optimal short pressure dwell can nowadays be determined quantitatively using the finite element method 3. In addition to cost avoidance due to reduction in wear, short pressure dwell time is also an important technological requirement for the precision forging of near net shape parts, which has a promising future.The requirements of high part quality and high output will only be met by a machine technology which takes into account the demands of the metal forming process in equal measure to the goal of decreasing work production costs. Previous press designs have not simultaneously met these technological and economical requirements to a sufficient extent, or they are very costly to design andmanufacture, such as presses with link drives 6. This makes it necessary to look for innovative solutions for the design of the press. Its design should be largely standardized and modularized in order to reduce costs 6.Fig 1. Prototype press3 Press Drive with Noncircular Gears3.1 PrincipleThe use of non-circular gears in the drive of mechanical crank presses offers a new way of meeting the technological and economic demands on the kinematics of the press ram. A pair of non-circular gears with a constant center distance is thus powered by the electric motor, or by the fly wheel, and drives the crank mechanism itself.The uniform drive speed is transmitted cyclically andnon-uniformly to the eccentric shaft by the pair of noncircular gears. If the non-circular gear wheels are suitably designed, the non-uniform drive of the driven gear leads to the desired stroke-time behaviour of the ram. Investigations at the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools (IFUM) of Hanover University have shown that in this simple manner all the relevant uninterrupted motions of the ram can be achieved for various forming processes 2. Apart from, the advantages of the new drive, which result from the kinematics and the shortened cycle time, the drive concept is distinguished by the following favorable Propertius. Because it is a mechanical press, high reliability and low maintenance may be expected. In companion to linkage presses the number of parts and bearings is clearly reduced. Above all, a basic press type can be varied without further design changes by installing different pairs of gears, designed according to the demandsof the customer. Unlike link drives, bearing locations and installations do not change within one loadclass as a result of different kinematics. Thus the above mentioned requirement of popularization and standardization is taken into account Reductions in time and costs are possible for the design and press manufacture.3.2 PrototypeAt the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools (IFUM) a C-frame press has been remodeled and a pair of non-circular gears was installed. The previous back gears were replaced by a planetary gear set for this purpose. The work carried out shows that remodeling of existing presses for the new drive is possible. The state of the press at the end of the modelli is shown in figure 1. The press is designed for a nominal ram force of 1,000 N and 200 N of the die cushion. The center distance of the non-circular gears is 600 mm. The pair of non-circular gears has an average transmission ratio of 1.Each gear wheel has 59 gear teeth, straight-toothed,module 10 mm (fiacre 2). The face width is 150 mm. The gears have involute gear teeth. We assume a non-circular base curve for the design of the flank geometry. As a result the tooth geometry of a non-circular gear varies along the circumference. In spite of this, it can be derived from the well-known trapezium rack, however 4, 51. An algorithm for the computation, which takes the addendum and addendum into account exactly, has been developed.Fig. 2 View of the gears from the rearThe press is designed for deep drawing of flat parts in single stroke operation mode. The maximum ram stroke is 180 mm, the number of strokes 32/min. At a stroke of 140 mm the ram velocity almost remains constant 71 mammals from 60 mm before lower dead center until lower dead center, see figure 3. Thus the velocity corresponds to the working velocity of hydraulic presses. The velocity of incidence of a crank mechanism with the same number of strokes would be 220 mammals, in comparison. In order to keep the same average velocity with a crank press, the number of strokes would have to be halved. The shortcycle time of the jodelled machine results from the fast upward motion. Because the press is run in single stroke operation mode, no particular requirements were made concerning handling time during design.The drive mechanism of the prototype with non-circular gears has in addition a favorable effect on the ram forces and the driving torques (failure 4). For a crank press the nominal force is normally available at 30 rotation of the crank shaft before the lower dead center. This corresponds to a section under nominal force of only 7 5% relative to the stroke. To reach the nominal force of 1,000 N, the drive has to supply a torque of 45 kam at the crank shaft. The prototype only requires 30 kam on account of the additional transmission of the non-circular gears. They are transmitted to a cyclic. non-uniform crank shaft torque, resulting in a nominal force range from 60 to the lower dead center. This corresponds to 27.5% of the stroke. We always find similar conditions if the pair of non-circular gears is stepped down in the operating range of the press. This will almost always be the case with sheet metal forming and stamping. It is thus possible to design some machine parts in a weaker form and to save costs this way.4 Further Design ExamplesUsing the examples of two stroke-time behaviorisms the design is illustrated in the following. A range of parts is assumed which are to be manufactured by the press. For this purpose the ram velocity requirements and the forming section of the assumed stroke need to be quantified.Furthermore, the time needed for the handling of the part needs to be determined, and also the minimum height which the ram has to assume during the handling. From this, we design the sequence of movements, and we describeit mathematically. At the IFUM, a software program developed by the institute is used. From this mathematical description of the stroke-time behaviour we can calculate the speed ratio of the non-circular gears needed.From this we obtain the outcurves of the gears l, 2, 7.In a first example the ram velocity in deep drawing is supposed to be constant during the sheet metal forming at least over 100 mm before the lower dead center and it is supposed to be about 400mm/s. Let the number of strokes be fixed at 30/min. Above 450mm section of stroke, let the time for the handling of the part be the same as for a comparable crank press with 25 strokes per minute. Figure 5 shows the stroke-time behaviour , which is attained by the sketched pair of gears. The gear wheels are represented by their outcurves. The conventional cosine curve at 25/min is given for comparison. In addition to the reduction of cycle time by 20%, the ram velocity of impact onto the sheet is also considerably reduced.110 mm before the lower dead center, the velocity of impact is 700 mammals when using the crank mechanism and only 410 mm/s when operated with non-circular gears. A second example shows a drive mechanism as is used for forging. In figure 6, stroke-time behaviour of a conventional forging crank press is compared with the kinematics of the press with non-circular gears illustrated in the picture.The cycle time of the crank press is 0.7 s, the number of strokes is 85/min and the nominal force is 20 MN.Its pressure dwell time is 86 ms with a forming section of 50 mm. The pressure dwell of the press depicted with non-circular gears decreases by 67% to 28 ms. It thus reaches the magnitude familiar from hammers. By increasing the number of strokes by a factor of 1.5, the cycle time decreases by 33% to 46 ms. In spite of this,the handling time remains the same compared to conventional crank press on account of the kinematics of the non-circular gears. In order to achieve these kinematics in this case, a conventional circular gear may be used as driving gear, arranged eccentrically. This reduces the costs for gear manufacture.These examples show that different kinematics can be achieved by using non-circular gears in press drives At the same time the potential of this drive with respect to the realization of the desired kinematics becomes clear as does the reduction of cycle times in production. By var
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