数控云台毕业设计.doc

本科生毕业论文本科生毕业论文 轻载室内数控云台设计 The design of the underloading numerical control sputnik for indoor 学生姓名 所在专业机械设计制造及其自动化 所在班级 申请学位工学学士 指导教师职称 副指导教师职称 答辩时间 目 录 目目 录录 设计总说明 I introduction II 1 前言 1 1 1 概述 1 1 2 数控云台的工作原理和特点 1 1 2 1 数控云台的工作原理 2 1 2 2 智能高速云台的优点 2 2 设计方案的确立 2 2 1 数控云台的技术指标 2 2 2 数控云台的设计方案 2 2 2 1 数控云台设计方案的提出 2 2 2 2 数控云台设计方案的论述 3 3 机械部分设计 4 3 1 脉冲当量和个传动比的确定 4 3 2 步进电机的选用 4 3 2 1 传动系统等效转动惯量的计算 4 3 2 2 负载转矩的计算 5 3 2 3 步进电机的选用 6 3 3 Z 方向齿轮减速机构传动系统设计 6 3 3 1 选定齿轮的类型 精度 材料 齿数 6 3 3 2 按齿面接触强度计算 6 3 3 3 按齿根弯曲强度计算 8 3 3 4 几何尺寸计算 9 3 3 5 验算 9 3 4 X 方向齿轮减速机构传动系统设计 9 3 4 1 选定齿轮的类型 精度 材料 齿数 9 3 4 2 按齿面接触强度计算 9 3 4 3 按齿根弯曲强度计算 9 3 4 4 几何尺寸计算 11 3 4 5 验算 11 3 5 轴的设计 12 3 5 1 Z 方向轴的设计 12 3 5 2 X 方向轴的设计 13 3 6 轴承的选用 14 3 6 1 Z 方向轴承的选 目 录 用 14 3 6 2 X 方向轴承的选用 14 4 系统控制部分设计 15 4 1 控制系统的功能与设计要求 15 4 2 总体方案的设计 16 4 3 系统中关键器件的选用 16 4 3 1 微处理器 16 4 3 2 看门狗电路 16 4 4 可靠性设计 17 4 4 1 容错设计的一般思想 17 4 4 2 系统的自诊断设计 17 4 4 3 自诊断的软件实现 18 4 4 4 系统的抗干扰设计 18 4 5 软件设计 22 鸣 谢 28 参考文献 29 设计总说明 I 设计总说明 随着机械制造技术的进步和生产的发展 数控技术得到广泛的应用 极大地提高 了产品的质量 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 科学的结构设计是数控云台性能的重要指标 包括电机的选用及内部结构设计 电 机是云台球机关键部件 一般来讲 针对目前国内外电机技术衡量电机优良的主要指标 是其可靠性 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 同时本设计还对数控云台的系统数控部分进行了设计 包括系统中关键器件的选用 可靠性设计和软件设计 本设计主要参照江西科学技术出版社所编写的 中国机械设计大典 的标准 按 照标准化 通用化 原则进行设计 关键词 数控技术 闭路电视系统 数控云台 步进电机 INTRODUCTION II INTRODUCTION Computer Numerical Control CNC had widely used along with advancement of mechanical manufacturing technology and development of production it improves the product quality extremely This graduation project is to design a numerical control NC sputnik of the closed circuit TV system The project based on the working conditions the mechanical guideline the design parameter and the primary technical requirements Structural design is a scientific of the numerical control sputnik important performance indicators including the selection of the magnetic stepping motor and internal structure design The magnetic stepping motor is cloud billiards organization key parts speaking generally aim at currently at home and abroad the magnetic stepping motor technique measure good main index sign of electric motor is its credibility the intellectual spherical sputnik for indoor was applied to the project The spherical husk can reduce dust and all kinds of disturbances it is easy to be maintained it can spy in any hidden place In horizon it can successively scan a round in non step timing and have the function of Preset Positions The project introduces the driving principle construction features and the function of NC sputnik It simply introduces magnetic stepping motor This design returned the system of the numerical control sputnik cloud pedestal to numerical control part to carry on a design in the meantime including the key spare part in the system to choose to use the dependable sex design and software design This design is standardized by China mechanical design canon edited by Jiangxi technology publish company The design is carried by standard and general KEYWORDS CNC technology Closed circuit TV system numerical control sputnik magnetic stepping motor 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 1 轻载室内数控云台设计 机械设计制造及其自动化 2002121315 廖柳春 指导教师 张建 林菁 毕业设计说明书 1 1前言前言 1 1概述 云台是承载摄像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 可通过步进电机进行调整 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像机及防护罩 云台的承重应是不同的 因而应根 据选用的摄像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 的摄像机 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 5KG 7KG 左右 室外用云台承重量大约 7KG 50KG 左右 还有些云台是微型云台 比如与摄像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 云台将带动摄像机头按一定的转动 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 供电的室内用的小型云 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 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 2 1 2 数控云台的工作原理与特点 1 2 1 数控云台的工作原理 数控云台的旋转不能在现场通过手动调整 而只能是在控制室内通过操作控制器 将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的低速大转矩电动机上或者通过通信电缆控 制远端的解码器 再有解码器经局部多芯电缆将控制电压加到云台的低速大转矩电机 上 从而使云台的台面在空间任意方向上旋转 摄像机配上云台 实际等效于增加了 摄像机的空间可视范围 全方位数控云台内部有两个驱动电机 水平方向上有一个能紧急起动和立即停止 的慢速大转矩驱动电机 通过齿轮传动 可带动台面在水平方向做正反向旋转 且不 会出现慢性滑动 垂直方向上的驱动电机 该电机可以带动摄像机座板在垂直方向 60 范围做俯仰运动 1 2 2 智能高速球云台的优点 普通云台的监视范围有限 在云台的正下方存在死点 而智能高速球形云台在 水平方向上 可以连续 360 度无级变速扫描 不存在任何死点 普通云台多为匀速云台 只能以 10 转 秒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 125 转 秒的可变速搜索目标 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像 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 到里面的摄像机 它既隐藏了摄像机 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 普通云台通常没有预置摄像点的功能 而智能高速球云台则可以有预置摄像点 综上所述 球型云台比普通云台更有使用价值 2 设计方案的确立 2 1 数控云台的技术指标 数控云台的设计参数和技术指标 水平转角 0 350 俯仰转角 45 45 载荷最大重量 1000g 脉冲当量 0 5 脉冲 最大转速 水平 Z 轴 60rad min 俯仰 X 轴 30rad min 串行总线命令控制 数控装置采用单片机控制系统 室内工作环境 温度小于 70 度 工作电压 AC220V 消耗功率小于 300W 2 2 数控云台总体设计方案 2 2 1 数控云台设计方案的提出 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 3 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 水平转动轴是用滑动轴承与支架连接 分别用水平支架和垂直支架支承摄像机 外部采用吊装支承 外型仿效球型云台的设计 2 2 2 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 是一种把脉冲信号换成直线位移 或角位移的执行元件 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准的转子位置 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 可以开环控制也可以闭环控制 开环控制不需要位置或速度的检测元件 系统 结构简单 能方便地控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速 闭环控制可以控 制精确的位置和平稳的转速 本设计的控制系统即为开环控制 转速仅取决于脉冲频率 而不受电压高低 电流大小及其波形的影响 输启动 停止 反转及其他运行方式的改变 都可以在少量的脉冲周期内完成 并且具有定位转矩 输出转角 步距角 无长期积累误差 每转一圈积累误差会自动消失 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像机的动力源 摄像机的脉冲当量等于步进电动机的步距角除以传动比 为使摄像机达到较小的 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 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 球型防护罩采用内侧单面镀膜工艺 有利于隐蔽监视 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 防护罩降低了云台的转动噪音 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 4 3 机械部分的设计机械部分的设计 3 1 脉冲当量和各传动比的确定 确定脉冲当量为 0 5 脉冲 设机械系统 Z 方向的传动比 i 3 小齿轮的齿数 z1 18 大齿轮齿数 z2 54 模数 1 X 方向的传动比 i 3 小齿轮的齿数 z3 18 大齿轮的齿数 z4 54 3 2 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 b 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 3 2 1 传动系统等效转动惯量 对于钢制轴 轴承 齿轮 联轴节等圆柱体对自身回转轴的转动惯量 J 计算公式 为 见 2 式 3 1 124 1078 0 LDJ 2 mkg 式中 D 为圆柱体的直径 mm L 为圆柱体的长度 mm 传动件折算到步进电机轴上的转动惯量 JR计算公式为 见 3 式 3 2 2 i J JR 2 mkg 式中 i 为电机轴到传动件的传动比 i 3 现先计算各传动件自身转动惯量 齿轮 z1 z3 4124 31 1001146 0 10141878 0 JJ 2 mkg 齿轮 z2 z4 4124 42 100597 0 10145478 0 JJ 2 mkg 计算各传动件折算到步进电机轴上的转动惯量 齿轮 z1 z3 424 31 1000127 0 31001146 0 RZRZ JJ 2 mkg 齿轮 z2 z4 424 42 1000127 0 310597 0 RZRZ JJ 2 mkg 各传动件折算到步进电机轴上的总的转动惯量 Z 方向 444 21 10065 0 100633 0 1000127 0 RzRzZR JJJ 2 mkg X 方向 444 21 10065 0 100633 0 1000127 0 RzRzXR JJJ 2 mkg 步进电机轴上的总转动惯量 J 式 3 3 RD JJJ 2 mkg 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 5 与 JR比较可 JD为步进电机的转动惯量 该设计可能使用的步进电机的转动惯量 JD 小于 0 001 可以忽略 故 2 mkg Z 方向 4 10065 0 ZRZ JJ 2 mkg X 方向 4 10065 0 XRX JJ 2 mkg 3 2 2 负载转矩的计算 本设计中 近似地认为升速规律按直线规律升速 实际上是按指数规律升速 假 定从静止升到 180 s 需时 0 2s 角加速度计算 见 4 式 3 4 t 21 s rad 水平转速为 60rad min 即 360 s 垂直转速为 30rad min 即 180 s 故 4 31 2 0 02 Z s rad 7 15 2 0 0 X s rad 惯性力转矩计算 见 2 式 3 5 JM惯性 mN Z 方向 44 1006 2 4 31100654 0 Z M惯性 mN X 方向 44 1003 1 7 15100654 0 X M惯性 mN 重力转矩计算 见 2 Z 方向电机的重力不产生转矩 故 0 Z M重力 垂直 X 轴方向由于摄像机重 540g 考虑支架附件的重量 取 m 700g 偏心距 e 10mm 故 023 0 3 01 0 8 97 0 i egm M X重力 mN 传动效率计算 由于摩擦阻力不考虑 其他环节的摩擦按传动件传动效率考虑 取 故 98 0 98 0 轴承齿轮 96 0 轴承齿轮 负载转矩计算 见 2 M Z 方向 000215 0 96 0 01006 2 4 重力惯性 MMMZ mN X 方向 023 0 96 0 029 0 1006 2 4 重力惯性 MMM X mN 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 6 3 2 3 步进电机的选用 运动部件正常运行时所需的最大静转矩 见 3 为 式 3 6 5 0 3 0 max Z M M mN 要求步进电机正常运行时所需最大静转矩 式 3 7 max MM 电机 mN Z 方向步进电机的选用 00072 0 3 0 Z Z M M 电机 mN 由于脉冲当量 脉冲 水平方向的最高运行速度 s 所以05 0 360 MAXZ n 步进电机最高运行频率 720 max max Z Z n fHz 综上计算 并考虑步进电机的步距角 选用 45BF003 反应式步进电机 X 方向步进电机的选用 077 0 3 0 X X M M 电机 mN 由于脉冲当量 脉冲 水平方向的最高运行速度 s 所以05 0 180 max X n 步进电机最高运行频率 360 max max Z Z n fHz 综上计算 并考虑步进电机的步距角 选用 36BF003 反应式步进电机 3 3 Z 方向齿轮减速机构传动系统设计 初步拟定已知条件为 传动比 i 3 n2max 60r min 工作寿命为 20 年 每天工作 24 小时 一年工作 360 天 见 4 3 3 1 选定齿轮类型 精度 材料 齿数 按传动方案 选用直齿圆柱齿轮传动 由于该减速器传动功率不大 所以大 小齿轮都选用软齿面齿论 选大 小齿 轮材料为 45 号钢 经调质处理 齿面硬度为 217 255HBS 选取精度等级为 7 级 GB10095 88 选取小齿轮齿数 大齿轮齿数 18 31 zz54318 42 zz 3 3 2 按齿面接触强度计算 式 3 8 3 2 1 1 1 32 2 H E d t t ZTK d mm 由设计公式 式 3 8 进行试算 确定公式内各计算数值 选载荷系数 3 1 t K 确定小齿轮传递转矩 即电机 45BF003 的最大静转矩为mNT 0196 0 1 选取齿宽系数 5 0 d 查得材料的弹性影响系数 8 189 E Z 2 1 Mpa 按齿面硬度查得大 小齿轮的接触疲劳强度极限 Mpa HH 380 2lim1lim 计算应力循环次数 式 3 9 LjnN 60 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 7 9 1 109 12036024136060 N 910 1 2 106 0109 1 j N N 根据应力循环次数查得接触疲劳寿命系数为 85 0 1 HN K88 0 2 HN K 计算接触疲劳许用应力 式 3 10 s K HHNlim Mpa 取失效概率为 1 安全系数 s 1 323 1 38085 0 1 H Mpa 4 334 1 38088 0 2 H Mpa 计算 试算小齿轮分度圆直径 代如中较小的值 根据 式 3 8 t d1 3 14 323 8 189 3 13 5 0 10196 03 1 32 2 3 2 3 1 t d mm 计算圆周速度 m s 式 3 11 10060 nd V m s 135 0 10060 360 3 1414 3 V 计算齿宽 b mm 式 3 12 td db mm 15 7 3 145 0 b 计算齿宽与齿高比 b h 模数 mm 794 0 18 3 14 1 1 z d m t t 齿高 mm 7865 1 794 0 25 2 2 ta mchh 4 7865 1 15 7 h b 计算载荷系数 式 3 13 HHVA KKKKK 根据 7 级精度 查得动载荷系数 smV 135 0 08 1 V K 由于所设计的齿轮为直齿轮 假设 mmN b FK tA 100 查得 7 级精度未经表面硬 化齿轮 4 1 FH KK 查得使用系数为 均匀平稳状态时 1 A K 查得 7 级精度 小齿轮悬臂布置时 242 1 1023 0 7 6118 0 12 1 3 2 bK ddH 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 8 由 查得 202 3 h b 242 1 H K40 1 F K 故 载荷系数 88 1 242 1 4 108 1 1 K 按实际载荷系数校正做得分度圆直径 mm 式 3 14 3 Kt K dd t mm 3 16 3 1 88 1 3 14 3 1 d 计算模数 mm 9 0 18 2 16 1 1 z d m 3 3 3 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度设计公式为 式 3 15 3 2 1 1 2 F SF d YY z KT m 确定公式内各计算数值 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮 Mpa FE 450 1 Mpa FE 450 2 查得弯曲寿命系数 85 0 1 FN K88 0 2 FN K 计算弯曲疲劳许用应力 式 3 16 s K FEFN F 取弯曲疲劳安全系数 s 1 4 2 273 4 1 45085 0 11 1 s K FEFN F Mpa 9 282 4 1 45088 0 22 2 s K FEFN F Mpa 计算动载荷系数 K 式 3 17 FFVA KKKKK 0776 2 40 1 4 106 1 1 K 查取齿形系数 时 18 1 z91 2 1 Fa Y54 1 1 Sa Y 时 54 2 z304 2 2 Fa Y712 1 2 Sa Y 计算大 齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 016403 0 2 273 54 1 91 2 1 11 F SaFa YY 013473 0 5 292 712 1 304 2 2 22 F SaFa YY 取小值 设计计算 根据 式 3 14 得 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 9 mm 408 0 013473 0 185 0 10196 0 0776 2 2 3 2 3 m 对比计算结果 可由齿面接触疲劳强度 取模数为标准值 按接触疲劳强度1 m 算出 分度圆直径 mm 2 16 1 d 小齿轮齿数 取 18 9 0 2 161 1 m d z18 1 z 大齿轮齿数 543 12 zz 3 3 4 几何尺寸计算 计算分度圆直径 mm 18118 11 mzd mm 54154 22 mzd 计算中心距 mm 362 21 dda 计算齿轮宽度 mm 9185 0 1 db d 取 mmB9 2 mmB14 1 3 3 5 验算 N 8 21 18 10196 0 22 3 1 1 d T Ft mmNmmN b FK tA 100 42 2 9 8 211 3 4 X 方向齿轮减速机构传动系统设计 初步拟定已知条件为 传动比 i 3 n4max 30r min 工作寿命为 20 年 每天工作 24 小时 一年工作 360 天 3 4 1 选定齿轮类型 精度 材料 齿数 按传动方案 选用直齿圆柱齿轮传动 由于该减速器传动功率不大 所以大 小齿轮都选用软齿面齿论 选大 小齿 轮材料为 45 号钢 经调质处理 齿面硬度为 217 255HBS 选取精度等级为 7 级 GB10095 88 选取小齿轮齿数 大齿轮齿数 18 3 z54318 4 z 3 4 2 按齿面接触强度计算 根据 式 3 8 设计进行试算 确定公式内各计算数值 载荷系数 3 1 t K 确定小齿轮传递转矩 由于所选电机 36BF003 的最大静转矩为mNT 078 0 3 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 10 取齿宽系数 5 0 d 查得材料的弹性影响系数 8 189 E Z 2 1 Mpa 查得大 小齿轮的接触疲劳强度极限 Mpa HH 380 4lim3lim 计算应力循环次数 见式 3 9 9 3 1093 0 2036024133060 N 99 3 4 1031 0 1093 0 j N N 根据应力循环次数查得接触疲劳寿命系数为 93 0 1 HN K98 0 2 HN K 计算接触疲劳许用应力 见式 3 10 取失效概率为 1 安全系数 s 1 4 353 1 38093 0 3l3 3 s K imHHN H MPa 4 372 1 38098 0 4l4 4 s K imHHN H MPa 计算 试算小齿轮分度圆直径 见式 3 8 代入中较小的值 t d3 9 9 4 354 8 189 3 13 5 0 10078 0 3 1 32 2 3 2 3 3 t d mm 计算圆周速度 V 见式 3 11 m s 0467 0 10060 3609 914 3 V 计算齿宽 b 见式 3 12 mm 95 4 9 95 0 b 计算齿宽与齿高比 b h 模数 mm 55 0 18 9 9 3 3 z d m t t 齿高 mm 24 1 55 0 25 2 2 ta mchh 99 3 24 1 95 4 h b 计算载荷系数 见式 3 13 根据 7 级精度 查得动载荷系数 smV 0467 0 06 1 V K 由于所设计的齿轮为直齿轮 假设 mmN b FK tA 100 查得 7 级精度未经表面硬 化齿轮 4 1 FH KK 查得使用系数为 均匀平稳状态 1 A K 查得 7 级精度 小齿轮悬臂布置时 242 1 1023 0 7 6118 0 12 1 3 2 bK ddH 由 查得故 载荷系数为 19 3 h b 242 1 H K38 1 F K 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 11 84 1 242 1 4 106 1 1 K 按实际载荷系数校正做得分度圆直径 见式 3 14 mm 15 11 3 1 84 1 9 9 3 3 d 计算模数 mm 62 0 18 15 11 3 3 z d m 3 4 3 按齿根弯曲强度设计 根据 式 3 15 进行弯曲强度试算 确定公式内各计算数值 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮 Mpa FE 450 3 Mpa FE 450 4 查得弯曲寿命系数 88 0 3 FN K91 0 4 FN K 计算弯曲疲劳许用应力 见式 3 16 取弯曲疲劳安全系数 s 1 4 9 282 4 1 45088 0 33 3 s K FEFN F Mpa 5 292 4 1 45091 0 44 4 s K FEFN F Mpa 计算动载荷系数 K 见式 3 17 04792 2 28 1 4 106 1 1 K 04792 2 28 1 4 106 1 1 FFVA KKKKK 查取齿形系数 时 18 3 z91 2 3 Fa Y54 1 3 Sa Y 时 54 4 z304 2 4 Fa Y712 1 4 Sa Y 计算大 齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 0158 0 86 282 54 1 91 2 3 22 F SaFa YY 0135 0 5 292 712 1 304 2 4 44 F SaFa YY 取小值 设计计算 见式 3 15 mm 299 0 0135 0 185 0 10078 0 048 2 2 3 2 3 m 对比计算结果 可由齿面接触疲劳强度 取模数为标准值 1 m 按接触疲劳强度 算出 分度圆直径 mm 2 11 1 d 小齿轮齿数 取 98 17 62 0 2 113 3 m d z18 4 z 大齿轮齿数 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 12 543 34 zz 3 4 4 几何尺寸计算 计算分度圆直径 mm 18118 33 mzd mm 54154 44 mzd 计算中心距 mm 362 43 dda 计算齿轮宽度 mm 9185 0 3 db d 取 mmB9 4 mmB14 3 3 4 5 验算 N68 8 18 10078 0 22 3 1 3 d T Ft mmNmmN b FK tA 100 964 0 9 36 8 1 注 考虑云台垂直运动是 45 45 取齿扇为 122 3 5 轴的设计 轴的设计也和其他零件的设计相似 包括结构设计和工作能力计算两方面的内容 轴的工作能力计算指的是轴的强度 刚度和振动稳定性的计算 多数情况下 轴的工 作能力主要取决与轴的强度 这时只需要对轴进行强度计算 以防止断裂和塑性变形 轴的材料主要是碳钢和合金钢 由于碳钢比合金钢廉价 对应力集中的敏感性低 同时也可以用热处理或化学处理方法提高其耐磨性和抗疲劳强度 故采用碳钢制造轴 尤为广泛 其中最常采用 45 号钢 3 5 1 Z 方向轴的设计 由于控制摄像机水平转动的 Z 轴有上下两根轴 上轴只承受轴向拉力作用 故只 须满足抗拉强度要求 Z 方向下轴 既承受轴向拉伸作用 又承受扭矩作用 应该分别 进行强度校核 Z 方向上轴的设计 根据拉伸强度条件公式试算 见 2 式 3 18 b A F 其中 为正应力 F 为轴向力 A 为轴的横截面面积 设上轴承受质量为 1 的器件 即 N 8 98 91 gmF 查得 45 号钢的抗弯强度极限为 根据 式 3 17 得 Mpa b 598 0164 0 598 8 9 b F A 2 mm 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 13 假设上轴轴径最小处为 16 内开一个的内孔 用以同视频线 电源线等mm10 线路 其有效面积为 0164 0 4 1224101614 3 4 2222 22 mmmm dD S 满足设计要求 Z 方向下轴的设计 抗拉强度校核 设下轴承受质量 m 0 8 的器件 所以 根 式 3 NgmF84 7 8 98 0 18 得 0131 0 598 84 7 b F A 2 mm 假设下轴轴径最小处为 8 内留一个的孔 则有效面积为 mm4 22 2222 0131 0 68 37 4 4814 3 4 mmmm dD S 满足设计要求 抗扭强度校核 抗扭强度条件为 见 2 式 3 19 t W Tmax max 其中 为轴承受的最大转矩 max T 为抗扭截面系数 t W 为许用剪切应力 水平电机 折算到轴上的扭矩为 mNT 196 0 电机 588 0 3196 0 max iTT 电机 mN 抗扭截面系数为 36 4 93 4 3 100942 0 8 4 1 16 10814 3 1 16 m D Wt 则 Mpa8 7 100942 0 735 0 6max 查得 45 号钢的许用剪切应力为 满足强度要求 Mpa60 max 3 5 2 X 方向轴的设计 材料为 45 号钢 经正火 淬火和回火热处理 由于 X 方向的轴同时承受转矩和弯曲作用 所以要按弯扭组合强度条件进行计算 由第四强度理论强度条件 见 2 式 3 20 1 22 75 0 1 TM W ca 初步确定轴的最小直径为 mmd10 抗弯截面系数 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 14 36 933 10098 0 32 101014 3 32 m d W 确定轴承受的最大弯矩 由于所选摄像机质量 考虑其附加器件的质量 设总质量 gm540 gm700 总 即 NmF86 6 8 9 总 设最大弯曲变形发生在轴上离支承处 20 处 即 mNlFM 1372 0 102086 6 3 max 确定轴上承受的最大扭矩 所选电机 36BF003 的转矩 折算到 X 轴上 mNT 078 0 1 mNiTT 234 0 3078 0 1 按 式 3 20 计算 Mpa ca 77 2 234 0 75 0 1372 0 10098 0 1 22 6 由于正火 回火处理的 45 号钢的许用弯曲应力 即 满 Npa55 1 1 ca 足强度要求 3 6 轴承的选用 3 6 1 Z 方向轴承的选用 轴承型号的确定 根据 Z 方向下轴的轴径和工作要求 选用一对型号为 7001AC 的角接触球轴承 轴 承与轴承套 轴之间采用过渡配合 轴承内圈用轴肩定位 外圈用弹簧卡还定位 加 垫圈和螺母夹紧 轴承的校核 考虑到摄像机支架等的影响 假设轴承轴向载荷 径向载荷 NFa81 7 NFr1 已知轴承的转速为 运转时无冲击 设计寿命为 20 年 每天工作 24 小时 min 60rn 一年工作 360 天 由滚动轴承样本查得 7001AC 型轴承背靠背成对安装在一个支点时 当量动载 荷可按下式计算 见 2 时 式 3 21 68 0 ra FF当 ar FFP92 0 时 式 3 22 68 0 ra FF当 ar FFP41 1 67 0 因 且工作平稳 取载荷系数 则 68 0 84 7 1 84 7 FrFa1 p f NYFXFfP arp 72 1184 7 41 1 167 0 1 计算预期寿命hL hL h 1728002036024 求该对轴承应具有的基本额定动载荷值 N 式 3 23 3 6 10 60 h nL PC NC 1 100 10 1728006060 72 11 3 6 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 15 查 5 得单个 7001AC 轴承的基本额定动载荷为 5 20KN 故选用一对 7001AC 轴承合 适 3 6 2 X 方向轴承的选用 轴承的确定 为了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 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 减摩性及 耐磨性比较好 轴承的验算 初选轴径 轴承宽度 考虑摄像机及支架重量约为 700g 即mmd10 mmB10 轴承所承受的径向力 NFNmgF43 3 86 6 8 97 02 即 验算轴承的平均压力 p 式 3 24 pdB F p Mpa 式中 B 为轴承宽度 mm 为轴瓦材料许用压力 Mpap 查得聚四氟乙烯的 即 Mpap5 3 pMpap 0345 0 1010 43 3 验算轴承的 pv 值 轴承的发热量与单位面积上的摩擦功耗成正比 是摩擦系数 pv ff 式 3 25 pvB nF pv 19100 smMpa 式中 v 为轴颈圆周速度 即滑动速度 m s 为轴承材料的 pv 许用值 pv 由于本设计min 30 max rn smMpa B nF pv 00054 0 1019100 3043 3 19100 查得聚四氟乙烯的 即 Mpapv036 0 ppv 验算滑动速度 v 式 3 27 vv sm 式中 为许用滑动速度 v sm n dv 0157 0 60 30 01 0 14 3 60 查得聚四氟乙烯的 即 smv 25 0 vsmv 0157 0 综上验算 滑动轴承适用 4 4 系统控制部分的设计系统控制部分的设计 4 1 控制系统的功能与设计要求 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 16 云台控制器是用来通过串行通信口接收由 PC 机 或单片机 或视频切换器发送来的 控制命令控制云台运动方向 照明灯开关 摄像头焦距 光圈 变倍 从而达到对现 场情况实时监视目的的设备 本控制系统的功能与特点如下 上位机 单片机或 PC 机 实现多机集中控制 云台控制器通过与上位机通信实 现对云台 镜头等控制 采用 RS 485 通信接口 可以满足远距离控制的需要 串行通讯口采用电源隔 离供电 并且与主机之间采用了光电隔离技术 云台动作 产生上 下 左 右 自动 5 种控制动作并实现匀速 变速控制 云台摄像头控制 实现对摄像头的变倍 焦距 光圈的大 小控制 选用硬件 WDT 实现程序运行监视 其他功能 灯光控制 防盗 状态显示 急停等 4 2 总体方案的确定 按照功能要求 确定系统方案如图 4 1 所示 从图中可以看出 系统由微处理器 图 4 1 控制器功能框图 模块 串行通信模块 时钟模块 以及镜头 云台等控制模块组成 在方案设计 中 结合程序容量与通信内容 根据经济 简洁至上的原则 微处理器选用 Atmel 公 司的 89C51 所有串 并行接口时序均通过软件模拟实现 4 3 系统中关键器件的选用 4 3 1 微处理器 在方案中已确定使用 MCS 51 系列单片机 89C51 由 Atmel 公司生产的此型号单片 机是以 8031 为核心构成的 它和 8051 系列弹片机是兼容的系列 AT89C51 具有下列主要功能 4KB Flash 程序存储器 可写入 擦除 1000 次 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器加密 128 字节内部 RAM 32 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 可编程 UART 串行 微处理器 RS 485 串行 通信接口 CD4060 看门狗电路 摄像镜头控 制 云台控制 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 17 片内时钟振荡电路 两种可用软件选择的省电方式 空闲方式 Idle Mode 和掉电方式 Power Down Mode 4 3 2 看门狗电路 看门狗 watchdog 的作用是强迫单片机 CPU 进入复位状态 使之从硬件或软 件故障中解脱出来 既当单片机的程序进入了错误状态后 在一个指定的时间内 将 产生一个系统复位 本设计由计数器 CD4060 组成的看门狗电路如图 4 2 所示 CD4060 是 14 位二进制 串行 89C51 CPU V DDU 5 SSU RESET 3 3P 5 V 5 V 2C 5C 1C 3R 2R 1R 1000pF 10 F 200K 130K 82K CD4060 CP1 CP0 CP0 R Q14 UDDUSS 图 4 2 由 CD4060 组成的看门狗电路 计数 分频 振荡器 选 时 振荡频率经内部 级二分频 KR130 1 pFC100 1 后 从端可输出约的频率信号 为偏置电阻 正常情况下 89C51 没隔一段 14 QHz2 2 R 时间就将 CD4060 复位一次 一旦由于某种原因导致 CPU 失控 CD4060 不能及时被复 1 t 位 经过时间就从端输出高电平 立即将 89C51 复位 把 CPU 拉回 到 122 ttt 14 Q 正常运行状态 然后 CPU 又将 CD4060 复位 使恢复成低电平 与组成微分电 14 Q 3 R 2 C 路 可将口输出的复位电平变成复位脉冲 3 3 P 看门狗电路具有监视器与执行器的作用 是提高智能化单片机测控系统可靠性的 有效措施之一 4 4 可靠性设计 4 4 1 容错设计的一般思想 众所周知 一个单片机应用系统能否正常工作是由很多因素决定的 其外因为各 类干扰 其内因为该系统本身的素质 在本节中 将着重讨论系统的容错设计原理及 实现的方法 共分为 2 个方面 一方面是系统的自检设计 另一方面是系统的抗干扰 设计 广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文 18 为了使单片机系统故障能及时自行诊断出来 在设计系统硬件电路时 必须通盘 考虑 诊断过程是 检查 思考 判断 的过程 因此一个系统的硬件容错能 力在很大程度上是先天的 系统定型后 硬件容错的极限也就定下来了 例如在没有 任何附加检测电路的系统中 CPU 本身就无从知道其各种外围电路工作是否正常 3 4 2 系统的自诊断设计 硬件自诊断的常用方法 自诊断又称为 自检 通过自检功能了解系统的状况 自检一般有以下几种方法 上电自检 系统上电时自动进行 自检中如果没有发现问题 则转入系统的正常运行 如果 发现问题 则及时报警 避免系统带病运行 定时自检 由系统时钟定时启动自检功能 对系统进行周期性在线检查 以便及时发现运行 中的故障 键控自检 通过某一键盘操作启动一次自检过程 以便操作者消除对系统的疑惑 或发现系 统的故障 本解码器主要运用了上电自检的自检方法 4 4 3 自诊断的软件实现 由于没有附加任何检测电路 因此本解码器只简单地进行 CPU ROM RAM 的自检 CPU 的诊断 CPU 是微机系统的核心 如果 CPU 出了问题 可想而知 系统是肯定无法正常工作 的 CPU 的诊断项目有 指令系统 片内 RAM 定时器中断系统 I O 口等 由于没有 检测电路 因此 本解码器实际只进行了前 4 项的诊断工作 ROM 的诊断 一般 EPROM 的工作应该是稳定正常的 但由于生产厂家不同 元件工艺的离散性 EPROM 使用一段时间后难免出错 从而使系统不能正常工作 而且由于 EPROM 中的信息 丢失 出错一般是零星发生的 更有必要主动检测 ROM 的自检常采用 检验和