【《云台的结构设计案例》4200字】

云台的结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u3177云台的结构设计案例 1238491.1云台台体分析 1208431.2云台运动分析 210004(1)俯仰轴运动分析 27421(2)水平轴运动分析 3276471.3传动方式分析 3277651.3.1机构方案设计与布局 4254891.3.2结构设计与分析 445981.3.3执行机构设计 551361.3.5对于电机的选型设计 6196021.3.5其他结构细化设计 9293171.3.6总结 91.1云台台体分析本文的研究对象是两轴云台，其两根旋转轴相互垂直。常见两轴云台的台体一般有三种结构类型，分别为：极轴式、水平式与地平式，如图2-1所示。图1极轴式图2水平式图3地平式图2-1云台台体的结构类型极轴式云台的两轴分别垂直与平行地球的自转轴，如图2-1（a）所示，称为：赤纬轴与极轴[35]。极轴式云台的转动可以等同于地球自转，但是在极轴附近存在观测盲区，且结构较为复杂。极轴式结构多应用于天文望远镜。水平式云台的两轴分别平行于南北方向与东西方向，如图2-1（b）所示，称为：经轴与纬轴。水平式云台的优点在于机械结构较为简单，但是加工难度较大，且在水平面存在观测盲区。水平式结构多应用于天文望远镜、仿真云台等。地平式云台的两轴分别垂直和平行于地面，如图2-1（c）所示，称为：水平轴（或方位轴）与俯仰轴。地平式云台的结构简单、力学性能良好，但在天顶附近存在观测盲区[36]。地平式结构的应用范围最广，包括天文望远镜、仿真云台、测试云台、雷达云台等等。两轴地平式云台常见的机械结构有T型和U型两种，如图2-2所示。T型结构的机械结构相对紧凑，多适用于多负载云台；U型结构的空间利用率高、综合性能较好，一般适用于单负载云台。因地平式云台的良好性能与广泛应用，以及系统设计指标中的单负载要求，本文选用两轴地平式U型结构的云台台体。T型结构U型结构图2-2地平式云台机械结构类型1.2云台运动分析(1)俯仰轴运动分析由云台的台体结构可知，云台俯仰轴的运动属于薄板绕转轴的运动，薄板绕转轴运动的转动惯量如式（2-1）所示：J=m式中：m——薄板的质量；a——薄板的宽度。根据云台的设计指标可知，负载质量不大于10kg，且负载宽度不大400mm，即a≤400mm、m≤10kg，则J≤0.533kg*m2。转动惯量定理如式（2-2）所示：M=J∙β式中：M——转矩；J——转动惯量；β——角加速度。根据云台的设计指标可知，β≤140°/s≈1.443rad/s，则由式（2-2）可知M俯仰≤1.302N。(2)水平轴运动分析云台水平轴的运动可以视为如图2-4所示的圆柱体绕转轴转动的定轴运动，其转动惯量公式如式（2-3）所示：J=m式中：m——圆柱体的质量；r——圆柱体的半径。根据设计指标可知，云台质量不大于10kg，云台负载同样不大于10kg，即m≤20kg，且云台旋转半径不大于200mm，即r≤0.20m，将m与r代入式（2-3）可得云台水平运动的转动惯量J≤0.40kg*m²。将水平运动的转动惯量代入如式（2-2）所示的转动惯量公式可得：M水平≤1.392N*m。1.3传动方式分析要实现两个自由度运动的机构方案，可以考虑连杆机构，带传动机构、齿轮机构或蜗轮蜗杆传动机构。考虑到整体的空间紧凑性，本次设计中不考虑采用连杆机构。对于齿轮机构和涡轮蜗杆机构的比较，齿轮传动两齿轮的中心转轴相互平行，其传动比通常较小，但传动效率高，通常能达到80-90%，齿轮传动不具有自锁性。而对于蜗轮蜗杆传动[4]，蜗轮与蜗杆的中心转轴空间垂直，其通常可实现较大的传动比，但传动效率较低，通常在50%以下，蜗轮蜗杆传动一般都具有自锁性。考虑到实际云台的整体方案和安装布局，需要借助同步带传动进行运动方式的转变，从而实现两个基本自由度的运动。1.3.1机构方案设计与布局对于机构方案的设计布局，由于云台最终需要安装在固定支座上，要实现绕竖直轴的水平转动，可在云台末端设计齿轮传动或蜗轮蜗杆传动形式。如图2-3所示，左侧电机通过同步带传动带动蜗杆转动从而带动蜗轮转动，由于蜗轮固定在安装基座上，电机会使得云台作水平方向的转动。同理，右侧电机可通过同步带及蜗轮蜗杆传动实现蜗轮轴两侧法兰盘的俯仰运动。图2-3二自由度云台的结构模型1.3.2结构设计与分析对于二自由度云台的结构设计，从动力源、传动机构和执行机构三部分进行设计分析。动力源部分主要是指电机的选型和参数的确定，传动部分为机械结构设计的核心部分，主要包括带传动及蜗轮蜗杆传动中参数的确定和分析；执行部分分别为两个自由度末端的法兰，通过法兰与外部器件连接实现两个自由度的运动。1.3.3执行机构设计由于水平轴的转动与俯仰轴的转动是空间两交错轴的运动，由上小结结构设计与分析可知，两电机输出轴与执行机构的旋转轴均为90°，恰好符合蜗轮蜗杆的传动特点。蜗轮结构紧凑、传动比大。一般传动比i=10~40，最大可达80。由于蜗杆上的齿是连续不断的螺旋齿，蜗轮轮齿和蜗杆是逐渐进入啮合并逐渐退出啮合的，同时啮合的齿数较多，所以传动平稳、噪音小。再者，当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗轮蜗杆具有自锁性。蜗轮蜗杆这些自身的特性都非常契合云台的传动及运动的要求，所以本次设计的传动机构采用蜗轮蜗杆传动。蜗轮蜗杆的选型表1蜗轮蜗杆的标准模数第一系列11.251.621.53.15456.381011.516202531.540第二系列1.51.7533.54.55.567121418223036注：优先采用第一系列表2蜗杆头数Z1与蜗轮齿数Z2的荐用值传动比i蜗杆头数Z1蜗轮齿数Z27~13428~5214~27228~5428~402,128~80＞401＞40查表得，在不大于云台总体结构尺寸的前提下，选择了蜗杆模数m1=2，蜗轮模数m2=16；蜗杆头数z1=2，蜗轮齿数z2=28的参数。1.3.4传动机构设计电机输出轴与蜗杆之间需要传动装置传动，可用齿轮传动部件或挠性传动部件。齿轮减速器能有较好的传动稳定性和准确的传动比，但结构较为复杂，工艺性不高；采用挠性传动部件能有较好的工艺性、互换性，便于安装或更换。挠性传动部件中又有摩擦带传动、同步带和链传动等，本次设计采用同步带传动；同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，同步带的结构以细钢丝或玻璃纤维等作为抗拉体，外面以聚氨酯、橡胶等材料包覆，并制出齿形，带轮的轮面也制成相应的齿形。它具有传动比准确、传动效率高、能吸振、噪音低、传动平稳、能高速传动、维护保养方便等优点，符合云台基本运动的各种要求，故传动部件采用同步带传动。查阅机械设计手册3卷得：小带轮转速小于900r/min时，采用MXL带型，最小齿数Zmin=10，同步带的基准宽度bs0=6.4mm，标准同步小带轮的直径d1=6.47mm，齿数为10,；大带轮的直径d2=11.94mm，齿数为20，许用工作拉力Ta=27N，单位长度的质量为0.007kg/m。初定轴间距为100mm。1.3.5对于电机的选型设计在实际工业中集成的电机类型主要包括伺服电机、三相交流电机、直流电机及步进电机等。其中，直流电机和伺服电机具备高转速、低扭矩的特点，而步进电机通常转速较低，且力矩较大。对于二自由度云台机构，其具备转动速度低、且负载较重时需要的力矩较高、内部空间有限等特点，永磁电机结构简单，体积小、简单轻便，广泛地用于各类云台的结构设计之中，因此在本次设计中选用永磁同步电机作为云台的动力输出。考虑到云台的整体尺寸和负载大小，选型西门子直流电机5系列，其实物图如图2-4所示，其各个参数如表2-1所示。图2-4产品名称直流电机5系列功率范围31.5kw电源电压420v励磁单独励磁极数4极转速最多4500rpm防护等级IP23结构类型IM冷却方式IC06定子全叠片式1表2-11.3.7轴承的设计及选型云台机构的蜗轮蜗杆均需要使用滚动轴承固定。深沟球轴承是最常用的滚动轴承。它的结构简单，使用方便。主要用来承受径向载荷，但当增大轴承径向游隙时，具有一定的角接触球轴承的性能，可以承受径、轴向联合载荷。在转速较高又不宜采用推力球轴承时，也可用来承受纯轴向载荷。与深沟球轴承规格尺寸相同的其它类型轴承比较，此类轴承摩擦系数小，极限转速高。但不耐冲击，不适宜承受重载荷。符合云台传动的基本要求；基本型的深沟球轴承由一个外圈，一个内圈、一组钢球和一组保持架构成。深沟球轴承类型有单列和双列两种，深沟球结构还分密封和开式两种结构，开式是指轴承不带密封结构，密封型深沟球分为防尘密封和防油密封。防尘密封盖材料为钢板冲压，只起到简单的防止灰尘进入轴承滚道。防油型为接触式油封，能有效的阻止轴承内的润滑脂外溢。单列深沟球轴承类型代号为6，双列深沟球轴承代号为4。本章云台设计选用深圳市隆源机电有限公司的微型15万转轴承电机专用693ZZ微型深沟球滚珠轴承。实物图如图2-5所示。图2-51.3.8中间传动机构设计蜗轮蜗杆传动是机械领域十分常见的一种啮合传动形式，其通过能够实现较大的传动比，并且具有自锁能力。在云台的设计过程中，首先需要确定末端负载的大小，通过蜗轮蜗杆的力学计算确定其基本参数值的大小，主要包括轮齿的模数及齿数等，再结合整体的布局，确定蜗轮蜗杆的其他参数，包括连接轴的尺寸，连接固定方式等。蜗轮蜗杆结构尺寸如图2-6、图2-7所示。图2-6图2-7为实现二自由度云台较紧凑的结构，需要采用带传动的机构方案对电机输出轴和末端执行机构进行连接。带传动改变运动的输出方向，使得电机可以跟蜗轮蜗杆机构平行布置，避免硬性连接导致的整体尺寸过于狭长。带传动具有一定的传动柔性，并且噪音小，传动平稳。在对其进行设计计算中，首先需要通过对负载及带轮转速的计算确定带的类型和基本参数。带传动设计时，需要考虑带的尺寸标准化以及安装过程中的张紧方式。带的长度确定首先通过初始的带轮布置位置和尺寸确定初始长度，通过查找带长标准确定需要选型的最终带长，再通过该带长