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目錄
摘要.………………………………………………………………………………………………1
前言.………………………………………………………………………………………………2
第一章 緒論.………………………………………………………………………………….3
第二章 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)……………………………………………….4
第一節(jié) 數(shù)控云臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)..……………………………………….…………..4
第二節(jié) 可行性論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析………………………………..………….4
第三章 云臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì)……...……………………………………………….….5
第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出…...……………………………………………...5
第二節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論述.……………………………………………….....5
第四章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)………...…………………………………………………….....7
第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用………………………………………………….…….....7
第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………....9
第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………….....14
第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì)…………………………………...………………………......15
第五章 總結(jié)………….……………………………………………………………………...18
摘要：
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設(shè)備——數(shù)控云臺(tái)，此設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)控云臺(tái)的工作環(huán)境、機(jī)械指標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)和主要技術(shù)要求，采用室內(nèi)智能球型云臺(tái)。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護(hù)方便，可達(dá)到隱蔽監(jiān)視的目的，云臺(tái)在水平方向可連續(xù)350無(wú)級(jí)變速掃描，并設(shè)有設(shè)置攝像點(diǎn)的功能。本設(shè)計(jì)介紹了數(shù)控云臺(tái)的傳動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的介紹。
關(guān)鍵詞：閉路電視系統(tǒng) 數(shù)控云臺(tái) 步進(jìn)電機(jī)
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
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于電話通信，對(duì)信息傳輸?shù)囊?，不但要求?tīng)到對(duì)方的聲音，更希望看到對(duì)方的形象，而且還要看到對(duì)方活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)。黑白圖像早己不能滿足人們的要求，人們希望看到的是對(duì)方的彩色圖像。
監(jiān)控電視主要是對(duì)機(jī)要部門、商場(chǎng)、貨場(chǎng)、生產(chǎn)等部門的監(jiān)視、控制和報(bào)警。最簡(jiǎn)單地監(jiān)控系統(tǒng)是由一架攝像機(jī)和一臺(tái)監(jiān)視器，中間饋線連接而組成。一般的監(jiān)控系統(tǒng)都是比較復(fù)雜的。它可以完成的功能也是比較多的。
目前，圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸普及到了文化教育、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸管理、醫(yī)療衛(wèi)生、水下作業(yè)、鐵路現(xiàn)場(chǎng)、公安系統(tǒng)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。由于圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)，具有形象直觀．安全可靠，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，它在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中，特別在通信現(xiàn)代化，管理現(xiàn)代化中無(wú)疑將會(huì)日益發(fā)揮重要作用。
第一章 緒論
云臺(tái)是承載攝象機(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。云臺(tái)內(nèi)裝兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)一個(gè)負(fù)責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)負(fù)責(zé)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一般350。，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)則有土45。，土35。、土75。等等。水平及垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小可通過(guò)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)整。
云臺(tái)的分類大致分為室內(nèi)用云臺(tái)及室外用云臺(tái)。室內(nèi)用云臺(tái)承重小，沒(méi)有防雨裝置。室外用云臺(tái)承重大，有防雨裝置。有些高檔的室外云臺(tái)除有防雨裝置外，還有防凍加溫裝置。為適應(yīng)安裝不同的攝象機(jī)及防護(hù)罩，云臺(tái)的承重應(yīng)是不同的。因而應(yīng)根據(jù)選用的攝象機(jī)及防護(hù)罩的總重量來(lái)選用合適承重的云臺(tái)。室內(nèi)云臺(tái)的承重量較小，云臺(tái)的體積和自重也較小。室外用云臺(tái)因?yàn)榭隙ㄒ谒纳厦姘惭b帶有防護(hù)罩(往往還是全天候防護(hù)罩)的攝象機(jī)，所以承重量都較大。它的體積和自重也較大。
目前出廠的室內(nèi)云臺(tái)承重量大約1.5KG—7KG左右。室外用云臺(tái)承重量大約7KG—50KG左右。還有些云臺(tái)是微型云臺(tái)，比如與攝象機(jī)一起安裝在半球型防護(hù)罩內(nèi)或全天候防護(hù)罩內(nèi)的云臺(tái)。
一般的云臺(tái)均屬于有線控制的數(shù)控云臺(tái)。云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)在控制室操作控制器，將控制電壓通過(guò)多芯電纜直接加到云臺(tái)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)上，或者通過(guò)通信電纜控制遠(yuǎn)端的解碼器，再又解碼器經(jīng)局部多芯電纜將電壓加到云臺(tái)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。
還有的云臺(tái)內(nèi)裝繼電器等控制電路，這樣的云臺(tái)往往有六個(gè)控制輸入端。一個(gè)是電源的公共端，另四個(gè)是上、下、左、右端。還有一個(gè)則是自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)端。當(dāng)電源的一端接在公共端后，電源另一端接在“自動(dòng)”端后，云臺(tái)將帶動(dòng)攝象機(jī)頭按一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行上、下、左、右的自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
在電源供電電壓方面，目前常見(jiàn)的有交流24V和220v兩種。云臺(tái)的耗電功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，還有直流6V供電的室內(nèi)用小型云臺(tái)，可在其內(nèi)部安裝電池，并用紅外遙控器進(jìn)行遙控。目前大多數(shù)云臺(tái)仍采用有線遙控方式。云臺(tái)的安裝位置距控制中心較近，且數(shù)量不多時(shí)，一般采用從控制臺(tái)直接輸出控制信號(hào)進(jìn)行控制。而當(dāng)云臺(tái)的安裝位置距離控制中心較遠(yuǎn)且數(shù)量較多時(shí)，往往采用總線方式傳送編碼的控制信號(hào)并通過(guò)終端解碼解出控制信號(hào)再去控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
第二章 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)
第一節(jié) 數(shù)控云臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)
云臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)：
（1） 控制軸：兩旋轉(zhuǎn)軸，點(diǎn)位控制，水平Z軸，垂直X軸;
（2） 行程：Z軸，0—350；X軸，－45 —45;
（3） 速度：Z軸350/s—700/s,X軸15/s－90/s
（4） 供電：AC220V或DC12V
（5） 負(fù)載：3kg
（6） 脈沖當(dāng)量：0.5度/脈沖
第二節(jié) 可行性論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
智能高速球云臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）普通云臺(tái)的監(jiān)視范圍有限，在云臺(tái)的正下方存在死點(diǎn)，而智能高速球云臺(tái)在水平方向上可以連續(xù)360度無(wú)級(jí)變速掃描，不存在任何死點(diǎn)。
（2）普通云臺(tái)多為勻速云臺(tái)，只能以10RAD/S左右的固定速度進(jìn)行掃描，無(wú)法應(yīng)付突發(fā)事件的發(fā)生。而智能高速球云臺(tái)可以在0.5度—125RAD/S的可變速搜索目標(biāo)。
（3）普通云臺(tái)過(guò)于暴露，往往給被監(jiān)視者以反感，且使人輕而易舉得發(fā)現(xiàn)當(dāng)前攝象機(jī)的位置；而智能高速球云臺(tái)采用的是球型液態(tài)金屬鍍膜單反防護(hù)罩，使人根本看不到里面的攝象機(jī)，它既隱藏了攝象機(jī)，又具有極好的裝飾效果，特別適合銀行、機(jī)場(chǎng)、商店、廣場(chǎng)等隱蔽性的監(jiān)視和跟蹤。
（4）普通云臺(tái)通常沒(méi)有預(yù)置攝象點(diǎn)的功能，而智能高速球云臺(tái)則可以有預(yù)置攝象點(diǎn)。
綜上所述，球型云臺(tái)比普通云臺(tái)更有使用價(jià)值！
第三章 云臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì)
第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出
初步確定水平軸和垂直軸分別使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)源，并利用齒輪減速機(jī)構(gòu)，以細(xì)分步進(jìn)電機(jī)的步距角。垂直轉(zhuǎn)動(dòng)軸與齒輪的連接是用一對(duì)背靠背的角接觸球軸承，水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸是用與支架連滑動(dòng)軸承接。分別用水平支架和垂直支架支承攝象機(jī)。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺(tái)的設(shè)計(jì)。
第二節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論述
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。其特點(diǎn)是輸入一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)關(guān)是晶體管，開(kāi)關(guān)信號(hào)由數(shù)字集成電路或微機(jī)產(chǎn)生。通過(guò)前面的介紹可以看到，步進(jìn)電機(jī)是一種把開(kāi)關(guān)激勵(lì)的變化變換成為梢確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能的其他部件相比，使用步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)有下面幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 通常不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制。
(2) 位置誤差不會(huì)積累。
(3) 與數(shù)字設(shè)備兼容。
步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應(yīng)式或變磁阻式)電機(jī)、混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)久耐用，所以是目前應(yīng)用最普及的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)按變磁阻原理工作，于是有的國(guó)家又稱之為變磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是；力矩—慣性比高；步進(jìn)頻率高，頻率響應(yīng)快；不通電時(shí)轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)；能雙向旋轉(zhuǎn)；有適量阻尼；正常電機(jī)無(wú)失步區(qū)。缺點(diǎn)是：不通電時(shí)無(wú)定位力矩；每步有振蕩和過(guò)沖。
永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：功耗較小，在斷電時(shí)仍有定位轉(zhuǎn)矩，但是步距角大，需供給正負(fù)脈沖電源，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。
混合式電機(jī)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩大，步距角小，運(yùn)行頻率高，功耗低及有自鎖功能，但需有正負(fù)電脈沖供電，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。
比較以上各種電機(jī)，決定選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)攝象機(jī)的動(dòng)力源。
攝象機(jī)的脈沖當(dāng)量等于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角除以傳動(dòng)比，為使攝象機(jī)達(dá)到較小的脈沖當(dāng)量，利用齒輪減速機(jī)構(gòu)，細(xì)分步距角以達(dá)到目的，同時(shí)降低驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩。垂直軸上的一對(duì)軸承主要用于承受軸向力；水平軸采用滑動(dòng)軸承，可以減小徑向空間尺寸。
整個(gè)云臺(tái)采用吊裝球型設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
（1） 最大限度地減少灰塵和外來(lái)的干擾，使云臺(tái)壽命大大延長(zhǎng)，也使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。
（2） 球型防護(hù)罩采用內(nèi)側(cè)單面鍍膜工藝，有利于隱蔽監(jiān)視。
（3） 防護(hù)罩表面進(jìn)行防靜電處理，可以防止灰塵吸附，日常維護(hù)簡(jiǎn)單
（4） 防護(hù)罩降低了云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。
第四章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電機(jī)的選用主要考慮三個(gè)問(wèn)題：（1）步距角要滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求；（2）滿足最大靜轉(zhuǎn)矩的要求；（3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號(hào)相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)矩頻特性和工作矩頻特性。
一、 垂直X軸步進(jìn)電機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求：行程-45——45，最大速度90/s。
（1）計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩
M=M+M+M
其中：M為垂直方向上的轉(zhuǎn)矩； M為慣性轉(zhuǎn)矩； M為重力方向上的轉(zhuǎn)矩 ；M為摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩
步進(jìn)電機(jī)的速度控制，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。
步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，對(duì)于點(diǎn)——位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定的要求。對(duì)于云臺(tái)在點(diǎn)——位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速—恒速—減速--（低恒速）--停止過(guò)程并要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。
本設(shè)計(jì)中，近似認(rèn)為地認(rèn)為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實(shí)際上按指數(shù)規(guī)律升速），設(shè)定從靜止升到90/s用0.2s。
M=J
角加速度=（-）/=（/2-0）0.2=7.85 rad/s
考慮支架等附件的重量，取m=700g, L=110mm, H=80mm
攝像機(jī)及其框架在垂直轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
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
本設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)動(dòng)中心定于重心附近，即重心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可忽略不計(jì)，
即M≈0 N.m
M難以計(jì)算，可將M乘以一個(gè)修正系數(shù)后，得到M，取修正系數(shù)為1.3
則 M=1.3 M=1.30.0085=0.011N.m
將負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到步進(jìn)電機(jī)的主軸上：
M= M/i=0.011/3=0.0037 N.m
根據(jù)M≤（0.3-0.5）M
其中： M：折算到電機(jī)軸上的力矩；
M：最大靜轉(zhuǎn)矩
即： M≥M/0.3=0.0037/0.3=0.0123 N.m
（2）步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率
取脈沖當(dāng)量為： =0.5 /脈沖
最高運(yùn)行速度： n=90 /s
所以 f= n/=90/0.5=180 Hz
因此，從步進(jìn)電機(jī)步距角考慮，在X方向上選用36BF003反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
二、 水平Z軸步進(jìn)電機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求： 行程： 0-355； 最高速度： 2 r/s
（1） 、計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩
M=M+M
其中： M為水平方向上的轉(zhuǎn)矩
M為慣性轉(zhuǎn)矩；
M為摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩
同前述道理，設(shè)定攝像機(jī)從靜止升到最高速用0.2s
M=J
角加速度=（-）/=（4-0）/0.2=20 rad/s
將水平移動(dòng)部分看成為矩形實(shí)體，其中m=2.5kg，L=100mm，H=100mm
即水平移動(dòng)的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J=m(L+H)/12=2.5（0.1+0.1）/12=0.00417kg.m
所以 M=J=0.0041720=0.2617 N .m
M難以計(jì)算，可將M乘以一個(gè)修正系數(shù)后，得到M，由于采用的是滾動(dòng)軸承，摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)軸承，所以選修正為1.1
M=1.1 M=1.10.2619=0.288 N .m
折算到電機(jī)軸上 M= M/ i =0.288/3.75=0.0768 N .m
M≤（0.3-0.5）M
所以 M≥M/ 0.4 = 0.0768 / 0.4 = 0.192 N .m
（2）步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率
取脈沖當(dāng)量為： =0.5 /脈沖
最高運(yùn)行速度： n=720 /s
所以 f= n/=720 / 0.5=1440 Hz
綜上計(jì)算，并考慮步進(jìn)電機(jī)的步距角，選用45BF006反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、 垂直X軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
初步擬定已知條件： i= 3， n=15r/min，m=1mm,工作壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
以下計(jì)算過(guò)程選自《機(jī)械設(shè)計(jì)》：
選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)
1）、按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
2）、考慮該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面，由表10-1選大、小齒輪材料為45號(hào)鋼，經(jīng)?；幚?，齒面硬度為162-217HBS
3）、選取精度等級(jí)：選7度等級(jí)（GB10095-88）
4）選小齒輪齒數(shù)z=18 ,大齒輪齒數(shù)z= zi=316=54.所以大、小齒輪分度圓直徑分別為d=m z=181=18mm, d=m z=541=54mm
1、 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為： =≤[] M Pa
m≥（） mm
計(jì)算載荷系數(shù)K ： K = KKKK （其中K為使用系數(shù)；K為動(dòng)載系數(shù)；K為齒間載荷分配系數(shù)；K為齒向載荷分布系數(shù)）
由表10-2查得K=1.00；
因?yàn)閚=0.25 r/s， 所以v=2nd/2=20.2518/2=14.13mm/s
而且屬于7級(jí)精度，由圖10-8查的K=1.02；
因?yàn)? F= 2T/d= 20.078/1810=8.7N，
所以KF/b = 1.008.7/0.518=0.97 N/mm ( 齒寬系數(shù) =0.5 )
由表10-3可查的K= K=1.0
由表10-4可查的K=1.26, 由圖10-13可查的K=1.2
所以 K = KKKK=1.001.021.01.2 = 1.224
計(jì)算齒形系數(shù)Y及應(yīng)力校正系數(shù)Y：
由表10-5可查的Y=2.91 ； Y=1.53
Y=2.32+（54-50）=2.344
Y=1.70+（54-50）=1.712
所以 ===4.25MPa
===3.83MPa
而 []=M Pa
計(jì)算應(yīng)力系數(shù) N=60nAL=601531(2436020)=0.4710
N= N/3=0.4710/3=0.1610
由圖10-18可查的彎曲疲勞壽命系數(shù)K為：
K=0.88； K= 0.89
按硬度中間值189.5HBS，由圖10-20b可查的==310MPa
取安全系數(shù)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
很明顯 ≤[] ，滿足要求
m≥（）≥=0.29 mm，滿足要求
2、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
=2.5Z≤[] M Pa
d≥2.32× mm
大、小齒輪都是鍛鋼，由表10-6可查的材料的彈性影響系數(shù)為Z=188.9
載荷系數(shù) K = KKKK=1.001.021.01.26=1.2852
所以 =2.5×188.9×=0.12 M Pa
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力： []=
由于工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=0.4710，N=0.1610
所以由圖10-19，可得K=0.915； K=0.92 （不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕）
由硬度中間值189.5HBS，圖10-21c可得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為==380 M Pa
取安全系數(shù)S=1，則[]==347.7 M Pa
[]==349.6 M Pa
取最小值即 []=347.7 M Pa，很明顯=0.12 M Pa≤[]=347.7 M Pa，安全
d≥2.32×≥2.32×=4.62mm
因?yàn)閐=20mm，所以也滿足要求
因?yàn)榇怪盭軸的運(yùn)動(dòng)范圍是，所以該減速機(jī)構(gòu)中大齒輪定為齒扇結(jié)構(gòu)，角度為120
二、 水平Z軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
初步擬定已知條件： i= 3.75， n=2r/min，m=1mm,工作壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
1、選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)
1）、按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
2）、考慮該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面，由表10-1選大、小齒輪材料為45號(hào)鋼，經(jīng)常化處理，齒面硬度為162-217HBS
3）、選取精度等級(jí)：選7度等級(jí)（GB10095-88）
4）選小齒輪齒數(shù)z=20 ,大齒輪齒數(shù)z= zi=3.7520=75.所以大、小齒輪分度圓直徑分別為d=m z=201=20mm, d=m z=751=75mm
2、 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為： =≤[] M Pa
m≥（） mm
參照垂直X軸的計(jì)算方法，得載荷系數(shù)K=1.224
計(jì)算齒形系數(shù)Y及應(yīng)力校正系數(shù)Y：
由表10-5可查的Y=2.8 ； Y=1.55
Y=2.23 ； Y=1.775
F=2T/d=2×0.196/20×10=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
很明顯 =10.4MPa≤[]=272.8 M Pa 故安全
m≥（）≥（）=0.3 mm
滿足要求
3、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
=2.5Z≤[] M Pa
d≥2.32× mm
同上 =2.5Z=2.5×188.9×
=0.19 M Pa
由上計(jì)算得 []=347.7 M Pa， 顯然=0.19 M Pa≤[]=347.7 M Pa
d≥2.32×≥2.32
≥1.32mm
綜上所述，該齒輪機(jī)構(gòu)滿足要求
三、 各齒輪參數(shù)
1、 垂直X軸齒輪參數(shù)
分度圓直徑： d=m z=181=18mm
d=m z=541=54mm
齒頂高： h= h= hm=1×1=1mm
齒根高： h= h=( h+ c)m=(1+0.25) ×1=1.25mm
齒全高： h= h= h+ h=1.25+1=2.25mm
齒距： p==mm
齒厚： s=/2=0. 5mm
齒槽寬： e=/2=0. 5mm
頂隙： c= cm=0.25×1=0. 25mm
標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z+ z)/2=1×(18+54)/2=36mm
2、 水平Z軸齒輪參數(shù)
分度圓直徑： d=m z=201=20mm
d=m z=751=75mm
齒頂高： h= h= hm=1×1=1mm
齒根高： h= h=( h+ c)m=(1+0.25) ×1=1. 25mm
齒全高： h= h= h+ h=1.25+1=2. 25mm
齒距： p==mm
齒厚： s=/2=0. 5mm
齒槽寬： e=/2=0. 5mm
頂隙： c= cm=0.25×1=0. 25mm
標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z+ z)/2=1×(20+75)/2=47.5mm
（h：齒頂高系數(shù)，c：頂隙系數(shù)，其數(shù)值分別為：h=1，c=0.25）
第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì)
一、 垂直X軸的設(shè)計(jì)
因?yàn)閄方向的軸同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以按彎扭組合強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算（材料為45號(hào)鋼，經(jīng)退火、淬火和回火處理）
強(qiáng)度條件為：=M/W=/W≤[]
（其中W為抗彎截面系數(shù)，[]為許用彎曲應(yīng)力）
W =/32=10×10/32=0.098×10 m
所選攝像質(zhì)量為m=540g，考慮其附加器件的質(zhì)量，設(shè)總量為m=700g
即F= mg=0.7×10=7N
在B處的彎矩M為：M=FL=7×0.02=0.14N.m
所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=0.078 N.m，折算到X軸上，T= T i =0.078×3=0.234 N.m
因此=/W=/0.098×10=2.51MPa
查表可得45號(hào)鋼的彎曲許用應(yīng)力為[]=100 M Pa
很明顯=2.51MPa≤[]=100 M Pa，滿足強(qiáng)度要求
垂直X軸左右兩邊各一條，而且作成階梯軸，均用螺釘和齒扇、攝像機(jī)連接在一起，起定位和傳遞轉(zhuǎn)矩作用。
二，水平Z軸的設(shè)計(jì)
由于水平Z軸有上下兩根，上軸只承受軸向拉力作用，故只須滿足抗拉強(qiáng)度要求，即 ≤[] （其中為正應(yīng)力；N為軸向力；A為軸的橫截面積）
設(shè)上軸承受質(zhì)量為3kg的器件，即N=mg=3×10=30N
由《材料力學(xué)》P33可查的45號(hào)鋼的抗彎強(qiáng)度極限為[]=598 M Pa
因此 598≥30/A 得有效面積為A≥30/598=0.25mm
現(xiàn)從總體結(jié)構(gòu)上考慮，上軸軸徑最小處為16mm，內(nèi)開(kāi)一個(gè)10mm的內(nèi)孔，用以通視頻線、電源線等線路，其有效面積為：
S=（D-d）/4=3.14×(16-10)/4=122.46mm≥0.25mm， 顯然滿足要求
對(duì)于Z方向下軸，除承受軸向拉伸外，還有承受扭矩作用，應(yīng)分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。
設(shè)下軸承受質(zhì)量為2.5kg的器件，所以N=mg=2.5×10=25N
有效面積 A≥25/598=0.04 mm，從整體結(jié)構(gòu)考慮，下軸軸徑最小處為10mm，內(nèi)留一個(gè)8mm的孔，則有效面積為S=（D-d）/4=3.14×（10-8）/4=28.26mm,滿足要求
對(duì)于扭矩作用，其強(qiáng)度條件為：=/≤[]
（為軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，為抗扭截面系數(shù)，[]為許用剪切應(yīng)力）
因?yàn)門=0.196N.m，所以折算到軸上的扭矩為= T×i==0.196×3.75=0.735 N.m
=（1-）=[1-（）]=0.12×10m
所以 =/=0.735/0.12×10=6.15 M Pa
查表可得45號(hào)鋼的許用剪切應(yīng)力為[]=60 M Pa ， 很明顯≤[]，滿足強(qiáng)度要求
第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì)
一、垂直X軸軸承的選用
為使徑向尺寸較小和安裝方便，選用滑動(dòng)軸承，軸瓦材料為聚四氟乙烯（PTFE），該材料能抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有一定的自潤(rùn)滑性，可以在無(wú)潤(rùn)滑條件下工作，在高溫條件下具有一定的潤(rùn)滑能力，具有包容異物的能力（嵌入性好），不易擦傷配偶表面，減磨性及耐磨性都比較好。
初選軸徑為d=10mm，軸瓦寬度B=10mm，攝像機(jī)及支架的重量約為0.7kg，即軸承所承受的徑向力2F=mg=0.7×10=7N，即F=3.5N
1、 驗(yàn)算軸承平均壓力p
p=F/(dB) ≤[p] M Pa （[p]為軸瓦材料的許用應(yīng)力）
查表12-3，可得[p]=3 M Pa
則 p=F/(dB)=3.5/（10×10×10×10）=0.035 M Pa≤[p] =3 M Pa
2、 驗(yàn)算軸承的av值
軸承的發(fā)熱量與其單位面積上的摩擦功耗fp成正比（f是摩擦系數(shù)），限制av值就是限制軸承的溫升
av=En/(19100B) ≤[av] M Pam/s
其中：v為軸頸的圓周速度，即滑動(dòng)速度（m/s）
[av]為軸瓦材料的av許用值（M Pam/s）
因?yàn)閚=15r/min，查表12-3可得，[av]=0.04 M Pam/s
av=En/(19100B)=3.5×15/19100×10=0.00027 M Pam/s≤[av]=0.04 M Pam/s
3、驗(yàn)算軸承的滑動(dòng)速度V
V=≤[V] m/s （[V]為許用滑動(dòng)速度）
查表12-3，可得[V]=1.3m/s
V=3.14×10×15/60×1000=0.00785m/s≤[V]=1.3m/s
綜上計(jì)算所得，可知該滑動(dòng)軸承滿足要求
二、水平Z軸軸承的選用
根據(jù)水平Z軸下軸的軸徑和工作要求，選用一對(duì)型號(hào)為36203的角接觸球軸承（背靠背放置）。軸承與軸承套、軸都采用間隙配合，軸承內(nèi)圈用軸肩定位，上加墊圈和螺母夾緊。
已知條件：軸承軸向載荷A=25N，徑向載荷R=1N，軸承轉(zhuǎn)速n=120r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)沖擊，設(shè)計(jì)壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
1、 求比值
A/R=25/1=25
根據(jù)表13-5，角接觸球軸承的最大e值為1.14，即A/R＞e
2、 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P
P=f(XR+YA)
按照表13-6，f=1.0—1.2，取f=1.2
按照表13-5，X=0.44
查表可知該軸承的額定靜載荷C=5.38KN，所以A/ C=25/5380=0.0046
由表10-5可得Y=1.90
則P=1.2×（0.44×1+1.9×25）=57.53N
則所需的基本額定動(dòng)載荷C為
C=P（）=57.53×=618.76N （?。?
查表得該軸承的額定動(dòng)載荷為C=8.38KN
很明顯 C=618.76N≤C=8.38KN，滿足要求
使用壽命：L=10（C/P）/（60n）=10×（8380/57.53）/60×120=4.29×10h
設(shè)計(jì)使用壽命：L=24×360×20=1.296×10h 滿足要求
第五章 總結(jié)
歲月匆匆，很快大學(xué)四年時(shí)光就快過(guò)去了！這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年最大、最正規(guī)的一個(gè)設(shè)計(jì)，也是大學(xué)四年最后一個(gè)設(shè)計(jì)！多少有點(diǎn)標(biāo)志性意義，很高興自己能全力去做完這個(gè)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)的題目是多自由度云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，云臺(tái)是一個(gè)比較現(xiàn)代化和電子化的東西，以前都沒(méi)有接觸過(guò)，剛開(kāi)始的幾個(gè)星期雖然一直在拼命查找相關(guān)的資料，看了很多相關(guān)的書(shū)，但都摸不著頭緒，幸虧李明富老師的悉心指導(dǎo)，我的設(shè)計(jì)才得以進(jìn)行下去。由于這是最后一次設(shè)計(jì)了，是對(duì)我們大學(xué)四年的學(xué)習(xí)的總結(jié)，所以我在設(shè)計(jì)中充分考慮了各方面的因素，我覺(jué)得這對(duì)我來(lái)說(shuō)是最重要的，以前在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，都是只會(huì)畫(huà)圖，其余的加工、裝配等問(wèn)題就沒(méi)有去考慮，現(xiàn)在就不同了，每做一步我都盡量考慮各個(gè)步驟。該設(shè)備主要是對(duì)機(jī)要部門、商場(chǎng)、貨場(chǎng)、生產(chǎn)等部門的監(jiān)控，所以對(duì)其在實(shí)際情況中的應(yīng)用性有很大要求，在設(shè)計(jì)當(dāng)中，我通過(guò)上網(wǎng)或者去圖書(shū)館等方式查閱了當(dāng)前社會(huì)實(shí)際中運(yùn)用的各種云臺(tái)的外型、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等，結(jié)合自己設(shè)計(jì)中的參數(shù)和要求設(shè)計(jì)出了自己的設(shè)計(jì)作品，而且在球罩的內(nèi)部涂了一層特殊的材料，使外界看不到云臺(tái)內(nèi)部的運(yùn)作情況，而攝像機(jī)卻能正常的進(jìn)行監(jiān)控，使該設(shè)備具有一定的隱蔽性。所以，從這方面來(lái)說(shuō)，該設(shè)備已經(jīng)基本達(dá)到了滿足社會(huì)需求的要求！控制方面對(duì)于我來(lái)說(shuō)是最難的，因?yàn)閷?duì)于通信和程序方面，我比較弱，為了完善自己的設(shè)計(jì)，我努力去看相關(guān)的書(shū)籍，把設(shè)計(jì)的內(nèi)容都補(bǔ)了回來(lái)，使我們對(duì)這方面的課外內(nèi)容多少了解了一點(diǎn)。但是最后也沒(méi)能設(shè)計(jì)出控制程序，這是比較遺憾的事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然其結(jié)構(gòu)不是很大，但是設(shè)計(jì)內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)比較多，經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)時(shí)間的工作，最后還是把畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)自己的所學(xué)有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。
隨著最后一項(xiàng)任務(wù)的完成，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也完成了，也就意味著我們校園生活最后一次作業(yè)也完成了，很感謝培養(yǎng)我們的老師們，沒(méi)有老師們的辛勤栽培，就不會(huì)有我們的今天！感謝所有老師，我們一定不辜負(fù)老師們的辛勤汗水，到工作崗位上努力工作，為我們的國(guó)家貢獻(xiàn)自己的力量！祝老師們一生平安！
第七章 參考文獻(xiàn)
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