仿真式多自由度云臺結構設計【含CAD圖紙】

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目錄 摘要.………………………………………………………………………………………………1 前言.………………………………………………………………………………………………2 第一章 緒論.………………………………………………………………………………….3 第二章 產品的技術指標和技術參數……………………………………………….4 第一節(jié) 數控云臺的技術指標..……………………………………….…………..4 第二節(jié) 可行性論證及技術經濟分析………………………………..………….4 第三章 云臺總體方案的設計……...……………………………………………….….5 第一節(jié) 云臺設計方案的提出…...……………………………………………...5 第二節(jié) 云臺設計方案的論述.……………………………………………….....5 第四章 機械部分的設計………...…………………………………………………….....7 第一節(jié) 步進電機的選用………………………………………………….…….....7 第二節(jié) 減速機構傳動系統(tǒng)設計………………………………………………....9 第三節(jié) 軸的設計……………………………………………………………….....14 第四節(jié) 軸承的設計…………………………………...………………………......15 第五章 總結………….……………………………………………………………………...18 第六章 外文翻譯…………………………………………………………………………..19 附錄一 英文文獻翻譯……………………………………………………………19 附錄二 英文文獻原文……………………………………………………………23 第七章 參考資料………………………..………………………………………………....32 摘要： 本次畢業(yè)設計是設計閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設備——數控云臺，此設計根據數控云臺的工作環(huán)境、機械指標、設計參數和主要技術要求，采用室內智能球型云臺。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護方便，可達到隱蔽監(jiān)視的目的，云臺在水平方向可連續(xù)350無級變速掃描，并設有設置攝像點的功能。本設計介紹了數控云臺的傳動原理、結構特點和功能，并對步進電機的特點作了簡單的介紹。 關鍵詞：閉路電視系統(tǒng) 數控云臺 步進電機 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 隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們已經不滿足于電話通信，對信息傳輸的要求，不但要求聽到對方的聲音，更希望看到對方的形象，而且還要看到對方活動的現場。黑白圖像早己不能滿足人們的要求，人們希望看到的是對方的彩色圖像。 監(jiān)控電視主要是對機要部門、商場、貨場、生產等部門的監(jiān)視、控制和報警。最簡單地監(jiān)控系統(tǒng)是由一架攝像機和一臺監(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、工農業(yè)生產、交通運輸管理、醫(yī)療衛(wèi)生、水下作業(yè)、鐵路現場、公安系統(tǒng)等國民經濟的各個部門。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，它在我國現代化建設中，特別在通信現代化，管理現代化中無疑將會日益發(fā)揮重要作用。 第一章 緒論 云臺是承載攝象機進行水平和垂直兩個方向轉動的裝置。云臺內裝兩個電動機。這兩個電動機一個負責水平方向的轉動，另一個負責垂直方向的轉動。水平轉動的角度一般350。，垂直轉動則有土45。，土35。、土75。等等。水平及垂直轉動的角度大小可通過限位開關進行調整。 云臺的分類大致分為室內用云臺及室外用云臺。室內用云臺承重小，沒有防雨裝置。室外用云臺承重大，有防雨裝置。有些高檔的室外云臺除有防雨裝置外，還有防凍加溫裝置。為適應安裝不同的攝象機及防護罩，云臺的承重應是不同的。因而應根據選用的攝象機及防護罩的總重量來選用合適承重的云臺。室內云臺的承重量較小，云臺的體積和自重也較小。室外用云臺因為肯定要在它的上面安裝帶有防護罩(往往還是全天候防護罩)的攝象機，所以承重量都較大。它的體積和自重也較大。 目前出廠的室內云臺承重量大約1.5KG—7KG左右。室外用云臺承重量大約7KG—50KG左右。還有些云臺是微型云臺，比如與攝象機一起安裝在半球型防護罩內或全天候防護罩內的云臺。 目錄 摘要.………………………………………………………………………………………………1 前言.………………………………………………………………………………………………2 第一章 緒論.………………………………………………………………………………….3 第二章 產品的技術指標和技術參數……………………………………………….4 第一節(jié) 數控云臺的技術指標..……………………………………….…………..4 第二節(jié) 可行性論證及技術經濟分析………………………………..………….4 第三章 云臺總體方案的設計……...……………………………………………….….5 第一節(jié) 云臺設計方案的提出…...……………………………………………...5 第二節(jié) 云臺設計方案的論述.……………………………………………….....5 第四章 機械部分的設計………...…………………………………………………….....7 第一節(jié) 步進電機的選用………………………………………………….…….....7 第二節(jié) 減速機構傳動系統(tǒng)設計………………………………………………....9 第三節(jié) 軸的設計……………………………………………………………….....14 第四節(jié) 軸承的設計…………………………………...………………………......15 第五章 總結………….……………………………………………………………………...18 第六章 外文翻譯…………………………………………………………………………..19 附錄一 英文文獻翻譯……………………………………………………………19 附錄二 英文文獻原文……………………………………………………………23 第七章 參考資料………………………..………………………………………………....32 摘要： 本次畢業(yè)設計是設計閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設備——數控云臺，此設計根據數控云臺的工作環(huán)境、機械指標、設計參數和主要技術要求，采用室內智能球型云臺。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護方便，可達到隱蔽監(jiān)視的目的，云臺在水平方向可連續(xù)350無級變速掃描，并設有設置攝像點的功能。本設計介紹了數控云臺的傳動原理、結構特點和功能，并對步進電機的特點作了簡單的介紹。 關鍵詞：閉路電視系統(tǒng) 數控云臺 步進電機 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 隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們已經不滿足于電話通信，對信息傳輸的要求，不但要求聽到對方的聲音，更希望看到對方的形象，而且還要看到對方活動的現場。黑白圖像早己不能滿足人們的要求，人們希望看到的是對方的彩色圖像。 監(jiān)控電視主要是對機要部門、商場、貨場、生產等部門的監(jiān)視、控制和報警。最簡單地監(jiān)控系統(tǒng)是由一架攝像機和一臺監(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、工農業(yè)生產、交通運輸管理、醫(yī)療衛(wèi)生、水下作業(yè)、鐵路現場、公安系統(tǒng)等國民經濟的各個部門。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，它在我國現代化建設中，特別在通信現代化，管理現代化中無疑將會日益發(fā)揮重要作用。 第一章 緒論 云臺是承載攝象機進行水平和垂直兩個方向轉動的裝置。云臺內裝兩個電動機。這兩個電動機一個負責水平方向的轉動，另一個負責垂直方向的轉動。水平轉動的角度一般350。，垂直轉動則有土45。，土35。、土75。等等。水平及垂直轉動的角度大小可通過限位開關進行調整。 云臺的分類大致分為室內用云臺及室外用云臺。室內用云臺承重小，沒有防雨裝置。室外用云臺承重大，有防雨裝置。有些高檔的室外云臺除有防雨裝置外，還有防凍加溫裝置。為適應安裝不同的攝象機及防護罩，云臺的承重應是不同的。因而應根據選用的攝象機及防護罩的總重量來選用合適承重的云臺。室內云臺的承重量較小，云臺的體積和自重也較小。室外用云臺因為肯定要在它的上面安裝帶有防護罩(往往還是全天候防護罩)的攝象機，所以承重量都較大。它的體積和自重也較大。 目前出廠的室內云臺承重量大約1.5KG—7KG左右。室外用云臺承重量大約7KG—50KG左右。還有些云臺是微型云臺，比如與攝象機一起安裝在半球型防護罩內或全天候防護罩內的云臺。 一般的云臺均屬于有線控制的數控云臺。云臺的轉動是通過在控制室操作控制器，將控制電壓通過多芯電纜直接加到云臺內的步進電機上，或者通過通信電纜控制遠端的解碼器，再又解碼器經局部多芯電纜將電壓加到云臺內的電動機上，從而實現云臺的旋轉。 還有的云臺內裝繼電器等控制電路，這樣的云臺往往有六個控制輸入端。一個是電源的公共端，另四個是上、下、左、右端。還有一個則是自動轉動端。當電源的一端接在公共端后，電源另一端接在“自動”端后，云臺將帶動攝象機頭按一定的轉動速度進行上、下、左、右的自動轉動。 在電源供電電壓方面，目前常見的有交流24V和220v兩種。云臺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供電的室內用小型云臺，可在其內部安裝電池，并用紅外遙控器進行遙控。目前大多數云臺仍采用有線遙控方式。云臺的安裝位置距控制中心較近，且數量不多時，一般采用從控制臺直接輸出控制信號進行控制。而當云臺的安裝位置距離控制中心較遠且數量較多時，往往采用總線方式傳送編碼的控制信號并通過終端解碼解出控制信號再去控制云臺的轉動。 第二章 產品的技術指標和技術參數 第一節(jié) 數控云臺的技術指標 云臺的設計參數和技術指標： （1） 控制軸：兩旋轉軸，點位控制，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） 負載：3kg （6） 脈沖當量：0.5度/脈沖 第二節(jié) 可行性論證及技術經濟分析 智能高速球云臺的優(yōu)點： （1）普通云臺的監(jiān)視范圍有限，在云臺的正下方存在死點，而智能高速球云臺在水平方向上可以連續(xù)360度無級變速掃描，不存在任何死點。 （2）普通云臺多為勻速云臺，只能以10RAD/S左右的固定速度進行掃描，無法應付突發(fā)事件的發(fā)生。而智能高速球云臺可以在0.5度—125RAD/S的可變速搜索目標。 （3）普通云臺過于暴露，往往給被監(jiān)視者以反感，且使人輕而易舉得發(fā)現當前攝象機的位置；而智能高速球云臺采用的是球型液態(tài)金屬鍍膜單反防護罩，使人根本看不到里面的攝象機，它既隱藏了攝象機，又具有極好的裝飾效果，特別適合銀行、機場、商店、廣場等隱蔽性的監(jiān)視和跟蹤。 （4）普通云臺通常沒有預置攝象點的功能，而智能高速球云臺則可以有預置攝象點。 綜上所述，球型云臺比普通云臺更有使用價值！ 第三章 云臺總體方案的設計 第一節(jié) 云臺設計方案的提出 初步確定水平軸和垂直軸分別使用反應式步進電機作驅動源，并利用齒輪減速機構，以細分步進電機的步距角。垂直轉動軸與齒輪的連接是用一對背靠背的角接觸球軸承，水平轉動軸是用與支架連滑動軸承接。分別用水平支架和垂直支架支承攝象機。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺的設計。 第二節(jié) 云臺設計方案的論述 步進電機是機電一體化產品中的關鍵組件之一，是一種性能良好的數字化執(zhí)行元件。其特點是輸入一個脈沖就轉動一步，即轉子轉過一個相應的步距角。實際上，驅動步進電機的開關是晶體管，開關信號由數字集成電路或微機產生。通過前面的介紹可以看到，步進電機是一種把開關激勵的變化變換成為梢確的轉子位置增量運動的執(zhí)行機構。與能夠實現類似功能的其他部件相比，使用步進電機的控制系統(tǒng)有下面幾個明顯的優(yōu)點： (1) 通常不需要反饋就能對位置或速度進行控制。 (2) 位置誤差不會積累。 (3) 與數字設備兼容。 步進電機的品種規(guī)格很多，按照它們的結構和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應式或變磁阻式)電機、混合式電機、永磁式電機和特種電機等四種主要型式。 反應式步進電動機由于其結構簡單和經久耐用，所以是目前應用最普及的一種步進電動機。這種電動機按變磁阻原理工作，于是有的國家又稱之為變磁阻步進電動機。其優(yōu)點是；力矩—慣性比高；步進頻率高，頻率響應快；不通電時轉子能自由轉動；機械結構簡單、壽命長；能雙向旋轉；有適量阻尼；正常電機無失步區(qū)。缺點是：不通電時無定位力矩；每步有振蕩和過沖。 永磁式步進電動機特點：功耗較小，在斷電時仍有定位轉矩，但是步距角大，需供給正負脈沖電源，啟動和運行頻率較低。 混合式電機特點：轉矩大，步距角小，運行頻率高，功耗低及有自鎖功能，但需有正負電脈沖供電，結構復雜，價格高。 比較以上各種電機，決定選擇反應式步進電機作為驅動攝象機的動力源。 攝象機的脈沖當量等于步進電動機的步距角除以傳動比，為使攝象機達到較小的脈沖當量，利用齒輪減速機構，細分步距角以達到目的，同時降低驅動齒輪的轉速，提高轉矩。垂直軸上的一對軸承主要用于承受軸向力；水平軸采用滑動軸承，可以減小徑向空間尺寸。 整個云臺采用吊裝球型設計，其優(yōu)點如下： （1） 最大限度地減少灰塵和外來的干擾，使云臺壽命大大延長，也使系統(tǒng)的可靠性進一步提高。 （2） 球型防護罩采用內側單面鍍膜工藝，有利于隱蔽監(jiān)視。 （3） 防護罩表面進行防靜電處理，可以防止灰塵吸附，日常維護簡單 （4） 防護罩降低了云臺的轉動噪音。 第四章 機械部分的設計 第一節(jié) 步進電機的選用 步進電機的選用主要考慮三個問題：（1）步距角要滿足系統(tǒng)脈沖當量的要求；（2）滿足最大靜轉矩的要求；（3）啟動轉矩與啟動頻率、工作運行轉矩與運行頻率必須滿足所選電機型號相對應的啟動矩頻特性和工作矩頻特性。 一、 垂直X軸步進電機的選擇 設計參數和技術要求：行程-45——45，最大速度90/s。 （1）計算負載轉矩 M=M+M+M 其中：M為垂直方向上的轉矩； M為慣性轉矩； M為重力方向上的轉矩 ；M為摩擦力產生的轉矩 步進電機的速度控制，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或者換相的周期。 步進電機的加減速控制，對于點——位控制系統(tǒng)，從起點到終點的運行速度都有一定的要求。對于云臺在點——位控制過程中，運行速度都需要有一個加速—恒速—減速--（低恒速）--停止過程并要求加減速過程時間盡量短，而恒速時間盡量長。 本設計中，近似認為地認為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實際上按指數規(guī)律升速），設定從靜止升到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 攝像機及其框架在垂直轉動時的轉動慣量為： 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 本設計中，將轉動中心定于重心附近，即重心產生的轉矩可忽略不計， 即M≈0 N.m M難以計算，可將M乘以一個修正系數后，得到M，取修正系數為1.3 則 M=1.3 M=1.30.0085=0.011N.m 將負載轉矩折算到步進電機的主軸上： M= M/i=0.011/3=0.0037 N.m 根據M≤（0.3-0.5）M 其中： M：折算到電機軸上的力矩； M：最大靜轉矩 即： M≥M/0.3=0.0037/0.3=0.0123 N.m （2）步進電機的最高運行頻率 取脈沖當量為： =0.5 /脈沖 最高運行速度： n=90 /s 所以 f= n/=90/0.5=180 Hz 因此，從步進電機步距角考慮，在X方向上選用36BF003反應式步進電機 二、 水平Z軸步進電機的選擇 設計參數和技術要求： 行程： 0-355； 最高速度： 2 r/s （1） 、計算負載轉矩 M=M+M 其中： M為水平方向上的轉矩 M為慣性轉矩； M為摩擦力產生的轉矩 同前述道理，設定攝像機從靜止升到最高速用0.2s M=J 角加速度=（-）/=（4-0）/0.2=20 rad/s 將水平移動部分看成為矩形實體，其中m=2.5kg，L=100mm，H=100mm 即水平移動的總體轉動慣量為： 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難以計算，可將M乘以一個修正系數后，得到M，由于采用的是滾動軸承，摩擦系數遠小于滑動軸承，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）步進電機的最高運行頻率 取脈沖當量為： =0.5 /脈沖 最高運行速度： n=720 /s 所以 f= n/=720 / 0.5=1440 Hz 綜上計算，并考慮步進電機的步距角，選用45BF006反應式步進電機。 第二節(jié) 減速機構傳動系統(tǒng)設計 一、 垂直X軸減速齒輪機構設計 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，一年工作360天） 以下計算過程選自《機械設計》： 選定齒輪類型、精度、材料及齒數 1）、按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動 2）、考慮該減速器傳動功率不大，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號鋼，經常化處理，齒面硬度為162-217HBS 3）、選取精度等級：選7度等級（GB10095-88） 4）選小齒輪齒數z=18 ,大齒輪齒數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、 按齒根彎曲疲勞強度校核 校核公式為： =≤[] M Pa m≥（） mm 計算載荷系數K ： K = KKKK （其中K為使用系數；K為動載系數；K為齒間載荷分配系數；K為齒向載荷分布系數） 由表10-2查得K=1.00； 因為n=0.25 r/s， 所以v=2nd/2=20.2518/2=14.13mm/s 而且屬于7級精度，由圖10-8查的K=1.02； 因為 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 =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 計算齒形系數Y及應力校正系數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 計算應力系數 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為Z=188.9 載荷系數 K = KKKK=1.001.021.01.26=1.2852 所以 =2.5×188.9×=0.12 M Pa 計算接觸疲勞許用應力： []= 由于工作應力循環(huán)次數 N=0.4710，N=0.1610 所以由圖10-19，可得K=0.915； K=0.92 （不允許出現點蝕） 由硬度中間值189.5HBS，圖10-21c可得大、小齒輪的接觸疲勞強度極限為==380 M Pa 取安全系數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 因為d=20mm，所以也滿足要求 因為垂直X軸的運動范圍是，所以該減速機構中大齒輪定為齒扇結構，角度為120 二、 水平Z軸減速齒輪機構設計 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，一年工作360天） 1、選定齒輪類型、精度、材料及齒數 1）、按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動 2）、考慮該減速器傳動功率不大，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號鋼，經?；幚?，齒面硬度為162-217HBS 3）、選取精度等級：選7度等級（GB10095-88） 4）選小齒輪齒數z=20 ,大齒輪齒數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、 齒根彎曲疲勞強度校核 校核公式為： =≤[] M Pa m≥（） mm 參照垂直X軸的計算方法，得載荷系數K=1.224 計算齒形系數Y及應力校正系數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，該齒輪機構滿足要求 三、 各齒輪參數 1、 垂直X軸齒輪參數 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 標準中心距： a=m(z+ z)/2=1×(18+54)/2=36mm 2、 水平Z軸齒輪參數 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 標準中心距： a=m(z+ z)/2=1×(20+75)/2=47.5mm （h：齒頂高系數，c：頂隙系數，其數值分別為：h=1，c=0.25） 第三節(jié) 軸的設計 一、 垂直X軸的設計 因為X方向的軸同時承受轉矩和彎曲作用，所以按彎扭組合強度條件進行計算（材料為45號鋼，經退火、淬火和回火處理） 強度條件為：=M/W=/W≤[] （其中W為抗彎截面系數，[]為許用彎曲應力） W =/32=10×10/32=0.098×10 m 所選攝像質量為m=540g，考慮其附加器件的質量，設總量為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 所選電機的轉矩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號鋼的彎曲許用應力為[]=100 M Pa 很明顯=2.51MPa≤[]=100 M Pa，滿足強度要求 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、攝像機連接在一起，起定位和傳遞轉矩作用。 二，水平Z軸的設計 由于水平Z軸有上下兩根，上軸只承受軸向拉力作用，故只須滿足抗拉強度要求，即 ≤[] （其中為正應力；N為軸向力；A為軸的橫截面積） 設上軸承受質量為3kg的器件，即N=mg=3×10=30N 由《材料力學》P33可查的45號鋼的抗彎強度極限為[]=598 M Pa 因此 598≥30/A 得有效面積為A≥30/598=0.25mm 現從總體結構上考慮，上軸軸徑最小處為16mm，內開一個10mm的內孔，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 對于Z方向下軸，除承受軸向拉伸外，還有承受扭矩作用，應分別進行強度校核。 設下軸承受質量為2.5kg的器件，所以N=mg=2.5×10=25N 有效面積 A≥25/598=0.04 mm，從整體結構考慮，下軸軸徑最小處為10mm，內留一個8mm的孔，則有效面積為S=（D-d）/4=3.14×（10-8）/4=28.26mm,滿足要求 對于扭矩作用，其強度條件為：=/≤[] （為軸承受的最大轉矩，為抗扭截面系數，[]為許用剪切應力） 因為T=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號鋼的許用剪切應力為[]=60 M Pa ， 很明顯≤[]，滿足強度要求 第四節(jié) 軸承的設計 一、垂直X軸軸承的選用 為使徑向尺寸較小和安裝方便，選用滑動軸承，軸瓦材料為聚四氟乙烯（PTFE），該材料能抗強酸強堿，具有一定的自潤滑性，可以在無潤滑條件下工作，在高溫條件下具有一定的潤滑能力，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、 驗算軸承平均壓力p p=F/(dB) ≤[p] M Pa （[p]為軸瓦材料的許用應力） 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），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，即滑動速度（m/s） [av]為軸瓦材料的av許用值（M Pam/s） 因為n=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、驗算軸承的滑動速度V V=≤[V] m/s （[V]為許用滑動速度） 查表12-3，可得[V]=1.3m/s V=3.14×10×15/60×1000=0.00785m/s≤[V]=1.3m/s 綜上計算所得，可知該滑動軸承滿足要求 二、水平Z軸軸承的選用 根據水平Z軸下軸的軸徑和工作要求，選用一對型號為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，軸承轉速n=120r/min，運轉時無沖擊，設計壽命為20年（每天工作24小時，一年工作360天） 1、 求比值 A/R=25/1=25 根據表13-5，角接觸球軸承的最大e值為1.14，即A/R＞e 2、 初步計算當量動載荷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載荷C為 C=P（）=57.53×=618.76N （?。? 查表得該軸承的額定動載荷為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 設計使用壽命：L=24×360×20=1.296×10h 滿足要求 第五章 總結 歲月匆匆，很快大學四年時光就快過去了！這次畢業(yè)設計是大學四年最大、最正規(guī)的一個設計，也是大學四年最后一個設計！多少有點標志性意義，很高興自己能全力去做完這個設計。這次設計的題目是多自由度云臺結構設計，云臺是一個比較現代化和電子化的東西，以前都沒有接觸過，剛開始的幾個星期雖然一直在拼命查找相關的資料，看了很多相關的書，但都摸不著頭緒，幸虧李明富老師的悉心指導，我的設計才得以進行下去。由于這是最后一次設計了，是對我們大學四年的學習的總結，所以我在設計中充分考慮了各方面的因素，我覺得這對我來說是最重要的，以前在做畢業(yè)設計的時候，都是只會畫圖，其余的加工、裝配等問題就沒有去考慮，現在就不同了，每做一步我都盡量考慮各個步驟。該設備主要是對機要部門、商場、貨場、生產等部門的監(jiān)控，所以對其在實際情況中的應用性有很大要求，在設計當中，我通過上網或者去圖書館等方式查閱了當前社會實際中運用的各種云臺的外型、參數、結構等，結合自己設計中的參數和要求設計出了自己的設計作品，而且在球罩的內部涂了一層特殊的材料，使外界看不到云臺內部的運作情況，而攝像機卻能正常的進行監(jiān)控，使該設備具有一定的隱蔽性。所以，從這方面來說，該設備已經基本達到了滿足社會需求的要求！控制方面對于我來說是最難的，因為對于通信和程序方面，我比較弱，為了完善自己的設計，我努力去看相關的書籍，把設計的內容都補了回來，使我們對這方面的課外內容多少了解了一點。但是最后也沒能設計出控制程序，這是比較遺憾的事情。在設計過程中，雖然其結構不是很大，但是設計內容相對來說比較多，經過一段長時間的工作，最后還是把畢業(yè)設計完成了。通過這次畢業(yè)設計，讓我對自己的所學有了更深刻的理解和認識。 隨著最后一項任務的完成，我的畢業(yè)設計也完成了，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，沒有老師們的辛勤栽培，就不會有我們的今天！感謝所有老師，我們一定不辜負老師們的辛勤汗水，到工作崗位上努力工作，為我們的國家貢獻自己的力量！祝老師們一生平安！ 第六章 翻譯 附錄一：英文文獻翻譯 非圓齒輪與機械壓力機運動學優(yōu)化 1997年1月8日研制 摘要：使用金屬成形方法來加工生產零件的質量很大取決于壓力桿。在機械壓力傳動時，有一種依賴于驅動旋轉角度速度比的非圓齒輪，提供了一種獲得這么動作時間的新途徑，我們致力于為不同的優(yōu)化金屬成型運作的制造。本文闡述了由漢諾威的大學研究所建成的金屬成形和金屬成形加工機床的使用原型原則，它就是目前運動學以及在原型產生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和鍛造的一個例子，幾乎所有的金屬成形操作可有利用于機械傳動機構的非圓齒輪。 關鍵詞：壓力，齒輪，運動學。 1. 簡介 提高質量的要求在生產工程制造，所有的金屬成形以及在鍛造，有必要去攜手制定生產經濟。日益增長的市場定位要求技術和經濟條件都得到滿足。提高質量、生產力、生產手段的創(chuàng)新解決方案,是一種用來維持和擴大的市場地位的關鍵所在。 所生產的金屬部件,我們需要分清期間所需的形成過程和處理零件所需的時間。隨著我們必須添加一些必要的額外工作，例如冷卻或潤滑的模具一次成型過程。根據質量和產量兩個方面，產生了兩個最優(yōu)化方法。為了滿足這兩個方面，我們的任務是設計運動學形成過程中考慮到該進程的要求，也考慮到的是改變部分以及與一個優(yōu)先線輔助運作所需的時間短周期的時間。 2. 壓力機的要求 一個生產周期,這相當于一個沖程來回壓的過程,大致經歷了三個階段:加載、成型和移除零件。相反,在加載和移除零件階段，我們經常發(fā)現送料的薄板,尤其是在純粹的切割時候。為此，壓力泵必須要一個確定時間的最小高度。成型周期中桿應該有一個特別速度曲線,它將會降到最低。這個轉變期之間應盡快來確保短周期時間。 短周期的要求是事件的原因,以確保通過高產量低成本的部分?；谶@個原因，關于對大型汽車車身沖壓片機和自動1200/min、拉深24/min的沖程數是標準的做法。增加沖程數是為了減少設計的周期變化導致增加的壓實機械應變率, 然而，這對成形過程有很明顯影響,使它必須考慮參數確定過程和被它所影響。 在拉深成形過程中,當敲打板塊時的撞擊速度應盡量避免產生了深遠影響。一方面,速度成形時必須充分潤滑。另一方面,我們必須要考慮提高產量的相應的壓力來增加造成更大的應變速率力,這可能導致沖床半徑一側的一部分過渡疲勞而導致斷裂。在鍛造時，停留時間短的壓力是可取的。隨著停留時間的壓力下降了模具的表面溫度將降低，其結果是熱磨損。這是提高抵消了由于機械磨損形成更大的力量，但由于增加的應變率是較低的，因為較低的部分冷卻屈服應力補償。目前，最佳短住壓力可以用有限元分析法萊分析。此外,避免由于成本降低磨損、短壓住時間也是一個重要的技術要求的精密鍛造，近凈形部分有一個光明的未來。 高質量的要求和高產量將只能通過一個機技術,考慮到金屬成形過程的考察要求等同于減少工作的目標成本。以前按設計已經不能同時滿足這些技術要求和經濟的充分程度，或他們是非常昂貴的設計和制造，例如鏈接驅動壓力機。這就需要尋找對泵創(chuàng)新設計的解決方案，它的設計應主要標準化，模塊化，以降低成本。 3．非圓齒輪的壓力傳動 3.1 原則 使用非圓齒輪傳動機械曲柄壓力機，它提供了一種新方式的技術和經濟需求的壓力桿運動。一對非圓齒輪有不變的中心距, 因此采用了電動馬達，或由飛輪、曲柄和驅動機制本身。制服驅動器的速度傳送是通過一對非圓齒輪傳遞給非均勻的偏心軸。如果非圓齒輪的適當設計，從動齒輪的非均勻驅動器會導致泵所需的行程時間行為。調查中心的金屬成形和金屬成型機床(IFUM)漢諾威的大學已經表明,在這個簡單的方式所有相關的壓力桿的連續(xù)運動，可以達到各種成形過程。 此外從運動學和縮短生產周期，驅動概念導致新的驅動器的優(yōu)點被以下的良好性能所區(qū)分。因為它是一個機械壓力機，它具有高可靠性、低維護性和可預期性。對連桿壓力機的數量和軸承零件顯然是減少。首先，一個基本泵類型可以通過安裝不同的齒輪而進一步改變設計，它根據客戶的要求而設計。不同環(huán)節(jié)的驅動器，軸承的安裝位置不會隨著單一載荷方向的不同運動而改變。因此，上述要求的模塊化和標準化是考慮到時間和成本，它降低了設計和沖壓生產成本。 3.2 原型 在金屬成型和金屬成型工具機（IFUM）1架的c型泵，它已經進行了修整和安裝了非圓齒輪副。為達到這種目的，先前的背輪背一個行星齒輪組做取代。這項工作表明了存在的新型傳動印刷機是可能的，在最后對標準壓力泵的改造在Fig. 1中進行說明。 圖表1 壓力機設計是為了所受1000KN的柱塞力和200KN的沖壓模具緩沖力。 這一對非圓齒輪傳動比平均為1，每個齒輪輪齒有59，直齒，模數10mm（圖2）齒面寬是150mm，這些齒輪有漸開線輪齒。我假設了非圓曲線設計是以側面幾何設計為基礎。因此，一個非圓齒輪的齒形沿齒輪圓周而改變。盡管如此,它可以來自知名的梯形齒條. 然而[4.5],提出了一種計算方法，它精確地把齒頂高和齒根高考慮在內，進行相應的調整。 壓力機是為了在單一沖程模式下對零件進行深拉而設計的。最高滑塊行程為180mm，行程數32/min。在140毫米的沖壓速度幾乎保持71mm/s不變，它是靜點中心線到靜點中心線之前的速度。見圖3。這種速度就相當于液壓機工作的速度。這個速度影響到曲柄機構，使其與擊打具有相同的數目相比較，速度都是220m/。為了跟一個曲柄壓力機具有相同的平均速度擊打的數目不得不將減少一半。短周期內的機械改造將導致最后的向上運動。由于壓力機是運行在單一的操作模式,在設計時對其做相關的處理沒有提出特別的要求。 驅動機制的原型與非圓齒輪有另外一個有利的影響及其驅動力矩（圖4）。對于一個曲柄壓力機的公稱力通?？梢越档挽o點之前把曲柄軸按正常方式旋轉。這對應于公稱力作用下相對于擊打力的75%。若要達到1000kN標準力，該驅動器已提供45 kam 的曲柄軸扭矩。該原型只要求對非圓齒輪傳動增加額外的30kNm力矩。他們被傳送一個循環(huán)，非均勻的曲柄轉矩，將導致一個標準力在靜點范圍內變化。這相當于27.5%的行程。如果非圓齒輪副是在壓力機的工作范圍，我們總能找到類似的條件。這幾乎總是與板料成形及沖壓件有關。這樣可以設計一些較弱的機器零件，而且節(jié)約成本。 4. 進一步的設計實例 利用二沖程時間行為的設計實例說明了以下幾點。假設一系列的零件時通過壓力機來加工的。為了達到這一目的，壓力桿所需的速度和擊打成形速度要求假設成立必須量化。再者，處理零件所需的時間必須確定，而且必須假設在處理時壓力桿的最小高度。由此，我們設計動作的順序，我們用數學含義來描述它。在IFUM中，由該研究所開發(fā)使用軟件程序。從這個數學描述的沖程運動,我們可以計算出所需要的非圓齒輪速度比，從這我們可以得到齒輪的圓周曲線[1.2.7]。 在第一個例子，在深拉伸沖壓速度應該是在靜止點前，金屬板材成形保持在至少超過100mm，它的速度應該是約400m/s。讓行程數定為30/min。第450mm以上擊打的地方，讓處理零件時間和曲柄壓力機在25min/n的擊打時間相同。圖5表明了沖程運動情況，這是由一對齒輪的描繪所獲得。該齒輪是通過他們的圓周率所描繪。在25/min傳統(tǒng)的余弦曲線作為比較。除了生產周期時間減少了20％，應把桿速度的影響也大大減少。下靜點前110mm，當使用曲柄機構時，沖擊速度為700mm/s，而當使用非圓齒輪時僅僅只有410mm/s。 第二個例子顯示了驅動裝置是用于鍛造。在圖6中，常規(guī)鍛造曲軸的行程時間是相對于在圖片中說明非圓齒輪壓力運動學。曲柄壓力機的周期時間是0.7s、行程數是85/min和標準力是20mn。它的保壓時間為86ms與50mm的成形部份時間。非圓齒輪壓力機描繪的保壓描繪時間67%減少至28ms。因此，它達到了和錘子一樣的幅度。通過增加1.5倍的沖程數，周期時間縮短至46mm。盡管如此,處理時間依舊與常規(guī)非圓齒輪曲柄壓力機的運動學相同。在這種情況下為了實現這些運動,傳統(tǒng)的圓弧齒輪可以作為驅動裝置，安排偏心。這為齒輪制造降低了成本。 這些例子表明，不同的運動可以通過使用非圓齒輪驅動裝置實現。在同一時間內，這個驅動器的實用潛力用實現理想的運動學變得清晰，而且生產周期時間減少。例如，通過不同的例子，如果運動的順序對一系列壓力機生產零件有利，可能增加拉深成形后的速度。 5．總結 高生產率，降低成本和保證產品質量的高要求，這時所有制造公司所期望的，特別適用于公司的金屬加工領域。這種情況導致我們重新考慮壓力傳動機的使用。 對曲柄與非圓齒輪傳動壓力機的描述，使我們能夠優(yōu)化簡單的機械壓力機運動學。這意味著周期時間縮短,以達到高生產率和運動學的成形工藝的要求。這個設計工作需要很低。相對于多連桿壓力機驅動器，可以實現其他運動學在其他齒輪軸承位置不改變時的壓力機構建使用。這使壓力機模塊化和標準化。 6．致謝 作者想表達他們的謝意，感謝德國機床制造商協(xié)會(VDW),位于德國法蘭克福，其經濟援助以及一些成員，感謝他們的支持。 7. 參考文獻 附錄二:英文文獻原文 Optimized Kinematics of Mechanical Presses with Noncircular Gears E. Dodge ( l ) , M. Hinderance Received on January 8, 1997 Abstract：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, Kinematics 1 introductive Increasing 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 one's 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 Requirements One 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, es