室內(nèi)數(shù)控云臺(tái)設(shè)計(jì)

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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，自能高速球云臺(tái)怎么實(shí)現(xiàn)0.5度125RAD/S的可變速搜索目標(biāo)；普通云臺(tái)通常沒(méi)有預(yù)置攝象點(diǎn)的功能，智能高速球云臺(tái)怎么確定預(yù)置攝象點(diǎn)。 三、進(jìn)度安排序號(hào)各階段完成的內(nèi)容完成時(shí)間1查設(shè)計(jì)資料，方案分析；3月初2總體方案設(shè)計(jì)3月中3傳動(dòng)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3月底4技術(shù)要求和技術(shù)參數(shù)確定4月初5軸的設(shè)計(jì)4月底6軸承設(shè)計(jì)5月初7撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5月中8畢業(yè)答辯5月底四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) 1.鄭緹、唐可洪主編。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社。2002年 2.楊磊、李峰主編。閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社。1999年 3.何立民編著，單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用與設(shè)計(jì)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社， 2001.6 4.耿長(zhǎng)清主編，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002.7 5.周開(kāi)勤主編。機(jī)械零件手冊(cè)第四版，北京，高等教育出版社。1998年 6.濮良貴、紀(jì)名剛主編。機(jī)械設(shè)計(jì)第六版，北京，高等教育出版社。2000年 7.李朝青編著，PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社， 200.12 8.孫桓、陳作模主編。機(jī)械原理第五版，北京，高等教育出版社。2000年 9.關(guān)振彪編。機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)，湛江，湛江海洋大學(xué)。2002年 10.劉鴻文主編。材料力學(xué)第三版，北京，高等教育出版社。2000年 11.王煥庭、李茅、徐善國(guó)主編。機(jī)械工程材料第四版，大連理工出版社。2000 XX大學(xué)XX學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表學(xué)號(hào) XX63229 姓名 XX 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目 室內(nèi)數(shù)控云臺(tái) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.選題符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量適當(dāng)；3.與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.該生有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.有工科經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論正確，論述充分，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，圖表圖紙完備、整潔、正確，引文規(guī)范；2.文字通順，有觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力好；3.有理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有創(chuàng)新之處。綜合評(píng) 價(jià)論文選題基本符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，能體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生能在設(shè)計(jì)中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)方案基本可行，工作量尚可，論文質(zhì)量基本符合本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。同意參加答辯評(píng)閱人： 年 月 日XX大學(xué)XX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 室內(nèi)數(shù)控云臺(tái) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： XX63229 姓 名： XX 指導(dǎo)教師： XX 完成日期： 2012年05月30日 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).4 第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出.4 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).6第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用.6第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).8第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì).13第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì).15第五章 總 結(jié).31第六章 外文翻譯32第七章 參考資料.44第八章 附錄.45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 workung cinditions、the mechanical guideline、the design parameter and the primary technical repuirements.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 stepless timing,and have the function of Preset Positions.The project introduce druvung 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1.5KG7KG左右。室外用云臺(tái)承重量大約7KG50KG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，0350；X軸，45 45;（3） 速度：Z軸350/s700/s,X軸15/s90/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?；旌鲜诫姍C(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-4545，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M0 N.mM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： MM/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 .mM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1.1M=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 MM/ 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)?；幚恚X面硬度為162-217HBS3）、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=54mm1、 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=1.53Y=2.32+（54-50）=2.344Y=1.70+（54-50）=1.712 所以 =4.25MPa =3.83MPa而 =MPa計(jì)算應(yīng)力系數(shù) N=60njL=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 MPa =275.9 MPa取中最大值，即=4.25 MPa； 取中最小值，即=272.8 MPa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 MPa d2.32 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 =2.5188.9=0.12 MPa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 MPa取安全系數(shù)S=1，則=347.7 MPa =349.6 MPa取最小值即 =347.7 MPa，很明顯=0.12 MPa=347.7 MPa，安全d2.322.32=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162-217HBS3）、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=75mm2、 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=20.196/2010=19.6N所以 =10.4MPa =9.5 MPa同理可得： =272.8 MPa 取中最大值即=10.4MPa很明顯 =10.4MPa=272.8 MPa 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 MPa d2.32 mm同上 =2.5Z=2.5188.9 =0.19 MPa 由上計(jì)算得 =347.7 MPa， 顯然=0.19 MPa=347.7 MPad2.322.32 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=11=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=0.251=0. 25mm標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z+ z)/2=1(18+54)/2=36mm2、 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=11=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=0.251=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=1010/32=0.09810 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=0.710=7N在B處的彎矩M為：M=FL=70.02=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 =0.0783=0.234 N.m因此=/W=/0.09810=2.51MPa查表可得45號(hào)鋼的彎曲許用應(yīng)力為=100 MPa很明顯=2.51MPa=100 MPa，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=310=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 MPa因此 59830/A 得有效面積為A30/598=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=122.46mm0.25mm， 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=2.510=25N 有效面積 A25/598=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= Ti=0.1963.75=0.735 N.m=（1-）=1-（）=0.1210m 所以 =/=0.735/0.1210=6.15 MPa查表可得45號(hào)鋼的許用剪切應(yīng)力為=60 MPa ， 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=0.710=7N，即F=3.5N1、 驗(yàn)算軸承平均壓力p p=F/(dB) p MPa （p為軸瓦材料的許用應(yīng)力）查表12-3，可得p=3 MPa 則 p=F/(dB)=3.5/（10101010）=0.035 MPap =3 MPa2、 驗(yàn)算軸承的pv值軸承的發(fā)熱量與其單位面積上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦系數(shù)），限制pv值就是限制軸承的溫升 pv=Fn/(19100B) pv MPam/s 其中：v為軸頸的圓周速度，即滑動(dòng)速度（m/s） pv為軸瓦材料的pv許用值（MPam/s）因?yàn)閚=15r/min，查表12-3可得，pv=0.04 MPam/s pv=Fn/(19100B)=3.515/1910010=0.00027 MPam/spv=0.04 MPam/s3、驗(yàn)算軸承的滑動(dòng)速度VV=V m/s （V為許用滑動(dòng)速度）查表12-3，可得V=1.3m/s V=3.141015/601000=0.00785m/sV=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(chǔ)/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/Re2、 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷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（0.441+1.925）=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=618.76NC=8.38KN，滿足要求使用壽命：L=10（C/P）/（60n）=10（8380/57.53）/60120=4.2910h設(shè)計(jì)使用壽命：L=2436020=1.29610h 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，很高興自己和同伴們能全力去做完這個(gè)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)的題目是室內(nèi)數(shù)控云臺(tái)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，幸虧張健老師和林菁老師的悉心指導(dǎo)，我們的設(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)，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中充分考慮了各方面的因素，我覺(jué)得這對(duì)我們來(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，每做一步我們都盡量考慮各個(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，我們通過(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)于我們來(lái)說(shuō)是最難的，因?yàn)閷?duì)于通信和程序方面，我們比較弱，為了完善自己的設(shè)計(jì)，大家都努力去看相關(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)。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，要求組內(nèi)各同學(xué)之間的配合要很融洽，而且進(jìn)度要基本保持一致，在數(shù)據(jù)方面也要及時(shí)交流?？梢哉f(shuō)，這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利完成，是組內(nèi)各位同學(xué)共同努力的結(jié)果。 隨著最后一項(xiàng)任務(wù)的完成，我們的畢業(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)1、 濮良貴、紀(jì)名剛主編。機(jī)械設(shè)計(jì)第六版，北京，高等教育出版社。2000年2、 孫桓、陳作模主編。機(jī)械原理第五版，北京，高等教育出版社。2000年3、 周開(kāi)勤主編。機(jī)械零件手冊(cè)第四版，北京，高等教育出版社。1998年4、 關(guān)振彪編。機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)，湛江，湛江海洋大學(xué)。2002年5、 劉鴻文主編。材料力學(xué)第三版，北京，高等教育出版社。2000年6、 王煥庭、李茅、徐善國(guó)主編。機(jī)械工程材料第四版，大連理工出版社。2000年7、 鄭緹、唐可洪主編。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社。2002年8、 楊磊、李峰主編。閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社。1999年9、 廖念釗、古瑩罨、莫雨松、李碩根、楊興駿編?；Q性與技術(shù)測(cè)量第四版，北京， 中國(guó)計(jì)量出版社。2000年10、 馬曉湘、鐘均祥主編。畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖第二版，廣州，華南理工大學(xué)出版社， 1998年11、沈紅衛(wèi)編著。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年1月12、何立民編著，MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，1996.613、耿長(zhǎng)清主編，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002.714、李朝青編著，PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2000.1215、薛棟梁編著，MCS-51/151/251單片機(jī)原理與應(yīng)用（2），北京，中國(guó)水利水電出版社，2001年16、何立民編著，單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用與設(shè)計(jì)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2001.6 XX 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn) 學(xué)號(hào)： XX63229 姓名： XX 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 31 頁(yè) 圖 表 6 張論文（設(shè)計(jì)）題目： 室內(nèi)設(shè)計(jì)云臺(tái) 內(nèi)容提要： 設(shè)計(jì)一種數(shù)控云臺(tái)，該設(shè)備主要應(yīng)用于室內(nèi)，采用吊裝式，全天候都能進(jìn)行監(jiān)控，并且要求設(shè)計(jì)其控制部分，編出設(shè)計(jì)程序，使之實(shí)現(xiàn)數(shù)控化具體要求如下： 1. Z方向行程范圍0355，X方向行程范圍4545 2. Z方向最小速度1r/s，最大速度2r/s；X方向最小速度0.5/s，最大速度90/s 3. 兩個(gè)方向的速度從最靜止提高到最大速度的時(shí)間為0.2s 4. 設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度為每天24小時(shí)，每年工作360天，工作20年 5. 云臺(tái)外形要美觀，而且有利于攝像機(jī)的隱蔽，在工作期間不易于被人發(fā)現(xiàn)要求完成的圖紙內(nèi)容及要求：1. 系統(tǒng)裝配圖A01張；2. 關(guān)鍵部件零件圖A23張； 3. 關(guān)鍵部件零件圖A32張；其它要提交的設(shè)計(jì)資料： 1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明（論文）書(shū)一份，不少于1.8萬(wàn)字； 2. 說(shuō)明（論文）書(shū)要求有方案論證分析，必要的理論計(jì)算，部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，及 選用說(shuō)明，電氣控制電路，設(shè)計(jì)分析，計(jì)算說(shuō)明； 3. 包括一個(gè)有圖紙和設(shè)計(jì)說(shuō)明（論文）書(shū)內(nèi)容的軟盤。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： XX同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間不夠積極主動(dòng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少與指導(dǎo)老師的溝通，表現(xiàn)一般。采用AutoCAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)的基本原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與繪圖。同意答辯，推薦畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤凹案瘛?。指?dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)： 根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績(jī)?cè)u(píng)定為“ ” 。答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日答辯委員會(huì)意見(jiàn)： 經(jīng)答辯委員會(huì)討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定為“ ” 。答辯委員會(huì)主任： 年 月 日 附錄I 外文原文附錄II 外文翻譯非圓齒輪與機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化 1997年1月8日研制摘 要：使用金屬成形方法來(lái)加工生產(chǎn)零件的質(zhì)量很大取決于壓力桿。在機(jī)械壓力傳動(dòng)時(shí)，有一種依賴于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度速度比的非圓齒輪，提供了一種獲得這么動(dòng)作時(shí)間的新途徑，我們致力于為不同的優(yōu)化金屬成型運(yùn)作的制造。本文闡述了由漢諾威的大學(xué)研究所建成的金屬成形和金屬成形加工機(jī)床的使用原型原則，它就是目前運(yùn)動(dòng)學(xué)以及在原型產(chǎn)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(gè)例子，幾乎所有的金屬成形操作可有利用于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非圓齒輪。關(guān)鍵詞：壓力，齒輪，運(yùn)動(dòng)學(xué)。1. 簡(jiǎn)介 提高質(zhì)量的要求在生產(chǎn)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(chǎn)經(jīng)濟(jì)。日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)定位要求技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件都得到滿足。提高質(zhì)量、生產(chǎn)力、生產(chǎn)手段的創(chuàng)新解決方案,是一種用來(lái)維持和擴(kuò)大的市場(chǎng)地位的關(guān)鍵所在。所生產(chǎn)的金屬部件,我們需要分清期間所需的形成過(guò)程和處理零件所需的時(shí)間。隨著我們必須添加一些必要的額外工作，例如冷卻或潤(rùn)滑的模具一次成型過(guò)程。根據(jù)質(zhì)量和產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)方面，產(chǎn)生了兩個(gè)最優(yōu)化方法。為了滿足這兩個(gè)方面，我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)形成過(guò)程中考慮到該進(jìn)程的要求，也考慮到的是改變部分以及與一個(gè)優(yōu)先線輔助運(yùn)作所需的時(shí)間短周期的時(shí)間。2. 壓力機(jī)的要求 一個(gè)生產(chǎn)周期,這相當(dāng)于一個(gè)沖程來(lái)回壓的過(guò)程,大致經(jīng)歷了三個(gè)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(jīng)常發(fā)現(xiàn)送料的薄板,尤其是在純粹的切割時(shí)候。為此，壓力泵必須要一個(gè)確定時(shí)間的最小高度。成型周期中桿應(yīng)該有一個(gè)特別速度曲線,它將會(huì)降到最低。這個(gè)轉(zhuǎn)變期之間應(yīng)盡快來(lái)確保短周期時(shí)間。短周期的要求是事件的原因,以確保通過(guò)高產(chǎn)量低成本的部分?；谶@個(gè)原因，關(guān)于對(duì)大型汽車車身沖壓片機(jī)和自動(dòng)1200/min、拉深24/min的沖程數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的做法。增加沖程數(shù)是為了減少設(shè)計(jì)的周期變化導(dǎo)致增加的壓實(shí)機(jī)械應(yīng)變率, 然而，這對(duì)成形過(guò)程有很明顯影響,使它必須考慮參數(shù)確定過(guò)程和被它所影響。在拉深成形過(guò)程中,當(dāng)敲打板塊時(shí)的撞擊速度應(yīng)盡量避免產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。一方面,速度成形時(shí)必須充分潤(rùn)滑。另一方面,我們必須要考慮提高產(chǎn)量的相應(yīng)的壓力來(lái)增加造成更大的應(yīng)變速率力,這可能導(dǎo)致沖床半徑一側(cè)的一部分過(guò)渡疲勞而導(dǎo)致斷裂。在鍛造時(shí)，停留時(shí)間短的壓力是可取的。隨著停留時(shí)間的壓力下降了模具的表面溫度將降低，其結(jié)果是熱磨損。這是提高抵消了由于機(jī)械磨損形成更大的力量，但由于增加的應(yīng)變率是較低的，因?yàn)檩^低的部分冷卻屈服應(yīng)力補(bǔ)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(shí)間也是一個(gè)重要的技術(shù)要求的精密鍛造，近凈形部分有一個(gè)光明的未來(lái)。高質(zhì)量的要求和高產(chǎn)量將只能通過(guò)一個(gè)機(jī)技術(shù),考慮到金屬成形過(guò)程的考察要求等同于減少工作的目標(biāo)成本。以前按設(shè)計(jì)已經(jīng)不能同時(shí)滿足這些技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)的充分程度，或他們是非常昂貴的設(shè)計(jì)和制造，例如鏈接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)。這就需要尋找對(duì)泵創(chuàng)新設(shè)計(jì)的解決方案，它的設(shè)計(jì)應(yīng)主要標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，以降低成本。3非圓齒輪的壓力傳動(dòng)3.1 原則使用非圓齒輪傳動(dòng)機(jī)械曲柄壓力機(jī)，它提供了一種新方式的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)需求的壓力桿運(yùn)動(dòng)。一對(duì)非圓齒輪有不變的中心距, 因此采用了電動(dòng)馬達(dá)，或由飛輪、曲柄和驅(qū)動(dòng)機(jī)制本身。制服驅(qū)動(dòng)器的速度傳送是通過(guò)一對(duì)非圓齒輪傳遞給非均勻的偏心軸。如果非圓齒輪的適當(dāng)設(shè)計(jì)，從動(dòng)齒輪的非均勻驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致泵所需的行程時(shí)間行為。調(diào)查中心的金屬成形和金屬成型機(jī)床(IFUM)漢諾威的大學(xué)已經(jīng)表明,在這個(gè)簡(jiǎn)單的方式所有相關(guān)的壓力桿的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以達(dá)到各種成形過(guò)程。此外從運(yùn)動(dòng)學(xué)和縮短生產(chǎn)周期，驅(qū)動(dòng)概念導(dǎo)致新的驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)被以下的良好性能所區(qū)分。因?yàn)樗且粋€(gè)機(jī)械壓力機(jī)，它具有高可靠性、低維護(hù)性和可預(yù)期性。對(duì)連桿壓力機(jī)的數(shù)量和軸承零件顯然是減少。首先，一個(gè)基本泵類型可以通過(guò)安裝不同的齒輪而進(jìn)一步改變?cè)O(shè)計(jì)，它根據(jù)客戶的要求而設(shè)計(jì)。不同環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，軸承的安裝位置不會(huì)隨著單一載荷方向的不同運(yùn)動(dòng)而改變。因此，上述要求的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化是考慮到時(shí)間和成本，它降低了設(shè)計(jì)和沖壓生產(chǎn)成本。3.2 原型在金屬成型和金屬成型工具機(jī)（IFUM）1架的c型泵，它已經(jīng)進(jìn)行了修整和安裝了非圓齒輪副。為達(dá)到這種目的，先前的背輪背一個(gè)行星齒輪組做取代。這項(xiàng)工作表明了存在的新型傳動(dòng)印刷機(jī)是可能的，在最后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力泵的改造在Fig. 2中進(jìn)行說(shuō)明。圖表1 壓力機(jī)設(shè)計(jì)是為了所受1000KN的柱塞力和200KN的沖壓模具緩沖力。這一對(duì)非圓齒輪傳動(dòng)比平均為1，每個(gè)齒輪輪齒有59，直齒，模數(shù)10mm（圖2）齒面寬是150mm，這些齒輪有漸開(kāi)線輪齒。我假設(shè)了非圓曲線設(shè)計(jì)是以側(cè)面幾何設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。因此，一個(gè)非圓齒輪的齒形沿齒輪圓周而改變。盡管如此,它可以來(lái)自知名的梯形齒條. 然而4.5,提出了一種計(jì)算方法，它精確地把齒頂高和齒根高考慮在內(nèi)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。壓力機(jī)是為了在單一沖程模式下對(duì)零件進(jìn)行深拉而設(shè)計(jì)的。最高滑塊行程為180mm，行程數(shù)32/min。在140毫米的沖壓速度幾乎保持71mm/s不變，它是靜點(diǎn)中心線到靜點(diǎn)中心線之前的速度。見(jiàn)圖3。這種速度就相當(dāng)于液壓機(jī)工作的速度。這個(gè)速度影響到曲柄機(jī)構(gòu)，使其與擊打具有相同的數(shù)目相比較，速度都是220m/。為了跟一個(gè)曲柄壓力機(jī)具有相同的平均速度擊打的數(shù)目不得不將減少一半。短周期內(nèi)的機(jī)械改造將導(dǎo)致最后的向上運(yùn)動(dòng)。由于壓力機(jī)是運(yùn)行在單一的操作模式,在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其做相關(guān)的處理沒(méi)有提出特別的要求。驅(qū)動(dòng)機(jī)制的原型與非圓齒輪有另外一個(gè)有利的影響及其驅(qū)動(dòng)力矩（圖4）。對(duì)于一個(gè)曲柄壓力機(jī)的公稱力通?？梢越档挽o點(diǎn)之前把曲柄軸按正常方式旋轉(zhuǎn)。這對(duì)應(yīng)于公稱力作用下相對(duì)于擊打力的75%。若要達(dá)到1000kN標(biāo)準(zhǔn)力，該驅(qū)動(dòng)器已提供45 kNm 的曲柄軸扭矩。該原型只要求對(duì)非圓齒輪傳動(dòng)增加額外的30kNm力矩。他們被傳送一個(gè)循環(huán)，非均勻的曲柄轉(zhuǎn)矩，將導(dǎo)致一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)力在靜點(diǎn)范圍內(nèi)變化。這相當(dāng)于27.5%的行程。如果非圓齒輪副是在壓力機(jī)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(guān)。這樣可以設(shè)計(jì)一些較弱的機(jī)器零件弱，而且節(jié)約成本。4. 進(jìn)一步的設(shè)計(jì)實(shí)例利用二沖程時(shí)間行為的設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明了以下幾點(diǎn)。假設(shè)一系列的零件時(shí)通過(guò)壓力機(jī)來(lái)加工的。為了達(dá)到這一目的，壓力桿所需的速度和擊打成形速度要求假設(shè)成立必須量化。再者，處理零件所需的時(shí)間必須確定，而且必須假設(shè)在處理時(shí)壓力桿的最小高度。由此，我們?cè)O(shè)計(jì)動(dòng)作的順序，我們用數(shù)學(xué)含義來(lái)描述它。在IFUM中，由該研究所開(kāi)發(fā)使用軟件程序。從這個(gè)數(shù)學(xué)描述的沖程運(yùn)動(dòng),我們可以計(jì)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(gè)例子，在深拉伸沖壓速度應(yīng)該是在靜止點(diǎn)前，金屬板材成形保持在至少超過(guò)100mm，它的速度應(yīng)該是約400m/s。讓行程數(shù)定為30/min。第450mm以上擊打的地方，讓處理零件時(shí)間和曲柄壓力機(jī)在25min/n的擊打時(shí)間相同。圖5表明了沖程運(yùn)動(dòng)情況，這是由一對(duì)齒輪的描繪所獲得。該齒輪是通過(guò)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(chǎn)周期時(shí)間減少了20，應(yīng)把桿速度的影響也大大減少。下靜點(diǎn)前110mm，當(dāng)使用曲柄機(jī)構(gòu)時(shí)，沖擊速度為700mm/s，而當(dāng)使用非圓齒輪時(shí)僅僅只有410mm/s。第二個(gè)例子顯示了驅(qū)動(dòng)裝置是用于鍛造。在圖6中，常規(guī)鍛造曲軸的行程時(shí)間是相對(duì)于在圖片中說(shuō)明非圓齒輪壓力運(yùn)動(dòng)學(xué)。曲柄壓力機(jī)的周期時(shí)間是0.7s、行程數(shù)是85/min和標(biāo)準(zhǔn)力是20mn。它的保壓時(shí)間為86ms與50mm的成形部份時(shí)間。非圓齒輪壓力機(jī)描繪的保壓描繪時(shí)間67%減少至28ms。因此，它達(dá)到了和錘子一樣的幅度。通過(guò)增加1.5倍的沖程數(shù)，周期時(shí)間縮短至46mm。盡管如此,處理時(shí)間依舊與常規(guī)非圓齒輪曲柄壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)相同。在這種情況下為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng),傳統(tǒng)的圓弧齒輪可以作為驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)可以通過(guò)使用非圓齒輪驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。在同一時(shí)間內(nèi)，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)用潛力用實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)變得清晰，而且生產(chǎn)周期時(shí)間減少。例如，通過(guò)不同的例子，如果運(yùn)動(dòng)的順序?qū)σ幌盗袎毫C(jī)生產(chǎn)零件有利，可能增加拉深成形后的速度。5總結(jié)高生產(chǎn)率，降低成本和保證產(chǎn)品質(zhì)量的高要求，這時(shí)所有制造公司所期望的，特別適用于公司的金屬加工領(lǐng)域。這種情況導(dǎo)致我們重新考慮壓力傳動(dòng)機(jī)的使用。對(duì)曲柄與非圓齒輪傳動(dòng)壓力機(jī)的描述，使我們能夠優(yōu)化簡(jiǎn)單的機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)。這意味著周期時(shí)間縮短,以達(dá)到高生產(chǎn)率和運(yùn)動(dòng)學(xué)的成形工藝的要求。這個(gè)設(shè)計(jì)工作需要很低。相對(duì)于多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)其他運(yùn)動(dòng)學(xué)在其他齒輪軸承位置不改變時(shí)的壓力機(jī)構(gòu)建使用。這使壓力機(jī)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。6致謝作者想表達(dá)他們的謝意，感謝德國(guó)機(jī)床制造商協(xié)會(huì)(VDW),位于德國(guó)法蘭克福，其經(jīng)濟(jì)援助以及一些成員，感謝他們的支持。44