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XX大學(xué)XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目： 室內(nèi)數(shù)控云臺
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： 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 云臺總體方案的設(shè)計…………………...………………………………………………...4
第一節(jié) 云臺設(shè)計方案的提出………...………………………………………………...4
第二節(jié) 云臺設(shè)計方案的論述………...………………………………………………...5
第四章 機(jī)械部分的設(shè)計…………………...……………………………………………………...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)傳動系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………….....8
第三節(jié) 軸的設(shè)計……………………………………………………………………...13
第四節(jié) 軸承的設(shè)計…………………………………………...………………………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)計是設(shè)計閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設(shè)備——數(shù)控云臺，此設(shè)計根據(jù)數(shù)控云臺的工作環(huán)境、機(jī)械指標(biāo)、設(shè)計參數(shù)和主要技術(shù)要求，采用室內(nèi)智能球型云臺。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，云臺在水平方向可連續(xù)350無級變速掃描，并設(shè)有設(shè)置攝像點(diǎn)的功能。本設(shè)計介紹了數(shù)控云臺的傳動原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，并對步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)作了簡單的介紹。
關(guān)鍵詞：閉路電視系統(tǒng) 數(shù)控云臺 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，對信息傳輸?shù)囊螅坏舐牭綄Ψ降穆曇?，更希望看到對方的形象，而且還要看到對方活動的現(xiàn)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(jī)要部門、商場、貨場、生產(chǎn)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(jī)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(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、公安系統(tǒng)等國民經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，它在我國現(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(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個方向轉(zhuǎn)動的裝置。云臺內(nèi)裝兩個電動機(jī)。這兩個電動機(jī)一個負(fù)責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動，另一個負(fù)責(zé)垂直方向的轉(zhuǎn)動。水平轉(zhuǎn)動的角度一般350。，垂直轉(zhuǎn)動則有土45。，土35。、土75。等等。水平及垂直轉(zhuǎn)動的角度大小可通過限位開關(guān)進(jìn)行調(diào)整。
云臺的分類大致分為室內(nèi)用云臺及室外用云臺。室內(nèi)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(yīng)安裝不同的攝象機(jī)及防護(hù)罩，云臺的承重應(yīng)是不同的。因而應(yīng)根據(jù)選用的攝象機(jī)及防護(hù)罩的總重量來選用合適承重的云臺。室內(nèi)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(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(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。
一般的云臺均屬于有線控制的數(shù)控云臺。云臺的轉(zhuǎn)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(nèi)的步進(jìn)電機(jī)上，或者通過通信電纜控制遠(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內(nèi)的電動機(jī)上，從而實現(xiàn)云臺的旋轉(zhuǎn)。
還有的云臺內(nèi)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(zhuǎn)動端。當(dāng)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(jī)頭按一定的轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行上、下、左、右的自動轉(zhuǎn)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(nèi)用小型云臺，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(shù)量不多時，一般采用從控制臺直接輸出控制信號進(jìn)行控制。而當(dāng)云臺的安裝位置距離控制中心較遠(yuǎn)且數(shù)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(zhuǎn)動。
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)控云臺的技術(shù)指標(biāo)
云臺的設(shè)計參數(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
智能高速球云臺的優(yōu)點(diǎn)：
（1）普通云臺的監(jiān)視范圍有限，在云臺的正下方存在死點(diǎn)，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(diǎn)。
（2）普通云臺多為勻速云臺，只能以10RAD/S左右的固定速度進(jìn)行掃描，無法應(yīng)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(biāo)。
（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(xiàn)當(dāng)前攝象機(jī)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(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、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(yù)置攝象點(diǎn)的功能，而智能高速球云臺則可以有預(yù)置攝象點(diǎn)。
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(shè)計
第一節(jié) 云臺設(shè)計方案的提出
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)動軸與齒輪的連接是用一對背靠背的角接觸球軸承，水平轉(zhuǎn)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(jī)。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺的設(shè)計。
第二節(jié) 云臺設(shè)計方案的論述
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)是輸入一個脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。實際上，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的開關(guān)是晶體管，開關(guān)信號由數(shù)字集成電路或微機(jī)產(chǎn)生。通過前面的介紹可以看到，步進(jìn)電機(jī)是一種把開關(guān)激勵的變化變換成為梢確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動的執(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)有下面幾個明顯的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 通常不需要反饋就能對位置或速度進(jìn)行控制。
(2) 位置誤差不會積累。
(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)電動機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)久耐用，所以是目前應(yīng)用最普及的一種步進(jìn)電動機(jī)。這種電動機(jī)按變磁阻原理工作，于是有的國家又稱之為變磁阻步進(jìn)電動機(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；不通電時轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、壽命長；能雙向旋轉(zhuǎn)；有適量阻尼；正常電機(jī)無失步區(qū)。缺點(diǎn)是：不通電時無定位力矩；每步有振蕩和過沖。
永磁式步進(jìn)電動機(jī)特點(diǎn)：功耗較小，在斷電時仍有定位轉(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)動攝象機(jī)的動力源。
攝象機(jī)的脈沖當(dāng)量等于步進(jìn)電動機(jī)的步距角除以傳動比，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，同時降低驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)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(shè)計，其優(yōu)點(diǎn)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(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)簡單
（4） 防護(hù)罩降低了云臺的轉(zhuǎn)動噪音。
第四章 機(jī)械部分的設(shè)計
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問題：（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）啟動轉(zhuǎn)矩與啟動頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號相對應(yīng)的啟動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)計參數(shù)和技術(shù)要求：行程-45——45，最大速度90/s。
（1）計算負(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(jìn)電機(jī)的加減速控制，對于點(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。對于云臺在點(diǎn)——位控制過程中，運(yùn)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(shè)計中，近似認(rèn)為地認(rèn)為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實際上按指數(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)動時的轉(zhuǎn)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(shè)計中，將轉(zhuǎn)動中心定于重心附近，即重心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(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)計參數(shù)和技術(shù)要求： 行程： 0-355； 最高速度： 2 r/s
（1） 、計算負(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(zhuǎn)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(shù)后，得到M，由于采用的是滾動軸承，摩擦系數(shù)遠(yuǎn)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(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)傳動系統(tǒng)設(shè)計
一、 垂直X軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)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(jī)械設(shè)計》：
選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)
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(jīng)?；幚恚X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(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
計算載荷系數(shù)K ： K = KKKK （其中K為使用系數(shù)；K為動載系數(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(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 []=MPa
計算應(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
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 MPa
計算接觸疲勞許用應(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
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(yùn)動范圍是，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
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(shù)
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(jīng)?；幚恚X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(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軸的計算方法，得載荷系數(shù)K=1.224
計算齒形系數(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 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
d≥2.32× mm
同上 =2.5Z=2.5×188.9×
=0.19 MPa
由上計算得 []=347.7 MPa， 顯然=0.19 MPa≤[]=347.7 MPa
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
一、 垂直X軸的設(shè)計
因為X方向的軸同時承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以按彎扭組合強(qiáng)度條件進(jìn)行計算（材料為45號鋼，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
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號鋼的抗彎強(qiáng)度極限為[]=598 MPa
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)開一個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(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 MPa
查表可得45號鋼的許用剪切應(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
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(qiáng)酸強(qiáng)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(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/（10×10×10×10）=0.035 MPa≤[p] =3 MPa
2、 驗算軸承的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，即滑動速度（m/s）
[pv]為軸瓦材料的pv許用值（MPam/s）
因為n=15r/min，查表12-3可得，[pv]=0.04 MPam/s
pv=Fn/(19100B)=3.5×15/19100×10=0.00027 MPam/s≤[pv]=0.04 MPam/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(jù)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(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)時無沖擊，設(shè)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(jù)表13-5，角接觸球軸承的最大e值為1.14，即A/R＞e
2、 初步計算當(dāng)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(shè)計使用壽命：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)四年時光就快過去了！這次畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)四年最大、最正規(guī)的一個設(shè)計，也是大學(xué)四年最后一個設(shè)計！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設(shè)計。這次設(shè)計的題目是室內(nèi)數(shù)控云臺設(shè)計，云臺是一個比較現(xiàn)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(guān)的資料，看了很多相關(guān)的書，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)計才得以進(jìn)行下去。由于這是最后一次設(shè)計了，是對我們大學(xué)四年的學(xué)習(xí)的總結(jié)，所以我們在設(shè)計中充分考慮了各方面的因素，我覺得這對我們來說是最重要的，以前在做畢業(yè)設(shè)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(xiàn)在就不同了，每做一步我們都盡量考慮各個步驟。該設(shè)備主要是對機(jī)要部門、商場、貨場、生產(chǎn)等部門的監(jiān)控，所以對其在實際情況中的應(yīng)用性有很大要求，在設(shè)計當(dāng)中，我們通過上網(wǎng)或者去圖書館等方式查閱了當(dāng)前社會實際中運(yùn)用的各種云臺的外型、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等，結(jié)合自己設(shè)計中的參數(shù)和要求設(shè)計出了自己的設(shè)計作品，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，從這方面來說，該設(shè)備已經(jīng)基本達(dá)到了滿足社會需求的要求！控制方面對于我們來說是最難的，因為對于通信和程序方面，我們比較弱，為了完善自己的設(shè)計，大家都努力去看相關(guān)的書籍，把設(shè)計的內(nèi)容都補(bǔ)了回來，使我們對這方面的課外內(nèi)容多少了解了一點(diǎn)。在設(shè)計過程中，雖然其結(jié)構(gòu)不是很大，但是設(shè)計內(nèi)容相對來說比較多，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)方面也要及時交流?？梢哉f，這個畢業(yè)設(shè)計能順利完成，是組內(nèi)各位同學(xué)共同努力的結(jié)果。
隨著最后一項任務(wù)的完成，我們的畢業(yè)設(shè)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(fù)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(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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