云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3177云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例 1238491.1云臺臺體分析 1208431.2云臺運動分析 210004(1)俯仰軸運動分析 27421(2)水平軸運動分析 3276471.3傳動方式分析 3277651.3.1機構(gòu)方案設(shè)計與布局 4254891.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 445981.3.3執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 551361.3.5對于電機的選型設(shè)計 6196021.3.5其他結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計 9293171.3.6總結(jié) 91.1云臺臺體分析本文的研究對象是兩軸云臺，其兩根旋轉(zhuǎn)軸相互垂直。常見兩軸云臺的臺體一般有三種結(jié)構(gòu)類型，分別為：極軸式、水平式與地平式，如圖2-1所示。圖1極軸式圖2水平式圖3地平式圖2-1云臺臺體的結(jié)構(gòu)類型極軸式云臺的兩軸分別垂直與平行地球的自轉(zhuǎn)軸，如圖2-1（a）所示，稱為：赤緯軸與極軸[35]。極軸式云臺的轉(zhuǎn)動可以等同于地球自轉(zhuǎn)，但是在極軸附近存在觀測盲區(qū)，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。極軸式結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡。水平式云臺的兩軸分別平行于南北方向與東西方向，如圖2-1（b）所示，稱為：經(jīng)軸與緯軸。水平式云臺的優(yōu)點在于機械結(jié)構(gòu)較為簡單，但是加工難度較大，且在水平面存在觀測盲區(qū)。水平式結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、仿真云臺等。地平式云臺的兩軸分別垂直和平行于地面，如圖2-1（c）所示，稱為：水平軸（或方位軸）與俯仰軸。地平式云臺的結(jié)構(gòu)簡單、力學(xué)性能良好，但在天頂附近存在觀測盲區(qū)[36]。地平式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍最廣，包括天文望遠(yuǎn)鏡、仿真云臺、測試云臺、雷達(dá)云臺等等。兩軸地平式云臺常見的機械結(jié)構(gòu)有T型和U型兩種，如圖2-2所示。T型結(jié)構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)相對緊湊，多適用于多負(fù)載云臺；U型結(jié)構(gòu)的空間利用率高、綜合性能較好，一般適用于單負(fù)載云臺。因地平式云臺的良好性能與廣泛應(yīng)用，以及系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)中的單負(fù)載要求，本文選用兩軸地平式U型結(jié)構(gòu)的云臺臺體。T型結(jié)構(gòu)U型結(jié)構(gòu)圖2-2地平式云臺機械結(jié)構(gòu)類型1.2云臺運動分析(1)俯仰軸運動分析由云臺的臺體結(jié)構(gòu)可知，云臺俯仰軸的運動屬于薄板繞轉(zhuǎn)軸的運動，薄板繞轉(zhuǎn)軸運動的轉(zhuǎn)動慣量如式（2-1）所示：J=m式中：m——薄板的質(zhì)量；a——薄板的寬度。根據(jù)云臺的設(shè)計指標(biāo)可知，負(fù)載質(zhì)量不大于10kg，且負(fù)載寬度不大400mm，即a≤400mm、m≤10kg，則J≤0.533kg*m2。轉(zhuǎn)動慣量定理如式（2-2）所示：M=J?β式中：M——轉(zhuǎn)矩；J——轉(zhuǎn)動慣量；β——角加速度。根據(jù)云臺的設(shè)計指標(biāo)可知，β≤140°/s≈1.443rad/s，則由式（2-2）可知M俯仰≤1.302N。(2)水平軸運動分析云臺水平軸的運動可以視為如圖2-4所示的圓柱體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的定軸運動，其轉(zhuǎn)動慣量公式如式（2-3）所示：J=m式中：m——圓柱體的質(zhì)量；r——圓柱體的半徑。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)可知，云臺質(zhì)量不大于10kg，云臺負(fù)載同樣不大于10kg，即m≤20kg，且云臺旋轉(zhuǎn)半徑不大于200mm，即r≤0.20m，將m與r代入式（2-3）可得云臺水平運動的轉(zhuǎn)動慣量J≤0.40kg*m2。將水平運動的轉(zhuǎn)動慣量代入如式（2-2）所示的轉(zhuǎn)動慣量公式可得：M水平≤1.392N*m。1.3傳動方式分析要實現(xiàn)兩個自由度運動的機構(gòu)方案，可以考慮連桿機構(gòu)，帶傳動機構(gòu)、齒輪機構(gòu)或蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)?？紤]到整體的空間緊湊性，本次設(shè)計中不考慮采用連桿機構(gòu)。對于齒輪機構(gòu)和渦輪蝸桿機構(gòu)的比較，齒輪傳動兩齒輪的中心轉(zhuǎn)軸相互平行，其傳動比通常較小，但傳動效率高，通常能達(dá)到80-90%，齒輪傳動不具有自鎖性。而對于蝸輪蝸桿傳動[4]，蝸輪與蝸桿的中心轉(zhuǎn)軸空間垂直，其通?？蓪崿F(xiàn)較大的傳動比，但傳動效率較低，通常在50%以下，蝸輪蝸桿傳動一般都具有自鎖性?？紤]到實際云臺的整體方案和安裝布局，需要借助同步帶傳動進(jìn)行運動方式的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)兩個基本自由度的運動。1.3.1機構(gòu)方案設(shè)計與布局對于機構(gòu)方案的設(shè)計布局，由于云臺最終需要安裝在固定支座上，要實現(xiàn)繞豎直軸的水平轉(zhuǎn)動，可在云臺末端設(shè)計齒輪傳動或蝸輪蝸桿傳動形式。如圖2-3所示，左側(cè)電機通過同步帶傳動帶動蝸桿轉(zhuǎn)動從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，由于蝸輪固定在安裝基座上，電機會使得云臺作水平方向的轉(zhuǎn)動。同理，右側(cè)電機可通過同步帶及蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)蝸輪軸兩側(cè)法蘭盤的俯仰運動。圖2-3二自由度云臺的結(jié)構(gòu)模型1.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析對于二自由度云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從動力源、傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)三部分進(jìn)行設(shè)計分析。動力源部分主要是指電機的選型和參數(shù)的確定，傳動部分為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心部分，主要包括帶傳動及蝸輪蝸桿傳動中參數(shù)的確定和分析；執(zhí)行部分分別為兩個自由度末端的法蘭，通過法蘭與外部器件連接實現(xiàn)兩個自由度的運動。1.3.3執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計由于水平軸的轉(zhuǎn)動與俯仰軸的轉(zhuǎn)動是空間兩交錯軸的運動，由上小結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析可知，兩電機輸出軸與執(zhí)行機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸均為90°，恰好符合蝸輪蝸桿的傳動特點。蝸輪結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大。一般傳動比i=10~40，最大可達(dá)80。由于蝸桿上的齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，蝸輪輪齒和蝸桿是逐漸進(jìn)入嚙合并逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒數(shù)較多，所以傳動平穩(wěn)、噪音小。再者，當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時，蝸輪蝸桿具有自鎖性。蝸輪蝸桿這些自身的特性都非常契合云臺的傳動及運動的要求，所以本次設(shè)計的傳動機構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動。蝸輪蝸桿的選型表1蝸輪蝸桿的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)第一系列11.251.621.53.15456.381011.516202531.540第二系列1.51.7533.54.55.567121418223036注：優(yōu)先采用第一系列表2蝸桿頭數(shù)Z1與蝸輪齒數(shù)Z2的薦用值傳動比i蝸桿頭數(shù)Z1蝸輪齒數(shù)Z27~13428~5214~27228~5428~402,128~80＞401＞40查表得，在不大于云臺總體結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，選擇了蝸桿模數(shù)m1=2，蝸輪模數(shù)m2=16；蝸桿頭數(shù)z1=2，蝸輪齒數(shù)z2=28的參數(shù)。1.3.4傳動機構(gòu)設(shè)計電機輸出軸與蝸桿之間需要傳動裝置傳動，可用齒輪傳動部件或撓性傳動部件。齒輪減速器能有較好的傳動穩(wěn)定性和準(zhǔn)確的傳動比，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工藝性不高；采用撓性傳動部件能有較好的工藝性、互換性，便于安裝或更換。撓性傳動部件中又有摩擦帶傳動、同步帶和鏈傳動等，本次設(shè)計采用同步帶傳動；同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，同步帶的結(jié)構(gòu)以細(xì)鋼絲或玻璃纖維等作為抗拉體，外面以聚氨酯、橡膠等材料包覆，并制出齒形，帶輪的輪面也制成相應(yīng)的齒形。它具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高、能吸振、噪音低、傳動平穩(wěn)、能高速傳動、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點，符合云臺基本運動的各種要求，故傳動部件采用同步帶傳動。查閱機械設(shè)計手冊3卷得：小帶輪轉(zhuǎn)速小于900r/min時，采用MXL帶型，最小齒數(shù)Zmin=10，同步帶的基準(zhǔn)寬度bs0=6.4mm，標(biāo)準(zhǔn)同步小帶輪的直徑d1=6.47mm，齒數(shù)為10,；大帶輪的直徑d2=11.94mm，齒數(shù)為20，許用工作拉力Ta=27N，單位長度的質(zhì)量為0.007kg/m。初定軸間距為100mm。1.3.5對于電機的選型設(shè)計在實際工業(yè)中集成的電機類型主要包括伺服電機、三相交流電機、直流電機及步進(jìn)電機等。其中，直流電機和伺服電機具備高轉(zhuǎn)速、低扭矩的特點，而步進(jìn)電機通常轉(zhuǎn)速較低，且力矩較大。對于二自由度云臺機構(gòu)，其具備轉(zhuǎn)動速度低、且負(fù)載較重時需要的力矩較高、內(nèi)部空間有限等特點，永磁電機結(jié)構(gòu)簡單，體積小、簡單輕便，廣泛地用于各類云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，因此在本次設(shè)計中選用永磁同步電機作為云臺的動力輸出?？紤]到云臺的整體尺寸和負(fù)載大小，選型西門子直流電機5系列，其實物圖如圖2-4所示，其各個參數(shù)如表2-1所示。圖2-4產(chǎn)品名稱直流電機5系列功率范圍31.5kw電源電壓420v勵磁單獨勵磁極數(shù)4極轉(zhuǎn)速最多4500rpm防護(hù)等級IP23結(jié)構(gòu)類型IM冷卻方式IC06定子全疊片式1表2-11.3.7軸承的設(shè)計及選型云臺機構(gòu)的蝸輪蝸桿均需要使用滾動軸承固定。深溝球軸承是最常用的滾動軸承。它的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。主要用來承受徑向載荷，但當(dāng)增大軸承徑向游隙時，具有一定的角接觸球軸承的性能，可以承受徑、軸向聯(lián)合載荷。在轉(zhuǎn)速較高又不宜采用推力球軸承時，也可用來承受純軸向載荷。與深溝球軸承規(guī)格尺寸相同的其它類型軸承比較，此類軸承摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。但不耐沖擊，不適宜承受重載荷。符合云臺傳動的基本要求；基本型的深溝球軸承由一個外圈，一個內(nèi)圈、一組鋼球和一組保持架構(gòu)成。深溝球軸承類型有單列和雙列兩種，深溝球結(jié)構(gòu)還分密封和開式兩種結(jié)構(gòu)，開式是指軸承不帶密封結(jié)構(gòu)，密封型深溝球分為防塵密封和防油密封。防塵密封蓋材料為鋼板沖壓，只起到簡單的防止灰塵進(jìn)入軸承滾道。防油型為接觸式油封，能有效的阻止軸承內(nèi)的潤滑脂外溢。單列深溝球軸承類型代號為6，雙列深溝球軸承代號為4。本章云臺設(shè)計選用深圳市隆源機電有限公司的微型15萬轉(zhuǎn)軸承電機專用693ZZ微型深溝球滾珠軸承。實物圖如圖2-5所示。圖2-51.3.8中間傳動機構(gòu)設(shè)計蝸輪蝸桿傳動是機械領(lǐng)域十分常見的一種嚙合傳動形式，其通過能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳動比，并且具有自鎖能力。在云臺的設(shè)計過程中，首先需要確定末端負(fù)載的大小，通過蝸輪蝸桿的力學(xué)計算確定其基本參數(shù)值的大小，主要包括輪齒的模數(shù)及齒數(shù)等，再結(jié)合整體的布局，確定蝸輪蝸桿的其他參數(shù)，包括連接軸的尺寸，連接固定方式等。蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-6、圖2-7所示。圖2-6圖2-7為實現(xiàn)二自由度云臺較緊湊的結(jié)構(gòu)，需要采用帶傳動的機構(gòu)方案對電機輸出軸和末端執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行連接。帶傳動改變運動的輸出方向，使得電機可以跟蝸輪蝸桿機構(gòu)平行布置，避免硬性連接導(dǎo)致的整體尺寸過于狹長。帶傳動具有一定的傳動柔性，并且噪音小，傳動平穩(wěn)。在對其進(jìn)行設(shè)計計算中，首先需要通過對負(fù)載及帶輪轉(zhuǎn)速的計算確定帶的類型和基本參數(shù)。帶傳動設(shè)計時，需要考慮帶的尺寸標(biāo)準(zhǔn)化以及安裝過程中的張緊方式。帶的長度確定首先通過初始的帶輪布置位置和尺寸確定初始長度，通過查找?guī)чL標(biāo)準(zhǔn)確定需要選型的最終帶長，再通過該帶長