云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3177云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1238491.1云臺(tái)臺(tái)體分析 1208431.2云臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析 210004(1)俯仰軸運(yùn)動(dòng)分析 27421(2)水平軸運(yùn)動(dòng)分析 3276471.3傳動(dòng)方式分析 3277651.3.1機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與布局 4254891.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 445981.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 551361.3.5對(duì)于電機(jī)的選型設(shè)計(jì) 6196021.3.5其他結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì) 9293171.3.6總結(jié) 91.1云臺(tái)臺(tái)體分析本文的研究對(duì)象是兩軸云臺(tái)，其兩根旋轉(zhuǎn)軸相互垂直。常見(jiàn)兩軸云臺(tái)的臺(tái)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(tái)臺(tái)體的結(jié)構(gòu)類型極軸式云臺(tái)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(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以等同于地球自轉(zhuǎn)，但是在極軸附近存在觀測(cè)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(tái)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(tái)的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是加工難度較大，且在水平面存在觀測(cè)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(tái)等。地平式云臺(tái)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(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力學(xué)性能良好，但在天頂附近存在觀測(cè)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(tái)、測(cè)試云臺(tái)、雷達(dá)云臺(tái)等等。兩軸地平式云臺(tái)常見(jiàn)的機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，多適用于多負(fù)載云臺(tái)；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(tái)。因地平式云臺(tái)的良好性能與廣泛應(yīng)用，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)臺(tái)體。T型結(jié)構(gòu)U型結(jié)構(gòu)圖2-2地平式云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)類型1.2云臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析(1)俯仰軸運(yùn)動(dòng)分析由云臺(tái)的臺(tái)體結(jié)構(gòu)可知，云臺(tái)俯仰軸的運(yùn)動(dòng)屬于薄板繞轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，薄板繞轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)的設(shè)計(jì)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(dòng)慣量定理如式（2-2）所示：M=J?β式中：M——轉(zhuǎn)矩；J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；β——角加速度。根據(jù)云臺(tái)的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)分析云臺(tái)水平軸的運(yùn)動(dòng)可以視為如圖2-4所示的圓柱體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的定軸運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)指標(biāo)可知，云臺(tái)質(zhì)量不大于10kg，云臺(tái)負(fù)載同樣不大于10kg，即m≤20kg，且云臺(tái)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(tái)水平運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J≤0.40kg*m2。將水平運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量代入如式（2-2）所示的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式可得：M水平≤1.392N*m。1.3傳動(dòng)方式分析要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)方案，可以考慮連桿機(jī)構(gòu)，帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?？紤]到整體的空間緊湊性，本次設(shè)計(jì)中不考慮采用連桿機(jī)構(gòu)。對(duì)于齒輪機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)的比較，齒輪傳動(dòng)兩齒輪的中心轉(zhuǎn)軸相互平行，其傳動(dòng)比通常較小，但傳動(dòng)效率高，通常能達(dá)到80-90%，齒輪傳動(dòng)不具有自鎖性。而對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)[4]，蝸輪與蝸桿的中心轉(zhuǎn)軸空間垂直，其通?？蓪?shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，但傳動(dòng)效率較低，通常在50%以下，蝸輪蝸桿傳動(dòng)一般都具有自鎖性?？紤]到實(shí)際云臺(tái)的整體方案和安裝布局，需要借助同步帶傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本自由度的運(yùn)動(dòng)。1.3.1機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與布局對(duì)于機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)布局，由于云臺(tái)最終需要安裝在固定支座上，要實(shí)現(xiàn)繞豎直軸的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，可在云臺(tái)末端設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)或蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式。如圖2-3所示，左側(cè)電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸輪固定在安裝基座上，電機(jī)會(huì)使得云臺(tái)作水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，右側(cè)電機(jī)可通過(guò)同步帶及蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)蝸輪軸兩側(cè)法蘭盤(pán)的俯仰運(yùn)動(dòng)。圖2-3二自由度云臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型1.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析對(duì)于二自由度云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。動(dòng)力源部分主要是指電機(jī)的選型和參數(shù)的確定，傳動(dòng)部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心部分，主要包括帶傳動(dòng)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)中參數(shù)的確定和分析；執(zhí)行部分分別為兩個(gè)自由度末端的法蘭，通過(guò)法蘭與外部器件連接實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。1.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是空間兩交錯(cuò)軸的運(yùn)動(dòng)，由上小結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析可知，兩電機(jī)輸出軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸均為90°，恰好符合蝸輪蝸桿的傳動(dòng)特點(diǎn)。蝸輪結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大。一般傳動(dòng)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(shí)嚙合的齒數(shù)較多，所以傳動(dòng)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(shí)，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(tái)的傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)的要求，所以本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。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(dòng)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(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)電機(jī)輸出軸與蝸桿之間需要傳動(dòng)裝置傳動(dòng)，可用齒輪傳動(dòng)部件或撓性傳動(dòng)部件。齒輪減速器能有較好的傳動(dòng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工藝性不高；采用撓性傳動(dòng)部件能有較好的工藝性、互換性，便于安裝或更換。撓性傳動(dòng)部件中又有摩擦帶傳動(dòng)、同步帶和鏈傳動(dòng)等，本次設(shè)計(jì)采用同步帶傳動(dòng)；同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，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(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、能吸振、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)、能高速傳動(dòng)、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，符合云臺(tái)基本運(yùn)動(dòng)的各種要求，故傳動(dòng)部件采用同步帶傳動(dòng)。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3卷得：小帶輪轉(zhuǎn)速小于900r/min時(shí)，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(zhǎng)度的質(zhì)量為0.007kg/m。初定軸間距為100mm。1.3.5對(duì)于電機(jī)的選型設(shè)計(jì)在實(shí)際工業(yè)中集成的電機(jī)類型主要包括伺服電機(jī)、三相交流電機(jī)、直流電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)等。其中，直流電機(jī)和伺服電機(jī)具備高轉(zhuǎn)速、低扭矩的特點(diǎn)，而步進(jìn)電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較低，且力矩較大。對(duì)于二自由度云臺(tái)機(jī)構(gòu)，其具備轉(zhuǎn)動(dòng)速度低、且負(fù)載較重時(shí)需要的力矩較高、內(nèi)部空間有限等特點(diǎn)，永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、簡(jiǎn)單輕便，廣泛地用于各類云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，因此在本次設(shè)計(jì)中選用永磁同步電機(jī)作為云臺(tái)的動(dòng)力輸出?？紤]到云臺(tái)的整體尺寸和負(fù)載大小，選型西門(mén)子直流電機(jī)5系列，其實(shí)物圖如圖2-4所示，其各個(gè)參數(shù)如表2-1所示。圖2-4產(chǎn)品名稱直流電機(jī)5系列功率范圍31.5kw電源電壓420v勵(lì)磁單獨(dú)勵(lì)磁極數(shù)4極轉(zhuǎn)速最多4500rpm防護(hù)等級(jí)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(jì)及選型云臺(tái)機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿均需要使用滾動(dòng)軸承固定。深溝球軸承是最常用的滾動(dòng)軸承。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。主要用來(lái)承受徑向載荷，但當(dāng)增大軸承徑向游隙時(shí)，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(shí)，也可用來(lái)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(tái)傳動(dòng)的基本要求；基本型的深溝球軸承由一個(gè)外圈，一個(gè)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(kāi)式兩種結(jié)構(gòu)，開(kāi)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(jiǎn)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(rùn)滑脂外溢。單列深溝球軸承類型代號(hào)為6，雙列深溝球軸承代號(hào)為4。本章云臺(tái)設(shè)計(jì)選用深圳市隆源機(jī)電有限公司的微型15萬(wàn)轉(zhuǎn)軸承電機(jī)專用693ZZ微型深溝球滾珠軸承。實(shí)物圖如圖2-5所示。圖2-51.3.8中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)是機(jī)械領(lǐng)域十分常見(jiàn)的一種嚙合傳動(dòng)形式，其通過(guò)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳動(dòng)比，并且具有自鎖能力。在云臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要確定末端負(fù)載的大小，通過(guò)蝸輪蝸桿的力學(xué)計(jì)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(shí)現(xiàn)二自由度云臺(tái)較緊湊的結(jié)構(gòu)，需要采用帶傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)方案對(duì)電機(jī)輸出軸和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。帶傳動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)的輸出方向，使得電機(jī)可以跟蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)平行布置，避免硬性連接導(dǎo)致的整體尺寸過(guò)于狹長(zhǎng)。帶傳動(dòng)具有一定的傳動(dòng)柔性，并且噪音小，傳動(dòng)平穩(wěn)。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算中，首先需要通過(guò)對(duì)負(fù)載及帶輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算確定帶的類型和基本參數(shù)。帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮帶的尺寸標(biāo)準(zhǔn)化以及安裝過(guò)程中的張緊方式。帶的長(zhǎng)度確定首先通過(guò)初始的帶輪布置位置和尺寸確定初始長(zhǎng)度，通過(guò)查找?guī)чL(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)確定需要選型的最終帶長(zhǎng)，再通過(guò)該帶長(zhǎng)