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畢業(yè)論文（設計）任務的內(nèi)容和要求 （包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求） 設計一種數(shù)控云臺，該設備主要應用于室內(nèi)，采用吊裝式，全天候都能進行監(jiān)控，并且要求設計其控制部分，編出設計程序，使之實現(xiàn)數(shù)控化。具體要求如下： 1. Z方向行程范圍0－355，X方向行程范圍－45－＋45 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. 兩個方向的速度從最靜止提高到最大速度的時間為0.2s 4. 設計工作強度為每天24小時，每年工作360天，工作20年 5. 控制部分要實現(xiàn)攝像機的鏡頭的變焦、聚焦和行程控制等功能 6. 云臺外形要美觀，而且有利于攝像機的隱蔽，在工作期間不易于被人發(fā)現(xiàn) 圖紙內(nèi)容及張數(shù) 要求完成的圖紙內(nèi)容及要求 1. 系統(tǒng)裝配圖A1―――――――――――――――――――――――1張； 2. 關鍵部件零件圖A3―――――――――――――――――――――2張； 3. 數(shù)字控制原理圖A1―――――――――――――――――――――1張； 4. 關鍵部件零件圖A4―――――――――――――――――――――1張 其它要提交的設計資料 1. 設計說明（論文）書一份，不少于1.8萬字； 2. 說明（論文）書要求有方案論證分析，必要的理論計算，部件結構設計計算，及選用說明，電氣控制電路，設計分析，計算說明； 3. 包括一個有圖紙和設計說明（論文）書內(nèi)容的軟盤。 畢業(yè)論文（設計）進度計劃 起訖日期 工作內(nèi)容 備注 3.25~4.13 4.16~4.24 4.25~5.5 5.6~5.13 5.14~5.20 5.21~6.4 6.5~6.10 查設計資料，方案分析； 總體方案設計； 傳動和總體結構計算； 機械結構設計； 數(shù)字控制原理圖設計及實體設計； 編寫設計程序和撰寫畢業(yè)設計說明書； 畢業(yè)答辯。 參考文獻 1、 鄭緹、唐可洪主編?！稒C電一體化設計基礎》，北京，機械工業(yè)出版社。2002年 2、 楊磊、李峰主編?！堕]路電視監(jiān)控系統(tǒng)》，機械工業(yè)出版社。1999年 3、 何立民編著，《單片機高級教程－應用與設計》，北京，北京航空航天大學出版社，2001.6 4、耿長清主編，《單片機應用技術》，北京，化學工業(yè)出版社，2002.7 5、周開勤主編?！稒C械零件手冊》第四版，北京，高等教育出版社。1998年 6、濮良貴、紀名剛主編?！稒C械設計》第六版，北京，高等教育出版社。2000年 7、李朝青編著，《PC機及單片機數(shù)據(jù)通信技術》，北京，北京航空航天大學出版社，2000.12 8、孫桓、陳作模主編?！稒C械原理》第五版，北京，高等教育出版社。2000年 9、關振彪編?！稒C電綜合設計指導》，湛江，湛江海洋大學。2002年 10、劉鴻文主編?！恫牧狭W》第三版，北京，高等教育出版社。2000年 11、王煥庭、李茅、徐善國主編。《機械工程材料》第四版，大連理工出版社。2000 湛江海洋大學 畢業(yè)設計（論文）書 設計題目： 室內(nèi)數(shù)控云臺設計 （中英文）： The design for the Numerical control sputnik indoors 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： xx xxxxxxxxxxxxxx 學生姓名： xxxxxxxxxxxx 指導教師： xxxxxx 職稱： 副教授 xxxxxx 職稱： 講 師 2008 年 6 月 10 日 目錄 摘要…………………………………………………………………………………………………1 前言…………………………………………………………………………………………………2 第一章 緒論……………………………………………………………………………………….3 第二章 產(chǎn)品的技術指標和技術參數(shù)…………………………………………………………….4 第一節(jié) 數(shù)控云臺的技術指標..……………………………………………….………...4 第二節(jié) 可行性論證及技術經(jīng)濟分析..………………………………………………...4 第三章 云臺總體方案的設計…………………...………………………………………………...4 第一節(jié) 云臺設計方案的提出………...………………………………………………...4 第二節(jié) 云臺設計方案的論述………...………………………………………………...5 第四章 機械部分的設計…………………...……………………………………………………...6 第一節(jié) 步進電機的選用…...…………………………………………………….…...6 第二節(jié) 減速機構傳動系統(tǒng)設計…………………………………………………….....8 第三節(jié) 軸的設計……………………………………………………………………...13 第四節(jié) 軸承的設計…………………………………………...………………………15 第五章 控制部分的設計…………………………………………………………………………16 第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能與設計要求………………………………………………….16 第二節(jié) 系統(tǒng)總體設計方案…………………………………………………………….17 第三節(jié) 軟件設計……………………………………………………………………….21 第六章 總 結……………….……………………………………………………………………31 第七章 外文翻譯…………………………………………………………………………………32 第八章 參考資料………………………………..………………………………………………..44 第九章 附錄……………………………………..………………………………………………..45 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(shù)控云臺，此設計根據(jù)數(shù)控云臺的工作環(huán)境、機械指標、設計參數(shù)和主要技術要求，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(shù)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(shù)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 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 隨著科學技術的不斷發(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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸管理、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(xiàn)代化建設中，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 云臺是承載攝象機進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。這兩個電動機一個負責水平方向的轉(zhuǎn)動，另一個負責垂直方向的轉(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進行調(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(jù)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(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(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，比如與攝象機一起安裝在半球型防護罩內(nèi)或全天候防護罩內(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(jīng)局部多芯電纜將電壓加到云臺內(nèi)的電動機上，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(zhuǎn)動速度進行上、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行控制。而當云臺的安裝位置距離控制中心較遠且數(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)品的技術指標和技術參數(shù) 第一節(jié) 數(shù)控云臺的技術指標 云臺的設計參數(shù)和技術指標： （1） 控制軸：兩旋轉(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)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(qū)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(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)動軸是用滑動軸承與支架連接。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(chǎn)品中的關鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。其特點是輸入一個脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個相應的步距角。實際上，驅(qū)動步進電機的開關是晶體管，開關信號由數(shù)字集成電路或微機產(chǎn)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(zhuǎn)子位置增量運動的執(zhí)行機構。與能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)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(jīng)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(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動；機械結構簡單、壽命長；能雙向旋轉(zhuǎn)；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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的要求；（3）啟動轉(zhuǎn)矩與啟動頻率、工作運行轉(zhuǎn)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(shù)和技術要求：行程-45——45，最大速度90/s。 （1）本設計選用美國TATAL彩色DSP攝像機TTC-853。 其主要技術參數(shù)：電源 24VAC/12VDC 攝像元件 1/3”CCD 影像像素 NTSC 768（H）494（V） PAL 752（H）582（V） 視頻輸出 1VP.P/75 ohms BNC 工作溫度 -10C TO 50C 重量 540g 外型尺寸 30（W）59（H）106（L） （2）計算負載轉(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(shù)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(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 將負載轉(zhuǎn)矩折算到步進電機的主軸上： 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 （3）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(shù)和技術要求： 行程： 0-355； 最高速度： 2 r/s （1） 、計算負載轉(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(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 （3）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(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 ===4.25 MPa ===3.83MPa 而 []=MPa 計算應力系數(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力： []= 由于工作應力循環(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 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(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，該齒輪機構滿足要求 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 標準中心距： 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 標準中心距： 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) 軸的設計 一、 垂直X軸的設計 因為X方向的軸同時承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以按彎扭組合強度條件進行計算（材料為45號鋼，經(jīng)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(shù)，[]為許用彎曲應力） 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(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號鋼的彎曲許用應力為[]=100 MPa 很明顯=2.51MPa≤[]=100 MPa，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(zhuǎn)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(zhì)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 MPa 因此 598≥30/A 得有效面積為A≥30/598=0.25mm 現(xiàn)從總體結構上考慮，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，應分別進行強度校核。 設下軸承受質(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，從整體結構考慮，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號鋼的許用剪切應力為[]=60 MPa ， 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] MPa （[p]為軸瓦材料的許用應力） 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，運轉(zhuǎn)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(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 控制部分的設計 第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能與設計要求 云臺控制器是用來通過串行通信口接收由PC機(或單片機)或視頻切換器發(fā)送來的控制命令控制云臺運動方向，照明燈開關，攝像頭焦距、光圈、變倍，從而達到對現(xiàn)場情況實時監(jiān)視目的的設備。 本控制系統(tǒng)的功能與特點如下： 1）上位機(單片機或PC機)實現(xiàn)多機集中控制，云臺控制器通過與上位機通信實現(xiàn)對云臺、鏡頭等控制； 2）采用RS-485通信接口，可以滿足遠距離控制的需要；串行通訊口采用電源隔離供電，并且與主機之間采用了光電隔離技術； 3）云臺動作：產(chǎn)生上、下、左、右、自動5種控制動作并實現(xiàn)勻速、變速控制； 4）云臺攝像頭控制：實現(xiàn)對攝像頭的變倍、焦距、光圈的大、小控制； 5）選用硬件WDT實現(xiàn)程序運行監(jiān)視； 6）其他功能：燈光控制、防盜、狀態(tài)顯示、急停等。 第二節(jié) 系統(tǒng)總體設計方案 5.2.1 總體方案的確定 按照功能要求，確定系統(tǒng)方案如圖5-1所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)由微處理器 攝像鏡頭控制 RS-485串行 通信接口 微處理器 程序存儲器I/O擴展與復位電路 云臺控制 圖5-1 控制器功能框圖 模塊、串行通信模塊、時鐘模塊、程序存儲器和I/O擴展模塊以及鏡頭、云臺等控制模塊組成。在方案設計中，結合程序容量與通信內(nèi)容，根據(jù)經(jīng)濟、簡潔至上的原則， 并行擴展一片EPROM（16K）以及一片8155。這里，微處理器選用INTEL公司的8031，所有串、并行接口時序均通過軟件模擬實現(xiàn)。 5.2.2 系統(tǒng)中關鍵器件的選用 5.2.2.1 微處理器（選用INTEL公司的8031CPU） 在方案中已確定使用MCS-51系列單片機8031。由INTEL公司生產(chǎn)的此型號單片機是一種低功率、高性能的8位CMOS微處理器芯片。片內(nèi)無程序存儲器（ROM）及128B的數(shù)據(jù)存儲器（EPROM），與工業(yè)標準的80C51指令集與引腳分布相兼容。它的特點歸納如下： l MCS-51系列中最典型的產(chǎn)品； l 寬工件電壓范圍：Vcc=2.7 ~ 5.5V; l 全靜態(tài)工作方式：0 ~ 24MHz; l 256×8位內(nèi)部RAM； l 32條編程I/O口線； l 2個16位定時/計數(shù)器； l 5個中斷源； l 可編程串行中斷； l 低功耗的閑置與掉電模式。 5.2.2.2 可編程RAM/IO擴展接口（8155） 8155芯片內(nèi)包含有256字節(jié)RAM，2個8位和1 個6位的可編程并行I/O口， 1個14位定時/計數(shù)器。8155可直接與MCS-51單片機聯(lián)接，不需要增加任何硬件邏 輯。由于8031單片機外接一片8155后，就擴展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時/計數(shù)器，因而是MCS-51單片機系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。 在8155的控制邏輯部件中，設置有一個控制命令寄存器和一個狀態(tài)寄存器。8155的工作方式由CPU寫入控制命令寄存器中的控制字來確定。控制命令寄存器只能寫入不能讀出，8位控制命令寄存器的低4位用來設置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用來確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時是否允許中斷請求。第6、7位用來設置定時/計數(shù)器的操作。 8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或先通方式，C口可作為輸入輸出口線，也可作為A口、B口選通方式工作時的狀態(tài)控制信號線。其工作情況與8255方式0、方式1時大致相同，控制信號的含義也基本一樣。另外，在8155中還設有一個狀態(tài)標志寄存器，用來存放A口和B口的狀態(tài)標志。狀態(tài)標志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫入。 在8155中還設有一個14位定時/計數(shù)器，可用來定時或?qū)ν獠渴录嫈?shù)，CPU可通過程序選擇計數(shù)長度和計數(shù)方式。計數(shù)長度和計數(shù)方式由輸入給計數(shù)寄存器的計數(shù)控制字來確定。 5.2.3 看門狗電路（MAX813L） MAX813L為51系列的專用電源的監(jiān)控電路，該電路具有上電復位和電源電壓監(jiān)控功能。當電源電壓降到一定值時，將會觸發(fā)PFI端，使PFO輸出低電平，單片機接收中斷后，進行現(xiàn)場處理，以保證在恢復電源后進行現(xiàn)場恢復。在程序初始化時應注意對PCON寄存器（我們在進入掉電保護時，可對PCON進行編程，以備上電復位時使用）進行檢驗，以確定是初始復位（進行必要的初始化），還是上電復位（斷電后恢復狀態(tài)），如果是上電復位應進行必須的現(xiàn)場恢復以保障設備的正常運行。 MAX813L的RST輸出是高電位復位輸出，他的看門狗控制時間為固定值，即1.6秒。應在1.6秒的時間內(nèi)，對看門狗進行刷新一次，否則就會引起看門狗的誤動作。MAX813L專用看門狗電路是一種功耗很低的電源監(jiān)視器件，它的主要功能有3個：（1）復位；（2）電源電壓監(jiān)視；（3）看門狗定時器。其特性如下： （1）加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度 （2）獨立的看門狗輸出，看門狗輸入為1.6s； （3）1.25V門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓或+5V以外的電源監(jiān)控內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖剑? （4）低電平有效的手動復位輸入； （5）8引腳DIP封裝 程序正常運行時，必須在小于1.6s的時間間隔內(nèi)向WDI輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器；若超過1.6s該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健? 為實現(xiàn)上述看門狗信號要求，在關鍵的延時子程序模塊的適當?shù)胤郊尤肓恕拔构贰敝噶睿悦飧蓴_程序正常運行。實現(xiàn)指令為： CLR P3.3 NOP NOP SETB P3.3 5.2.4 可靠性設計 5.2.4.1 容錯設計的一般思想 眾所周知，一個單片機應用系統(tǒng)能否正常工作是由很多因素決定的，其外因為各類干擾，其內(nèi)因為該系統(tǒng)本身的素質(zhì)。在本節(jié)中，將著重討論系統(tǒng)的容錯設計原理及實現(xiàn)的方法。共分為2個方面，一方面是系統(tǒng)是系統(tǒng)的自檢設計，另一方面是系統(tǒng)的抗干擾設計。 為了使單片機系統(tǒng)故障能及時自行診斷出來，在設計系統(tǒng)硬件電路時，必須通盤考慮。診斷過程是“檢查-----思考-----判斷”的過程；因此一個系統(tǒng)的硬件容錯能力在很大程度上是先天的，系統(tǒng)定型后，硬件容錯的極限也就定下來了。例如在沒有任何附加檢測電路的系統(tǒng)中，CPU本身就無從知道其各種外圍電路工作是否正常。 5.2.4.2系統(tǒng)的自診斷設計 1. 硬件自診斷的常用方法 自診斷又稱為“自檢”，通過自檢功能了解系統(tǒng)的狀況。自檢一般有以下幾種方法： （1） 上電自檢 系統(tǒng)上電時自動進行，自檢中如果沒有發(fā)現(xiàn)問題，則轉(zhuǎn)入系統(tǒng)的正常運行；如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時報警，避免系統(tǒng)帶病運行。 （2） 定時自檢 由系統(tǒng)時鐘定時啟動自檢功能，對系統(tǒng)進行周期性在線檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)運行中的故障。 （3） 鍵控自檢 通過某一鍵盤操作啟動一次自檢過程，以便操作者消除對系統(tǒng)的疑惑，或發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障。 本解碼器主要運用了上電自檢的自檢方法。 5.2.4.3自診斷的軟件實現(xiàn) 由于沒有附加任何檢測電路，因此本解碼器只簡單地進行CPU, ROM, RAM的自檢。 1． CPU 的診斷 CPU是微機系統(tǒng)的核心，如果CPU出了問題，可想而知，系統(tǒng)是肯定無法正常工作的。 CPU的診斷項目有：指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、定時器中斷系統(tǒng)、I/O口等。由于沒有檢測電路，因此，本解碼器實際只進行了前4項的診斷工作。 2． ROM的診斷 一般情況下，EPROM的工作應該是穩(wěn)定正常的；但由于生產(chǎn)廠家不同，元件工藝的離散性，EPROM使用一段時間后難免出錯，從而使系統(tǒng)不能正常工作，而且由于EPROM中的信息丟失、出錯一般是零星發(fā)生的，更有必要主動檢測。ROM的自檢常采用“檢驗和”的方法。 5.2.4.4系統(tǒng)的抗干擾設計 在一個微機系統(tǒng)中，干擾的因素有多種。干擾既可以從線路侵入系統(tǒng)，也可以以場形式從空間侵入系統(tǒng)。例如系統(tǒng)的接地不良、附近有電火花激發(fā)的電磁輻射、電網(wǎng)的污染等。任何一種干擾都有可能使系統(tǒng)工作失常，尤其是在比較惡劣的現(xiàn)場，這種可能性就更大；因此一個單片機系統(tǒng)不能忽視這種干擾的存在，必須采取一定的抗干擾措施。 從成本考慮，本解碼器從硬件、軟件2方面采取了以下一些抗干擾措施。 1. 硬件抗干擾措施 首先，加大電源的濾波電容。用音響界的話來說，這好比一個“水塘”，這個“水塘”越大，系統(tǒng)抗干擾的能力也相應越強了。 其次，在關鍵元件中串入無感瓷片電容、云母電容或CBB電容，這在很大程度上削弱了高頻干擾。 再者，對接地和地線的正確處理也十分關鍵，盡可能加粗地線。 另外，采用金屬外殼也可使系統(tǒng)在一定程度上屏蔽掉一些雜散的場干擾。 2. 軟件抗干擾措施 一個系統(tǒng)的抗干擾性能除了可以從硬件上著手外，在軟件上也可大有作為。 在本解碼器的軟件設計過程中主要采用了軟件陷阱技術，即： （1）在程序區(qū)的斷層（即不使用的區(qū)域），以NOP指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常的運行軌道。 （2）設置軟件陷阱。就是用一條引導指令強行將捕獲的程序引向一個指定的地址。為增強捕獲效果，在它前面還加了2條NOP指令；因此軟件陷阱實際由下列3條指令構成： NOP NOP LJMP 0030H 5.2.5系統(tǒng)主要接口功能說明 系統(tǒng)主要端口 主 要 功 能 備 注 8031 P0.0~P0.7 數(shù)據(jù)總線 P1.0~P1.5 解碼器地址設置 P1.6 解碼器狀態(tài)指示燈 亮為正常 P3.3~P3.7 報警端口 P2.0~P2.5 系統(tǒng)擴展的高6位地址 擴展16K EPROM P2.6 控制8155的IO/M口 P2.7 8155的片選信號 P3.0~P3.2 P3.0、P3.1分別為串行通信接收/發(fā)送端，P3.2為SN75176使能端 P3.2與SN75176通過光電隔離提高抗干擾能力 P3.3 看門狗MAX813L輸入端 用光電隔離增強抗干擾能力 RESET 微處理器復位端 限位開關輸入與看門狗輸入相或后送入復位端 8155 PA0 ~PA5 鏡頭控制 PA6 電源開關控制 PA7 燈光控制 PB0~PB5 步進電機上、下、左、右控制 PB0: Z軸A相 PB1: Z軸B相 PB2: Z軸C相 PB3: X軸A相 PB4: X軸B相 PB5: X軸C相 第三節(jié) 軟件設計 系統(tǒng)程序如下： 0x0000 020030 LJMP START ;上電轉(zhuǎn)向主程序 ORG 0023H 0x0003 00 NOP 0x0004 00 NOP 0x0005 00 NOP 0x0006 00 NOP 0x0007 00 NOP 0x0008 00 NOP 0x0009 00 NOP 0x000A 00 NOP 0x000B 00 NOP 0x000C 00 NOP 0x000D 00 NOP 0x000E 00 NOP 0x000F 00 NOP 0x0010 00 NOP 0x0011 00 NOP 0x0012 00 NOP 0x0013 00 NOP 0x0014 00 NOP 0x0015 00 NOP 0x0016 00 NOP 0x0017 00 NOP 0x0018 00 NOP 0x0019 00 NOP 0x001A 00 NOP 0x001B 00 NOP 0x001C 00 NOP 0x001D 00 NOP 0x001E 00 NOP 0x001F 00 NOP 0x0020 00 NOP 0x0021 00 NOP 0x0022 00 NOP 0x0023 0202A2 LJMP CXTX ;串行接收/發(fā)送中斷 ORG 0030H ;主程序入口 0x0026 00 NOP 0x0027 00 NOP 0x0028 00 NOP 0x0029 00 NOP 0x002A 00 NOP 0x002B 00 NOP 0x002C 00 NOP 0x002D 00 NOP 0x002E 00 NOP 0x002F 00 NOP 0x0030 758160 START: MOV SP,#60H ;堆棧指針設為60H 0x0033 7