車載照明攝像一體化云臺設(shè)計(jì)【含CAD圖紙?jiān)次募?/h1>
車載照明攝像一體化云臺設(shè)計(jì)【含CAD圖紙?jiān)次募?含CAD圖紙?jiān)次募?車載,照明,攝像,一體化,設(shè)計(jì),CAD,圖紙,源文件
學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
批次、層次、專業(yè)201102、?？破瘘c(diǎn)本科、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
校外學(xué)習(xí)中心
學(xué)生姓名___ _____學(xué)號_ ______
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明
1、本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要分為：工裝類、數(shù)控工藝編程類、數(shù)控設(shè)備改造類、自擬題目類等四大類。
2、學(xué)生可根據(jù)自己的情況選擇其中的一類作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，一經(jīng)選定后，原則上不得更改。
3、每類畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定了畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目、完成時(shí)間、內(nèi)容要求、畢業(yè)設(shè)計(jì)各階段完成內(nèi)容明細(xì)表、參考題目樣例等。
4、本任務(wù)書只作宏觀要求，每類畢業(yè)設(shè)計(jì)具體題目是在學(xué)生已選定好畢業(yè)設(shè)計(jì)大類基礎(chǔ)上，由相應(yīng)的指導(dǎo)老師給出。
5、學(xué)生自擬題目類須注意：
（1）畢業(yè)設(shè)計(jì)題目必須是機(jī)械、機(jī)電類的課題（非機(jī)械、機(jī)電類課題不允許作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題），學(xué)生須按照其它幾類畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的模板寫出自選題目的任務(wù)書，并及時(shí)提交給指導(dǎo)老師，由指導(dǎo)老師同意后方可作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。如指導(dǎo)老師認(rèn)為學(xué)生自擬題目不合適或達(dá)不到畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，學(xué)生必須重新按指導(dǎo)老師指定的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。
（2）學(xué)生自擬題目必須是與學(xué)生本人工作實(shí)際相關(guān)的專用課題，如果選擇通用課題或與本人的工作實(shí)際不相關(guān)的課題，則不允許自擬題目，學(xué)生只能在畢業(yè)設(shè)計(jì)的其它四大類中進(jìn)行選擇確定設(shè)計(jì)題目。
（3）具體要求見自選類畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的有關(guān)規(guī)定。
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 車載照明攝像一體化云臺設(shè)計(jì)
二、畢業(yè)論文工作自2011年 9 月 1日起至2011年 11 月 30 日止
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求：
1、主要內(nèi)容：
（1）設(shè)計(jì)一種車載照明攝像一體化云臺，具體要求：
① 方案設(shè)計(jì)，通過廣泛查閱資料或現(xiàn)場調(diào)研了解車載云臺應(yīng)用場合和結(jié)構(gòu)原理，根據(jù)查閱的資料提出若干解決問題的方案，最后確定傳動(dòng)方案，繪制傳動(dòng)原理圖；
② 根據(jù)實(shí)際設(shè)定參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對重要零部件進(jìn)行可靠性校核；
③ 繪制裝配圖一份；
④ 繪制兩個(gè)重要零件的加工零件圖；
⑤ 確定云臺轉(zhuǎn)動(dòng)控制方案。
（2）按學(xué)院規(guī)定格式編寫設(shè)計(jì)說明書一份
① 計(jì)算正確完整，文字簡潔通順；
② 說明書中所引用的重要計(jì)算公式和數(shù)據(jù)要注明出處；
③ 說明書不少于A4紙20頁。
2、參考文獻(xiàn)
[1] 濮良貴，紀(jì)名剛等著.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）.北京：高等教育出版社,2001
[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.新版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004
[3] 張培金，藺聯(lián)芳等著.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).上海：上海交通大學(xué)出版社，1988
[4] 陳文亮，機(jī)械加工工藝師手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，2005.3
3、格式要求
（1）圖紙
按機(jī)械制圖國家標(biāo)準(zhǔn)繪制，工序圖A4圖紙，零件圖、排樣圖、采用A3圖紙，裝配圖用A2圖紙，標(biāo)題欄及基本幅面尺寸和圖框格式按圖1、圖2及表1所示。
圖1 標(biāo)題欄格式
表1 基本幅面尺寸
幅面代號
A0
A1
A2
A3
A4
尺寸
c
10
5
a
25
e
20
10
圖2 圖框格式
（2）計(jì)算 書
計(jì)算書采用A4打印紙
60頁以上的論文采用雙面打印，60頁及其60頁以下論文采用單面打印
上邊距：2.5cm
下邊距：2.5cm
左邊距：3.0cm
右邊據(jù)：2.5cm
行距：1.5倍
正文字體使用小四號字，宋體，一級標(biāo)題使用四號字體，黑體，加粗；二級標(biāo)題使用小四號字體，黑體，加粗；三級標(biāo)題使用小四號字體，宋體，加粗。
序號：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）各章節(jié)序號采用阿拉伯?dāng)?shù)字編碼，格式為：
1…
1.1…
1.1.1…（最多不超過3層）
頁碼：阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編號，位于每頁頁底中部。
（4）公式
用word中“公式編輯器”或“MathType 5.0 Equation”軟件完成，大小為12pt（可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整），位置居中
（5）插圖與表格
論文中的插圖和表格，必須編流水號，即圖1，圖2，。。。。等，表1，表2，。。。等，也有圖名和表格名，并在文中必須引用一次以上，如圖4所示，如表1所示。
圖4 THYROMAT零部件
指導(dǎo)教師
下發(fā)日期
附錄：畢業(yè)設(shè)計(jì)各階段完成內(nèi)容明細(xì)表
平臺階段名稱
平臺提交時(shí)間
進(jìn) 度 計(jì) 劃
備注
圖紙
Word文檔
畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一階段
9月22日截止
繪制傳動(dòng)原理圖
注意：一定要用AUTOCAD繪制，不要自行采用別的軟件并且版本不要太高以免打不開。
1、設(shè)計(jì)目的及背景
2、基本原理、結(jié)構(gòu)組成等。
3、總體方案設(shè)計(jì)；
4、開題報(bào)告；
注意：提交的word文檔一定要按照前面敘述的格式編寫。??
提交開題報(bào)告及用word編排好的第一階段的內(nèi)容
畢業(yè)設(shè)計(jì)
第二階段
?
10月10日截止
繪制裝配圖
詳細(xì)方案設(shè)計(jì)（包括
各零部件受力分析設(shè)計(jì)計(jì)算，電機(jī)、軸承選型，云臺轉(zhuǎn)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)等）
提交用word編排好的第二階段的內(nèi)容（詳細(xì)方案設(shè)計(jì)）
畢業(yè)設(shè)計(jì)
第三階段
10月24日截止
繪制重要零件的加工零件圖
?
1、 完善設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容；
2、 整理設(shè)計(jì)說明書；
3、 參考文獻(xiàn)；
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)終稿
（含封面、目錄、摘要、開題報(bào)告、任務(wù)書、正文、參考文獻(xiàn)、相關(guān)圖紙等壓縮成一個(gè)文件包上傳）
XX大學(xué)
學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
一、課題的目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）：
云臺是承載攝像機(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。云臺內(nèi)裝兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)電機(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)的角度大小可通過步進(jìn)電機(jī)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)安裝不同的攝像機(jī)及防護(hù)罩，云臺的承重應(yīng)是不同的。因而應(yīng)根據(jù)選用的攝像機(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?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)的攝像機(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，比如與攝像機(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(dòng)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(dòng)機(jī)上，從而實(shí)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(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，云臺將帶動(dòng)攝像機(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)用的小型云臺，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(shí)，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(shí)，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(dòng)。
該設(shè)計(jì)用于鐵路限界、隧道成像系統(tǒng)，對電氣化鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行視屏監(jiān)控；整體設(shè)計(jì)要求體積小、重量輕，自動(dòng)化程度高。
二、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑、條件：
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，是一種把脈沖信號換成直線位移或角位移的執(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(lì)的變化變換成為準(zhǔn)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)：
⑴ 可以開環(huán)控制也可以閉環(huán)控制。開環(huán)控制不需要位置或速度的檢測元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能方便地控制脈沖的個(gè)數(shù)和脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)定位和調(diào)速。閉環(huán)控制可以控制精確的位置和平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)即為開環(huán)控制；
⑵ 轉(zhuǎn)速僅取決于脈沖頻率，而不受電壓高低、電流大小及其波形的影響；
輸啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成，并且具有定位轉(zhuǎn)矩；
⑶ 輸出轉(zhuǎn)角（步距角）無長期積累誤差，每轉(zhuǎn)一圈積累誤差會自動(dòng)消失。
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(shí)無定位力矩；每步有振蕩和過沖。
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。
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(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)攝像機(jī)的動(dòng)力源。
攝像機(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，為使攝像機(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)云臺采用球型設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
⑴ 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；
⑵ 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；
⑶ 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；
⑷ 防護(hù)罩降低了云臺的轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。
報(bào)告人簽名
日 期
XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目 車載照明攝像一體化云臺設(shè)計(jì)
學(xué) 號
學(xué) 生
指 導(dǎo) 教 師
起 止 日 期
摘 要
隨著機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)車載圖像監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設(shè)備——數(shù)控云臺，此設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)控云臺的工作環(huán)境、機(jī)械指標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)和主要技術(shù)要求，采用戶外智能球型云臺。
科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)控云臺性能的重要指標(biāo),包括電機(jī)的選用及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電機(jī)是云臺球機(jī)關(guān)鍵部件,一般來講，針對目前國內(nèi)外電機(jī)技術(shù)衡量電機(jī)優(yōu)良的主要指標(biāo)是其可靠性。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護(hù)方便，可達(dá)到準(zhǔn)確監(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(jì)介紹了數(shù)控云臺的傳動(dòng)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。同時(shí)本設(shè)計(jì)還對數(shù)控云臺的系統(tǒng)數(shù)控部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選用、可靠性設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)主要參照江西科學(xué)技術(shù)出版社所編寫的《中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典》的標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù) 數(shù)控云臺 步進(jìn)電機(jī)
Abstract
With the development of mechanical manufacturing technology and production, the CNC technology widely used. Greatly improve the quality of the products. This graduation design is the front end -- NC platform equipment design of on-board image monitoring system, this design according to the requirements of NC workingconditions, mechanical index, design parameters and main technical, using outdoor intelligent ball yuntai.
Structural design is a scientific numerical control sputnik important performance indicators, including the selection and design of the internal structure of motor. The motor is the key component of cloud billiards machine, generally speaking, the current domestic and foreign motor technology main index to judge the reliability of the motor is good. Spherical shell can reduce dust and all kinds of interference, convenient maintenance, can achieve accurate monitoring purposes, head in the horizontal direction can be 350 consecutive stepless speed change scanning, and a set of point features. This design introduced the transmission principle, structure characteristic and function of numerical control platform, and features of the stepper motor is briefly introduced. At the same time the design system of NC part of NC platform was designed, including the design of reliability design and software selection, the key device in the system.
The design of the main reference to the Jiangxi science and technology press the "China Mechanical Design Canon" standard, according to standardization, generalization, design principles.
Keywords: CNC CNC platform stepper motor
目 錄
1.1 概述 ……………………………………...………………………………………….1
1.2 數(shù)控云臺的工作原理和特點(diǎn)...……………………………………………………….1
1.2.1 數(shù)控云臺的工作原理 ….…………………………………………………………..2
1.2.2 智能高速云臺的優(yōu)點(diǎn) ….…………………………………………………………..2
2設(shè)計(jì)方案的確立…………………………………………………………………………2
2.1 數(shù)控云臺的技術(shù)指標(biāo)…………………………………………………...…………….2
2.2 數(shù)控云臺的設(shè)計(jì)方案……………………………………………...………………….2
2.2.1 數(shù)控云臺設(shè)計(jì)方案的提出………………………………………………...………..2
2.2.2 數(shù)控云臺設(shè)計(jì)方案的論述…………………………………………...……………..3
3機(jī)械部分設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………4
3.1 脈沖當(dāng)量和個(gè)傳動(dòng)比的確定…………………………………………...…………….4
3.2 步進(jìn)電機(jī)的選用……………………………………………………...……………….4
3.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算…………………………...………………………..4
3.2.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算……………………………………………………………...……..5
3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選用………………………………………...…………………………..6
3.3 Z方向齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………....…………………..6
3.3.1 選定齒輪的類型、精度、材料、齒數(shù)…………………...………………………..6
3.3.2 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算…………………………………...…………………………..6
3.3.3 按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算……………………………………...………………………..8
3.3.4 幾何尺寸計(jì)算………………………………………………...……………………..9
3.3.5 驗(yàn)算……………………………………………………………...…………………..9
3.4 X方向齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………….9
3.4.1 選定齒輪的類型、精度、材料、齒數(shù)…………………...………………………..9
3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算……………………………...………………………………..9
3.4.3 按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算……………………………………………...………………..9
3.4.4 幾何尺寸計(jì)算……………………………………..………………………………..11
3.4.5 驗(yàn)算…………………………………………………..……………………………..11
3.5 軸的設(shè)計(jì)………………………..…………………………………………………….12
3.5.1 Z方向軸的設(shè)計(jì)…………………………………………..…………………………12
3.5.2 X方向軸的設(shè)計(jì)………………………..……………………………………………13
3.6 軸承的選用………………………….………………………………………………..14
3.6.1 Z方向軸承的選用………………………….……………....……………………….14
3.6.2 X方向軸承的選用……………………………………………...…………..………14
4 系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)……………………….…………………………………………….15
4.1 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求………………..…...…………………………………..15
4.2 總體方案的設(shè)計(jì)……………………...……………………………..………………..16
4.3 系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選用………………………….........……………………………..16
4.3.1 微處理器………………………...…………………………..……………………...16
4.3.2 看門狗電路…………………………………...…………..………………………...16
4.4 可靠性設(shè)計(jì)……………………………………...………..…………………………..17
4.4.1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)的一般思想………………………………..………...…………………...17
4.4.2 系統(tǒng)的自診斷設(shè)計(jì)…………………………………..…...………………………...17
4.4.3 自診斷的軟件實(shí)現(xiàn)…………………………………….........……………………...18
4.4.4 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)………………………………….........………………………...18
4.5 軟件設(shè)計(jì)………………………………...…………………..………………………..22
總 結(jié)……………………………...……………………………………………………...28
參考文獻(xiàn)……………………………...…………………………………………………...29
致 謝……………………………...…………………………………………………...29
1 前言
1.1 概述
云臺是承載攝像機(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。云臺內(nèi)裝兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)電機(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)的角度大小可通過步進(jìn)電機(jī)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)安裝不同的攝像機(jī)及防護(hù)罩，云臺的承重應(yīng)是不同的。因而應(yīng)根據(jù)選用的攝像機(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?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)的攝像機(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，比如與攝像機(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(dòng)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(dòng)機(jī)上，從而實(shí)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(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，云臺將帶動(dòng)攝像機(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)用的小型云臺，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(shí)，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(shí)，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(dòng)。該設(shè)計(jì)用于鐵路限界、隧道成像系統(tǒng)，對電氣化鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行視屏監(jiān)控；整體設(shè)計(jì)要求體積小、重量輕，自動(dòng)化程度高。
1.2 數(shù)控云臺的工作原理與特點(diǎn)
1.2.1 數(shù)控云臺的工作原理
數(shù)控云臺的旋轉(zhuǎn)不能在現(xiàn)場通過手動(dòng)調(diào)整，而只能是在控制室內(nèi)通過操作控制器，將控制電壓通過多芯電纜直接加到云臺內(nèi)的低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)上或者通過通信電纜控制遠(yuǎn)端的解碼器，再有解碼器經(jīng)局部多芯電纜將控制電壓加到云臺的低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)上，從而使云臺的臺面在空間任意方向上旋轉(zhuǎn)。攝像機(jī)配上云臺，實(shí)際等效于增加了攝像機(jī)的空間可視范圍。
全方位數(shù)控云臺內(nèi)部有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。水平方向上有一個(gè)能緊急起動(dòng)和立即停止的慢速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)，可帶動(dòng)臺面在水平方向做正反向旋轉(zhuǎn)，且不會出現(xiàn)慢性滑動(dòng)。垂直方向上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)可以帶動(dòng)攝像機(jī)座板在垂直方向±60°范圍做俯仰運(yùn)動(dòng)。
1.2.2 智能高速球云臺的優(yōu)點(diǎn)
⑴ 普通云臺的監(jiān)視范圍有限，在云臺的正下方存在死點(diǎn)，而智能高速球形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)；
⑵ 普通云臺多為勻速云臺，只能以10轉(zhuǎn)/秒左右的固定速度進(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—125轉(zhuǎn)/秒的可變速搜索目標(biāo)；
⑶ 普通云臺通常沒有預(yù)置攝像點(diǎn)的功能，而智能高速球云臺則可以有預(yù)置攝像點(diǎn)。
綜上所述，球型云臺比普通云臺更有使用價(jià)值。
2 設(shè)計(jì)方案的確立
2.1 數(shù)控云臺的技術(shù)指標(biāo)
⑴ 數(shù)控云臺的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)
⑵ 水平轉(zhuǎn)角：0°~350°俯仰轉(zhuǎn)角：-45°~+45;
⑶ 載荷最大重量1000g；
⑷ 脈沖當(dāng)量0.5°/脈沖；
⑸ 最大轉(zhuǎn)速，水平Z軸60rad/min，俯仰X軸30rad/min;
⑹ 串行總線命令控制；
⑺ 數(shù)控裝置采用單片機(jī)控制系統(tǒng)；
⑻ 室內(nèi)工作環(huán)境，溫度小于70度；
⑼ 工作電壓AC220V，消耗功率小于300W；
2.2 數(shù)控云臺總體設(shè)計(jì)方案
2.2.1 數(shù)控云臺設(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背靠背的角接觸球軸承，水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸是用滑動(dòng)軸承與支架連接。分別用水平支架和垂直支架支承攝像機(jī)。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺的設(shè)計(jì)。
2.2.2 云臺設(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，是一種把脈沖信號換成直線位移或角位移的執(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(lì)的變化變換成為準(zhǔn)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)：
⑴ 可以開環(huán)控制也可以閉環(huán)控制。開環(huán)控制不需要位置或速度的檢測元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能方便地控制脈沖的個(gè)數(shù)和脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)定位和調(diào)速。閉環(huán)控制可以控制精確的位置和平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)即為開環(huán)控制；
⑵ 轉(zhuǎn)速僅取決于脈沖頻率，而不受電壓高低、電流大小及其波形的影響；
輸啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成，并且具有定位轉(zhuǎn)矩；
⑶ 輸出轉(zhuǎn)角（步距角）無長期積累誤差，每轉(zhuǎn)一圈積累誤差會自動(dòng)消失。
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(shí)無定位力矩；每步有振蕩和過沖。
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。
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(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)攝像機(jī)的動(dòng)力源。
攝像機(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，為使攝像機(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)云臺采用吊裝球型設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
⑴ 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；
⑵ 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；
⑶ 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；
⑷ 防護(hù)罩降低了云臺的轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。
3 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
3.1 脈沖當(dāng)量和各傳動(dòng)比的確定
⑴ 確定脈沖當(dāng)量為0.5°/脈沖；
⑵ 設(shè)機(jī)械系統(tǒng)Z方向的傳動(dòng)比i=3,小齒輪的齒數(shù)z1=18,大齒輪齒數(shù)z2=54，模數(shù)=1； X方向的傳動(dòng)比i=3,小齒輪的齒數(shù)z3=18,大齒輪的齒數(shù)z4=54。
⑶ 已知受電弓滑條長度為4m，檢測車運(yùn)行速度為72Km/h,則接觸網(wǎng)在受電弓上滑行速度為20m/s。根據(jù)正三角形安裝方式（受電弓滑條長度與云臺安裝位置為邊長為滑條長度的正三角形）得出云臺轉(zhuǎn)速為1.2r/s，故取1r/s即60r/min。
⑷ 已知圖像數(shù)據(jù)處理頻率為2Hz，即完全監(jiān)控受電弓周期為0.5s。已知監(jiān)控角度為60·，則完全監(jiān)控時(shí)間為1/6s。所以，取傳動(dòng)比i=3，完全監(jiān)控所用時(shí)間為0.2s。
3.2 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)型號相對應(yīng)的啟動(dòng)矩頻特性和工作矩頻特性。
3.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
對于鋼制軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等圓柱體對自身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J計(jì)算公式為（見[2]）：
（式3-1）
式中：D為圓柱體的直徑（mm）;
L為圓柱體的長度（mm）。
傳動(dòng)件折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JR計(jì)算公式為（見[3]）：
（式3-2）
式中：i為電機(jī)軸到傳動(dòng)件的傳動(dòng)比，i=3。
⑴ 現(xiàn)先計(jì)算各傳動(dòng)件自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
齒輪z1、z3：
齒輪z2、z4：
⑵ 計(jì)算各傳動(dòng)件折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
齒輪z1、z3：
齒輪z2、z4：
⑶ 各傳動(dòng)件折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Z方向：
X方向：
⑷ 步進(jìn)電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：
（式3-3）
與JR比較可JD為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，該設(shè)計(jì)可能使用的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD小于0.001，可以忽略，故：
Z方向：
X方向：
3.2.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
本設(shè)計(jì)中，近似地認(rèn)為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實(shí)際上是按指數(shù)規(guī)律升速），假定從靜止升到180°/s需時(shí)0.2s 。
⑴ 角加速度計(jì)算（見[4]）
（式3-4）
水平轉(zhuǎn)速為60rad/min，即360°/s；垂直轉(zhuǎn)速為30rad/min，即180°/s，故：
⑵ 慣性力轉(zhuǎn)矩計(jì)算（見[2]）
（式3-5）
Z方向：
X方向：
⑶ 重力轉(zhuǎn)矩計(jì)算（見[2]）
Z方向電機(jī)的重力不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，故：
垂直X軸方向由于攝像機(jī)重540g，考慮支架附件的重量，取m=700g,偏心距e=10mm，故：
⑷ 傳動(dòng)效率計(jì)算
由于摩擦阻力不考慮，其他環(huán)節(jié)的摩擦按傳動(dòng)件傳動(dòng)效率考慮，取，故：
⑸ 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算（見[2]）
Z方向：
X方向：
3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選用
運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩（見[3]）為：
（式3-6）
要求步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所需最大靜轉(zhuǎn)矩
（式3-7）
⑴ Z方向步進(jìn)電機(jī)的選用
由于脈沖當(dāng)量°/脈沖，水平方向的最高運(yùn)行速度°/s，所以步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率。
綜上計(jì)算，并考慮步進(jìn)電機(jī)的步距角，選用45BF003Ⅱ反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
⑵ X方向步進(jìn)電機(jī)的選用
由于脈沖當(dāng)量°/脈沖，水平方向的最高運(yùn)行速度°/s，所以步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率。
綜上計(jì)算，并考慮步進(jìn)電機(jī)的步距角，選用36BF003反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
3.3 Z方向齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
初步擬定已知條件為：傳動(dòng)比i=3，n2max=60r/min,工作壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）（見[4]）。
3.3.1 選定齒輪類型、精度、材料、齒數(shù)
⑴ 按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；
⑵ 由于該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面齒論。選大、小齒輪材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為217-255HBS；
⑶ 選取精度等級為7級（GB10095-88）；
⑷ 選取小齒輪齒數(shù),大齒輪齒數(shù)。
3.3.2 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
（式3-8）
由設(shè)計(jì)公式(式3-8)進(jìn)行試算。
⑴ 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
① 選載荷系數(shù)；
② 確定小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)45BF003Ⅱ的最大靜轉(zhuǎn)矩為
③ 選取齒寬系數(shù)；
④ 查得材料的彈性影響系數(shù)；
⑤ 按齒面硬度查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
⑥ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（式3-9）
⑦ 根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：
； 。
⑧ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：
(式3-10)
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。
⑵ 計(jì)算
① 試算小齒輪分度圓直徑,代如中較小的值，根據(jù)（式3-8）
② 計(jì)算圓周速度
（m/s） (式3-11)
（m/s）
③ 計(jì)算齒寬b
（mm） （式3-12）
（mm）
④ 計(jì)算齒寬與齒高比b/h
模數(shù) ：
（mm）
齒高：
（mm）
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù)
（式3-13）
根據(jù)，7級精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)。
由于所設(shè)計(jì)的齒輪為直齒輪，假設(shè)，查得7級精度未經(jīng)表面硬化齒輪。
查得使用系數(shù)為，均勻平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)。
查得7級精度，小齒輪懸臂布置時(shí)
由，查得。
故，載荷系數(shù)
⑥ 按實(shí)際載荷系數(shù)校正做得分度圓直徑
（mm） （式3-14）
（mm）
⑦ 計(jì)算模數(shù)
（mm）
3.3.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為：
（式3-15）
⑴ 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
① 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪；
② 查得彎曲壽命系數(shù)，；
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
（式3-16）
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4
④ 計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)K
（式3-17）
⑤ 查取齒形系數(shù)
時(shí)，；
時(shí)，；
⑥ 計(jì)算大、齒輪的并加以比較
取小值。
⑵ 設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)（式3-14）得：
（mm）
對比計(jì)算結(jié)果，可由齒面接觸疲勞強(qiáng)度，取模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。按接觸疲勞強(qiáng)度算出：
分度圓直徑：
（mm）
小齒輪齒數(shù)：
，取。
大齒輪齒數(shù)：
3.3.4 幾何尺寸計(jì)算
⑴ 計(jì)算分度圓直徑
（mm）
（mm）
⑵ 計(jì)算中心距
（mm）
⑶ 計(jì)算齒輪寬度
（mm）
??；。
3.3.5驗(yàn)算
N
。
3.4 X方向齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
初步擬定已知條件為：傳動(dòng)比i=3，n4max=30r/min,工作壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
3.4.1 選定齒輪類型、精度、材料、齒數(shù)
⑴ 按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng);
⑵ 由于該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面齒論。選大、小齒輪材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為217-255HBS;
⑶ 選取精度等級為7級（GB10095-88）;
⑷ 選取小齒輪齒數(shù),大齒輪齒數(shù)。
3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)（式3-8）設(shè)計(jì)進(jìn)行試算。
⑴ 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
① 載荷系數(shù)；
② 確定小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩，由于所選電機(jī)36BF003的最大靜轉(zhuǎn)矩為
③ 取齒寬系數(shù);
④ 查得材料的彈性影響系數(shù)
⑤ 查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
⑥ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （見式3-9）
⑦ 根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：
； 。
⑧ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 (見式3-10)
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。
⑵ 計(jì)算
① 試算小齒輪分度圓直徑（見式3-8）,代入中較小的值
② 計(jì)算圓周速度V （見式3-11）
（m/s）
③ 計(jì)算齒寬b （見式3-12）
（mm）
④ 計(jì)算齒寬與齒高比b/h
模數(shù)
（mm）
齒高
（mm）
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù) （見式3-13）
根據(jù)，7級精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)；
由于所設(shè)計(jì)的齒輪為直齒輪，假設(shè)，查得7級精度未經(jīng)表面硬化齒輪；
查得使用系數(shù)為，均勻平穩(wěn)狀態(tài)；
查得7級精度，小齒輪懸臂布置時(shí)；
由，查得故，載荷系數(shù)為：
⑥ 按實(shí)際載荷系數(shù)校正做得分度圓直徑 （見式3-14 ）
（mm）
⑦ 計(jì)算模數(shù)
（mm）
3.4.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)（式3-15）進(jìn)行彎曲強(qiáng)度試算。
⑴ 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
① 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪；
② 查得彎曲壽命系數(shù)，；
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 （見式3-16）
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4
④ 計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)K （見式3-17）
⑤ 查取齒形系數(shù)
時(shí)，；
時(shí)，；
⑥ 計(jì)算大、齒輪的并加以比較
取小值。
⑵ 設(shè)計(jì)計(jì)算 （見式3-15）
（mm）
對比計(jì)算結(jié)果，可由齒面接觸疲勞強(qiáng)度，取模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。按接觸疲勞強(qiáng)度算出：
分度圓直徑
（mm）
小齒輪齒數(shù)
，取。
大齒輪齒數(shù)
3.4.4 幾何尺寸計(jì)算
⑴ 計(jì)算分度圓直徑
（mm）
（mm）
⑵ 計(jì)算中心距
（mm）
⑶ 計(jì)算齒輪寬度
（mm）
?。?。
3.4.5 驗(yàn)算：
N
。
注：考慮云臺垂直運(yùn)動(dòng)是-45°～+45°，取齒扇為122°。
3.5 軸的設(shè)計(jì)
軸的設(shè)計(jì)也和其他零件的設(shè)計(jì)相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面的內(nèi)容。軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度，剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性的計(jì)算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需要對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂和塑性變形。
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼廉價(jià)，對應(yīng)力集中的敏感性低同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)處理方法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常采用45號鋼。
3.5.1 Z方向軸的設(shè)計(jì)
由于控制攝像機(jī)水平轉(zhuǎn)動(dòng)的Z軸有上下兩根軸，上軸只承受軸向拉力作用，故只須滿足抗拉強(qiáng)度要求；Z方向下軸，既承受軸向拉伸作用，又承受扭矩作用，應(yīng)該分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。⑴ Z方向上軸的設(shè)計(jì)
根據(jù)拉伸強(qiáng)度條件公式試算（見[2]）：
（式3-18）
其中：為正應(yīng)力；
F為軸向力；
A為軸的橫截面面積。
設(shè)上軸承受質(zhì)量為1㎏的器件，即：
（N）
查得45號鋼的抗彎強(qiáng)度極限為，根據(jù)（式3-17）得：
假設(shè)上軸軸徑最小處為16㎜，內(nèi)開一個(gè)的內(nèi)孔，用以同視頻線、電源線等線路，其有效面積為：
滿足設(shè)計(jì)要求。
⑵ Z方向下軸的設(shè)計(jì)
① 抗拉強(qiáng)度校核
設(shè)下軸承受質(zhì)量m=0.8㎏的器件，所以，根（式3-18）得：
假設(shè)下軸軸徑最小處為8㎜，內(nèi)留一個(gè)的孔，則有效面積為：
滿足設(shè)計(jì)要求。
② 抗扭強(qiáng)度校核
抗扭強(qiáng)度條件為（見[2]）：
（式3-19）
其中：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。
水平電機(jī)，折算到軸上的扭矩為：
（）
抗扭截面系數(shù)為：
則：
查得45號鋼的許用剪切應(yīng)力為，，滿足強(qiáng)度要求。
3.5.2 X方向軸的設(shè)計(jì)
材料為45號鋼，經(jīng)正火，淬火和回火熱處理。
由于X方向的軸同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以要按彎扭組合強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。
由第四強(qiáng)度理論強(qiáng)度條件（見[2]）：
（式3-20）
初步確定軸的最小直徑為：
抗彎截面系數(shù)：
⑴ 確定軸承受的最大彎矩
由于所選攝像機(jī)質(zhì)量，考慮其附加器件的質(zhì)量，設(shè)總質(zhì)量，即。
設(shè)最大彎曲變形發(fā)生在軸上離支承處20㎜處，即：
⑵ 確定軸上承受的最大扭矩
所選電機(jī)36BF003Ⅱ的轉(zhuǎn)矩，折算到X軸上：
按（式3-20）計(jì)算
由于正火，回火處理的45號鋼的許用彎曲應(yīng)力，即，滿足強(qiáng)度要求。
3.6 軸承的選用
3.6.1 Z方向軸承的選用
⑴ 軸承型號的確定
根據(jù)Z方向下軸的軸徑和工作要求，選用一對型號為7001AC的角接觸球軸承。軸承與軸承套、軸之間采用過渡配合。軸承內(nèi)圈用軸肩定位，外圈用彈簧卡還定位，加墊圈和螺母夾緊。
⑵ 軸承的校核
考慮到攝像機(jī)支架等的影響，假設(shè)軸承軸向載荷，徑向載荷。已知軸承的轉(zhuǎn)速為，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無沖擊，設(shè)計(jì)壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）。
① 由滾動(dòng)軸承樣本查得7001AC型軸承背靠背成對安裝在一個(gè)支點(diǎn)時(shí)，當(dāng)量動(dòng)載荷可按下式計(jì)算（見[2]）：
時(shí)， （式3-21）
時(shí)， （式3-22）
② 因，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù)，則：
③ 計(jì)算預(yù)期壽命
④ 求該對軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷值
（N） （式3-23）
查[5]得單個(gè)7001AC軸承的基本額定動(dòng)載荷為5.20KN，故選用一對7001AC軸承合適。
3.6.2 X方向軸承的選用
⑴ 軸承的確定
為了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，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。減摩性及耐磨性比較好。
⑵ 軸承的驗(yàn)算
初選軸徑，軸承寬度?？紤]攝像機(jī)及支架重量約為700g，即軸承所承受的徑向力。
① 驗(yàn)算軸承的平均壓力p
（式3-24）
式中：B為軸承寬度（mm）；
。
查得聚四氟乙烯的，即
② 驗(yàn)算軸承的pv值
軸承的發(fā)熱量與單位面積上的摩擦功耗成正比（是摩擦系數(shù)）。
（式3-25）
式中：v為軸頸圓周速度，即滑動(dòng)速度m/s；
為軸承材料的pv許用值。
由于本設(shè)計(jì)
查得聚四氟乙烯的，即。
③ 驗(yàn)算滑動(dòng)速度v
（式3-27）
式中：為許用滑動(dòng)速度。
查得聚四氟乙烯的，即：
綜上驗(yàn)算，滑動(dòng)軸承適用。
4 系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求
云臺控制器是用來通過串行通信口接收由PC機(jī)(或單片機(jī))或視頻切換器發(fā)送來的控制命令控制云臺運(yùn)動(dòng)方向，照明燈開關(guān)，攝像頭焦距、光圈、變倍，從而達(dá)到對現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)監(jiān)視目的的設(shè)備。
本控制系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)如下：
⑴ 上位機(jī)(單片機(jī)或PC機(jī))實(shí)現(xiàn)多機(jī)集中控制，云臺控制器通過與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)對云臺、鏡頭等控制；
⑵ 采用RS-485通信接口，可以滿足遠(yuǎn)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(jī)之間采用了光電隔離技術(shù)；
⑶ 云臺動(dòng)作：產(chǎn)生上、下、左、右、自動(dòng)5種控制動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)勻速、變速控制；
⑷ 云臺攝像頭控制：實(shí)現(xiàn)對攝像頭的變倍、焦距、光圈的大、小控制；
⑸ 選用硬件WDT實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行監(jiān)視；
⑹ 其他功能：燈光控制、防盜、狀態(tài)顯示、急停等。
4.2 總體方案的確定
按照功能要求，確定系統(tǒng)方案如圖4-1所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)由微處理器模塊、串行通信模塊、時(shí)鐘模塊、以及鏡頭、云臺等控制模塊組成。在方案設(shè)計(jì)中，結(jié)合程序容量與通信內(nèi)容，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、簡潔至上的原則，微處理器選用Atmel公司的89C51，所有串、并行接口時(shí)序均通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)。
RS-485串行
通信接口
CD4060
看門狗電路
攝像鏡頭控制
云臺控制
圖4-1 控制器功能框圖
4.3系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選用
4.3.1 微處理器
在方案中已確定使用MCS-51系列單片機(jī)89C51。由Atmel公司生產(chǎn)的此型號單片機(jī)是以8031為核心構(gòu)成的，它和8051系列彈片機(jī)是兼容的系列。
AT89C51具有下列主要功能：
⑴ 4KB Flash 程序存儲器（可寫入/擦除1000次）；
⑵ 全靜態(tài)工作0Hz~24Hz;
⑶ 三級程序存儲器加密；
⑷ 128字節(jié)內(nèi)部RAM；
⑸ 32條可編程I/O線；
⑹ 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；
⑺ 6個(gè)中斷源；
⑻ 可編程UART串行；
⑼ 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路；
⑽ 兩種可用軟件選擇的省電方式—空閑方式(Idle Mode)和掉電方式（Power Down Mode）。
4.3.2 看門狗電路
看門狗（watchdog）的作用是強(qiáng)迫單片機(jī)（CPU）進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，使之從硬件或軟件故障中解脫出來。既當(dāng)單片機(jī)的程序進(jìn)入了錯(cuò)誤狀態(tài)后，在一個(gè)指定的時(shí)間內(nèi)，將產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。
本設(shè)計(jì)由計(jì)數(shù)器CD4060組成的看門狗電路如圖4-2所示。CD4060是14位二進(jìn)制串行
圖4-2 由CD4060組成的看門狗電路
計(jì)數(shù)／分頻／振蕩器。選、時(shí)，振蕩頻率經(jīng)內(nèi)部１４級二分頻后，從端可輸出約的頻率信號。為偏置電阻。正常情況下89C51沒隔一段時(shí)間就將CD4060復(fù)位一次。一旦由于某種原因?qū)е翪PU失控，CD4060不能及時(shí)被復(fù)位，經(jīng)過時(shí)間就從端輸出高電平，立即將89C51復(fù)位，把CPU“拉回”到正常運(yùn)行狀態(tài)；然后CPU又將CD4060復(fù)位，使恢復(fù)成低電平。與組成微分電路，可將口輸出的復(fù)位電平變成復(fù)位脈沖。
看門狗電路具有監(jiān)視器與執(zhí)行器的作用，是提高智能化單片機(jī)測控系統(tǒng)可靠性的有效措施之一。
4.4 可靠性設(shè)計(jì)
4.4.1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)的一般思想
眾所周知，一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否正常工作是由很多因素決定的，其外因?yàn)楦黝惛蓴_，其內(nèi)因?yàn)樵撓到y(tǒng)本身的素質(zhì)。在本節(jié)中，將著重討論系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)的方法。共分為2個(gè)方面，一方面是系統(tǒng)的自檢設(shè)計(jì)，另一方面是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。
為了使單片機(jī)系統(tǒng)故障能及時(shí)自行診斷出來，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路時(shí)，必須通盤考慮。診斷過程是“檢查-----思考-----判斷”的過程；因此一個(gè)系統(tǒng)的硬件容錯(cuò)能力在很大程度上是先天的，系統(tǒng)定型后，硬件容錯(cuò)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。
4.4.2 系統(tǒng)的自診斷設(shè)計(jì)
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：
⑴ 上電自檢
系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)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(yùn)行；如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時(shí)報(bào)警，避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行。
⑵ 定時(shí)自檢
由系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)啟動(dòng)自檢功能，對系統(tǒng)進(jìn)行周期性在線檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的故障。
⑶ 鍵控自檢
通過某一鍵盤操作啟動(dòng)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(yùn)用了上電自檢的自檢方法。
4.4.3自診斷的軟件實(shí)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(jìn)行CPU, ROM, RAM的自檢。
⑴ CPU 的診斷
CPU是微機(jī)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(xiàng)目有：指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、定時(shí)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(shí)際只進(jìn)行了前4項(xiàng)的診斷工作。
⑵ ROM的診斷
一般EPROM的工作應(yīng)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(shí)間后難免出錯(cuò)，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(cuò)一般是零星發(fā)生的，更有必要主動(dòng)檢測。ROM的自檢常采用“檢驗(yàn)和”的方法。
4.4.4系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)
在一個(gè)微機(jī)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(gè)單片機(jī)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。
⑴ 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(gè)“水塘”，這個(gè)“水塘”越大，系統(tǒng)抗干擾的能力也相應(yīng)越強(qiáng)了。
其次，在關(guān)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(guān)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。
⑵ 軟件抗干擾措施
一個(gè)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(shè)計(jì)過程中主要采用了軟件陷阱技術(shù)，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(yùn)行軌道。
② 設(shè)置軟件陷阱。就是用一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址。為增強(qiáng)捕獲效果，在它前面還加了2條NOP指令；因此軟件陷阱實(shí)際由下列3條指令構(gòu)成：
NOP
NOP
LJMP 0030H
表4-1 系統(tǒng)主要端口功能說明
圖4-3 主流程圖 圖4-4 中斷程序流程圖
圖4-5 鏡頭控制子程序 圖4-6 云臺控制子程序
4.5 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序如下：
ORG 0000H
0000 LJMP L000E ；入口轉(zhuǎn)000E
0003 S0003: INC R0
0004 INC @R0
0005 CJNE @R0 , #00H, L000A ；延時(shí)子程序中功能塊子程序
0008 DEC R0
0009 INC @R0 ；（18）（19）之內(nèi)的數(shù)加1
000A L000A: RET
000B LJMP KMG ；看門狗中斷入口
000E ORG 000EH ；主程序入口
0011 L000E: MOV SP , #21
0014 MOV PSW , #00H
0017 LJMP L0156
0018 NOP
0019 NOP
001A NOP
001B NOP
001C NOP
001D NOP
001E NOP
001F NOP
0020 NOP
0021 NOP
0022 NOP
0023 LJMP CXTX ；串行通訊接收中斷入口
0026 S0026: CLR EA ；通訊子程序入口
0028 CLR RI
002A MOV A , SBUF
002C CJNE A , #7FH ,L0034
002F CLR 00H
0031 LJMP L010E
0034 L0034: MOV A ,P2 ；P2→A，讀解碼器自身地址
0036 ANL A , #3FH
0038 ADD A , #80H
003A MOV 1DH , A
003C MOV A , SBUF
003E CJNE A , #FH , L0034
0041 SETB 001H
0043 LJMP L010E
0046 L0046: MOV C , 00H
0048 JC L0057
004A LJMP L010E
004D L004D: MOV A , SBUF ；串行口數(shù)據(jù)→A
004F SETB C
0050 SUBB A , #12H
0052 JC L0057
0054 LJMP L010C
0057 L0057: MOV A , SBUF ；串行口數(shù)據(jù)→A
0059 MOV DPTR , #019DH
005C MOV R0 , A
005D ADD A , R0
005E ADD A , R0
005F JMP @A+DPTR
0060 L0060: MOV A , P0
0062 ORL A , #3FH
0064 MOV P0 , A
0066 MOV A , P1
0068 ORL A , #3FH
006A MOV P1 , A
006C MOV 19H , #00H
006F MOV 18H , #00H
0072 LJMP L010C
0075 L0075: CLR P1.0 ；鏡頭控制
0077 SETB P1.1
0079 MOV 19H , #00H
007C MOV 18H , #00H
007F SJMP L010C
0082 L0082: CLR P1.2
0084 SETB P1.3
0086 MOV 19H , #00H
0089 MOV 18H , #00H
008C SJMP L010C
008E L008E: CLR P1.2
0090 SETB P1.3
0092 MOV 19H , #00H
0095 MOV 18H , #00H
0098 LJMP L010C
009A L009A: SETB P1.2
009C CLR P1.3
009E MOV 19H , #00H
00A1 MOV 18H , #00H
00A4 SJMP L010C ；云臺控制
00A6 L00A6: CLR P1.4
00A8 SETB P1.5
00AA MOV 19H , #00H
00AD MOV 18H , #00H
00B0 SJMP L010C
00B2 L00B2: SETB P1.4
00B4 CLR P1.5
00B6 MOV 19H , #00H
00B9