車載照明攝像一體化云臺設計【含CAD圖紙源文件】
車載照明攝像一體化云臺設計【含CAD圖紙源文件】,含CAD圖紙源文件,車載,照明,攝像,一體化,設計,CAD,圖紙,源文件
XX大學
畢業(yè)設計（論文）
題目 車載照明攝像一體化云臺設計
學 號
學 生
指 導 教 師
起 止 日 期
摘 要
隨著機械制造技術的進步和生產(chǎn)的發(fā)展，數(shù)控技術得到廣泛的應用。極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。本次畢業(yè)設計是設計車載圖像監(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，采用戶外智能球型云臺。
科學的結構設計是數(shù)控云臺性能的重要指標,包括電機的選用及內(nèi)部結構設計。電機是云臺球機關鍵部件,一般來講，針對目前國內(nèi)外電機技術衡量電機優(yōu)良的主要指標是其可靠性。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護方便，可達到準確監(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。同時本設計還對數(shù)控云臺的系統(tǒng)數(shù)控部分進行了設計，包括系統(tǒng)中關鍵器件的選用、可靠性設計和軟件設計。
本設計主要參照江西科學技術出版社所編寫的《中國機械設計大典》的標準，按照標準化、通用化、原則進行設計。
關鍵詞：數(shù)控技術 數(shù)控云臺 步進電機
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...……………………………………………………….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 ….…………………………………………………………..2
2設計方案的確立…………………………………………………………………………2
2.1 數(shù)控云臺的技術指標…………………………………………………...…………….2
2.2 數(shù)控云臺的設計方案……………………………………………...………………….2
2.2.1 數(shù)控云臺設計方案的提出………………………………………………...………..2
2.2.2 數(shù)控云臺設計方案的論述…………………………………………...……………..3
3機械部分設計……………………………………………………………………………4
3.1 脈沖當量和個傳動比的確定…………………………………………...…………….4
3.2 步進電機的選用……………………………………………………...……………….4
3.2.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算…………………………...………………………..4
3.2.2 負載轉(zhuǎn)矩的計算……………………………………………………………...……..5
3.2.3 步進電機的選用………………………………………...…………………………..6
3.3 Z方向齒輪減速機構傳動系統(tǒng)設計……………………………....…………………..6
3.3.1 選定齒輪的類型、精度、材料、齒數(shù)…………………...………………………..6
3.3.2 按齒面接觸強度計算…………………………………...…………………………..6
3.3.3 按齒根彎曲強度計算……………………………………...………………………..8
3.3.4 幾何尺寸計算………………………………………………...……………………..9
3.3.5 驗算……………………………………………………………...…………………..9
3.4 X方向齒輪減速機構傳動系統(tǒng)設計………………………………………………….9
3.4.1 選定齒輪的類型、精度、材料、齒數(shù)…………………...………………………..9
3.4.2 按齒面接觸強度計算……………………………...………………………………..9
3.4.3 按齒根彎曲強度計算……………………………………………...………………..9
3.4.4 幾何尺寸計算……………………………………..………………………………..11
3.4.5 驗算…………………………………………………..……………………………..11
3.5 軸的設計………………………..…………………………………………………….12
3.5.1 Z方向軸的設計…………………………………………..…………………………12
3.5.2 X方向軸的設計………………………..……………………………………………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)控制部分設計……………………….…………………………………………….15
4.1 控制系統(tǒng)的功能與設計要求………………..…...…………………………………..15
4.2 總體方案的設計……………………...……………………………..………………..16
4.3 系統(tǒng)中關鍵器件的選用………………………….........……………………………..16
4.3.1 微處理器………………………...…………………………..……………………...16
4.3.2 看門狗電路…………………………………...…………..………………………...16
4.4 可靠性設計……………………………………...………..…………………………..17
4.4.1 容錯設計的一般思想………………………………..………...…………………...17
4.4.2 系統(tǒng)的自診斷設計…………………………………..…...………………………...17
4.4.3 自診斷的軟件實現(xiàn)…………………………………….........……………………...18
4.4.4 系統(tǒng)的抗干擾設計………………………………….........………………………...18
4.5 軟件設計………………………………...…………………..………………………..22
總 結……………………………...……………………………………………………...28
參考文獻……………………………...…………………………………………………...29
致 謝……………………………...…………………………………………………...29
1 前言
1.1 概述
云臺是承載攝像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步進電機進行調(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像機及防護罩，云臺的承重應是不同的。因而應根據(jù)選用的攝像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)的攝像機，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，比如與攝像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，云臺將帶動攝像機頭按一定的轉(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)用的小型云臺，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。該設計用于鐵路限界、隧道成像系統(tǒng)，對電氣化鐵路接觸網(wǎng)進行視屏監(jiān)控；整體設計要求體積小、重量輕，自動化程度高。
1.2 數(shù)控云臺的工作原理與特點
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)矩電動機上或者通過通信電纜控制遠端的解碼器，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)矩電機上，從而使云臺的臺面在空間任意方向上旋轉(zhuǎn)。攝像機配上云臺，實際等效于增加了攝像機的空間可視范圍。
全方位數(shù)控云臺內(nèi)部有兩個驅(qū)動電機。水平方向上有一個能緊急起動和立即停止的慢速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機，通過齒輪傳動，可帶動臺面在水平方向做正反向旋轉(zhuǎn)，且不會出現(xiàn)慢性滑動。垂直方向上的驅(qū)動電機，該電機可以帶動攝像機座板在垂直方向±60°范圍做俯仰運動。
1.2.2 智能高速球云臺的優(yōu)點
⑴ 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；
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—125轉(zhuǎn)/秒的可變速搜索目標；
⑶ 普通云臺通常沒有預置攝像點的功能，而智能高速球云臺則可以有預置攝像點。
綜上所述，球型云臺比普通云臺更有使用價值。
2 設計方案的確立
2.1 數(shù)控云臺的技術指標
⑴ 數(shù)控云臺的設計參數(shù)和技術指標
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)控云臺總體設計方案
2.2.1 數(shù)控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像機。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺的設計。
2.2.2 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，是一種把脈沖信號換成直線位移或角位移的執(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準的轉(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：
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)結構簡單，能方便地控制脈沖的個數(shù)和脈沖的頻率實現(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。本設計的控制系統(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、停止、反轉(zhuǎn)及其他運行方式的改變，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消失。
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)動攝像機的動力源。
攝像機的脈沖當量等于步進電動機的步距角除以傳動比，為使攝像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：
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)的可靠性進一步提高；
⑵ 球型防護罩采用內(nèi)側單面鍍膜工藝，有利于隱蔽監(jiān)視；
⑶ 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；
⑷ 防護罩降低了云臺的轉(zhuǎn)動噪音。
3 機械部分的設計
3.1 脈沖當量和各傳動比的確定
⑴ 確定脈沖當量為0.5°/脈沖；
⑵ 設機械系統(tǒng)Z方向的傳動比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)控時間為1/6s。所以，取傳動比i=3，完全監(jiān)控所用時間為0.2s。
3.2 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。
3.2.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量
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)動慣量J計算公式為（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）。
傳動件折算到步進電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量JR計算公式為（見[3]）：
（式3-2）
式中：i為電機軸到傳動件的傳動比，i=3。
⑴ 現(xiàn)先計算各傳動件自身轉(zhuǎn)動慣量：
齒輪z1、z3：
齒輪z2、z4：
⑵ 計算各傳動件折算到步進電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
齒輪z1、z3：
齒輪z2、z4：
⑶ 各傳動件折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量：
Z方向：
X方向：
⑷ 步進電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J：
（式3-3）
與JR比較可JD為步進電機的轉(zhuǎn)動慣量，該設計可能使用的步進電機的轉(zhuǎn)動慣量JD小于0.001，可以忽略，故：
Z方向：
X方向：
3.2.2 負載轉(zhuǎn)矩的計算
本設計中，近似地認為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實際上是按指數(shù)規(guī)律升速），假定從靜止升到180°/s需時0.2s 。
⑴ 角加速度計算（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)矩計算（見[2]）
（式3-5）
Z方向：
X方向：
⑶ 重力轉(zhuǎn)矩計算（見[2]）
Z方向電機的重力不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，故：
垂直X軸方向由于攝像機重540g，考慮支架附件的重量，取m=700g,偏心距e=10mm，故：
⑷ 傳動效率計算
由于摩擦阻力不考慮，其他環(huán)節(jié)的摩擦按傳動件傳動效率考慮，取，故：
⑸ 負載轉(zhuǎn)矩計算（見[2]）
Z方向：
X方向：
3.2.3 步進電機的選用
運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩（見[3]）為：
（式3-6）
要求步進電機正常運行時所需最大靜轉(zhuǎn)矩
（式3-7）
⑴ Z方向步進電機的選用
由于脈沖當量°/脈沖，水平方向的最高運行速度°/s，所以步進電機最高運行頻率。
綜上計算，并考慮步進電機的步距角，選用45BF003Ⅱ反應式步進電機。
⑵ X方向步進電機的選用
由于脈沖當量°/脈沖，水平方向的最高運行速度°/s，所以步進電機最高運行頻率。
綜上計算，并考慮步進電機的步距角，選用36BF003反應式步進電機。
3.3 Z方向齒輪減速機構傳動系統(tǒng)設計
初步擬定已知條件為：傳動比i=3，n2max=60r/min,工作壽命為20年（每天工作24小時，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 按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動；
⑵ 由于該減速器傳動功率不大，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 按齒面接觸強度計算
（式3-8）
由設計公式(式3-8)進行試算。
⑴ 確定公式內(nèi)各計算數(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度極限；
⑥ 計算應力循環(huán)次數(shù)
（式3-9）
⑦ 根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：
； 。
⑧ 計算接觸疲勞許用應力：
(式3-10)
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。
⑵ 計算
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 計算圓周速度
（m/s） (式3-11)
（m/s）
③ 計算齒寬b
（mm） （式3-12）
（mm）
④ 計算齒寬與齒高比b/h
模數(shù) ：
（mm）
齒高：
（mm）
⑤ 計算載荷系數(shù)
（式3-13）
根據(jù)，7級精度，查得動載荷系數(shù)。
由于所設計的齒輪為直齒輪，假設，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。
查得7級精度，小齒輪懸臂布置時
由，查得。
故，載荷系數(shù)
⑥ 按實際載荷系數(shù)校正做得分度圓直徑
（mm） （式3-14）
（mm）
⑦ 計算模數(shù)
（mm）
3.3.3 按齒根彎曲強度設計
彎曲強度設計公式為：
（式3-15）
⑴ 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
① 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪；
② 查得彎曲壽命系數(shù)，；
③ 計算彎曲疲勞許用應力
（式3-16）
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4
④ 計算動載荷系數(shù)K
（式3-17）
⑤ 查取齒形系數(shù)
時，；
時，；
⑥ 計算大、齒輪的并加以比較
取小值。
⑵ 設計計算
根據(jù)（式3-14）得：
（mm）
對比計算結果，可由齒面接觸疲勞強度，取模數(shù)為標準值。按接觸疲勞強度算出：
分度圓直徑：
（mm）
小齒輪齒數(shù)：
，取。
大齒輪齒數(shù)：
3.3.4 幾何尺寸計算
⑴ 計算分度圓直徑
（mm）
（mm）
⑵ 計算中心距
（mm）
⑶ 計算齒輪寬度
（mm）
取；。
3.3.5驗算
N
。
3.4 X方向齒輪減速機構傳動系統(tǒng)設計
初步擬定已知條件為：傳動比i=3，n4max=30r/min,工作壽命為20年（每天工作24小時，一年工作360天）
3.4.1 選定齒輪類型、精度、材料、齒數(shù)
⑴ 按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動;
⑵ 由于該減速器傳動功率不大，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 按齒面接觸強度計算
根據(jù)（式3-8）設計進行試算。
⑴ 確定公式內(nèi)各計算數(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度極限
⑥ 計算應力循環(huán)次數(shù) （見式3-9）
⑦ 根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：
； 。
⑧ 計算接觸疲勞許用應力 (見式3-10)
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。
⑵ 計算
① 試算小齒輪分度圓直徑（見式3-8）,代入中較小的值
② 計算圓周速度V （見式3-11）
（m/s）
③ 計算齒寬b （見式3-12）
（mm）
④ 計算齒寬與齒高比b/h
模數(shù)
（mm）
齒高
（mm）
⑤ 計算載荷系數(shù) （見式3-13）
根據(jù)，7級精度，查得動載荷系數(shù)；
由于所設計的齒輪為直齒輪，假設，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；
由，查得故，載荷系數(shù)為：
⑥ 按實際載荷系數(shù)校正做得分度圓直徑 （見式3-14 ）
（mm）
⑦ 計算模數(shù)
（mm）
3.4.3 按齒根彎曲強度設計
根據(jù)（式3-15）進行彎曲強度試算。
⑴ 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
① 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪；
② 查得彎曲壽命系數(shù)，；
③ 計算彎曲疲勞許用應力 （見式3-16）
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4
④ 計算動載荷系數(shù)K （見式3-17）
⑤ 查取齒形系數(shù)
時，；
時，；
⑥ 計算大、齒輪的并加以比較
取小值。
⑵ 設計計算 （見式3-15）
（mm）
對比計算結果，可由齒面接觸疲勞強度，取模數(shù)為標準值。按接觸疲勞強度算出：
分度圓直徑
（mm）
小齒輪齒數(shù)
，取。
大齒輪齒數(shù)
3.4.4 幾何尺寸計算
⑴ 計算分度圓直徑
（mm）
（mm）
⑵ 計算中心距
（mm）
⑶ 計算齒輪寬度
（mm）
??；。
3.4.5 驗算：
N
。
注：考慮云臺垂直運動是-45°～+45°，取齒扇為122°。
3.5 軸的設計
軸的設計也和其他零件的設計相似，包括結構設計和工作能力計算兩方面的內(nèi)容。軸的工作能力計算指的是軸的強度，剛度和振動穩(wěn)定性的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需要對軸進行強度計算，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，對應力集中的敏感性低同時也可以用熱處理或化學處理方法提高其耐磨性和抗疲勞強度。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方向軸的設計
由于控制攝像機水平轉(zhuǎn)動的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，應該分別進行強度校核。⑴ Z方向上軸的設計
根據(jù)拉伸強度條件公式試算（見[2]）：
（式3-18）
其中：為正應力；
F為軸向力；
A為軸的橫截面面積。
設上軸承受質(zhì)量為1㎏的器件，即：
（N）
查得45號鋼的抗彎強度極限為，根據(jù)（式3-17）得：
假設上軸軸徑最小處為16㎜，內(nèi)開一個的內(nèi)孔，用以同視頻線、電源線等線路，其有效面積為：
滿足設計要求。
⑵ Z方向下軸的設計
① 抗拉強度校核
設下軸承受質(zhì)量m=0.8㎏的器件，所以，根（式3-18）得：
假設下軸軸徑最小處為8㎜，內(nèi)留一個的孔，則有效面積為：
滿足設計要求。
② 抗扭強度校核
抗扭強度條件為（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)；
為許用剪切應力。
水平電機，折算到軸上的扭矩為：
（）
抗扭截面系數(shù)為：
則：
查得45號鋼的許用剪切應力為，，滿足強度要求。
3.5.2 X方向軸的設計
材料為45號鋼，經(jīng)正火，淬火和回火熱處理。
由于X方向的軸同時承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以要按彎扭組合強度條件進行計算。
由第四強度理論強度條件（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
由于所選攝像機質(zhì)量，考慮其附加器件的質(zhì)量，設總質(zhì)量，即。
設最大彎曲變形發(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36BF003Ⅱ的轉(zhuǎn)矩，折算到X軸上：
按（式3-20）計算
由于正火，回火處理的45號鋼的許用彎曲應力，即，滿足強度要求。
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
考慮到攝像機支架等的影響，假設軸承軸向載荷，徑向載荷。已知軸承的轉(zhuǎn)速為，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 由滾動軸承樣本查得7001AC型軸承背靠背成對安裝在一個支點時，當量動載荷可按下式計算（見[2]）：
時， （式3-21）
時， （式3-22）
② 因，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù)，則：
③ 計算預期壽命
④ 求該對軸承應具有的基本額定動載荷值
（N） （式3-23）
查[5]得單個7001AC軸承的基本額定動載荷為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，選用滑動軸承。軸瓦材料為聚四氟乙烯，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。減摩性及耐磨性比較好。
⑵ 軸承的驗算
初選軸徑，軸承寬度?？紤]攝像機及支架重量約為700g，即軸承所承受的徑向力。
① 驗算軸承的平均壓力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，即滑動速度m/s；
為軸承材料的pv許用值。
由于本設計
查得聚四氟乙烯的，即。
③ 驗算滑動速度v
（式3-27）
式中：為許用滑動速度。
查得聚四氟乙烯的，即：
綜上驗算，滑動軸承適用。
4 系統(tǒng)控制部分的設計
4.1 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：
⑴ 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；
⑵ 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；
⑶ 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；
⑷ 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；
⑸ 選用硬件WDT實現(xiàn)程序運行監(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、時鐘模塊、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，微處理器選用Atmel公司的89C51，所有串、并行接口時序均通過軟件模擬實現(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89C51。由Atmel公司生產(chǎn)的此型號單片機是以8031為核心構成的，它和8051系列彈片機是兼容的系列。
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16位定時器/計數(shù)器；
⑺ 6個中斷源；
⑻ 可編程UART串行；
⑼ 片內(nèi)時鐘振蕩電路；
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）的作用是強迫單片機（CPU）進入復位狀態(tài)，使之從硬件或軟件故障中解脫出來。既當單片機的程序進入了錯誤狀態(tài)后，在一個指定的時間內(nèi)，將產(chǎn)生一個系統(tǒng)復位。
本設計由計數(shù)器CD4060組成的看門狗電路如圖4-2所示。CD4060是14位二進制串行
圖4-2 由CD4060組成的看門狗電路
計數(shù)／分頻／振蕩器。選、時，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沒隔一段時間就將CD4060復位一次。一旦由于某種原因?qū)е翪PU失控，CD4060不能及時被復位，經(jīng)過時間就從端輸出高電平，立即將89C51復位，把CPU“拉回”到正常運行狀態(tài)；然后CPU又將CD4060復位，使恢復成低電平。與組成微分電路，可將口輸出的復位電平變成復位脈沖。
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測控系統(tǒng)可靠性的有效措施之一。
4.4 可靠性設計
4.4.1 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)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。
4.4.2 系統(tǒng)的自診斷設計
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。
⑵ 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。
⑶ 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。
4.4.3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。
⑴ 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。
⑵ ROM的診斷
一般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。
4.4.4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。
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“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。
⑵ 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
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 軟件設計
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
收藏