毕业设计（论文）-摄像机随动跟踪系统设计

全套图纸加V信153893706或扣3346389411目录TOC\o"1-3"\h\u10824摘要 29127Abstract 374901绪论 3123032.总体结构设计 6187683.俯仰回转机构的详细设计 839103.1回转机构的设计 824893.1.1电机的选择 8140973.1.2关于轴的设计 950903.1.3驱动电机的校核 11240823.1.4蓄电池的选用 15286843.2俯仰机构的设计 16289733.2.1蜗轮蜗杆选择的材料 16282973.2.2强度计算 16170043.2.3关于齿面强度的详细计算校核 19144163.2.4校核齿根的强度 20168154基于Solidworks的三维建模 22259504.1设备的三维建模 22307454.2装置的运动仿真 23202254.2.1回转机构的运动仿真 24173234.2.2俯仰机构的运动仿真 2917783致谢 3131976参考文献 32

摘要摄像机固定在上端支架上，通过俯仰机构可以实现前后±90°调节，俯仰机构通过蜗轮蜗杆机构实现，该机构能够实现自锁、能够很好的固定位置。在±90°的位置通过接近开关实现限位，同时采用机械限位的方式双重保护，防止过角度旋转损伤元器件。旋转机构通过齿轮啮合的方式驱动，电机输出轴直接固定小齿轮、小齿轮转动带动大齿轮同时可以增大输出扭矩，大齿轮连接着旋转工作台从而整个俯仰机构可以实现360°不间断旋转，采用24V直流马达、蓄电池供电。文中对机构进行了详细设计、强度校核等，通过SolidWorks进行了三维建模、并通过了仿真分析更加直观的展示了设计成果，通过分析得到机构受力均匀、载荷平稳、速度稳定的结论。通过对装置的运动仿真，得到俯仰机构和旋转机构共同构成的随动跟踪系统满足设计要求的结论。关键词：摄像机；俯仰机构；旋转；仿真；随动跟踪系统

AbstractThecameraisfixedontheupperbracket,thefrontandback±90°adjustmentcanberealizedbythepitchmechanism,andthepitchmechanismcanberealizedbythewormgearmechanism,whichcanachieveself-lockingandgoodfixedposition.Atthepositionof±90°,limitisrealizedbyproximityswitch,andatthesametime,doubleprotectionisadoptedbymechanicallimittopreventthecomponentsfrombeingdamagedbyoveranglerotation.Therotatingmechanismisdrivenbygearengagement.Theoutputshaftofthemotordirectlyfixesthepinion.Thepinionrotatesanddrivesthebiggeartoincreasetheoutputtorqueatthesametime.Thebiggearisconnectedwiththerotatingworkbenchsothattheentirepitchmechanismcanachieve360°continuousrotation.The24Vdirectcurrentmotorandbatteryareusedforpowersupply.Inthispaper,thedetaileddesignandstrengthcheckofthemechanismarecarriedout,andthe3DmodelingiscarriedoutthroughSolidWorks,andthedesignresultsaredisplayedmoreintuitivelythroughsimulationanalysis，Throughtheanalysis,theconclusionthattheforceisuniform,theloadisstableandthespeedisstableisobtained.Throughthemotionsimulationofthedevice,itisconcludedthattheservotrackingsystemcomposedofpitchmechanismandrotationmechanismcanmeetthedesignrequirements.Keywords:camera;pitchmechanism;rotation;simulation；Trackingsystem

1绪论摄像机广泛用于影视行业、工业监控、商场监控等各行各业，如果摄像机仅仅是固定就只能拍摄一个角度的视频，通过设计俯仰回转机构可以实现360度无死角拍摄，能够达到更好的效果，俯仰回转机构如同自动化结构自动化程度很高、定位精度准确。普通的自动化结构的发展是在多种社会因素和科学发展的基础上发展起来的，纵观改造自然的历史过程中，人类为了省时省力而不断创造各种工具，从工具的材质上看，从木质工具发展为金属工具，发展为机械工具，都是在不算的发展和改变的，通过不断的优化和改革，使得生产效率不断的提升，更加促进了经济的发展和不断对科学的探索。随着工业自动化的发展，原有的生产模式已经不能满足人们的需求，人们需要更加有效率、更加安全、更加智能的设备来辅助生产[1]。信息产业的发展，使得机械发展越来越自动化、智能化。通过将不同的机构组装起来，通过使用控制系统控制不同的机构完成不同的作业，更加智能化成为了发展趋势，在市场经济的今天，谁掌握了自动化和智能化谁就掌握了先机，更加顺应时代的发展。自动化结构的概念是上世纪末提出的，虽说发展的时间不是很长，但是发展的进程和发展的速度非常快，最初的技术不是很成熟，应用的领域和行业也很有限，但是随着工业生产的发展和进步，科技的发展和应用，自动化结构的技术越来越成熟，也越来越精密，灵活度也非常高，可以应用的领域和行业也越来越多，其在工业行业的应用效果使得人们更加感受到其在生产效率[2]，生产安全和产品标准化方面的优势，也越发探索在工业企业中还有哪些工序是可以应用工业自动化结构来减少和降低人员工作强度和人工成本的。自动化结构的发展不仅仅得益于机械行业的不断发展，还和计算机技术，材料科学等学科的发展密不可分。同时自动化结构的应用也不仅仅是加工制造型企业，在很多高精度要求的领域也在应用。在医疗行业的应用即医疗自动化结构是自动化结构技术发展的重要方向之一。自动化结构是一种高精度的机电一体化生产装备，通过气动、液压等进行控制可以实现自动化结构的高精密度及自动化性能[3]，在自动化结构的设计和开发中需要有力矩，材料,强度，传动等机械相关的知识，除此之外，还需要综合应用很多学科的知识，包括液压、电子、电路、材料力学等各学科，是综合学科运用的产物。将各学科先进的技术和前沿的发展结果应用在自动化结构的设计和开发中，可以使自动化结构更智能化，可以完成的作业项目越多，可以完成的动作更加精准和标准化。标准化的生产可以减少不良产品的发生，提高产品的质量水平[4]。自动化结构可以完成的动作和操作很多，在很多工作和工位上可以替代人工的操作。减少了人力成本的消耗，同时可以提高生产的效率，提高企业的生产竞争力。

总体结构设计摄像机固定在上端支架上，通过俯仰机构可以实现前后±90°调节，俯仰机构通过蜗轮蜗杆机构实现，该机构能够实现自锁、能够很好的固定位置。在±90°的位置通过接近开关实现限位，同时采用机械限位的方式双重保护，防止过角度旋转损伤元器件。旋转机构通过齿轮啮合的方式驱动，电机输出轴直接固定小齿轮、小齿轮转动带动大齿轮同时可以增大输出扭矩，大齿轮连接着旋转工作台从而整个俯仰机构可以实现360°不间断旋转。俯仰机构和旋转机构共同构成了随动跟踪系统，通过跟踪装置对目标定位，两个机构进行360度无死角式定位拍摄。为方便设计，两个机构的动力源可以选取相同的电机，采用24V直流马达、蓄电池供电。具体的结构如图2-1所示，相关的零部件明细见表2-1。图2-1俯仰回转机构结构图表2-1零部件明细表序号名称数量材料1摄像机1组件2俯仰机构装配1组件3直齿M1X501454电机1组件5面板1Q235-A6立板2Q235-A7中心轴1458深沟球轴承6203-2Z1组件9转盘1Q235-A10轴承压座1Q235-A11直齿M1X11014512挡片14513箱体1SUS30414内六角圆柱头螺钉M4×814515固定板1Q235-A16防护罩1SUS304T=1.0

3.俯仰回转机构的详细设计3.1回转机构的设计3.1.1电机的选择根据使用情况初选型号为东方马达AZ系列DC电源输入内藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2电机，电机的具体型号和参数如表3-1所示，负载扭矩特性如图3.1所示，后续对电机进行强度校核。表3-1AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2电机参数安装尺寸40mm轴型单轴电磁制动有电缆线2m（标准电缆线）驱动器型内藏定位型励磁最大静止转矩2.5N・m转子转动惯量J71×10^-7kg・m^2齿隙3arcmin(0.05°)速度范围0～600r/min减速比5分辨率000P/R设定时0.04°/脉冲容许转矩2.5N・m电源输入电压DC24V/DC48V电源输入电压容许范围±5%电源输入电流1.8ACE标志是的PC设定程序MEXE02电动机部质量0.88kg电路部质量0.15kg

图3.1负载扭矩特性图3.1.2关于轴的设计根据末端执行机构的设计及电机的相关参数，此设计的预期使用条件：负载的重量W=5Kg，通过结合电机的相关参数进行设计校核，最终得出结论。（1）步进距离的设计步进距离的大小取决于电机的最大转速和行动速度（3.1）式中：L—步进距离；Vmax—最大的运行速度，参照100mm/s；Nmax—电机的最大转速，600r/min。（2）轴向负载的计算①加速时：加速度a为：（3.2）式中：t—加速及减速的时间，0.15s将Vmax=100mm/s，t=0.15s代入得。加速时，轴向负载为（3.3）式中：μ—线性运动零件与零件之间的摩擦系数，取μ=0.02。匀速运动时，轴向负载为（3.4）②减速时：轴向负载（3.5）各动作模式1次循环所需的时间（s）如表3-2所示：表3-2循环所需时间动作模式A（同时俯视）B（慢）C（快）共需时间所需时间0.31.40.32负载条件如表3-3所示：表3-3步进距离为4的负载条件动作模式ABC轴向负载P（N）4.330.982.37转速N300600300所需时间比例t15%70%15%轴向平均负载及平均转动速度的大小可以根据上述两个表格中的相关参数进行计算:（3.6）（3.7）动态额定负载C的计算与使用寿命相关，实际使用寿命需要在设计寿命中去除非运行时间，设计使用寿命Lh=30000h。（在此公式中1代表预计夹紧的时间，代表上下运动的时间）将运行系数带入公式中（3.8）（3）计算屈曲载荷及危险速度屈曲载荷的公式：（3.9）式中：—开始引起压曲的负载；n—由旋转轴的支撑方式决定，铰支形式—铰支形式n=1，固定形式—铰支形式n=2，固定形式—铰支形式n=4，固定形式—自由形式n=0.25；E—杨氏模量，为常数；I—旋转轴轴向最小的惯性矩，；—负载作用点的距离。所以PK=1019.45N。（3.10）式中：—安全系数，0.5。在此设计中电机的运行速度较慢，没有危险，不需要对危险速度进行校核。3.1.3驱动电机的校核（1）转动惯量的详细计算电机中转子的转动惯量，旋转轴的计算转动惯量（3.11）工作台是可以移动的部件，可以按照如下的公式将工作台的移动质量折算到旋转轴轴上下移动的惯量上：（3.12）式中：L—步进距离，cm；M—工作台的质量，kg。将数据代入到公式（3.12）中：联轴器转动惯量系统等效转动惯量（2）计算转矩特性为电机的最大静转矩，是电机的定位转矩，其值可以在资料中查得为电机的名义启动转矩，与具有线性关系，可以表达为（3.13）在资料中[5]查得。将数据代入到公式中：电机在没有负载的情况下启动，这种情况叫做空载启动，其具体的扭矩计算为：（3.14）式中—空载启动时的力矩，N.m；—空载启动时，可移动部件的速度由0升速到最大时，折算到电机轴上的加速力矩，N.m；—在电机上的摩擦力矩（空载启动时），N.m。计算的各相关项的力矩值如下：加速力矩（3.15）（3.16）式中：—机械结构中等效的转动惯量值；—电机加速度的最大值；—当机构运动最大速度的时电机的输出转速值；T—运动机构从静止状态下启动加速到最大快进速度所需的时间；—执行机构的最大速度；—初选电机的步距角；—脉冲当量；空载摩擦力矩（3.17）式中：M—运动部件的总重量；—导轨摩擦系数；—传动系统总效率；（）L—旋转轴的最大行程；所以附加摩擦力矩（3.18）式中：—使用的旋转轴的预紧压力值（为最大轴向负载的1/3）；—旋转轴未预紧时的传动效率，现取通过以上得到马达启动的空载转矩为：初选电机型号应满足电机所需空载启动力矩小于电机名义启动转矩，即。所以电机初步满足要求。（3）校核电机的启动矩频特性通常情况下说的启动速度是指电机从静止状态启动时候的速度，很少会使用到电机的跳转启动[6]。电机启动后，其速度在一段时间内是有规律的，当电机的的工作转速会在结束启动时达到最高。图3.2为电机的启动力矩与频率特性之间的关系曲线。图3.2矩频特性图在此图中，纵轴为空载启动力矩，单位为N.cm,横轴为对应的启动频率，单位为KHz.根据以上的计算可知空载启动力矩。在图3.3中可以查的对应的允许启动频率。其相应的启动频率，符合设计要求，可以选用。（4）运行矩频特性校核电机的最高快进运行频率fkz（3.19）式中：—机构运动的最大速度柱；—脉冲当量；快进力矩为：（3.20）式中：—快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩；—附加摩擦力矩。由图3.3可知对应的允许快进频率；所以东方马达AZ系列DC电源输入内藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2电机满足快速进给运行矩频特性要求，可以使用。3.1.4蓄电池的选用装置使用可以用蓄电池供电、使用更随机可以不用考虑现场电源的问题，很方便。为满足装置在室内外均能使用的要求，为了实现自主供电，需要在装置上安装电池，本设计中的电源为可充电池。在选择电池时需要充分考虑成本价格、使用寿命、电压大小、电池容量等要素。就市面上现有的蓄电池来看，其常见的有：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、金属氧化物镍蓄电池、铁镍蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池和锂离子蓄电池[8]。从节省成本方面考虑，选用铅酸蓄电池最为合算，但缺点也很明显。比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电后的行驶里程短。使用寿命短，导致了使用成本高。充电时间长。铅是重金属，存在污染。比较而言，锂电池可以算作是更好的选择。锂电池的优点有超长的寿命、使用安全、能够实现大电流快速充电、容量大行程长、体积小质量轻以及绿色环保等优点。电池成本随着锂液提纯技术的提高也能够接受。因此，本装置选用高效环保的锂电池作为供电能源。电源采用24V充电式电源，充满一次电可连续24个小时使用。3.2俯仰机构的设计俯仰机构采用蜗轮蜗杆传动方式，该机构能够实现自锁，能够很好的锁定位置、保证精度[7]。3.2.1蜗轮蜗杆选择的材料结合使用情况选择两齿轮材料为：40Cr，加工工艺都为：调质处理、表面淬火硬度为HRC46-55，为满足使用需要加工等级定位六级[9]。取其最低值保证满足使用需要，的MQ级质量指标查得；查机械设计手册图8－3－9（d）中的MQ级质量指标查得；。3.2.2强度计算蜗轮蜗杆的计算需要计算中心距、模数齿数等，具体步骤如下所示。中心距a的计算（3.21）式中：参数具体查阅机械设计手册得到如下修正系数Cm＝1.2（配材料）螺旋角系数Aa＝454载荷系数K＝1.5高度端齿轮的扭矩计算是：（3.22）齿宽的补偿参数＝0.5齿数比u=i=2.5查阅国家标准应力为所以为了安全起见这里取a＝80mm(2)关于模数m的确定m=(0.007~0.02)a=0.56~1.6,取m=1.5mm(3)确定齿数z,z螺旋角度的初始确认＝13z===29.4（3.23）取整这里按照z=30z=μz=2.530=75，这里就按照z=75关于螺旋角的重新计算如下部分（3.24）(4)其他主要几何尺寸的计算z/cos=1.530/cos=45.7mm（3.25）d=mz/cos=1.5*75/cos=114.3mm（3.26）齿顶圆直径d=d+2h=45.7+21.6=48.9mmd=d+2h=114.3+21.6=117.5mm（3.27）压力角（端面）（3.28）分度圆直径d=dcos=cos20.292=40.2mmd=dcos=348cos20.292=107.2mm压力角（齿顶圆）=arccos=34.365=arccos=23.951端面重合度=[z（tg-tg）+z(tg-tg)]=1.9（3.29）齿形宽度b=.a＝0.4*80＝32（3.30）取b＝32mm；b＝40mm齿宽系数===0.7（3.31）纵向重合度=1.2（3.32）当量齿数＝31.45＝78.628（3.33）3.2.3关于齿面强度的详细计算校核齿面的强度校核非常重要，基于强度条件：[]关于应力的校核：=ZZZZZ（3.34）=（3.35）式中：切向力F===2034N（3.36）使用系数K=1动载系数=（）式中V=A=83.6B=0.4C=6.57=1.2齿间载荷分配系数节点区域系数=1.5重合度的系数螺旋角系数弹性系数单对齿齿合系数Z=1=＝＝245.5MPa许用应力：[]=（3.37）式中：极限应力=1120MPa最小安全系数=1.1寿命系数=0.92润滑剂系数=1.05（按油粘度等于350）速度系数=0.96（按）粗糙度系数=0.9齿面工作硬化系数=1.03（按齿面硬度45HRC）尺寸系数=1则：[]==826MPa满足[]3.2.4校核齿根的强度强度条件：[]许用应力：=（3.38）（3.39）式中：齿形系数=2.61，=2.2应力修正系数，重合度系数=1.9螺旋角系数=1.0齿向载荷分布系数==1.3（其中N=0.94）齿间载荷分配系数=1.0则=94.8MPa==88.3MPa许用应力：[]=（按较小齿轮值检验）式中：极限应力=350MPa安全系数=1.25应力修正系数=2寿命系数=0.9齿根圆角敏感系数=0.97齿根表面状况系数=1尺寸系数=1则[]=满足，〈〈[]通过计算是符合要求的，合格。

4基于Solidworks的三维建模4.1设备的三维建模Solidworks是目前机械行业的主流软件，相比较于平面二维设计软件，Solidworks更加直观。工程师使用Solidworks进行机械结构设计时，操作简单便捷，因为在Solidworks中自带一些模型和结构，可以在设计的时候直接调用，也可以通过简单的数字修改使其变更自己需要的模型，同时用户还可以将自己平时经常使用的模型等保存在数据库中，备平时的调用[10]。设计出的零部件，在加工的过程中就不会因为结构的不良，反复反复不断的回去确认产品的设计，提高零部件的加工效率。零件设计生产的符合要求，也会在很大程度上方便产品的组装和加工，使得产品的设计和生产周期大大的缩短。同时在设计图完成以后也方便业务人员与客户方进行沟通，更加直观的展示产品的结构和外观，还可以通过给客户演示产品的运行，确认是否满足客户的需求。做客户满足的产品，才能增强企业的竞争力，提高企业的经济效益[11]。通过Solidworks对每个零件进行三维建模，然后将每个零部件组装起来，具体如下图4-1所示。图4-1三维装配图图4-2三维装配透视图Solidworks最受欢迎的一个原因就是可以三维立体的展示产品，设计师设计完结构后可以在Solidworks通过计算和演示操作，确认机械结构合理性[12]，通过演示实际的操作确认是否有设计的不够完善的地方，是一个可以自检的工具，通过使用Solidworks软件，设计师可以提早的发现在设计过程中考虑不周到的地方，及时的发现问题并解决问题，这样可以有效的的减少产品的生产周期。4.2装置的运动仿真Animator是SolidWorks软件中自带的一个插件，是需要在SolidWorks环境中应用的，用来进行运动仿真的一种插件。使用Animator做出的动画效果，可以将设计的机构动态的展示出，让三维的模型动态的展示出，使机构可视化，可以在模型出来未投产的时候给客户展示产品的性能与产品的外观，对于客户端非技术的人员也可以很直观的看到产品的使用效果，并可以直接与设计人员进行交流。同时此插件还可以将模拟出来的装配及拆卸过程录制下来，发给客户及相关的人员进行了解，可以与相关的设计人员交流设计的思路，组装的要点等。在进行运动仿真的过程中，还可以发现一些设计中考虑不足的地方，如干涉、包含等[13]~[16]。发现问题后可以精准的找出需要改善的地方，避免在生产中的材料和时间浪费，可以更有效的节省成本。下图4-3为进行运动仿真的流程图。新建运动仿真新建运动仿真环境设置创建模型定义材料创建运动副添加载荷和接触创建驱动指定封装选项创建解算方案求解执行分析工作图4-3运动仿真流程图4.2.1回转机构的运动仿真打开装配模型，左下角选择运动算例，进入后可进行相关设置，如图4-4所示。图4-4选择运动算例选择Motion分析，然后可进行动画仿真、参数设置等，如图4-5所示。图4-5选择Motion分析打开Motion分析后选择添加马达按钮，如图4-6所示。图4-6选择马达选择小齿轮为马达旋转中心，选择转速为10RPM，也就是10转/分钟，6秒/转的角速度。具体如图4-7所示。图4-7设定马达参数设定阻尼如图4-8所示，负载为5Kg，相当于49N，阻尼主要是两个齿轮之间的啮合。图4-8设定阻尼完成之前的设置之后，可以点击结果和图解进行相关的图表输出，如图4-9。图4-9选择结果和图解这里以角位移为例，先选择“位移/速度/加速度”大项，然后选择下面子项目角位移，选择分析幅值，并选择需要分析的项目（这里为摄像头前端中心点），相关设置完成后、确定完成。具体如图4-10所示。图4-10设定角速度运动仿真的界面如图4-11，通过输出视频功能可以保存为仿真运动视频，见视频文件。图4-11运动仿真截图各种图表可通过结果中查询、并输出见图4-12、图4-13。图4-12图解位置

图4-13回转机构角位移图4.2.2俯仰机构的运动仿真根据相同方法进行俯仰机构的仿真，设置最终截图如下所示。图4-14俯仰机构仿真截图具体的俯仰机构角速度关系见图4-15，通过数据分析可知：机构受力均匀、载荷平稳、速度稳定。具体的俯仰机构线性位移Z分量见图4-16所示，通过Z分量线性位移图可知线性位移平稳过度、机构稳定。图4-15俯仰机构角速度图图4-16俯仰机构线性位移Z分量图通过旋转机构和俯仰机构的仿真，对整个装置的随动跟踪系统进行了校验，结论是设备能够完成360度无死角式转动，满足设计要求，后续可通过生产加工出实物进行实验。

致谢毕业设计是一次系统地对大学所学专业知识的梳理和检测的过程，在平时的学习过程中一些学科的知识是相对分散的，很多知识我们学习了，但在实际的设计活动中需要在什么阶段使用什么样的方法进行分析，我们经验不是很足。通过毕业设计可以更系统地将所学的相关知识联系起来，