畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-攝像機(jī)隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全套圖紙加V信153893706或扣3346389411目錄TOC\o"1-3"\h\u10824摘要 29127Abstract 374901緒論 3123032.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6187683.俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 839103.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 824893.1.1電機(jī)的選擇 8140973.1.2關(guān)于軸的設(shè)計(jì) 950903.1.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的校核 11240823.1.4蓄電池的選用 15286843.2俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16289733.2.1蝸輪蝸桿選擇的材料 16282973.2.2強(qiáng)度計(jì)算 16170043.2.3關(guān)于齒面強(qiáng)度的詳細(xì)計(jì)算校核 19144163.2.4校核齒根的強(qiáng)度 20168154基于Solidworks的三維建模 22259504.1設(shè)備的三維建模 22307454.2裝置的運(yùn)動(dòng)仿真 23202254.2.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 24173234.2.2俯仰機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 2917783致謝 3131976參考文獻(xiàn) 32

摘要攝像機(jī)固定在上端支架上，通過(guò)俯仰機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)前后±90°調(diào)節(jié)，俯仰機(jī)構(gòu)通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖、能夠很好的固定位置。在±90°的位置通過(guò)接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)限位，同時(shí)采用機(jī)械限位的方式雙重保護(hù)，防止過(guò)角度旋轉(zhuǎn)損傷元器件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪嚙合的方式驅(qū)動(dòng)，電機(jī)輸出軸直接固定小齒輪、小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大齒輪同時(shí)可以增大輸出扭矩，大齒輪連接著旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)從而整個(gè)俯仰機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)360°不間斷旋轉(zhuǎn)，采用24V直流馬達(dá)、蓄電池供電。文中對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核等，通過(guò)SolidWorks進(jìn)行了三維建模、并通過(guò)了仿真分析更加直觀的展示了設(shè)計(jì)成果，通過(guò)分析得到機(jī)構(gòu)受力均勻、載荷平穩(wěn)、速度穩(wěn)定的結(jié)論。通過(guò)對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)仿真，得到俯仰機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成的隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。關(guān)鍵詞：攝像機(jī)；俯仰機(jī)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)；仿真；隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

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緒論攝像機(jī)廣泛用于影視行業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、商場(chǎng)監(jiān)控等各行各業(yè)，如果攝像機(jī)僅僅是固定就只能拍攝一個(gè)角度的視頻，通過(guò)設(shè)計(jì)俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)360度無(wú)死角拍攝，能夠達(dá)到更好的效果，俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如同自動(dòng)化結(jié)構(gòu)自動(dòng)化程度很高、定位精度準(zhǔn)確。普通的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展是在多種社會(huì)因素和科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，縱觀改造自然的歷史過(guò)程中，人類(lèi)為了省時(shí)省力而不斷創(chuàng)造各種工具，從工具的材質(zhì)上看，從木質(zhì)工具發(fā)展為金屬工具，發(fā)展為機(jī)械工具，都是在不算的發(fā)展和改變的，通過(guò)不斷的優(yōu)化和改革，使得生產(chǎn)效率不斷的提升，更加促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和不斷對(duì)科學(xué)的探索。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，原有的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足人們的需求，人們需要更加有效率、更加安全、更加智能的設(shè)備來(lái)輔助生產(chǎn)[1]。信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得機(jī)械發(fā)展越來(lái)越自動(dòng)化、智能化。通過(guò)將不同的機(jī)構(gòu)組裝起來(lái)，通過(guò)使用控制系統(tǒng)控制不同的機(jī)構(gòu)完成不同的作業(yè)，更加智能化成為了發(fā)展趨勢(shì)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的今天，誰(shuí)掌握了自動(dòng)化和智能化誰(shuí)就掌握了先機(jī)，更加順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的概念是上世紀(jì)末提出的，雖說(shuō)發(fā)展的時(shí)間不是很長(zhǎng)，但是發(fā)展的進(jìn)程和發(fā)展的速度非?？?，最初的技術(shù)不是很成熟，應(yīng)用的領(lǐng)域和行業(yè)也很有限，但是隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步，科技的發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的技術(shù)越來(lái)越成熟，也越來(lái)越精密，靈活度也非常高，可以應(yīng)用的領(lǐng)域和行業(yè)也越來(lái)越多，其在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用效果使得人們更加感受到其在生產(chǎn)效率[2]，生產(chǎn)安全和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化方面的優(yōu)勢(shì)，也越發(fā)探索在工業(yè)企業(yè)中還有哪些工序是可以應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)來(lái)減少和降低人員工作強(qiáng)度和人工成本的。自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展不僅僅得益于機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，還和計(jì)算機(jī)技術(shù)，材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展密不可分。同時(shí)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也不僅僅是加工制造型企業(yè)，在很多高精度要求的領(lǐng)域也在應(yīng)用。在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用即醫(yī)療自動(dòng)化結(jié)構(gòu)是自動(dòng)化結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。自動(dòng)化結(jié)構(gòu)是一種高精度的機(jī)電一體化生產(chǎn)裝備，通過(guò)氣動(dòng)、液壓等進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的高精密度及自動(dòng)化性能[3]，在自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中需要有力矩，材料,強(qiáng)度，傳動(dòng)等機(jī)械相關(guān)的知識(shí)，除此之外，還需要綜合應(yīng)用很多學(xué)科的知識(shí)，包括液壓、電子、電路、材料力學(xué)等各學(xué)科，是綜合學(xué)科運(yùn)用的產(chǎn)物。將各學(xué)科先進(jìn)的技術(shù)和前沿的發(fā)展結(jié)果應(yīng)用在自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中，可以使自動(dòng)化結(jié)構(gòu)更智能化，可以完成的作業(yè)項(xiàng)目越多，可以完成的動(dòng)作更加精準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)可以減少不良產(chǎn)品的發(fā)生，提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平[4]。自動(dòng)化結(jié)構(gòu)可以完成的動(dòng)作和操作很多，在很多工作和工位上可以替代人工的操作。減少了人力成本的消耗，同時(shí)可以提高生產(chǎn)的效率，提高企業(yè)的生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)攝像機(jī)固定在上端支架上，通過(guò)俯仰機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)前后±90°調(diào)節(jié)，俯仰機(jī)構(gòu)通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖、能夠很好的固定位置。在±90°的位置通過(guò)接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)限位，同時(shí)采用機(jī)械限位的方式雙重保護(hù)，防止過(guò)角度旋轉(zhuǎn)損傷元器件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪嚙合的方式驅(qū)動(dòng)，電機(jī)輸出軸直接固定小齒輪、小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大齒輪同時(shí)可以增大輸出扭矩，大齒輪連接著旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)從而整個(gè)俯仰機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)360°不間斷旋轉(zhuǎn)。俯仰機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成了隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)跟蹤裝置對(duì)目標(biāo)定位，兩個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行360度無(wú)死角式定位拍攝。為方便設(shè)計(jì)，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源可以選取相同的電機(jī)，采用24V直流馬達(dá)、蓄電池供電。具體的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，相關(guān)的零部件明細(xì)見(jiàn)表2-1。圖2-1俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖表2-1零部件明細(xì)表序號(hào)名稱(chēng)數(shù)量材料1攝像機(jī)1組件2俯仰機(jī)構(gòu)裝配1組件3直齒M1X501454電機(jī)1組件5面板1Q235-A6立板2Q235-A7中心軸1458深溝球軸承6203-2Z1組件9轉(zhuǎn)盤(pán)1Q235-A10軸承壓座1Q235-A11直齒M1X11014512擋片14513箱體1SUS30414內(nèi)六角圓柱頭螺釘M4×814515固定板1Q235-A16防護(hù)罩1SUS304T=1.0

3.俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1電機(jī)的選擇根據(jù)使用情況初選型號(hào)為東方馬達(dá)AZ系列DC電源輸入內(nèi)藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2電機(jī)，電機(jī)的具體型號(hào)和參數(shù)如表3-1所示，負(fù)載扭矩特性如圖3.1所示，后續(xù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核。表3-1AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2電機(jī)參數(shù)安裝尺寸40mm軸型單軸電磁制動(dòng)有電纜線2m（標(biāo)準(zhǔn)電纜線）驅(qū)動(dòng)器型內(nèi)藏定位型勵(lì)磁最大靜止轉(zhuǎn)矩2.5N?m轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J71×10^-7kg?m^2齒隙3arcmin(0.05°)速度范圍0～600r/min減速比5分辨率000P/R設(shè)定時(shí)0.04°/脈沖容許轉(zhuǎn)矩2.5N?m電源輸入電壓DC24V/DC48V電源輸入電壓容許范圍±5%電源輸入電流1.8ACE標(biāo)志是的PC設(shè)定程序MEXE02電動(dòng)機(jī)部質(zhì)量0.88kg電路部質(zhì)量0.15kg

圖3.1負(fù)載扭矩特性圖3.1.2關(guān)于軸的設(shè)計(jì)根據(jù)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，此設(shè)計(jì)的預(yù)期使用條件：負(fù)載的重量W=5Kg，通過(guò)結(jié)合電機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，最終得出結(jié)論。（1）步進(jìn)距離的設(shè)計(jì)步進(jìn)距離的大小取決于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和行動(dòng)速度（3.1）式中：L—步進(jìn)距離；Vmax—最大的運(yùn)行速度，參照100mm/s；Nmax—電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，600r/min。（2）軸向負(fù)載的計(jì)算①加速時(shí)：加速度a為：（3.2）式中：t—加速及減速的時(shí)間，0.15s將Vmax=100mm/s，t=0.15s代入得。加速時(shí)，軸向負(fù)載為（3.3）式中：μ—線性運(yùn)動(dòng)零件與零件之間的摩擦系數(shù)，取μ=0.02。勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸向負(fù)載為（3.4）②減速時(shí)：軸向負(fù)載（3.5）各動(dòng)作模式1次循環(huán)所需的時(shí)間（s）如表3-2所示：表3-2循環(huán)所需時(shí)間動(dòng)作模式A（同時(shí)俯視）B（慢）C（快）共需時(shí)間所需時(shí)間0.31.40.32負(fù)載條件如表3-3所示：表3-3步進(jìn)距離為4的負(fù)載條件動(dòng)作模式ABC軸向負(fù)載P（N）4.330.982.37轉(zhuǎn)速N300600300所需時(shí)間比例t15%70%15%軸向平均負(fù)載及平均轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小可以根據(jù)上述兩個(gè)表格中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算:（3.6）（3.7）動(dòng)態(tài)額定負(fù)載C的計(jì)算與使用壽命相關(guān)，實(shí)際使用壽命需要在設(shè)計(jì)壽命中去除非運(yùn)行時(shí)間，設(shè)計(jì)使用壽命Lh=30000h。（在此公式中1代表預(yù)計(jì)夾緊的時(shí)間，代表上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)間）將運(yùn)行系數(shù)帶入公式中（3.8）（3）計(jì)算屈曲載荷及危險(xiǎn)速度屈曲載荷的公式：（3.9）式中：—開(kāi)始引起壓曲的負(fù)載；n—由旋轉(zhuǎn)軸的支撐方式?jīng)Q定，鉸支形式—鉸支形式n=1，固定形式—鉸支形式n=2，固定形式—鉸支形式n=4，固定形式—自由形式n=0.25；E—楊氏模量，為常數(shù)；I—旋轉(zhuǎn)軸軸向最小的慣性矩，；—負(fù)載作用點(diǎn)的距離。所以PK=1019.45N。（3.10）式中：—安全系數(shù)，0.5。在此設(shè)計(jì)中電機(jī)的運(yùn)行速度較慢，沒(méi)有危險(xiǎn)，不需要對(duì)危險(xiǎn)速度進(jìn)行校核。3.1.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的校核（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的詳細(xì)計(jì)算電機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，旋轉(zhuǎn)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（3.11）工作臺(tái)是可以移動(dòng)的部件，可以按照如下的公式將工作臺(tái)的移動(dòng)質(zhì)量折算到旋轉(zhuǎn)軸軸上下移動(dòng)的慣量上：（3.12）式中：L—步進(jìn)距離，cm；M—工作臺(tái)的質(zhì)量，kg。將數(shù)據(jù)代入到公式（3.12）中：聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（2）計(jì)算轉(zhuǎn)矩特性為電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，其值可以在資料中查得為電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與具有線性關(guān)系，可以表達(dá)為（3.13）在資料中[5]查得。將數(shù)據(jù)代入到公式中：電機(jī)在沒(méi)有負(fù)載的情況下啟動(dòng)，這種情況叫做空載啟動(dòng)，其具體的扭矩計(jì)算為：（3.14）式中—空載啟動(dòng)時(shí)的力矩，N.m；—空載啟動(dòng)時(shí)，可移動(dòng)部件的速度由0升速到最大時(shí)，折算到電機(jī)軸上的加速力矩，N.m；—在電機(jī)上的摩擦力矩（空載啟動(dòng)時(shí)），N.m。計(jì)算的各相關(guān)項(xiàng)的力矩值如下：加速力矩（3.15）（3.16）式中：—機(jī)械結(jié)構(gòu)中等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值；—電機(jī)加速度的最大值；—當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)最大速度的時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速值；T—運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)從靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間；—執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大速度；—初選電機(jī)的步距角；—脈沖當(dāng)量；空載摩擦力矩（3.17）式中：M—運(yùn)動(dòng)部件的總重量；—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；—傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；（）L—旋轉(zhuǎn)軸的最大行程；所以附加摩擦力矩（3.18）式中：—使用的旋轉(zhuǎn)軸的預(yù)緊壓力值（為最大軸向負(fù)載的1/3）；—旋轉(zhuǎn)軸未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取通過(guò)以上得到馬達(dá)啟動(dòng)的空載轉(zhuǎn)矩為：初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即。所以電機(jī)初步滿足要求。（3）校核電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性通常情況下說(shuō)的啟動(dòng)速度是指電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)候的速度，很少會(huì)使用到電機(jī)的跳轉(zhuǎn)啟動(dòng)[6]。電機(jī)啟動(dòng)后，其速度在一段時(shí)間內(nèi)是有規(guī)律的，當(dāng)電機(jī)的的工作轉(zhuǎn)速會(huì)在結(jié)束啟動(dòng)時(shí)達(dá)到最高。圖3.2為電機(jī)的啟動(dòng)力矩與頻率特性之間的關(guān)系曲線。圖3.2矩頻特性圖在此圖中，縱軸為空載啟動(dòng)力矩，單位為N.cm,橫軸為對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)頻率，單位為KHz.根據(jù)以上的計(jì)算可知空載啟動(dòng)力矩。在圖3.3中可以查的對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率。其相應(yīng)的啟動(dòng)頻率，符合設(shè)計(jì)要求，可以選用。（4）運(yùn)行矩頻特性校核電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率fkz（3.19）式中：—機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最大速度柱；—脈沖當(dāng)量；快進(jìn)力矩為：（3.20）式中：—快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；—附加摩擦力矩。由圖3.3可知對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率；所以東方馬達(dá)AZ系列DC電源輸入內(nèi)藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2電機(jī)滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求，可以使用。3.1.4蓄電池的選用裝置使用可以用蓄電池供電、使用更隨機(jī)可以不用考慮現(xiàn)場(chǎng)電源的問(wèn)題，很方便。為滿足裝置在室內(nèi)外均能使用的要求，為了實(shí)現(xiàn)自主供電，需要在裝置上安裝電池，本設(shè)計(jì)中的電源為可充電池。在選擇電池時(shí)需要充分考慮成本價(jià)格、使用壽命、電壓大小、電池容量等要素。就市面上現(xiàn)有的蓄電池來(lái)看，其常見(jiàn)的有：鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、金屬氧化物鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池、鋅銀蓄電池、鋅鎳蓄電池和鋰離子蓄電池[8]。從節(jié)省成本方面考慮，選用鉛酸蓄電池最為合算，但缺點(diǎn)也很明顯。比能量低，在電動(dòng)汽車(chē)中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電后的行駛里程短。使用壽命短，導(dǎo)致了使用成本高。充電時(shí)間長(zhǎng)。鉛是重金屬，存在污染。比較而言，鋰電池可以算作是更好的選擇。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)有超長(zhǎng)的壽命、使用安全、能夠?qū)崿F(xiàn)大電流快速充電、容量大行程長(zhǎng)、體積小質(zhì)量輕以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。電池成本隨著鋰液提純技術(shù)的提高也能夠接受。因此，本裝置選用高效環(huán)保的鋰電池作為供電能源。電源采用24V充電式電源，充滿一次電可連續(xù)24個(gè)小時(shí)使用。3.2俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)俯仰機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，能夠很好的鎖定位置、保證精度[7]。3.2.1蝸輪蝸桿選擇的材料結(jié)合使用情況選擇兩齒輪材料為：40Cr，加工工藝都為：調(diào)質(zhì)處理、表面淬火硬度為HRC46-55，為滿足使用需要加工等級(jí)定位六級(jí)[9]。取其最低值保證滿足使用需要，的MQ級(jí)質(zhì)量指標(biāo)查得；查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖8－3－9（d）中的MQ級(jí)質(zhì)量指標(biāo)查得；。3.2.2強(qiáng)度計(jì)算蝸輪蝸桿的計(jì)算需要計(jì)算中心距、模數(shù)齒數(shù)等，具體步驟如下所示。中心距a的計(jì)算（3.21）式中：參數(shù)具體查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到如下修正系數(shù)Cm＝1.2（配材料）螺旋角系數(shù)Aa＝454載荷系數(shù)K＝1.5高度端齒輪的扭矩計(jì)算是：（3.22）齒寬的補(bǔ)償參數(shù)＝0.5齒數(shù)比u=i=2.5查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力為所以為了安全起見(jiàn)這里取a＝80mm(2)關(guān)于模數(shù)m的確定m=(0.007~0.02)a=0.56~1.6,取m=1.5mm(3)確定齒數(shù)z,z螺旋角度的初始確認(rèn)＝13z===29.4（3.23）取整這里按照z=30z=μz=2.530=75，這里就按照z=75關(guān)于螺旋角的重新計(jì)算如下部分（3.24）(4)其他主要幾何尺寸的計(jì)算z/cos=1.530/cos=45.7mm（3.25）d=mz/cos=1.5*75/cos=114.3mm（3.26）齒頂圓直徑d=d+2h=45.7+21.6=48.9mmd=d+2h=114.3+21.6=117.5mm（3.27）壓力角（端面）（3.28）分度圓直徑d=dcos=cos20.292=40.2mmd=dcos=348cos20.292=107.2mm壓力角（齒頂圓）=arccos=34.365=arccos=23.951端面重合度=[z（tg-tg）+z(tg-tg)]=1.9（3.29）齒形寬度b=.a＝0.4*80＝32（3.30）取b＝32mm；b＝40mm齒寬系數(shù)===0.7（3.31）縱向重合度=1.2（3.32）當(dāng)量齒數(shù)＝31.45＝78.628（3.33）3.2.3關(guān)于齒面強(qiáng)度的詳細(xì)計(jì)算校核齒面的強(qiáng)度校核非常重要，基于強(qiáng)度條件：[]關(guān)于應(yīng)力的校核：=ZZZZZ（3.34）=（3.35）式中：切向力F===2034N（3.36）使用系數(shù)K=1動(dòng)載系數(shù)=（）式中V=A=83.6B=0.4C=6.57=1.2齒間載荷分配系數(shù)節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=1.5重合度的系數(shù)螺旋角系數(shù)彈性系數(shù)單對(duì)齒齒合系數(shù)Z=1=＝＝245.5MPa許用應(yīng)力：[]=（3.37）式中：極限應(yīng)力=1120MPa最小安全系數(shù)=1.1壽命系數(shù)=0.92潤(rùn)滑劑系數(shù)=1.05（按油粘度等于350）速度系數(shù)=0.96（按）粗糙度系數(shù)=0.9齒面工作硬化系數(shù)=1.03（按齒面硬度45HRC）尺寸系數(shù)=1則：[]==826MPa滿足[]3.2.4校核齒根的強(qiáng)度強(qiáng)度條件：[]許用應(yīng)力：=（3.38）（3.39）式中：齒形系數(shù)=2.61，=2.2應(yīng)力修正系數(shù)，重合度系數(shù)=1.9螺旋角系數(shù)=1.0齒向載荷分布系數(shù)==1.3（其中N=0.94）齒間載荷分配系數(shù)=1.0則=94.8MPa==88.3MPa許用應(yīng)力：[]=（按較小齒輪值檢驗(yàn)）式中：極限應(yīng)力=350MPa安全系數(shù)=1.25應(yīng)力修正系數(shù)=2壽命系數(shù)=0.9齒根圓角敏感系數(shù)=0.97齒根表面狀況系數(shù)=1尺寸系數(shù)=1則[]=滿足，〈〈[]通過(guò)計(jì)算是符合要求的，合格。

4基于Solidworks的三維建模4.1設(shè)備的三維建模Solidworks是目前機(jī)械行業(yè)的主流軟件，相比較于平面二維設(shè)計(jì)軟件，Solidworks更加直觀。工程師使用Solidworks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，操作簡(jiǎn)單便捷，因?yàn)樵赟olidworks中自帶一些模型和結(jié)構(gòu)，可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候直接調(diào)用，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字修改使其變更自己需要的模型，同時(shí)用戶(hù)還可以將自己平時(shí)經(jīng)常使用的模型等保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，備平時(shí)的調(diào)用[10]。設(shè)計(jì)出的零部件，在加工的過(guò)程中就不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不良，反復(fù)反復(fù)不斷的回去確認(rèn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提高零部件的加工效率。零件設(shè)計(jì)生產(chǎn)的符合要求，也會(huì)在很大程度上方便產(chǎn)品的組裝和加工，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期大大的縮短。同時(shí)在設(shè)計(jì)圖完成以后也方便業(yè)務(wù)人員與客戶(hù)方進(jìn)行溝通，更加直觀的展示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和外觀，還可以通過(guò)給客戶(hù)演示產(chǎn)品的運(yùn)行，確認(rèn)是否滿足客戶(hù)的需求。做客戶(hù)滿足的產(chǎn)品，才能增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[11]。通過(guò)Solidworks對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行三維建模，然后將每個(gè)零部件組裝起來(lái)，具體如下圖4-1所示。圖4-1三維裝配圖圖4-2三維裝配透視圖Solidworks最受歡迎的一個(gè)原因就是可以三維立體的展示產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)完結(jié)構(gòu)后可以在Solidworks通過(guò)計(jì)算和演示操作，確認(rèn)機(jī)械結(jié)構(gòu)合理性[12]，通過(guò)演示實(shí)際的操作確認(rèn)是否有設(shè)計(jì)的不夠完善的地方，是一個(gè)可以自檢的工具，通過(guò)使用Solidworks軟件，設(shè)計(jì)師可以提早的發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮不周到的地方，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，這樣可以有效的的減少產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。4.2裝置的運(yùn)動(dòng)仿真Animator是SolidWorks軟件中自帶的一個(gè)插件，是需要在SolidWorks環(huán)境中應(yīng)用的，用來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的一種插件。使用Animator做出的動(dòng)畫(huà)效果，可以將設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)的展示出，讓三維的模型動(dòng)態(tài)的展示出，使機(jī)構(gòu)可視化，可以在模型出來(lái)未投產(chǎn)的時(shí)候給客戶(hù)展示產(chǎn)品的性能與產(chǎn)品的外觀，對(duì)于客戶(hù)端非技術(shù)的人員也可以很直觀的看到產(chǎn)品的使用效果，并可以直接與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流。同時(shí)此插件還可以將模擬出來(lái)的裝配及拆卸過(guò)程錄制下來(lái)，發(fā)給客戶(hù)及相關(guān)的人員進(jìn)行了解，可以與相關(guān)的設(shè)計(jì)人員交流設(shè)計(jì)的思路，組裝的要點(diǎn)等。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中，還可以發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)中考慮不足的地方，如干涉、包含等[13]~[16]。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后可以精準(zhǔn)的找出需要改善的地方，避免在生產(chǎn)中的材料和時(shí)間浪費(fèi)，可以更有效的節(jié)省成本。下圖4-3為進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的流程圖。新建運(yùn)動(dòng)仿真新建運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境設(shè)置創(chuàng)建模型定義材料創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副添加載荷和接觸創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)指定封裝選項(xiàng)創(chuàng)建解算方案求解執(zhí)行分析工作圖4-3運(yùn)動(dòng)仿真流程圖4.2.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真打開(kāi)裝配模型，左下角選擇運(yùn)動(dòng)算例，進(jìn)入后可進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如圖4-4所示。圖4-4選擇運(yùn)動(dòng)算例選擇Motion分析，然后可進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真、參數(shù)設(shè)置等，如圖4-5所示。圖4-5選擇Motion分析打開(kāi)Motion分析后選擇添加馬達(dá)按鈕，如圖4-6所示。圖4-6選擇馬達(dá)選擇小齒輪為馬達(dá)旋轉(zhuǎn)中心，選擇轉(zhuǎn)速為10RPM，也就是10轉(zhuǎn)/分鐘，6秒/轉(zhuǎn)的角速度。具體如圖4-7所示。圖4-7設(shè)定馬達(dá)參數(shù)設(shè)定阻尼如圖4-8所示，負(fù)載為5Kg，相當(dāng)于49N，阻尼主要是兩個(gè)齒輪之間的嚙合。圖4-8設(shè)定阻尼完成之前的設(shè)置之后，可以點(diǎn)擊結(jié)果和圖解進(jìn)行相關(guān)的圖表輸出，如圖4-9。圖4-9選擇結(jié)果和圖解這里以角位移為例，先選擇“位移/速度/加速度”大項(xiàng)，然后選擇下面子項(xiàng)目角位移，選擇分析幅值，并選擇需要分析的項(xiàng)目（這里為攝像頭前端中心點(diǎn)），相關(guān)設(shè)置完成后、確定完成。具體如圖4-10所示。圖4-10設(shè)定角速度運(yùn)動(dòng)仿真的界面如圖4-11，通過(guò)輸出視頻功能可以保存為仿真運(yùn)動(dòng)視頻，見(jiàn)視頻文件。圖4-11運(yùn)動(dòng)仿真截圖各種圖表可通過(guò)結(jié)果中查詢(xún)、并輸出見(jiàn)圖4-12、圖4-13。圖4-12圖解位置

圖4-13回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角位移圖4.2.2俯仰機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真根據(jù)相同方法進(jìn)行俯仰機(jī)構(gòu)的仿真，設(shè)置最終截圖如下所示。圖4-14俯仰機(jī)構(gòu)仿真截圖具體的俯仰機(jī)構(gòu)角速度關(guān)系見(jiàn)圖4-15，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知：機(jī)構(gòu)受力均勻、載荷平穩(wěn)、速度穩(wěn)定。具體的俯仰機(jī)構(gòu)線性位移Z分量見(jiàn)圖4-16所示，通過(guò)Z分量線性位移圖可知線性位移平穩(wěn)過(guò)度、機(jī)構(gòu)穩(wěn)定。圖4-15俯仰機(jī)構(gòu)角速度圖圖4-16俯仰機(jī)構(gòu)線性位移Z分量圖通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)的仿真，對(duì)整個(gè)裝置的隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)論是設(shè)備能夠完成360度無(wú)死角式轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可通過(guò)生產(chǎn)加工出實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)是一次系統(tǒng)地對(duì)大學(xué)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的梳理和檢測(cè)的過(guò)程，在平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中一些學(xué)科的知識(shí)是相對(duì)分散的，很多知識(shí)我們學(xué)習(xí)了，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)活動(dòng)中需要在什么階段使用什么樣的方法進(jìn)行分析，我們經(jīng)驗(yàn)不是很足。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可以更系統(tǒng)地將所學(xué)的相關(guān)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，