【文章內(nèi)容簡介】 。⑶ 選取精度等級為 7 級（GB1009588）。⑷ 選取小齒輪齒數(shù) ,大齒輪齒數(shù) 。183?z 543184??z 按齒面接觸強度計算根據(jù)（式 38）設(shè)計進(jìn)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 mNT??廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 10 －③ 取齒寬系數(shù) 。?d?④ 查得材料的彈性影響系數(shù) ?EZ21Mpa⑤ 查得大、小齒輪的接觸疲勞強度極限 MpaH3804lim3li??⑥ 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （見式 39） 93 ???N9341.?j⑦ 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 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 (見式 310)取失效概率為 1%，安全系數(shù) s=1。?? ????simNH? MPa7284l4iH ⑵ 計算① 試算小齒輪分度圓直徑 （見式 38）,代入中較小的值td3 . 233 ???????????td ??m② 計算圓周速度 V （見式 311）（m/s）??③ 計算齒寬 b （見式 312）（mm）?b④ 計算齒寬與齒高比 b/h模數(shù) （mm） .??zdmtt齒高（mm） ?????tach94b⑤ 計算載荷系數(shù) （見式 313）根據(jù) ，7 級精度，查得動載荷系數(shù) ； smV/046.? ?VK由于所設(shè)計的齒輪為直齒輪，假設(shè) mNbFtA/?，查得 7 級精度未經(jīng)表面硬化齒輪 ；.1?FHK查得使用系數(shù)為，均勻平穩(wěn)狀態(tài) ； 1?AK查得 7 級精度，小齒輪懸臂布置時； ??. ??????bdH??由 ， 查得 故，載荷系數(shù)為：?F廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 11 －???K⑥ 按實際載荷系數(shù)校正做得分度圓直徑 （見式 314 ）（mm）⑦ 計算模數(shù)（mm）??zm 按齒根彎曲強度設(shè)計根據(jù)（式 315）進(jìn)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 ； MpaFE4503??MpaFE450??② 查得彎曲壽命系數(shù) ， ； ③ 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 （見式 316） 取彎曲疲勞安全系數(shù) s= ??. ???sFEF???pa 944N④ 計算動載荷系數(shù) K （見式 317） .?????FVA⑤ 查取齒形系數(shù)時， ； 時， ； 54044F724⑥ 計算大、齒輪的 并加以比較??FSa???Y??03..7044?FSa取小值。⑵ 設(shè)計計算 （見式 315） （mm）????m對比計算結(jié)果，可由齒面接觸疲勞強度，取模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值 1m。按接觸疲勞強度算出：分度圓直徑 （mm）?d小齒輪齒數(shù) ，取 。 14?z大齒輪齒數(shù) 廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 12 － 5434??z 幾何尺寸計算⑴ 計算分度圓直徑（mm）183??mzd（mm）544??⑵ 計算中心距（mm）??623?a⑶ 計算齒輪寬度（mm）????db?取 ； 。mB94?143 驗算： 。mbKtA /0/.???注：考慮云臺垂直運動是45176?！?45176。，取齒扇為 122176。 軸的設(shè)計軸的設(shè)計也和其他零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)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與軸的強度。這時只需要對軸進(jìn)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(yīng)力集中的敏感性低同時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度。故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常采用 45 號鋼。 Z 方向軸的設(shè)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(yīng)該分別進(jìn)行強度校核。⑴ Z 方向上軸的設(shè)計根據(jù)拉伸強度條件公式試算（見 [2]）： （式 318）??bAF???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）????gmF查得 45 號鋼的抗彎強度極限為 ，根據(jù)（式 317）得：??Mpab5? 064..?A??2m廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 13 －假設(shè)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m10?線路，其有效面積為： ????)( 2222 mdDS ????????滿足設(shè)計要求。⑵ Z 方向下軸的設(shè)計① 抗拉強度校核設(shè)下軸承受質(zhì)量 m=㎏的器件，所以 ，根（式 ????18）得： ???bA? ??2假設(shè)下軸軸徑最小處為 8㎜，內(nèi)留一個 的孔，則有效面積為：?????2222 ????????滿足設(shè)計要求。② 抗扭強度校核抗扭強度條件為（見 [2]）： （式 319）??????tWTmax其中： 為軸承受的最大轉(zhuǎn)矩；maxT為抗扭截面系數(shù)；tW為許用剪切應(yīng)力。???水平電機 ，折算到軸上的扭矩為：NT?? 機 （ ）??i電 機 mN?抗扭截面系數(shù)為： ?? 36443 ??????????????????則： ?????查得 45 號鋼的許用剪切應(yīng)力為 ， ，滿足強度要求。??pa????max X 方向軸的設(shè)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(jìn)行計算。由第四強度理論強度條件（見 [2]）： （式 320）????????TMWca初步確定軸的最小直徑為： md抗彎截面系數(shù)：廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 14 －36933 ???????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(shè)總質(zhì)量 ，gm50 g70?總即 ??總 。設(shè)最大彎曲變形發(fā)生在軸上離支承處 20㎜處，即： mNlFM??????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：mNT???4.按（式 320）計算 Mpaca ???????由于正火，回火處理的 45 號鋼的許用彎曲應(yīng)力 ，即 ，滿??N1????1???c足強度要求。 軸承的選用 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(shè)軸承軸向載荷 ，徑向載荷 。?NFr1?已知軸承的轉(zhuǎn)速為 ，運轉(zhuǎn)時無沖擊，設(shè)計壽命為 20 年（每天工作 24 小時，min/60r?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(dāng)量動載荷可按下式計算（見 [2]）：時， （式 321）?raF當(dāng) ??時， （式 322）?當(dāng) 4167② 因 ，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù) ，則：../?rFa 1?pf??NYXfParp ..1)( ???③ 計算預(yù)期壽命 hL39。 hh172036239。 ?④ 求該對軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷值 （N） （式 323）36039。hnLPC???廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 15 －查 [5]得單個 7001AC 軸承的基本額定動載荷為 ，故選用一對 7001AC 軸承合適。 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md10?mB10?軸承所承受的徑向力 。??， 即① 驗算軸承的平均壓力 p （式 324）??pd?)(Ma式中：B 為軸承寬度（mm） ；??）為 軸 瓦 材 料 許 用 壓 力 （ ap。查得聚四氟乙烯的 ，即?????p???.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)） 。pvff （式 325）??BnFpv??90??smMa/?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。??pv由于本設(shè)計 mi/30axrn? spaBn/????查得聚四氟乙烯的 ，即 。??pav6.??v?③ 驗算滑動速度 v （式 327）???sm/式中： 為許用滑動速度。??v sndv /?????查得聚四氟乙烯的 ，即：??s/25. ??vs?/7.綜上驗算，滑動軸承適用。4 系統(tǒng)控制部分的設(shè)計 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計要求廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 16 －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(guān)，攝像頭焦距、光圈、變倍，從而達(dá)到對現(xiàn)場情況實時監(jiān)視目的的設(shè)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 RS485 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，并且與主機之間采用了光電隔離技術(shù)； 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。 總體方案的確定按照功能要求，確定系統(tǒng)方案如圖 41 所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)由微處理器 圖 41 控制器功能框圖模塊、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(shè)計中，結(jié)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)。 系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選用 微處理器在方案中已確定使用 MCS51 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(gòu)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；微處理器RS485 串行通信接口CD4060看門狗電路攝像鏡頭控制云臺控制廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文－ 17 －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） 。 看門狗電路看門狗（watchdog）的作用是強迫單片機（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)單片機的程序進(jìn)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(fù)位。本設(shè)計由計數(shù)器 CD4060 組成的看門狗電路如圖 42 所示。CD4060 是 14 位二進(jìn)制串行89C51CPU+ VDU5SUREST5+ V 5+ V2C5C1C 3R2R1R 10pF10μ FΩ20KΩ130K 82KΩCD406CP1P0CP0 RQ14UDUS圖 42 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??KR130pFC10?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14QHz22R時間 就將 CD4060 復(fù)位一次。一旦由于某種原因?qū)е?CPU 失控，CD4060 不能及時被復(fù)t位，經(jīng)過時間 就從 端輸出高電平，立即將 89C51 復(fù)位，把 CPU“拉回”到??12t?14Q正常運行狀態(tài)；然后 CPU 又將 CD4060 復(fù)位，使 恢復(fù)成低電平。 與 組成微分電14Q3R2C路，可將 口輸出的復(fù)位電平變成復(fù)位脈沖?？撮T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。 可靠性設(shè)計 容錯設(shè)計的一般思想眾所周知，一個單片機應(yīng)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(shè)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(shè)計，另一方面是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科