两自由度数控云台设计摘要本文设计了一个两自由度的数控云台，数控云台在闭路电视监控系统中应用广泛。本文简要介绍了数控云台的应用领域、结构特点及传动原理，首先根据数控云台的工作环境、机械指标和主要技术要求进行了详细的分析，拟定了总体的主要技术参数。而后根据设计任务要求，将数控云台的设计分为机械结构部分的设计与控制系统的设计。机械部分的设计采用了步进电机驱动，实现了数控云台水平方向的转动和竖直方向的俯仰运动两个方向的自由度的动作。控制系统采用以单片机为核心的控制系统，控制精度高，编程简单，运行可靠性极高，可满足数控云台的控制要求。该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块、远程控制模块组成，最后，对控制系统的软件程序进行了设计和调试。关键词：数控云台；步进电机；单片机；目录摘要2目录31 云台总体结构设计41.1概述41.2设计任务需求61.3拟定总体方案62 云台机械机构设计92.1 步进电机的选择92.2传动机构的设计112.3轴的设计153 控制系统的设计173.1控制系统总体设计173.2硬件电路设计194.3控制系统软件设计324.4单片机控制系统源程序34总结41参考文献421 云台总体结构设计1.1概述随着科学技术的不断发展，图像通信与监控系统已逐渐普及应用到工农业生产、文化教育、医疗卫生、交通运输管理、水下作业、铁路现场、公安系统等国民经济的各个部门。云台是承载摄像机按照预定方向运动的装置，目前应用的数控云台一般具有水平和垂直两个方向运动的装置，其运动机构一般通过步进电机驱动实现，云台对监控系统的控制起着非常重要的作用。根据云台所使用的环境可分为室内用云台和室外用云台，室内用云台承载能力较小，大约为1.5kg-7kg左右，且没有防雨装置。室外用云台一般承载量较大，大约7kg-50kg左右，同时具有防雨或防冻装置。摄像机云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作平台，用于摄像机与支撑物之间的连接，同时它具有水平和垂直运动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动摄像机做相同的运动，这样就可以通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套使用能达到扩大监视范围的目的，提高了摄像机的使用价值。目前应用中的摄像机云台主要有固定云台和电动云台两种类型，固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。而电动云台可以显著扩大摄像机的监视范围，适用于对大范围进行扫描监视。近年来，国内外云台控制技术发展十分迅速，一般有线控制的数控云台，云台的转动是通过在控制室操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的步进电机上，或者通过通信电缆控制远端的解码器，再又解码器经局部多芯电缆将电压加到云台内的电动机上，从而实现云台的旋转。还有的云台内装继电器等控制电路，这样的云台往往有六个控制输入端。一个是电源的公共端，另四个是上、下、左、右端。还有一个则是自动转动端。当电源的一端接在公共端后，电源另一端接在“自动”端后，云台将带动摄象机头按一定的转动速度进行上、下、左、右的自动转动。在电源供电电压方面，目前常见的有交流24V和220v两种。云台的耗电功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，还有直流6V供电的室内用小型云台，可在其内部安装电池，并用红外遥控器进行遥控。目前大多数云台仍采用有线遥控方式。云台的安装位置距控制中心较近，且数量不多时，一般采用从控制台直接输出控制信号进行控制。而当云台的安装位置距离控制中心较远且数量较多时，往往采用总线方式传送编码的控制信号并通过终端解码解出控制信号再去控制云台的转动。1.2设计任务需求本次所设计的数控云台具有水平旋转和俯仰运动两个方向的运动，其主要技术指标如下：1）定位精度：230度；3）最大旋转速度：720度/分钟4）俯仰角度：60度5）最大俯仰速度：400度/分钟6）摄像机质量：0.8kg1.3拟定总体方案初步确定水平旋转运动和俯仰运动分别使用反应式步进电机作驱动源，并利用齿轮减速机构，以细分步进电机的步距角。俯仰运动轴与齿轮的连接是用一对背靠背的角接触球轴承，水平转动轴是用与支架连滑动轴承接。分别用水平支架和垂直支架支承摄象机。外部采用吊装支承，外型仿效球型云台的设计。步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。其特点是输入一个脉冲就转动一步，即转子转过一个相应的步距角。实际上，驱动步进电机的开关是晶体管，开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到，步进电机是一种把开关激励的变化变换成为梢确的转子位置增量运动的执行机构。与能够实现类似功能的其他部件相比，使用步进电机的控制系统具有以下优点：1)通常不需要反馈就能对位置或速度进行控制。2)位置误差不会积累。3)与数字设备兼容。步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。反应式步进电动机由于其结构简单和经久耐用，所以是目前应用最普及的一种步进电动机。这种电动机按变磁阻原理工作，于是有的国家又称之为变磁阻步进电动机。其优点是；力矩惯性比高；步进频率高，频率响应快；不通电时转子能自由转动；机械结构简单、寿命长；能双向旋转；有适量阻尼；正常电机无失步区。缺点是：不通电时无定位力矩；每步有振荡和过冲。永磁式步进电动机特点：功耗较小，在断电时仍有定位转矩，但是步距角大，需供给正负脉冲电源，启动和运行频率较低。混合式电机特点：转矩大，步距角小，运行频率高，功耗低及有自锁功能，但需有正负电脉冲供电，结构复杂，价格高。比较以上各种电机，决定选择反应式步进电机作为驱动摄象机的动力源。摄象机的脉冲当量等于步进电动机的步距角除以传动比，为使摄象机达到较小的脉冲当量，利用齿轮减速机构，细分步距角以达到目的，同时降低驱动齿轮的转速，提高转矩。垂直轴上的一对轴承主要用于承受轴向力；水平轴采用滑动轴承，可以减小径向空间尺寸。2 云台机械机构设计2.1 步进电机的选择步进电机的选择要考虑步距角、最大静转矩、启动转矩和频率、运行转矩和频率几个方面的要求。1）俯仰机构步进电机的选择设计参数和技术要求：行程0-60，最大速度400/min。首先计算步进电机负载转矩其中：为俯仰机构工作转矩；为惯性转矩；为重力方向上的转矩；为摩擦力产生的转矩步进电机的速度控制，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。 步进电机的加减速控制，对于点位控制系统，从起点到终点的运行速度都有一定的要求。对于云台在点位控制过程中，运行速度都需要有一个加速恒速减速-（低恒速）-停止过程并要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。本次设计中，近似认为地认为升速规律按直线规律升速（实际上按指数规律升速），设定从静止升到400/min用0.2s。M=J角加速度=（-）/=（/3-0）0.2=5.23rad/s考虑支架等附件的重量，取m=700g,L=110mm,H=80mm摄像机及其框架在俯仰转动时的转动惯量为：J=m(L+H)/12=0.7(0.11+0.08)/12=10.7910kg.m所以本设计中，将转动中心定于重心附近，即重心产生的转矩可忽略不计，即由于难以计算，根据经验，取修正系数为1.3，则有：故，这算到俯仰机构步进电机的轴承上的转矩为：根据（0.3-0.5）其中是折算到电机轴上的力矩；是步进电机最大静转矩。即：步进电机的最高运行频率根据设计任务要求，脉冲当量：最高运行速度：故：因此，从步进电机步距角考虑，俯仰机构选用型号为36BF003的反应式步进电机；2)水平旋转机构步进电机的选择设计参数和技术要求：行程：0-230； 最高速度：720/min计算负载转矩其中：是水平旋转运动所需转矩；为惯性转矩；为摩擦力产生的转矩；假设摄像机从静止升到最高速用0.2s，则有：其中角加速度将水平移动部分看成为矩形实体，其中m=2.5kg，L=100mm，H=100mm即水平移动的总体转动惯量为：J=m(L+H)/12=2.5（0.1+0.1）/12=0.00417kg.m所以取摩擦转矩修正系数为1.1，则折算到电机轴上M（0.3-0.5）M所以MM/ 0.4 = 0.0768 / 0.4 = 0.192 N .m（2）步进电机的最高运行频率取脉冲当量为：最高运行速度：所以综合考虑，本次设计选用45BF006反应式步进电机。2.2传动机构的设计1）俯仰机构减速齿轮机构设计初步拟定已知条件：i= 3，n=15r/min，m=1mm,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）以下计算过程选自机械设计：选定齿轮类型、精度、材料及齿数按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动考虑该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面，由表10-1选大、小齿轮材料为45号钢，经常化处理，齿面硬度为162-217HBS选取精度等级：选7度等级（GB10095-88）选小齿轮齿数z=18 ,大齿轮齿数z= zi=316=54.所以大、小齿轮分度圆直径分别为d=m z=181=18mm, d=m z=541=54mm按齿根弯曲疲劳强度校核校核公式为：= M Pamm计算载荷系数K：式中：使用系数，取；动载系数，齿轮为7级精度，取；齿间载荷分配系数，取；齿向载荷分布系数，取；因为n=0.25 r/s，所以v=2nd/2=20.2518/2=14.13mm/s因为F= 2T/d= 20.078/1810=8.7N，所以KF/b = 1.008.7/0.518=0.97 N/mm(齿宽系数=0.5)由表10-3可查的K= K=1.0由表10-4可查的K=1.26,由图10-13可查的K=1.2所以；计算齿形系数Y及应力校正系数Y：由表10-5可查的Y=2.91；Y=1.53；所以而计算应力系数；由图10-18可查的弯曲疲劳寿命系数为：；按硬度中间值189.5HBS，由图10-20b可查的=310MPa取安全系数S=1，所以取中最大值，即=4.25 M Pa； 取中最小值，即由于：，满足要求符合要求按齿面接触疲劳强度校核 大、小齿轮都是锻钢，由表10-6可查的材料的弹性影响系数为载荷系数所以 计算接触疲劳许用应力：；由于工作应力循环次数：，；所以由图10-19，可得；（不允许出现点蚀）；由硬度中间值189.5HBS，图10-21c可得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为=380 M Pa取安全系数S=1，则取最小值即，因为，故安全；由于，负荷要求。由于俯仰机构的运动范围为，故该减速机构中大齿轮定为齿扇结构，角度为120。2）水平旋转机构减速齿轮机构设计初步拟定已知条件： i= 3.75，m=1mm,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）选定齿轮类型、精度、材料及齿数按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动考虑该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面，由表10-1选大、小齿轮材料为45号钢，经常化处