一種車載自鎖式云臺(tái)的設(shè)計(jì)

陳文平 楊克明

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一種車載自鎖式云臺(tái)的設(shè)計(jì)

陳文平1楊克明2

1.河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000 2.新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000

云臺(tái)作為機(jī)光電一體觀察設(shè)備的載體，通過對(duì)伺服電機(jī)的控制，帶動(dòng)光電觀察設(shè)備隨之進(jìn)行水平方位向的旋轉(zhuǎn)和高低向的俯仰。車載云臺(tái)是動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作的光電平臺(tái)，除了上述功能之外，還需要有穩(wěn)定性和自鎖性的要求。針對(duì)以上問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)原理和自鎖特性，并通過計(jì)算分析的方法對(duì)設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)存在的問題提出了解決思路。

云臺(tái)；光電平臺(tái)；蝸輪蝸桿副；穩(wěn)定性；自鎖式

引言

云臺(tái)作為一種載體，廣泛應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的環(huán)境觀察和目標(biāo)搜索以及社會(huì)治安維護(hù)、安全防衛(wèi)、森林防火、氣象探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，是一種集成機(jī)光電一體化的多任務(wù)載荷的平臺(tái)。

車載云臺(tái)以機(jī)動(dòng)載體為基準(zhǔn)，多應(yīng)用于特種車輛的配裝。特種車輛在執(zhí)行任務(wù)的過程中不可避免地會(huì)遇到各種各樣復(fù)雜的環(huán)境和路況，而車輛在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，云臺(tái)的可靠性是保證任務(wù)完成的關(guān)鍵。因此，作為機(jī)動(dòng)載體，它的穩(wěn)定性顯得尤為重要。

云臺(tái)作為光電觀察設(shè)備的載體，是觀察設(shè)備的重要組成部分。它具有通過伺服電機(jī)進(jìn)行方位向控制和高低向控制的功能，并帶動(dòng)觀察設(shè)備隨之進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。目前，云臺(tái)的傳動(dòng)形式分為電機(jī)直驅(qū)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等幾種，且各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可相應(yīng)地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和環(huán)境。

配裝于特種車輛的光電觀察設(shè)備云臺(tái)往往會(huì)受到行駛路況和車輛自身振動(dòng)激勵(lì)的影響，從而影響設(shè)備觀察效果的識(shí)別精度?；诜€(wěn)定性的需要，特種車輛搭載的云臺(tái)需要具有在任何環(huán)境下自鎖的功能，而這種功能在電機(jī)直驅(qū)及齒輪傳動(dòng)的形式下都不能直接實(shí)現(xiàn)，需要借助附加的鎖緊裝置，但這勢(shì)必會(huì)增加云臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，造成重量增加和體積增大，與裝備追求輕小的趨勢(shì)相違背。因此，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單小巧而又能夠有效自鎖的結(jié)構(gòu)顯得尤為重要[1]。

經(jīng)過分析比較各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，且自鎖功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了蝸輪蝸桿在一定條件下的自鎖特性。

1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)

（1）蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，速比范圍比較大。

（2）由于蝸輪蝸桿嚙合的連續(xù)性，使得其傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。

（3）當(dāng)蝸桿螺旋升角小于其齒面間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，具有自鎖特性。此時(shí)蝸桿只能帶動(dòng)蝸輪，而不能實(shí)現(xiàn)反向傳動(dòng)。

（4）蝸輪蝸桿傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)相比效率較低，一般只能達(dá)到0.7～0.9。因此在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)需要考慮傳動(dòng)效率損耗而帶來的影響。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

基于云臺(tái)體積小、設(shè)計(jì)緊湊性的要求，結(jié)構(gòu)上采用了模塊化設(shè)計(jì)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)組件的模塊化在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊性的同時(shí)，也可以達(dá)到維修性設(shè)計(jì)的目的。

2.1.1 方位傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)建模

方位傳動(dòng)組件由方位蝸輪、蝸桿、方位電機(jī)、方位主軸、同步皮帶及其支架等組成。蝸桿與電機(jī)軸平行且水平布置蝸輪側(cè)方，并與之嚙合，見圖1。電機(jī)與蝸桿之間的傳動(dòng)通過同步皮帶實(shí)現(xiàn)，皮帶傳動(dòng)可避免齒輪傳動(dòng)的大體積和回轉(zhuǎn)間隙。方位傳動(dòng)組件安裝于與云臺(tái)基座連為一體的固定底板上，蝸輪和固定底板上的方位主軸通過精密裝調(diào)保證同軸度。

2.1.2 俯仰傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)建模

俯仰傳動(dòng)組件由俯仰蝸輪、蝸桿、俯仰電機(jī)、俯仰主軸、同步皮帶及其支架等組成，與水平傳動(dòng)組件相同，蝸桿與電機(jī)軸平行且水平布置。蝸輪裝配于俯仰主軸上，蝸桿置于蝸輪側(cè)方，并與之嚙合，如圖2所示。俯仰傳動(dòng)組件支架固定，根據(jù)運(yùn)動(dòng)相對(duì)原理，當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可使自身圍繞蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)與其相連的外殼等部件轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

2.1.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)建模

將方位傳動(dòng)組件和俯仰傳動(dòng)組件進(jìn)行模塊化組裝后，再裝配進(jìn)整機(jī)殼體內(nèi)，并在整機(jī)中通過控制模塊分別實(shí)現(xiàn)方位旋轉(zhuǎn)的控制和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。方位旋轉(zhuǎn)時(shí)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并和蝸輪的嚙合，實(shí)現(xiàn)相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終動(dòng)作是和蝸桿機(jī)構(gòu)相連的整個(gè)殼體和固定底座之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蝸桿和俯仰主軸上的蝸輪的嚙合，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)主軸上負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)。整機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3，外觀見圖4。

圖2 俯仰傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 整機(jī)外觀

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

在該云臺(tái)設(shè)計(jì)方案中，驅(qū)動(dòng)方式可以分為兩大類，即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體分析如表1。

表1 步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)

考慮到本設(shè)計(jì)中對(duì)力矩、承載能力以及控制精度要求較高，因此選擇高性能的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.3 設(shè)計(jì)的計(jì)算分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該云臺(tái)的驅(qū)動(dòng)范圍為水平360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，俯仰﹣45°～+85°轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)具有自鎖性能。為了保證云臺(tái)能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠工作，需要對(duì)蝸桿的自鎖角和云臺(tái)負(fù)載扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3.1 蝸桿螺旋升角的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，對(duì)蝸輪蝸桿的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)蝸輪蝸桿的等壽命，兩者均采用40Cr加工并滲碳處理。蝸桿的頭數(shù)設(shè)為Z1=1，模數(shù)設(shè)為m=1，蝸桿外徑設(shè)為r=19。

蝸桿節(jié)徑為：r1=r－2m=17。

蝸桿的螺旋升角為：β=arctg［（m·Z1）/r1］=3°21＇59＂。

蝸輪蝸桿副的摩擦系數(shù)選0.06。此時(shí)，當(dāng)蝸桿螺旋升角小于3°29＇11＂時(shí)可實(shí)現(xiàn)自鎖。由此可知蝸桿的參數(shù)設(shè)計(jì)滿足自鎖條件。

2.3.2 云臺(tái)負(fù)載扭矩計(jì)算

俯仰負(fù)載扭矩：俯仰載荷的外形尺寸為220?mm×100?mm，總重量約為4?kg，安裝中心線在側(cè)載中心線處，取力臂極限偏差，L=100?mm，則負(fù)載扭矩M1=4×100×9.8=3.92?N·m。

水平負(fù)載扭矩：水平負(fù)載扭矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度有關(guān)，則負(fù)載扭矩M2=Jβ=0.78?kg·m2（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）×4.9?rad/s2（加速度）=3.82?N·m。

根據(jù)設(shè)計(jì)冗余要求，設(shè)計(jì)輸出扭矩為負(fù)載所需扭矩的約2.3倍，則設(shè)計(jì)輸出扭矩為：

M3=M1×2.3=3.92?N·m×2.3=9.1?N·m。

M4=M2×2.3=3.82?N·m×2.3=8.8?N·m。

2.3.3 根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)載扭矩及驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩計(jì)算傳動(dòng)比

內(nèi)部傳動(dòng)采用同步齒形帶和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的方式。傳動(dòng)效率：

η=η帶·η蝸輪蝸桿·η其他=0.9×0.4×0.8=0.288。

選型電機(jī)輸出扭矩為0.8?N·m。則方位及俯仰理論傳動(dòng)比為：

i1=M3/0.8?N·m/0.288=9.1?N·m/0.8?N·m/0.288=39.5；

i2=M4/0.8?N·m/0.288=8.8?N·m/0.8?N·m/0.288=38.2。

所以水平與俯仰傳動(dòng)比選擇為40∶1。

2.3.4 傳動(dòng)比40∶1的工程設(shè)計(jì)計(jì)算

結(jié)合產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間綜合考慮，電機(jī)與蝸桿之間采用同步齒形帶傳動(dòng)，電機(jī)與蝸桿角速比設(shè)計(jì)為i1=1。

蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸輪齒數(shù)Z2=40，蝸桿與蝸輪速比i2=40。

蝸輪與云臺(tái)是一體的，因此蝸輪與云臺(tái)的速比i3=1。

總傳動(dòng)比i=i1×i2×i3=1×40×1=40。

通過以上設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇輸出扭矩為0.8?N·m的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用減速比為40∶1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠滿足云臺(tái)負(fù)載扭矩的要求。

3 問題解決

3.1 蝸輪蝸桿副側(cè)隙問題

由于光電觀察設(shè)備具有高穩(wěn)定性的要求，而蝸輪蝸桿傳動(dòng)副之間的側(cè)隙使系統(tǒng)在反轉(zhuǎn)時(shí)存在空回現(xiàn)象，會(huì)使控制系統(tǒng)存在非線性，對(duì)設(shè)備的觀察質(zhì)量有很大的影響。因此，如何消除傳動(dòng)副側(cè)隙是需要解決的一個(gè)問題[3]。

在本設(shè)計(jì)中，采用了OTT分段式蝸桿傳動(dòng)的方法，如圖5所示。對(duì)蝸桿進(jìn)行了剖分式設(shè)計(jì)，其由一半的蝸桿軸和一半的空心蝸桿組成，同時(shí)需要通過對(duì)蝸輪齒面進(jìn)行合理的修形，使其適應(yīng)蝸桿。

圖5 OTT分段式蝸桿

在裝配調(diào)整時(shí)，將蝸桿軸固定，使空心蝸桿承受一定的軸向預(yù)緊力。旋轉(zhuǎn)空心蝸桿使兩段蝸桿的工作面都與蝸輪齒面接觸，設(shè)置好側(cè)隙，然后用漲緊套將兩段蝸桿連接固定。該種方法可以使齒面磨損后重新進(jìn)行調(diào)整至理想的位置。

德國(guó)OTT公司的分段式圓柱蝸桿傳動(dòng)，如圖6所示，其原理是蝸桿軸的右側(cè)齒面為工作面，空心蝸桿的左側(cè)齒面為工作面。當(dāng)蝸桿軸右側(cè)齒面推動(dòng)蝸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空心蝸桿的左側(cè)齒面會(huì)受到蝸輪的回程沖擊，同理當(dāng)空心蝸桿左側(cè)齒面推動(dòng)蝸輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，蝸桿軸右側(cè)齒面會(huì)承受蝸輪的回程沖擊，這樣就實(shí)現(xiàn)了反向旋轉(zhuǎn)時(shí)的空回消除。

圖6 德國(guó)OTT公司的分段式圓柱蝸桿

3.2 載荷配重問題

車載觀察設(shè)備云臺(tái)常為動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作，其自鎖功能利用了蝸輪蝸桿副的自鎖特性，但如果其負(fù)載的重心偏離旋轉(zhuǎn)軸線，會(huì)存在一定的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，運(yùn)動(dòng)過程中其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)一直變化，在長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)沖擊下，其誤差將會(huì)越來越大，也會(huì)影響其壽命，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配調(diào)試過程中必然要考慮平衡問題。然而在設(shè)計(jì)時(shí)平衡很難做到，只能在后期的裝配過程中通過增減配重的方法進(jìn)行配平衡，從而保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行[4]。

4 結(jié)束語

車載自鎖式云臺(tái)作為光電觀察設(shè)備的穩(wěn)定平臺(tái)，對(duì)光電設(shè)備的正常工作具有非常重要的意義。作為車載設(shè)備，其不但對(duì)設(shè)計(jì)具有較高的要求，對(duì)零部件加工的工藝性、裝配的工藝性也有很高的要求，同時(shí)對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩、諧振頻率都有嚴(yán)格要求。本文不但對(duì)設(shè)計(jì)過程、方法和原理進(jìn)行了論述和理論性的計(jì)算，同時(shí)對(duì)存在問題的解決思路進(jìn)行了敘述，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)、改進(jìn)優(yōu)化提供了思路和參考依據(jù)。

[1]王進(jìn)戈，陳永洪，鄧星橋，等. 側(cè)隙可調(diào)式蝸桿傳動(dòng)綜述[J]. 西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（4）：15-19.

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[3]常遠(yuǎn). 齒輪傳動(dòng)與蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能比較與消隙機(jī)構(gòu)[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2007，36（1）：73-76.

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Design of A Car-Mounted Self-Locking Gimbal

Chen Wenping1Yang Keming2

1. Henan Institute of Technology, Henan Xinxiang 453000 2. Xinxiang North Vehicle Meter Co., Ltd., Henan Xinxiang 453000

The gimbal is used as the carrier of the machine-optical integrated observation device. Through the control of the servo motor, the photoelectric observation device is driven to rotate in the horizontal direction and the pitch in the high and low directions. The vehicle-mounted pan/tilt is a photovoltaic platform that works in a dynamic environment. In addition to the above functions, stability and self-locking requirements are required. In view of the above problems, the worm gear drive principle and self-locking characteristics are adopted in the structural design, and the feasibility of the design is verified by the method of calculation and analysis, and the solution to the existing problems is proposed.

cloud platform; photoelectric platform; worm gear pair; stability; self-locking

TP391.4

A