一種車載自鎖式云臺的設計

陳文平 楊克明

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一種車載自鎖式云臺的設計

陳文平1楊克明2

1.河南工學院，河南 新鄉 453000 2.新鄉北方車輛儀表有限公司，河南 新鄉 453000

云臺作為機光電一體觀察設備的載體，通過對伺服電機的控制，帶動光電觀察設備隨之進行水平方位向的旋轉和高低向的俯仰。車載云臺是動態環境下工作的光電平臺，除了上述功能之外，還需要有穩定性和自鎖性的要求。針對以上問題，在結構設計時采用了蝸輪蝸桿傳動原理和自鎖特性，并通過計算分析的方法對設計的可行性進行了驗證，對存在的問題提出了解決思路。

云臺；光電平臺；蝸輪蝸桿副；穩定性；自鎖式

引言

云臺作為一種載體，廣泛應用于特殊領域的環境觀察和目標搜索以及社會治安維護、安全防衛、森林防火、氣象探測等多個領域，是一種集成機光電一體化的多任務載荷的平臺。

車載云臺以機動載體為基準，多應用于特種車輛的配裝。特種車輛在執行任務的過程中不可避免地會遇到各種各樣復雜的環境和路況，而車輛在執行任務時，云臺的可靠性是保證任務完成的關鍵。因此，作為機動載體，它的穩定性顯得尤為重要。

云臺作為光電觀察設備的載體，是觀察設備的重要組成部分。它具有通過伺服電機進行方位向控制和高低向控制的功能，并帶動觀察設備隨之進行相應的運動。目前，云臺的傳動形式分為電機直驅、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等幾種，且各有其優缺點，可相應地應用于不同的領域和環境。

配裝于特種車輛的光電觀察設備云臺往往會受到行駛路況和車輛自身振動激勵的影響，從而影響設備觀察效果的識別精度。基于穩定性的需要，特種車輛搭載的云臺需要具有在任何環境下自鎖的功能，而這種功能在電機直驅及齒輪傳動的形式下都不能直接實現，需要借助附加的鎖緊裝置，但這勢必會增加云臺的結構復雜性，造成重量增加和體積增大，與裝備追求輕小的趨勢相違背。因此，設計一種簡單小巧而又能夠有效自鎖的結構顯得尤為重要[1]。

經過分析比較各種結構的優缺點，本設計決定采用蝸輪蝸桿的傳動結構，且自鎖功能的實現正是利用了蝸輪蝸桿在一定條件下的自鎖特性。

1 蝸輪蝸桿傳動的特點

（1）蝸輪蝸桿傳動機構相比齒輪傳動機構結構緊湊，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性，使得其傳動平穩，噪聲小。

（3）當蝸桿螺旋升角小于其齒面間的當量摩擦角時，具有自鎖特性。此時蝸桿只能帶動蝸輪，而不能實現反向傳動。

（4）蝸輪蝸桿傳動與齒輪傳動相比效率較低，一般只能達到0.7～0.9。因此在選擇驅動電機時需要考慮傳動效率損耗而帶來的影響。

2 方案設計

2.1 模型建立

基于云臺體積小、設計緊湊性的要求，結構上采用了模塊化設計。蝸輪蝸桿傳動組件的模塊化在實現結構的緊湊性的同時，也可以達到維修性設計的目的。

2.1.1 方位傳動組件結構建模

方位傳動組件由方位蝸輪、蝸桿、方位電機、方位主軸、同步皮帶及其支架等組成。蝸桿與電機軸平行且水平布置蝸輪側方，并與之嚙合，見圖1。電機與蝸桿之間的傳動通過同步皮帶實現，皮帶傳動可避免齒輪傳動的大體積和回轉間隙。方位傳動組件安裝于與云臺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保證同軸度。

2.1.2 俯仰傳動組件結構建模

俯仰傳動組件由俯仰蝸輪、蝸桿、俯仰電機、俯仰主軸、同步皮帶及其支架等組成，與水平傳動組件相同，蝸桿與電機軸平行且水平布置。蝸輪裝配于俯仰主軸上，蝸桿置于蝸輪側方，并與之嚙合，如圖2所示。俯仰傳動組件支架固定，根據運動相對原理，當蝸桿轉動時可使自身圍繞蝸輪轉動，并帶動與其相連的外殼等部件轉動[2]。

2.1.3 整機結構建模

將方位傳動組件和俯仰傳動組件進行模塊化組裝后，再裝配進整機殼體內，并在整機中通過控制模塊分別實現方位旋轉的控制和俯仰轉動的控制。方位旋轉時通過電機驅動蝸桿轉動，并和蝸輪的嚙合，實現相對的轉動，最終動作是和蝸桿機構相連的整個殼體和固定底座之間的相對轉動。俯仰轉動是通過電機驅動的蝸桿和俯仰主軸上的蝸輪的嚙合，帶動蝸輪轉動，最終實現主軸上負載的轉動。整機結構見圖3，外觀見圖4。

圖2 俯仰傳動組件結構

圖3 整機結構

圖4 整機外觀

2.2 驅動電機的選擇

在該云臺設計方案中，驅動方式可以分為兩大類，即步進電機驅動和直流伺服電機驅動。兩種驅動方式各有優缺點，具體分析如表1。

表1 步進電機和直流伺服電機

考慮到本設計中對力矩、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作為驅動電機。

2.3 設計的計算分析

根據設計要求，該云臺的驅動范圍為水平360°連續旋轉，俯仰﹣45°～+85°轉動，同時具有自鎖性能。為了保證云臺能夠長時間可靠工作，需要對蝸桿的自鎖角和云臺負載扭矩進行設計計算。

2.3.1 蝸桿螺旋升角的設計計算

根據設計需要，對蝸輪蝸桿的參數進行了設計，為了實現蝸輪蝸桿的等壽命，兩者均采用40Cr加工并滲碳處理。蝸桿的頭數設為Z1=1，模數設為m=1，蝸桿外徑設為r=19。

蝸桿節徑為：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選0.06。此時，當蝸桿螺旋升角小于3°29＇11＂時可實現自鎖。由此可知蝸桿的參數設計滿足自鎖條件。

2.3.2 云臺負載扭矩計算

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

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

根據設計冗余要求，設計輸出扭矩為負載所需扭矩的約2.3倍，則設計輸出扭矩為：

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 根據設計負載扭矩及驅動電機扭矩計算傳動比

內部傳動采用同步齒形帶和蝸輪蝸桿傳動的方式。傳動效率：

η=η帶·η蝸輪蝸桿·η其他=0.9×0.4×0.8=0.288。

選型電機輸出扭矩為0.8?N·m。則方位及俯仰理論傳動比為：

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比選擇為40∶1。

2.3.4 傳動比40∶1的工程設計計算

結合產品內部結構空間綜合考慮，電機與蝸桿之間采用同步齒形帶傳動，電機與蝸桿角速比設計為i1=1。

蝸桿頭數Z1=1，蝸輪齒數Z2=40，蝸桿與蝸輪速比i2=40。

蝸輪與云臺是一體的，因此蝸輪與云臺的速比i3=1。

總傳動比i=i1×i2×i3=1×40×1=40。

通過以上設計計算，選擇輸出扭矩為0.8?N·m的驅動電機，采用減速比為40∶1傳動機構，能夠滿足云臺負載扭矩的要求。

3 問題解決

3.1 蝸輪蝸桿副側隙問題

由于光電觀察設備具有高穩定性的要求，而蝸輪蝸桿傳動副之間的側隙使系統在反轉時存在空回現象，會使控制系統存在非線性，對設備的觀察質量有很大的影響。因此，如何消除傳動副側隙是需要解決的一個問題[3]。

在本設計中，采用了OTT分段式蝸桿傳動的方法，如圖5所示。對蝸桿進行了剖分式設計，其由一半的蝸桿軸和一半的空心蝸桿組成，同時需要通過對蝸輪齒面進行合理的修形，使其適應蝸桿。

圖5 OTT分段式蝸桿

在裝配調整時，將蝸桿軸固定，使空心蝸桿承受一定的軸向預緊力。旋轉空心蝸桿使兩段蝸桿的工作面都與蝸輪齒面接觸，設置好側隙，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行調整至理想的位置。

德國OTT公司的分段式圓柱蝸桿傳動，如圖6所示，其原理是蝸桿軸的右側齒面為工作面，空心蝸桿的左側齒面為工作面。當蝸桿軸右側齒面推動蝸輪逆時針轉動時，空心蝸桿的左側齒面會受到蝸輪的回程沖擊，同理當空心蝸桿左側齒面推動蝸輪順時針旋轉時，蝸桿軸右側齒面會承受蝸輪的回程沖擊，這樣就實現了反向旋轉時的空回消除。

圖6 德國OTT公司的分段式圓柱蝸桿

3.2 載荷配重問題

車載觀察設備云臺常為動態環境下工作，其自鎖功能利用了蝸輪蝸桿副的自鎖特性，但如果其負載的重心偏離旋轉軸線，會存在一定的轉動力矩，運動過程中其轉動慣量會一直變化，在長時間的振動沖擊下，其誤差將會越來越大，也會影響其壽命，所以在進行設計和裝配調試過程中必然要考慮平衡問題。然而在設計時平衡很難做到，只能在后期的裝配過程中通過增減配重的方法進行配平衡，從而保證傳動機構的平穩運行[4]。

4 結束語

車載自鎖式云臺作為光電觀察設備的穩定平臺，對光電設備的正常工作具有非常重要的意義。作為車載設備，其不但對設計具有較高的要求，對零部件加工的工藝性、裝配的工藝性也有很高的要求，同時對蝸輪蝸桿傳動機構的摩擦力矩、諧振頻率都有嚴格要求。本文不但對設計過程、方法和原理進行了論述和理論性的計算，同時對存在問題的解決思路進行了敘述，為后續相關產品的開發、改進優化提供了思路和參考依據。

[1]王進戈，陳永洪，鄧星橋，等. 側隙可調式蝸桿傳動綜述[J]. 西華大學學報，2014，33（4）：15-19.

[2]仇天任. 精密蝸輪付的配磨[J]. 上海機械，1980（3）：12-15.

[3]常遠. 齒輪傳動與蝸輪蝸桿傳動性能比較與消隙機構[J]. 電子工業專用設備，2007，36（1）：73-76.

[4]朱正平. 蝸桿蝸輪機構的自鎖性及其失效原因分析[J]. 中國新技術新產品，2016（14）：43-44.

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

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