摘 要

云台是安装、固定摄像机的支撑设备，根据需求不同，可以分为固定式和电动式两种，云台升降机构可以在不增大云台体积或者高度的情况下，扩大云台的工作范围，因此在现实生活中被广泛采用。

本文采用丝杆螺母的结构形式，根据工作特点，首先对升降机构行程、高度进行初步的设计；然后，建立了升降机构的动力学方程，对机构工作过程中的最大扭矩进行估算，选用合适的电机，完成升降机构的主体设计，并根据升降速度的要求，设计了合理的线束收集装置，校核强度；最后，运用SolidWorks 2016工程设计软件，根据确定的升降机构方案和三维软件建模流程，建立了各个零件的三维模型，并装配获得升降机构三维模型。

关键词：云台；升降机构；丝杆螺母；线束收集装置；三维建模

Abstract

Cloud platform is a support device for installing and fixing the camera. According to different requirements, it can be divided into two types: fixed and electric. The cloud platform lifting mechanism can expand the working range of the cloud platform without increasing the volume or height of the cloud platform. , so it is widely used in real life.

In this paper, the structure of the screw nut is adopted. According to the working characteristics, the stroke and height of the lifting mechanism are firstly designed. Then, the dynamic equation of the lifting mechanism is established, and the maximum torque in the working process of the mechanism is estimated, and the appropriate one is selected. Motor, complete the main body design of the lifting mechanism, and according to the requirements of the lifting speed, designed a reasonable harness collection device, check the strength; Finally, use the SolidWorks 2016 engineering design software, according to the determined lifting mechanism program and 3D software modeling process, A 3D model of each part was established and a 3D model of the lifting mechanism was assembled.

Keywords: cloud platform; lifting mechanism; screw nut; Harness collection ;3D modelin

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 升降机构设计关键问题 2

1.4 本文主要完成的工作 3

第2章 升降机构的总体方案 4

2.1 升降机构的技术要求 4

2.1.1 技术要求 4

2.1.2 需求说明 4

2.2 升降机构的安装方式 5

2.3 升降机构的工作原理 5

第3章 螺杆螺母副的设计计算及校核 8

3.1 螺纹螺杆类型及材料选择 8

3.1.1 螺纹类型 8

3.1.2 材料选择及其许用应力 8

3.2 螺杆螺母的主要参数 8

3.3 螺母的工作圈数 9

3.4 螺纹自锁验证计算 9

3.5 螺杆螺母强度校核计算和稳定性校核 9

3.5.1 螺杆的强度校核 9

3.5.2 螺杆的稳定性校核 10

3.5.3 螺母螺纹牙的强度计算 11

3.5.4 耐磨性计算 12

3.6 传动轴的强度校核 12

第4章 轮槽支撑轴的设计计算及校核 14

4.1 轮槽支撑轴的材料选择及主要参数 14

4.1.1 材料选择及其许用应力 14

4.1.2 轮槽支撑轴的主要参数 14

4.2 轮槽支撑轴的扭转强度计算 15

4.3 轮槽支撑轴的扭转刚度计算 15

4.4 轴上端圆盘的抗弯强度校核 16

4.5 轴上端圆盘的抗剪强度校核 16

4.6 螺栓的剪切强度校核 16

4.7 螺栓的挤压强度 17

第5章 套筒的设计计算及校核 18

5.1 套筒的材料和主要参数 18

5.1.1 套筒的材料 18

5.1.2 套筒的主要参数 18

5.2 套筒的抗弯强度校核 19

5.3 套筒的相对刚对校核 19

第6章 线束收集装置的设计计算及校核 21

6.1 线束收集装置的组成 21

6.2 绕线盘的设计计算 21

6.3 支柱的强度校核 21

第7章 其余部件的选型 23

7.1 电机的选型 23

7.2 轴承的选型 23

7.3 V型带的选型 23

7.4 扭矩限制器的选型 23

7.5 接近开关选型 23

7.6 螺栓螺钉列表 23

第8章 经济性评价与环保性分析 25

参考文献 26

致谢 27

绪论

• 1. 背景

固定云台适用于监视范围小的环境，在固定云台上安装好摄像机后，通过调整摄像机水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围的环境进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。虽然电动云台相对与固定云台的扫描监视范围有所提高，或者说对环境变化的适应性更好，但是为了更好地扩大扫描监视范围、适应不同的环境变化和满足不同场合的应用需要，比如车载云台，一般都是固定在车辆顶部，无法上下和左右移动。但大多数情况下，云台上会安装视频采集设备、测量设备及照明设备，同时车辆顶部也会安装卫星天线等通信设备。这种情况下，由于通信设备的影响，云台的安装位置也会受到限制，如果云台不能随机移动，避让通信设备，云台上的视频采集设备、距离测量设备及照明等也受通信设备的阻挡不能正常发挥作用。因此，为了解决云台在使用过程中，障碍物或某种工况下的干扰问题，获得更宽广的视野，一种可升降装置必不可少，该装置能够随机升降，避让各种干扰性设施对摄像机等的阻碍，在不影响其他设备工作的同时，也不削弱拍摄、观察自身功能^[1]。升降机构又可以称为升降台，是一种在日常生活和工作中常见的起降设备，主要目的是将货物或者人升降到要求的高度。

• 1. 国内外研究现状

我国对升降平台的研制起步较晚，近30年来大力发展适用于工厂物流、运输的大型升降机构，以液压升降机构为主。对可以用在日常生活中的小型升降机构的研究较少，发展缓慢^[2]。

升降机构最早在古代的中国及欧洲各国兴起,那时都有以绞盘或者说是滑轮等工具垂直输送货物或者运送人。18世纪，随着蒸汽机的发明，世界步入第一次工业革命，机械力作为一种更为便利和高效的动力开始被广泛应用于升降平台。在这段时期，升降平台发展迅速，对以后升降平台的发展起到了重要的铺垫作用。1846年，第一部工业用水压式升降平台出现。然后其他动力的升降装置紧跟着很快出现了。上世纪初，升降平台市场主要被美国占据，其研发和制造技术都处于世界首位。到了上世纪中期，德国的升降工业开始进入井喷期，随后日本也快速发展，以其精密的机构抢占了部分市场。我国于20世纪70年代开始研制升降平台，早期的产品有剪叉式、桁架式、臂架式等，90年代研制出桅柱式平台和套筒油缸式平台，近年来又研发了导架爬升式等。历经40多年的发展，升降平台从单一的纯机械结构发展到今天的集机械、液压、电气于一体的智能化机械设备，其用途、智能化程度、内在质量、功能等都发生了极大的变化；行业参与者也从开始的几家发展到了现今200家左右，企业类型也丰富多彩，有国企、民企、合资、独资企业等^[3]。

当前不管是在酒店、机场等生活场所或者是工厂、建筑工地、码头等工作场所，升降机构均随处可见，给人们的生活生产带来了极大的便利。据上海某家机构调查研究，升降机构每年都在加速发展，同时升降机构的种类、智能化程度也随着科技的进步日新月异。由于人口的增加以及经济的发展，高楼大厦成为了每个城市的标配，各种技术的进步，使一些以前难以想象的巨型设备逐渐出现在各个行业，同时也促进了对升降机构的发展和需求。相信不久的将来，升降机构将会形成一个超大的规模化的产业。

当前，我国升降平台的重要研发和生产基地主要集中在华东、华南、华北地区，并呈现了集群化发展的态势。随着科学技术的不断迭代更新，网络化、绿色化、智能化成为这个时代的主旋律，升降平台也向着这个方向不断发展着，从长远来看，这也是一个摆脱原有升降机平台笨重、功能单一的一个好机会，使之发展成为多功能、高智能、高附加值的一个产品^[4]。

• 1. 升降机构设计关键问题

1.升降结构的选择，目前较为常见的是剪叉氏升降式结构^[5]，可以进行轻松折叠,而且占用空间较小，行程大。但是在本课题中由于截面尺寸的限制，如果选用剪叉氏升降结构，为满足行程要求，剪叉机构级数过多^[6]，会导致整个升降机构的不稳定性。所以选用何种升降结构，既能满足课题要求，又具有良好的使用、操控性能，是本次设计需要考虑的。根据初步的计算和分析，考虑到本课题中对升降机构的平稳性要求很高，所以选用丝杆式升降机构^[7]，丝杆氏升降机构具有如下优点：

1. 能自锁，安全可靠。
2. 由于是螺纹旋转升降，结构紧凑，传动平稳准确^[8]。

2.升降动力的选择，现有的丝杆升降机构的驱动装置一般使用液压驱动装置^[9]和电机驱动装置，虽然液压驱动装置驱动力大，输出力平稳，但是所需的安装空间也大，而且液压输油管路容易泄露，一旦出现故障，需要专业人员进行维修，传动对油温变化敏感，油温变化影响传动稳定性，为了保持液压系统的运行稳定，液压油也需要经常更换，同时考虑到本课题中所需的动力装置功率不需要太大，故本设计不采用液压驱动装置，而是选用电机驱动装置，体积小，结构简单，满足本设计要求。

3.合理设计各种装置的摆放位置，由于所要求的升降机构截面尺寸和高度较小，整个升降机构结构很紧凑，甚至采用一般传统的位置设置，可能不能满足课题要求，所以需要合理地规划摆放的空间，达到空间的最大化利用^[10]。

4.导向装置设计，由于行程较大，且丝杆在伸展状态时，收到偏移负载力的作用，可能会发生一定角度的偏转，为了保持升降机构的稳定性^[11]和垂直的导向性，需要对应升降结构设计合理的导向装置，结合课题的要求，拟采用长方形的套筒来对丝杆升降机构进行导向。

5.线束收集装置的设计，安装在升降机构一侧，能将升降机构上端安装的监测设备的线束随升降机构的运动而将线束摆放整齐或卷起。

• 1. 本文主要完成的工作

总体方案的设计

确定各个部件的主要参数

电机和传动装置的选型

对设计的结果进行分析改进

建立升降机构的三维模型

静力学及动力学分析

图1.1 工作流程

1.总体方案的设计^[12]，包括丝杆的大致级数^[13]和尺寸结构（根据课题所要求的升降行程、安装高度，大致估算丝杆所需的级数，以偏大量选取，并以确定的外围最大尺寸和级数，选择合适的丝杆螺母副的尺寸）、传动方式（比如说齿轮传动、链条传动还是其他传动方式）、各个装置的摆放位置（包括电机、传动装置等，要求结构简单、效率高且符合设计要求^[14]）、套筒的尺寸和安装形式（根据丝杆升降机构来确定）、线束收集装置的收放形式和大致结构。

2.确定各个部件的主要参数：根据丝杆的级数和尺寸，然后计算所需的扭矩^[15]和运行速度(升降速度满足 5mm/s~20mm/s)，根据传动装置的类型(符合升降机构的运行工况和相关的设计要求)，选定合适的传动比，最后再计算出电机所要的扭矩和转速^[16]。

3.电机和传动装置的选型，根据上述计算的数据，选择合适的电机和传动装置

4.静力学及动力学的分析^[17]，对各个零件的强度和刚度进行验算，是否符合课题要求，并建立ANSYS模型，分析零件的应力、变形、受载情况，得出结论。

5.建立升降机构的三维模型，分析其运行的大致流程，并画出二维结构视图。

6.对升降机构的经济性和环保性进行分析。指出哪里还有改进的地方或者不合理的设计。

1. 升降机构的总体方案
   1. 升降机构的技术要求
      1. 技术要求

1.安装高度：≤240mm；

2.升降行程：≥900mm；

3.最大负载：≥35Kg（负载运动过程中重心会偏离升降机构中心 200mm）；

4.相对刚度：≤1mm/m；

5.外围最大尺寸：≤150mm×250mm；

6.升降速度：5mm/s~20mm/s。

同时设计一套线束收集机构，其安装在升降机构一侧，能将升降机构上端安装的监测设备的线束随升降机构的运动而将线束摆放整齐或卷起。线束收集装置外围尺寸≤125mm×130mm×100mm，线束截面约 40mm×16mm，线束最大承受拉力≤40N。

• • 1. 需求说明

图2.1 整体设备示意图

图2.1中，云台及附件总质量约 30Kg，云台可沿水平方向移动，最大移动距离 200mm。设计的升降机机构能将云台升高 900mm，同时在低速（5mm/s）或高速（20mm/s）运动过程中始终保持云台上端平稳，无明显抖动或侧向偏移，最大侧向偏移量小于 1mm。云台水平移动 200mm 过程中，升降机构同样能保持稳定。同时升降机构要能在小车以 0.5m/s²的加速度运动过程中仍能保持稳定。

由于升降机构上端安装的元件较多，线束也较多，线束一端连接云台及上部元件，另一端连接底盘上电气件，云台升降的同时为保证不扯断线速或不使得线速随意堆积在底盘上其它元件上，需有一套机构将线速整齐收齐或有序释放出来。

• 1. 升降机构的安装方式

本设计升降机构的安装方式，如图2.2所示，上底座25和下底座26是固定端，七级套筒21固定在上底座25上，其余6个套筒向内依次组装，套筒间通过套筒内壁上的滑道和套筒外壁上的滑块使套筒在运动时，保持相对位置不变，不转动。套筒内部是螺杆螺母组合，由传动轴2和7个螺杆螺母组装而成，螺母焊接在螺杆的上端，螺杆螺母间通过螺纹连接。一级螺杆8和一级套筒15用螺栓固定，在运动时保持螺杆不发生转动。各级螺杆间都安装衬套22，轮槽支撑轴23通过止推轴承24固定在上底座25上，并通过V型带27和电机传动轴31与步进电机1相连接，轮槽支撑轴23与传动轴2通过螺栓联接来传递动力。轮槽支撑轴23和电机传动轴31的下端分别与下底座26上的向心球轴承28、30用过盈配合连接。线束收集器32安装在上底座25上。

• 1. 升降机构的工作原理

本设计升降机构的工作原理^[18]：上升过程中，步进电机1带动电机传动轴31，通过V型带27，使轮槽支撑轴23旋转。而轮槽支撑轴23通过螺栓联接带动传动轴2，使六级螺母3实现回转运动，六级螺母3带动六级螺杆4实现直线运动，由于六级螺杆4与五级螺

1、步进电机 2、传动轴 3、六级螺母 4、六级螺杆 5、五级螺母 6、五级螺杆 7、四级螺母 8、一级螺杆 9、一级螺母 10、二级螺杆 11、二级螺母 12、三级螺杆 13、三级螺母 14、四级螺杆 15、一级套筒 16、二级套筒 17、三级套筒 18、四级套筒 19、五级套筒 20、六级套筒 21、七级套筒 22、衬套 23、轮槽支撑轴 24、止推轴承 25、上底座 26、下底座 27、V型带 28、凸缘外圈微型向心球轴承 29、接近开关 30、凸缘外圈微型向心球轴承 31、电机传动轴 32、线束收集器

图2.2结构原理图

母5固结，五级螺杆6和五级螺母5螺旋啮合，所以六级螺杆4将和五级螺杆6一起直线运动，同理可得，其余螺杆均一起直线运动。并同时带动与一级螺杆8固定在一起的一级套筒15沿套筒内壁滑道方向直线运动。当六级螺杆4运动到其上固定的衬套的圆弧端面与六级螺母3的端面相切时，将停止直线运动。此时，六级螺母3、六级螺杆4、五级螺母5、轮槽支撑轴23和传动轴2将固结成一整体，在步进电机1的带动下进行回转运动，带动五级螺杆6实现直线运动。当一级套筒15到达最大行程后，由于一级套筒15外壁下端有凸出的滑块，与二级套筒16内壁滑道末端的挡块相切，带动二级套筒16沿滑道方向实现直线运动，同样的，其余螺杆、套筒也像这样依次升起。当六级套筒20到达指定高度的时候，安装在七级套筒21外壁上端的接近开关，检测到套筒到达指定位置，发出电机停止信号，步进电机1停止转动。云台的线束由线束收集器32中的电机带动绕线盘卷起收集，与步进电机1同步。下降过程中步进电机1带动轮槽支撑轴23反向旋转，由于摩擦力的原因，衬套与一级螺母9先分离，同时由于重量的原因，六级套筒20先落下，当一级螺杆8回落到与轮槽支撑轴23上的圆弧面相切时将停止其直线运动，此时，衬套将与二级螺母11分离回落，最后回到初始位置。同理，其他螺杆、套筒也依次回落，直到六级套筒20回到初始位置，安装在七级套筒21外壁下端的接近开关，检测到套筒到达指定位置，发出电机停止信号，步进电机1停止转动，完成整个运动过程。下降过程与上升过程一样，线束收集器32中的电机与步进电机1同步。本设计选用梯形螺纹，具有自锁的功能，云台可以在任意位置上停留，六级螺杆行程为112mm，五级螺杆行程为128mm，四级螺杆行程为144mm，三级螺杆行程为160mm，二级螺杆行程为176mm，一级螺杆行程为192mm，总行程为912mm。线束收集装置可以将线束叠加5圈，可收集线束长度约为973mm，满足设计要求。

1. 螺杆螺母副的设计计算及校核
   1. 螺纹螺杆类型及材料选择
      1. 螺纹类型

本方案采用梯形螺纹。牙型角。

• • 1. 材料选择及其许用应力

参考《机械设计》^[19]第五章表：滑动螺旋副材料的许用应力及摩擦系数，和表：滑动螺旋副材料的许用应力，可知：