一種雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置及設(shè)有該裝置的應(yīng)用系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及旋轉(zhuǎn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置。本實用新型還涉及設(shè)有該裝置的應(yīng)用系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]雙自由度旋轉(zhuǎn)的裝置和應(yīng)用系統(tǒng)，常用于實現(xiàn)穩(wěn)定平臺、自動調(diào)平裝置等，是實現(xiàn)三旋轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動、穩(wěn)定裝置和方法的核心。
[0003]目前，雙自由度旋轉(zhuǎn)裝置大都采用兩個相互正交的轉(zhuǎn)動框架實現(xiàn)，在每個框架旋轉(zhuǎn)軸的兩端安裝電機(jī)和傳感器實現(xiàn)驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)角度測量，外部采用框架進(jìn)行支撐和固定。
[0004]請參考圖1，圖1為框架式雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0005]如圖所示，兩個矩形轉(zhuǎn)動框架I’(也可采用球形框架)相互正交，各轉(zhuǎn)動框架I’的兩個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的兩端分別安裝驅(qū)動電機(jī)2’和角度傳感器3’，根據(jù)角度傳感器3’的測量數(shù)據(jù)對兩個旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行控制和調(diào)整，從而實現(xiàn)穩(wěn)定平臺4’的穩(wěn)定控制，驅(qū)動電機(jī)2’為常規(guī)電磁感應(yīng)電機(jī)。
[0006]這種雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，由于兩個旋轉(zhuǎn)軸要求相互垂直正交，而且驅(qū)動電機(jī)需要安裝在兩個軸端。因此，存在以下不足:
[0007]首先，框架形式和疊套結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致整個裝置體積過大，不利于向小型化方向發(fā)展，會占用過大的空間，布置與組裝的難度較大。
[0008]其次，雖然從原理圖來看，其結(jié)構(gòu)較為簡單，但在實際制造過程中，為保證兩個旋轉(zhuǎn)軸精確地相互垂直正交，其機(jī)械結(jié)構(gòu)會十分復(fù)雜，而且加工、裝調(diào)精度要求很高，導(dǎo)致設(shè)備成本較高。
[0009]再者，框架式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整個裝置剛度較差，性能不夠穩(wěn)定。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]本實用新型的第一目的是提供一種雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能穩(wěn)定，且易于小型化、動態(tài)響應(yīng)更寬、功耗更小，可廣泛應(yīng)用于各種動態(tài)穩(wěn)定平臺和自動靜態(tài)定向/調(diào)平裝置。
[0011]本實用新型的第二目的是提供一種設(shè)有該裝置的應(yīng)用系統(tǒng)。
[0012]為實現(xiàn)上述第一目的，本實用新型提供一種雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，包括:
[0013]轉(zhuǎn)動體，具有磨擦球面，其頂部或內(nèi)部設(shè)有負(fù)載安裝平臺；
[0014]固定支撐結(jié)構(gòu)，保持所述轉(zhuǎn)動體，使其僅具有旋轉(zhuǎn)自由度；
[0015]驅(qū)動電機(jī)，其驅(qū)動端與所述轉(zhuǎn)動體的摩擦球面直接接觸，形成與所述摩擦球面相切的磨擦傳動副。
[0016]優(yōu)選地，所述驅(qū)動電機(jī)的數(shù)量為四個，以90度相位角均勻分布于所述轉(zhuǎn)動體外圍，其中相對的兩個所述驅(qū)動電機(jī)的磨擦傳動副的回轉(zhuǎn)力矩方向相反。
[0017]優(yōu)選地，所述驅(qū)動電機(jī)的數(shù)量為兩個，兩者的相位角為90度，各所述驅(qū)動電機(jī)在所述轉(zhuǎn)動體的另一側(cè)均設(shè)有與之相對的轉(zhuǎn)動支撐件。
[0018]優(yōu)選地，所述驅(qū)動電機(jī)為駐波型壓電陶瓷電機(jī)。
[0019]優(yōu)選地，各所述驅(qū)動電機(jī)縱向布置于所述轉(zhuǎn)動體周圍。
[0020]優(yōu)選地，還包括:
[0021]檢測單元，用于獲取并向控制單元傳輸所述轉(zhuǎn)動體的姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0022]控制單元，用于接收所述檢測單元測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)包括所述姿態(tài)數(shù)據(jù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)對所述轉(zhuǎn)動體在兩個旋轉(zhuǎn)自由度上的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和調(diào)整。
[0023]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動體為完整球形轉(zhuǎn)動體、部分球形轉(zhuǎn)動體或者具有多個局部球面的虛擬球形轉(zhuǎn)動體。
[0024]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動體為陶瓷或金屬轉(zhuǎn)動體。
[0025]優(yōu)選地，所述固定支撐結(jié)構(gòu)包括:
[0026]底座，其上設(shè)有容納所述轉(zhuǎn)動體的球形凹座；
[0027]下支撐件，設(shè)于所述球形凹座球形空間的底部，其支撐所述轉(zhuǎn)動體具有旋轉(zhuǎn)自由度；
[0028]上壓塊，分布于所述球形凹座頂部，其將所述轉(zhuǎn)動體向下保持在所述下支撐件上。
[0029]優(yōu)選地，所述下支撐件為下支撐環(huán)，其通過環(huán)帶形內(nèi)球面支撐所述轉(zhuǎn)動體；或者，所述下支撐件為環(huán)形分布的若干支撐塊，其通過局部內(nèi)球面支撐所述轉(zhuǎn)動體。
[0030]優(yōu)選地，所述下支撐環(huán)或支撐塊為采用固體潤滑材料制成的支撐環(huán)或支撐塊。
[0031]優(yōu)選地，所述上壓塊為采用固體潤滑材料制成的上壓塊。
[0032]優(yōu)選地，所述球形凹座呈開口向上的空心半球形，其外側(cè)設(shè)有局部平面，并在局部平面上開設(shè)槽口，形成驅(qū)動電機(jī)安裝位，相鄰的所述槽口之間形成異形支柱，所述上壓塊安裝于所述異形支柱頂部。
[0033]優(yōu)選地，所述驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動端與所述轉(zhuǎn)動體的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接觸。
[0034]為實現(xiàn)上述第二目的，本實用新型提供一種應(yīng)用系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)裝置及其上的工作單元，所述旋轉(zhuǎn)裝置為上述任一項所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，所述工作單元設(shè)于所述轉(zhuǎn)動體的負(fù)載安裝平臺。
[0035]本實用新型采用駐波型壓電陶瓷電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，并使其驅(qū)動端與轉(zhuǎn)動體磨擦球面直接接觸傳遞力和力矩，工作時，駐波型壓電陶瓷電機(jī)的驅(qū)動端能夠以超聲工作頻率和納米的振幅以摩擦的形式將力直接傳遞到轉(zhuǎn)動體，從而形成使轉(zhuǎn)動體在不同方向上旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩，每一個或每一組驅(qū)動電機(jī)對應(yīng)一個方向上的旋轉(zhuǎn)自由度，通過角度檢測單元和控制單元，最終可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動體在兩個旋轉(zhuǎn)自由度上的定向、穩(wěn)定進(jìn)行控制和調(diào)整。
[0036]基于上述技術(shù)方案，本實用新型具有如下有益效果:
[0037]I)使用一個轉(zhuǎn)動體即可實現(xiàn)兩個自由度的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，很容易通過壓電陶瓷電機(jī)安裝位置調(diào)整實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)軸的正交，成本將大幅降低。
[0038]2)通過轉(zhuǎn)動體摩擦球面的表面精加工，較低的成本即可保證良好的球度和轉(zhuǎn)動體表面的粗糙度(納米級別)，而壓電陶瓷電機(jī)的超聲激勵頻率、納米級振幅，可在兩個旋轉(zhuǎn)自由度上均獲得非常高的旋轉(zhuǎn)精度。
[0039]3)壓電陶瓷電機(jī)直接將驅(qū)動力矩作用于轉(zhuǎn)動體表面，轉(zhuǎn)動體的球形結(jié)構(gòu)或類球形結(jié)構(gòu)具有極高的剛度，因此可獲得極高的動態(tài)性能，在不需要驅(qū)動轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動時，駐波型壓電陶瓷電機(jī)的自鎖特性，能夠使轉(zhuǎn)動體的姿態(tài)保持穩(wěn)定而不需要消耗能量，從而使得整套裝置具有極尚的能效。
[0040]4)轉(zhuǎn)動體容易實現(xiàn)和底座等構(gòu)件的精密耦合加工，固定支撐結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動體接觸的部位使用固體潤滑材料，其配合精度可保證在0.5um以內(nèi)，加上壓電陶瓷電機(jī)的納米級高頻小步進(jìn)給運(yùn)動，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動體的高速精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0041]5)采用壓電陶瓷電機(jī)、轉(zhuǎn)動體的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，可在滿足高精度、大負(fù)載要求的情況下實現(xiàn)小尺寸，有利于最終產(chǎn)品向小型化方向發(fā)展。
[0042]本實用新型所提供的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)有上述雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，由于所述雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置具有上述技術(shù)效果，設(shè)有該雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的應(yīng)用系統(tǒng)也應(yīng)具有相應(yīng)的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0043]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中框架式雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為本實用新型所提供的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的一種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3為圖2中所示陶瓷球形轉(zhuǎn)動體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4為圖2中所示底座及球形凹座的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖5為一種虛擬球形轉(zhuǎn)動體的示例圖。
[0048]圖1 中:
[0049]轉(zhuǎn)動框架I’驅(qū)動電機(jī)2’角度傳感器3’穩(wěn)定平臺4’
[0050]圖2至圖5中:
[0051]1.轉(zhuǎn)動體 1-1.局部球面 2.球形凹座 3.底座 4.下支撐環(huán) 5.上壓塊
6.角度傳感器7.驅(qū)動電機(jī)8.電機(jī)安裝板9.傳感器連接安裝板
【具體實施方式】
[0052]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型方案，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0053]請參考圖2，圖2為本實用新型所提供的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的一種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0054]本實用新型提供的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的一種具體實施例中，主要由轉(zhuǎn)動體1、設(shè)有球形凹座2的底座3、下支撐環(huán)4、上壓塊5、角度傳感器6、驅(qū)動電機(jī)7以及控制單元等構(gòu)成。
[0055]轉(zhuǎn)動體I為陶瓷或金屬材質(zhì)的部分球形轉(zhuǎn)動體(見圖3)，由一個完整的球體在頂部加工出平面形成，其內(nèi)部可以是中空結(jié)構(gòu)，頂部或內(nèi)部可安裝其他組成部件，負(fù)載安裝平臺既可以位于轉(zhuǎn)動體I內(nèi)部，也可以位于轉(zhuǎn)動體I頂部，除頂面以外，轉(zhuǎn)動體I的其余部分為球面，即摩擦球面，通過表面精加工，可使摩擦球面達(dá)到納米級別的粗糙度。
[0056]請一并參考圖4，圖4為圖2中所示底座及球形凹座的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0057]底座3呈圓盤形，其中央處設(shè)有用于容納轉(zhuǎn)動體的球形凹座2，球形凹座2呈開口向上的空心半球形，其頂面位于赤道面以下的位置，以便于轉(zhuǎn)動體I能夠順利的放入球形凹座2，其外側(cè)面沿縱向方向切割出四個周向均勻分布的局部平面，并在局部平面上開設(shè)“U”形槽口，形成驅(qū)動電機(jī)安裝位，相鄰的“U”形槽口之間形成異形支柱。
[0058]球形凹座2為單體結(jié)構(gòu)，可一次性精確加工成形，與分體組裝式結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于裝調(diào)，且能夠保證兩個旋轉(zhuǎn)軸精確正交，從而大幅降低成本。
[0059]下支撐環(huán)4安裝在球形凹座2的球形空間底部，其通過環(huán)帶形內(nèi)球面支撐轉(zhuǎn)動體I繞立體空間的三個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，也就是圖3所示的X軸、Y軸和Z軸，轉(zhuǎn)動體I的任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，都可以分解為繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動體I在球形凹座2內(nèi)雖然可以任意旋轉(zhuǎn)，卻不會沿X軸、Y軸和Z軸發(fā)生位移，即轉(zhuǎn)動體I相對于球形凹座2僅具有旋轉(zhuǎn)自由度。
[0060]上壓塊5的形狀大體與異形支柱的頂面形狀相吻合，四個上壓塊5分別固定在四個異形支柱的頂部，將轉(zhuǎn)動體I向下保持在下支撐環(huán)4上，其與轉(zhuǎn)動體I的接觸部位處于轉(zhuǎn)動體I赤道面以上的位置，以便將轉(zhuǎn)動體I保持在下支撐環(huán)4上，防止其從球形凹座2中脫出。
[0061]下支撐環(huán)4、上壓塊5采