一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构的制作方法

1.本实用新型属于光电平台机械设计技术领域，涉及一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构。


背景技术：

2.对于系统机械结构设计，主要区别在于对内部俯仰方位轴结构的重新设计。传统的轴系结构形式具有轴系结构惯量和摩擦力矩大的问题，导致控制系统存在严重的非线性，系统响应慢，控制精度低的缺点。针对现有光电系统对频率响应特性要求高，要求系统无摩擦，体积小，结构紧凑，而传统的转动机构价格贵，体积大，设备复杂，难以维护。
3.通过外部轴系可以实现大角度范围转动，再通过内部轴系实现完成机构精确、快速、低交叉耦合的两轴转动。
4.同时传统两轴转动机构部分设计均是基于滚动轴承和无线刷电机驱动，由电机与轴系进行装配，同时角度传感器也安装在轴向方向。会使轴向距离增大，实际载荷空间被压缩，尺寸很难缩小。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于音圈电机和柔性支撑组成的两轴转动机构，该机构能够实现两轴低交叉耦合转动，并具有快速响应性能。
6.为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的，结合
7.附图说明如下：
8.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
9.为了解决上述技术问题，本实用新型的基于柔性支撑、音圈电机、滚珠轴承、无刷电机、谐波轮减速器组成的两轴转动机构包括内外两套轴系，其中外部的方位和俯仰两个轴系采用的是无刷电机和滚珠轴承组成。内部的方位和俯仰轴系则是由音圈电机和柔性支撑组成。外方位的基座与载机、汽车及船舶等相连，同时利用外方位轴与外方位基座、滚动轴承和无刷电机相连接，以完成对外方位的驱动。同时外方位轴与外方位基座之间装有角度传感器，可以精准判断外方位旋转的角度。外俯仰框架与外方位轴相连，外俯仰轴与外俯仰框架、滚动轴承和无刷电机连接，外俯仰电机与谐波轮减速器连接以完成对外俯仰的驱动。既可以满足大扭距输出又可以减小结构空间。同时外俯仰轴与外俯仰框架之间装有角度传感器，可以精准判断外俯仰旋转的角度。外方位采用转动轴承和无刷电机驱动实现了大范围角度上的转动。
10.减震器固定座通过减震器与外俯仰框架相连。通过减震可以将高频振动进行过滤，为内部轴系快速、小角度的精准定位提供了稳定的环境。
11.内方位框架与减震器通过柔性支撑连接，音圈电机固定在减震器固定坐上，转子与内方位框架相连。并且内方位框架上装有角度传感器以检测内方位运动的角度，实现精准控制。内俯仰框架与位框架通过柔性支撑连接，音圈电机固定在内方位框架上，转子与内俯仰框架相连。并且内俯仰框架上装有角度传感器以检测内方位运动的角度，实现精准控制。音圈电机的使用，为结构设计提供了更小尺寸、更大力矩的驱动单元。柔性支撑的使用，为伺服控制提供了无摩擦、无空回的回转支撑环节，是伺服控制效果得到了更大的提升。
12.一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，包括外俯仰轴系、外方位轴系、内俯仰轴系和内方位轴系四个轴系，其中外俯仰轴系和外方位轴系采用的是无刷电机和滚动轴承设计，内方位轴系和内俯仰轴系采用的是音圈电机和柔性支撑设计；
13.所述外方位轴系是固定的，所述外俯仰轴系安装在外方位轴系上，所述内方位轴系安装在外俯仰轴系上，所述内俯仰轴系安装在内方位轴系上。
14.进一步地，所述的四个轴系上安装均设有角度传感器，通过角度传感器信号实现对角度精准控制。
15.进一步地，所述外方位轴系包括外方位基座1.1、外方位电机1.2、旋转轴承1.3、外方位轴1.4、方位角度传感器1.6；
16.外方位轴1.4通过旋转轴承1.3和压盖固定在外方位基座1.1上，外方位轴1.4的另一端与外方位电机1.2的转子通过螺钉固定；外方位电机的定子固定在外方位基座1.1上，外方位轴1.4的延伸段上装有方位角度传感器1.6。
17.一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转机构，还包括外俯仰角度传感器1.9、外俯仰轴承1.11；
18.所述外方位轴1.4的输出端通过螺钉固定在外俯仰框架1.5，外俯仰框架1.5的一侧通过外俯仰轴承1.11将外俯仰轴1.8固定在外俯仰框架1.5 上，外俯仰轴1.8上装有外俯仰角度传感器1.9；外俯仰框架1.5的另外一侧外俯仰轴承1.11将外俯仰轴1.8固定在外俯仰框架1.5上，外俯仰轴1.8 的一端与外俯仰驱动电机1.7通过螺钉相连；
19.所述外方位基座1.1与实际应用的场景相连，同时利用外方位轴1.4与外方位基座1.1、旋转轴承1.3和外方位电机1.2连接，以完成对外方位的驱动；
20.所述外方位轴1.4与外方位基座1.1之间装有外俯仰角度传感器1.9；外俯仰框架1.5与外方位轴1.4相连，外俯仰轴1.8与外俯仰框架1.5、外俯仰轴承 1.11和外俯仰驱动电机1.7连接，以完成对外俯仰的驱动。
21.进一步地，所述内方位轴系包括内框架2.1、减震器2.2、内方位固定座2.3、内方位音圈电机2.4；
22.外俯仰轴1.8与内框架2.1通过螺钉相连，以实现内外框架的连接。
23.内框架2.1上下两端装有对称的减震器2.2；内方位固定座2.3通过螺钉固定在减震器2.2上；
24.进一步地，所述内俯仰轴系包括俯仰框架侧轴承固定座2.8、内俯仰框架 2.9、内俯仰音圈电机2.10、内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11、内俯仰柔性支撑2.12、载荷侧轴承固定座2.13、载荷支架2.14；
25.俯仰框架侧轴承固定座2.8通过预紧于柔性支撑2.5进行固定；俯仰框架侧轴承固定座2.8通过螺钉与内俯仰框架2.9固定；
26.内俯仰框架2.9设有驱动力臂，驱动力臂与内方位音圈电机2.4的转子通过螺钉相连，音圈电机的定子与方位固定座2.3通过螺钉相连；
27.内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11通过螺钉固定在内俯仰框架2.9，内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11为圆盘形并开有缝隙；通过螺钉预紧将内俯仰柔性支撑2.12固定在内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11上；载荷侧轴承固定座2.13通过预紧于内俯仰柔性支撑2.12进行固定；内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11通过螺钉与载荷支架2.14固定。
28.进一步地，所述外俯仰轴1.8与外俯仰框架1.5之间装有外俯仰角度传感器1.9；减震器固定座通过减震器2.2与外俯仰框架1.5相连；减震器固定座与内方位框架1.5通过内俯仰柔性支撑2.12连接，内方位音圈电机2.4 固定在减震器固定坐上。
29.进一步地，将方位柔性支撑座2.6通过螺钉固定在内方位固定座2.3，方位柔性支撑座2.6为圆盘形并开有缝隙；
30.通过用螺钉预紧方位柔性支撑座2.6，将柔性支撑2.5固定在方位柔性支撑座2.6上；
31.所述内俯仰框架2.9装有内俯仰角度传感器2.15；
32.所述载荷支架2.14装有内方位角度传感器2.7。
33.进一步地，所述内俯仰框架2.9、载荷支架2.14上均设计有驱动力臂，驱动力臂与内俯仰音圈电机2.10相连，内俯仰音圈电机2.10的定子与内俯仰框架2.9通过螺钉相连，内俯仰音圈电机2.10通过驱动力臂驱动轴系转动。
34.一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，还包括谐波轮减速器1.10；
35.谐波轮减速器1.10和内框架2.1相连；
36.所述外俯仰轴系使用外俯仰驱动电机1.7及谐波轮减速器1.10驱动与现有技术相比本实用新型的有益效果是：
37.本实用新型内框架采用的柔性支撑和音圈电机的驱动方案，在非工作方向上具有足够的刚度以保持系统的快速响应性能。同时柔性支撑所装配的轴系具有加工简单、无机械摩擦、无间隙和无空回等优点。采用音圈电机驱动具有无滞后、尺寸小及力矩大等优点。包括轴承内固定座和电机外固定座的结构，具有结构紧凑、体积小的优点。本实用新型通过柔性支撑和音圈电机实现两轴的运动，转角度精准，工作带宽高。
38.本实用新型采用了内外框架通过减震器固连的设计方案，在实际使用过程中，为内框架精确稳定提供了良好环境，有效过滤高频振动。
39.本实用新型采用了外俯仰电机和谐波轮减速器共同驱动的方式，通过谐波轮减速器，在有限的体积尺寸内，有效提高了电机出力，在伺服转台控制中，对带宽的提高提供了有力支撑。
40.本实用新型对两轴转动的结构设计，有效的减小了系统的整体质量和体积，具有转动中心稳定、高精度、高可靠性、无磨损等关键特性，从而减小了对载荷的约束；由于减少了零件数量，降低了装配时间，简化加工了过程。
附图说明
41.下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
42.图1是本实用新型所述一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构沿着是个旋转轴轴心所在的平面剖开的视图；
43.图2是图1中沿着内俯仰和外俯仰轴轴心所在的平面向下剖开的视图；
44.图3是图1中沿着内俯仰和外俯仰轴轴心所在的平面向上剖开的视图；
45.图4为本实用新型所述一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构整体外观图。
46.图中，1.1、外方位基座，1.2、外方位电机，1.3、旋转轴承，1.4、外方位轴，1.5、外俯仰框架，1.6、方位角度传感器，1.7、外俯仰驱动电机，1.8、外俯仰轴，1.9、外俯仰角度传感器，1.10、谐波轮减速器，1.11外俯仰轴承；
47.2.1、内框架，2.2、减震器，2.3、内方位固定座，2.4、内方位音圈电机,
48.2.5、柔性支撑，2.6、方位柔性支撑座，2.7、内方位角度传感器，2.8、俯仰框架侧轴承固定座，2.9、内俯仰框架，2.10内俯仰音圈电机，2.11、内俯仰柔性支撑固定座轴承，2.12内俯仰柔性支撑，2.13、载荷侧轴承固定座，2.14 载荷支架，2.15内俯仰角度传感器。
具体实施方式
49.为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
50.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
51.下面结合附图对本实用新型作详细的描述：
52.本实用新型涉及一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架伺服转台，其中包括外框架方位驱动、外框架俯仰驱动、内框架方位驱动、内框架俯仰驱动四个部分。其中外俯仰和外方位采用的是无刷电机配合滚动轴承的设计，内方位和内俯仰采用的是音圈电机配合柔性支撑的设计，是回转运动的驱动组成部分，实现所在轴系方向的回转运动。四框架回转均配有角度传感器，采集角度信息，实现回转运动的精准控制。外框架与内框架之间通过减震器连接，在实际使用环境中，起到有效的滤震效果。该伺服转台可以通过外俯仰框架与外方位框架的回转功能，稳定基座在工作时带来的大角度运动，并通过内俯仰框架与内方位框架的回转功能，补偿外框架稳定后的残差值，并且通过减震器过滤高频振动对系统稳定带来的影响，以实现在动基座工作环境中伺服转台的精确稳定能力。其中柔性支撑
提供了内框架的回转支撑能力，且具备无摩擦、无空回等特色，为内框架精确稳定提供了良好的工作状态。本实用新型所提供的两轴四框架伺服转台适用于精密机械、精密测量仪表以及医疗器械等领域。
53.一种基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，包括外俯仰、外方位、内俯仰和内方位四个轴系，其中外俯仰和外方位采用的是无刷电机和滚动轴承设计，内方位和内俯仰采用的是音圈电机和柔性支撑设计。同时外俯仰轴与外俯仰框架之间装有角度传感器，可以精准判断外俯仰旋转的角度。减震器固定座通过减震器与外俯仰框架相连。减震器固定座与内方位框架通过柔性支撑连接，音圈电机固定在减震器固定坐上，基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，外俯仰使用电机及谐波轮减速器驱动。并且内方位框架上装有角度传感器以检测内方位运动的角度，实现精准控制。内俯仰框架与位框架通过柔性支撑连接，音圈电机固定在内方位框架上，转子与内俯仰框架相连。并且内俯仰框架上装有角度传感器以检测内方位运动的角度，实现精准控制。
54.基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转机构，由内部旋转轴系上是由柔性支撑固定。
55.基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，内俯仰及方位轴上设计有旋转力臂，力臂与音圈电机相连，音圈电机通过力臂驱动轴系转动。
56.基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，轴系上安装有角度传感器，通过传感器信号可实现对角度精准控制。
57.基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，外俯仰使用电机及谐波轮减速器驱动。
58.基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，由内方位轴系上由减震器固定在外俯仰轴系上。
59.基于柔性支撑和音圈电机组成的两轴四框架转动机构，外方位的基座与实际应用的场景相连，同时利用外方位轴与外方位基座、滚动轴承和无刷电机连接，以完成对外方位的驱动。
60.同时外方位轴与外方位基座之间装有角度传感器，可以精准判断外方位旋转的角度。外俯仰框架与外方位轴相连，外俯仰轴与外俯仰框架、滚动轴承和无刷电机连接，以完成对外俯仰的驱动。
61.如图1、图2、图3、图4所示，本实用新型的基于音圈电机和柔性支撑组成的两轴四框架外部转动机构包括外方位基座1.1、外方位电机1.2、旋转轴承1.3、外方位轴1.4、外俯仰框架1.5、方位角度传感器1.6、外俯仰驱动电机1.7、外俯仰轴1.8、外俯仰角度传感器1.9、谐波轮减速器 1.10、外俯仰轴承1.11。
62.外方位轴1.4通过旋转轴承1.3和压盖固定在外方位基座1.1上，外方位轴1.4的另一端与外方位电机1.2的转子通过螺钉固定。外方位电机的定子固定在外方位基座1.1上，同时外方位轴1.4的延伸段上装有方位角度传感器1.6。
63.外方位轴1.4的输出端通过螺钉固定在外俯仰框架1.5，外俯仰框架 1.5的一侧通过外俯仰轴承1.12将外俯仰轴1.8固定在外俯仰框架1.5上，外俯仰轴1.8上装有外俯仰角度传感器1.9。外俯仰框架1.5的另外一侧外俯仰轴承1.11将外俯仰轴1.8固定在外俯仰框架1.5上，外俯仰轴1.8的一端与外俯仰驱动电机1.7通过螺钉相连。
64.外俯仰轴1.8与内框架2.1通过螺钉相连，以实现内外框架的连接。
65.内框架2.1上下两端装有对称的减震器2.2，对外界震动进行过滤。同时内方位固定座2.3通过螺钉固定在减震器2.2上。方位柔性支撑座2.6通过螺钉固定在内方位固定座2.3，方位柔性支撑座2.6为圆盘形并开有缝隙。通过螺钉预紧将柔性支撑2.5固定在方位柔性支撑座2.6上。俯仰框架侧轴承固定座2.8 和方位柔性支撑座2.6结构相似，通过预紧于柔性支撑2.5进行固定。同时俯仰框架侧轴承固定座2.8通过螺钉与内俯仰框架2.9固定。
66.内俯仰框架2.9设有驱动力臂，驱动力臂与内方位音圈电机2.4的转子通过螺钉相连，音圈电机的定子与方位固定座2.3通过螺钉相连。同时内俯仰框架2.9装有内俯仰角度传感器2.15，通过内俯仰角度传感器2.15进行实时的角度反馈，以实现精准的角度控制。
67.内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11通过螺钉固定在内俯仰框架2.9，内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11为圆盘形并开有缝隙。通过螺钉预紧将内俯仰柔性支撑2.12固定在内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11上。载荷侧轴承固定座2.13和方位柔性支撑座2.6结构相似，通过预紧于内俯仰柔性支撑2.12进行固定。同时内俯仰柔性支撑固定座轴承2.11通过螺钉与载荷支架2.14固定。
68.载荷支架2.14设有驱动力臂，驱动力臂与音圈电机的转子通过螺钉相连，音圈电机2.11的定子与内俯仰框架2.9通过螺钉相连。同时载荷支架2.14装有内方位角度传感器2.7，通过传感器进行实时的角度反馈，以实现精准的角度控制。
69.载荷支架2.14设有驱动力臂，驱动力臂与内俯仰音圈电机2.10的转子通过螺钉相连，内俯仰音圈电机2.10的定子与内俯仰框架2.9通过螺钉相连。
70.本实用新型通过音圈电机和柔性支撑的安装方式，可通过控制音圈电机的转子实现方位、俯仰转动，通过音圈电机控制可实现在小角度范围内实现快速响应。通过控制无刷电机，可实现控外方位和外俯仰方向大角度旋转。本实用新型满足已有的旋转结构的大角度方位的转动，还可以提高在小角度范围内的快速精准转动。在不改变原有的角度范围前提下提高了稳定精度。
71.无刷电机是电机的一个种类，外方位电机1.2、外俯仰驱动电机1.7都是属于无刷电机这一类
72.滚动轴承是轴承的一个种类，旋转轴承3、外俯仰轴承1.11都是属于这一类
73.音圈电机是电机的另外一个种类，内方位音圈电机2.4是属于音圈电机这一类。
74.显然，上述实施仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。
75.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。