一種基於柔索傳動的差動結構穩定平臺的製作方法

2023-05-05 07:58:04

本發明涉及用於隔離載體擾動、穩定慣性指向的兩自由度穩定平臺，具體涉及一種基於柔索傳動的差動結構穩定平臺，其載荷種類適用但不局限於光電探測器，可用於無人機偵查吊艙、艦載光電跟蹤系統和車載天線系統等各類精密指向機構。

背景技術：

穩定平臺是在移動載體條件下，通過多軸運動補償載體擾動，從而保持負載指向慣性穩定，並進一步實現跟蹤目標等其他功能的精密指向機構。目前國內外的兩軸兩框架整體式穩定平臺為保證高的穩定精度，往往以力矩電機直接驅動，採用封閉式機械結構設計，具有剛性好、體積小、精度高、結構緊湊的特點。

而面向負載大慣量、需要大力矩的應用場合，力矩電機的大重量、大體積嚴重製約著系統的小型化、輕量化，傳統封閉式的結構同樣給負載安裝維護造成困難，限制了平臺適配性的提高。如果驅動元件採用伺服電機，則必然要引入中間傳動環節，由於齒輪傳動等傳統傳動方式存在固有的摩擦、空回等非線性因素，又制約了系統伺服性能的提高，難以滿足穩定平臺的高精度要求。精密鋼絲繩傳動通過鋼絲繩與繩輪之間的靜摩擦實現力矩傳遞，是一種輕質、高效、簡潔的傳動方式，具有低空回、高剛度、高效率以及無需潤滑等突出優點，在動力傳動領域尤其是在精密指向機構中具有廣闊的應用前景。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題：針對現有兩軸兩框架整體式穩定平臺負載自重比過大造成的負載能力和輕量化要求的衝突，以及負載布局方式造成的適配性差的不足，在平臺的設計中引入柔性繩傳動方式，利用差動構型創新結構設計，提供一種能夠有效提高平臺負載自重比，同時協調平臺精度要求和機構傳動特性的矛盾，解決平臺緊湊性設計和適配性提高的衝突，負載能力大、適配性能強、輕量化、高精度、結構緊湊的基於柔索傳動的差動結構穩定平臺。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：

一種基於柔索傳動的差動結構穩定平臺，包括平臺本體、驅動單元和差動機構，所述差動機構包括方位軸系和俯仰軸系以及柔索組件，所述方位軸系、俯仰軸系之間通過柔索組件傳動，所述方位軸系轉動布置於平臺本體上，所述俯仰軸系轉動布置於方位軸系上且與方位軸系軸線正交，所述驅動單元的輸出端和方位軸系傳動相接。

優選地，所述方位軸系包括迴轉軸、迴轉框和迴轉組合輪，所述迴轉軸和平臺本體固連，所述迴轉框分別通過上、下兩個迴轉框軸承安裝在迴轉軸上，所述驅動單元包括反向安裝在迴轉軸上且布置於迴轉框內的兩組驅動電機模塊，所述迴轉框內分別同軸布置有上、下兩個迴轉組合輪，所述迴轉組合輪由同軸布置的迴轉組合大輪和迴轉組合小輪組成，且所述迴轉組合大輪和迴轉組合小輪通過迴轉組合輪軸承安裝在迴轉軸上，所述兩組驅動電機模塊各與一個迴轉組合輪的迴轉組合小輪通過第一傳動柔索驅動連接，所述迴轉組合大輪的外壁上均設有輪槽，所述柔索組件布置於兩個迴轉組合輪的迴轉組合大輪和俯仰軸系之間。

優選地，所述迴轉框軸承為四點接觸球軸承。

優選地，所述迴轉軸上裝配有電機機架，所述驅動電機模塊包括伺服電機、諧波減速器和柔索輪，兩組驅動電機模塊的伺服電機分別反向安裝在電機機架上，且所述伺服電機的輸出端通過諧波減速器和柔索輪相連，所述柔索輪和迴轉組合小輪的外壁上均設有輪槽，且所述第一傳動柔索繞設於柔索輪和迴轉組合小輪之間。

優選地，所述第一傳動柔索呈8字形迴繞經過柔索輪和迴轉組合小輪。

所述俯仰軸系包括俯仰架、負載架和沿迴轉軸對稱布置於迴轉框內的兩個俯仰輪，所述俯仰輪的外壁上均設有輪槽，所述柔索組件布置於迴轉組合大輪和俯仰輪之間，兩個俯仰輪的俯仰輪軸分別通過俯仰輪軸承安裝在迴轉框上，所述俯仰架設於迴轉框外部且與兩個俯仰輪軸固定連接，所述負載架裝設於俯仰架上。

優選地，所述柔索組件包括第二傳動柔索、第三傳動柔索和多個帶有輪槽的導向輪，所述迴轉組合大輪上設有兩個預緊裝置，所述第二傳動柔索和第三傳動柔索均通過多個導向輪環繞布置在兩個迴轉組合大輪之間且兩端均通過預緊裝置固定，所述第二傳動柔索從上端的迴轉組合大輪出發，依次沿著軸向正交的兩個導向輪平滑過渡到一個俯仰輪上並繞該俯仰輪纏繞一圈後，再沿著軸向正交的兩個導向輪平滑過渡到下端的迴轉組合大輪；所述第三傳動柔索從下端的迴轉組合大輪出發，依次沿著三個導向輪平滑過渡到另一個俯仰輪上並繞該俯仰輪纏繞一圈後，再沿著三個導向輪平滑過渡到上端的迴轉組合大輪。

優選地，所述導向輪包括導向輪軸、軸用彈性擋圈和帶輪槽的滑輪，所述滑輪套設安裝在導向輪軸上且端部通過軸用彈性擋圈限位固定，所述導向輪軸通過螺母安裝固定在迴轉框上。

優選地，所述預緊裝置包括壓板、螺杆、預緊端塊和碟形彈簧，所述壓板通過連接件安裝在迴轉組合大輪上，所述壓板上設有通孔，所述螺杆穿過壓板的通孔後與預緊端塊螺紋連接，所述預緊端塊的底面和壓板所安裝的迴轉組合大輪的側面接觸，所述碟形彈簧布置於壓板的通孔端面和螺杆之間，所述預緊端塊和第二傳動柔索或第三傳動柔索的端部相連。

優選地，所述方位軸系、俯仰軸系上還設有檢測單元，所述檢測單元包括陀螺和編碼器，所述陀螺裝設於俯仰軸系的負載架上，所述編碼器安裝在方位軸系的迴轉軸和俯仰軸系的俯仰輪軸軸端。

本發明基於柔索傳動的差動結構穩定平臺具有下述優點：

1、本發明基於柔索傳動的差動結構穩定平臺包括平臺本體、驅動單元和差動機構，所述差動機構包括方位軸系和俯仰軸系以及柔索組件，所述方位軸系、俯仰軸系之間通過柔索組件傳動，所述方位軸系轉動布置於平臺本體上，所述俯仰軸系轉動布置於方位軸系上且與方位軸系軸線正交，所述驅動單元的輸出端和方位軸系傳動相接，通過方位軸系、俯仰軸系使得平臺具有繞y軸-俯仰軸和z軸-方位軸的轉動自由度，能夠解決平臺負載能力和自身重量限制，平臺精度要求和機構傳動特性，平臺緊湊性設計和適配性提高的衝突，具有負載能力大、適配性能強、輕量化、高精度、結構緊湊的優點。

2、本發明採用差動機構傳動，且差動機構的方位軸系、俯仰軸系之間通過柔索組件傳動，差動機構利用了柔索具有低空回、高剛度的特點，從而保證了穩定平臺傳動精度和穩定精度。

3、本發明基於柔索傳動的差動結構穩定平臺的載荷種類適用但不局限於光電探測器，可用於無人機偵查吊艙、艦載光電跟蹤系統和車載天線系統等各類精密指向機構。

附圖說明

圖1為本發明實施例的立體結構示意圖。

圖2為本發明實施例的剖視結構示意圖。

圖3為本發明實施例的伺服電機的驅動傳動結構示意圖。

圖4為本發明實施例的差動機構的柔索組件結構示意圖。

圖5為本發明實施例的導向輪結構示意圖。

圖6為本發明實施例的預緊裝置結構示意圖。

圖7為本發明實施例中伺服電機211#1和伺服電機211#2等速順時針方向轉動時的工作原理示意圖。

圖8為本發明實施例中伺服電機211#1和伺服電機211#2等速逆時針方向轉動時的工作原理示意圖。

圖9為本發明實施例中伺服電機211#1順時針方向轉動、伺服電機211#2等速逆時針方向轉動時的工作原理示意圖。

圖10為本發明實施例中伺服電機211#1逆時針方向轉動、伺服電機211#2等速順時針方向轉動時的工作原理示意圖。

圖例說明：1、平臺本體；11、基座墊塊；12、連接架；13、壓緊螺母；2、驅動單元；21、驅動電機模塊；211、伺服電機；212、諧波減速器；213、柔索輪；214、第一傳動柔索；3、方位軸系；30、迴轉軸；301、電機機架；302、脹緊套；31、迴轉框；311、迴轉框軸承；312、軸承外圈壓板；32、迴轉組合輪；321、迴轉組合大輪；322、迴轉組合小輪；323、迴轉組合輪軸承；4、俯仰軸系；41、俯仰架；42、俯仰輪；421、俯仰輪軸；422、俯仰輪軸承；43、負載架；5、差動機構；51、第二傳動柔索；52、第三傳動柔索；53、導向輪；531、導向輪軸；532、滑輪；533、軸用彈性擋圈；534、螺母；6、預緊裝置；61、壓板；62、螺杆；63、預緊端塊；64、碟形彈簧；7、檢測單元；71、陀螺；72、編碼器。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本實施例基於柔索傳動的差動結構穩定平臺包括平臺本體1、驅動單元2和差動機構5，差動機構5包括方位軸系3和俯仰軸系4以及柔索組件，方位軸系3、俯仰軸系4之間通過柔索組件傳動，方位軸系3轉動布置於平臺本體1上，俯仰軸系4轉動布置於方位軸系3上且與方位軸系3軸線正交，驅動單元2的輸出端和方位軸系3傳動相接。

如圖1所示，方位軸系3、俯仰軸系4上還設有檢測單元7，檢測單元7包括陀螺71和編碼器72，所述陀螺71裝設於俯仰軸系4的負載架43上，所述編碼器72安裝在方位軸系3的迴轉軸30和俯仰軸系4的俯仰輪軸421軸端。陀螺71是敏感載體慣性空間角速度的測量元件，用於系統穩定控制；編碼器72是相應旋轉軸的角速度和角位置信息測量反饋元件。

本實施例中，平臺本體1由基座墊塊11、連接架12等部件組成，基座墊塊11是用於保留基座空間的過渡連接件，連接架12是載體和穩定平臺機械本體之間的連接件。

如圖2所示，方位軸系3包括迴轉軸30、迴轉框31和迴轉組合輪32，迴轉軸30和平臺本體1固連(通過壓緊螺母13相連)，迴轉框31分別通過上、下兩個迴轉框軸承311安裝在迴轉軸30上，驅動單元2包括反向安裝在迴轉軸30上且布置於迴轉框31內的兩組驅動電機模塊21，迴轉框31內分別同軸布置有上、下兩個迴轉組合輪32，迴轉組合輪32由同軸布置的迴轉組合大輪321和迴轉組合小輪322組成，且迴轉組合大輪321和迴轉組合小輪322通過迴轉組合輪軸承323安裝在迴轉軸30上，兩組驅動電機模塊21各與一個迴轉組合輪32的迴轉組合小輪322通過第一傳動柔索214驅動連接，迴轉組合大輪321的外壁上均設有輪槽，柔索組件布置於兩個迴轉組合輪32的迴轉組合大輪321和俯仰軸系4之間。迴轉軸30固定於連接架12上，迴轉框31可通過上、下兩個迴轉框軸承311繞迴轉軸30自由迴轉，是系統迴轉方位運動的執行件；上、下兩個迴轉組合輪32在迴轉軸30上軸向固定，分別通過迴轉組合輪軸承323繞迴轉軸30自由迴轉，是動力傳輸和轉換部件；本實施例中，編碼器72通過編碼器支承架721、螺釘固定於迴轉框31上。基於系統裝配性的考慮，本實施例中的迴轉框31為拼接式結構，左右對稱剖分，且通過螺栓連接。

本實施例中，迴轉框軸承311為四點接觸球軸承，上、下兩個迴轉框軸承311外側設有軸承外圈壓板312，通過軸承外圈壓板312將迴轉框軸承311固定。

如圖2所示，迴轉軸30上裝配有電機機架301，驅動電機模塊21包括伺服電機211、諧波減速器212和柔索輪213，兩組驅動電機模塊21的伺服電機211分別反向安裝在電機機架301上，且伺服電機211的輸出端通過諧波減速器212和柔索輪213相連，柔索輪213和迴轉組合小輪322的外壁上均設有輪槽，且第一傳動柔索214繞設於柔索輪213和迴轉組合小輪322之間。本實施例中的驅動電機模塊21採用採用伺服電機211驅動代替傳統的力矩電機，能夠有效減小驅動及傳動系統的體積和重量，兼顧系統的大力矩和輕量化。本實施例中驅動單元2包括反向安裝在迴轉軸30上且布置於迴轉框31內的兩組驅動電機模塊21，兩組驅動電機模塊21的伺服電機211分別反向安裝在電機機架301上，從而實現了驅動單元2的差動輸出，該差動機構5的本質是伺服電機211並聯驅動，實現輸出力矩放大合成後再分配，提高力矩調節範圍，有利於實現驅動元件集成和模塊化設計。

本實施例中，伺服電機211、諧波減速器212通過螺釘固定於電機機架301上，電機機架301則通過脹緊套302安裝固定在迴轉軸30上。

如圖3所示，第一傳動柔索214呈8字形迴繞經過柔索輪213和迴轉組合小輪322，從而能夠確保柔索輪213和迴轉組合小輪322之間傳動的穩定可靠，進而將伺服電機211的驅動力矩穩定可靠地傳遞給迴轉組合輪32。

俯仰軸系4左右完全對稱。如圖2和圖4所示，俯仰軸系4包括俯仰架41、負載架43和沿迴轉軸30對稱布置於迴轉框31內的兩個俯仰輪42，俯仰輪42的外壁上均設有輪槽，柔索組件5布置於迴轉組合大輪321和俯仰輪42之間，兩個俯仰輪42的俯仰輪軸421分別通過俯仰輪軸承422安裝在迴轉框31上，俯仰架41設於迴轉框31外部且與兩個俯仰輪軸421固定連接，負載架43裝設於俯仰架41上。俯仰輪42是俯仰方向動力的傳輸件；本實施例中，俯仰輪軸承422採用角接觸球軸承以「面對面」方式安裝，俯仰輪軸421與俯仰架41通過鍵傳遞動力，負載架43是負載安裝的位置，預留負載安裝螺釘孔，其與俯仰架41通過螺釘緊固，負載架43的安裝位置可調以適配不同負載，改善迴轉質量偏心，通過負載架43以負載外掛的結構形式打破了傳統平臺面向單一負載的束縛，便於負載的拆裝和更換，提高了平臺的適配性能。

如圖4所示，柔索組件包括第二傳動柔索51和第三傳動柔索52和多個帶有輪槽的導向輪53，迴轉組合大輪321上設有兩個預緊裝置6，第二傳動柔索51和第三傳動柔索52均通過多個導向輪53環繞布置在兩個迴轉組合大輪321之間且兩端均通過預緊裝置6固定，第二傳動柔索51從上端的迴轉組合大輪321出發，依次沿著軸向正交的兩個導向輪53(53#1和53#2)平滑過渡到一個俯仰輪42上並繞該俯仰輪42纏繞一圈後，再沿著軸向正交的兩個導向輪53(53#3和53#4)平滑過渡到下端的迴轉組合大輪321；第三傳動柔索52從下端的迴轉組合大輪321出發，依次沿著三個導向輪53(53#5、53#6和53#7)平滑過渡到另一個俯仰輪42上並繞該俯仰輪42纏繞一圈後，再沿著三個導向輪53(53#8、53#9和53#10)平滑過渡到上端的迴轉組合大輪321，從而實現了差動式柔索傳動，使得方位軸系3、俯仰軸系4之間的傳動穩定可靠，差動機構5利用了柔索組件具有低空回、高剛度的特點，從而保證了穩定平臺的精度。

本實施例中，第一傳動柔索214、第二傳動柔索51和第三傳動柔索52具體採用鋼絲繩。結合前文可知，本實施例一共通過四段鋼絲繩(第二傳動柔索51、第三傳動柔索52以及兩段第一傳動柔索214)以一定的方式纏繞和可靠預緊實現動力傳遞。

導向輪53用於保證鋼絲繩(第二傳動柔索51和第三傳動柔索52)從迴轉組合大輪321向俯仰輪42柔順過渡，如圖5所示，導向輪53包括導向輪軸531、軸用彈性擋圈533和帶輪槽的滑輪532，滑輪532套設安裝在導向輪軸531上且端部通過軸用彈性擋圈533限位固定，導向輪軸531通過螺母534安裝固定在迴轉框31上。導向輪53的結構設計保證第二傳動柔索51和第三傳動柔索52在軸線相交輪系間的柔順纏繞及平滑過渡，實現以為第二傳動柔索51和第三傳動柔索52傳動介質的相交軸輪系動力的高效傳遞。

預緊裝置6是用於將鋼絲繩(第二傳動柔索51和第三傳動柔索52)端固定和預緊功能的部件，如圖6所示，預緊裝置6包括壓板61、螺杆62、預緊端塊63和碟形彈簧64，壓板61通過連接件安裝在迴轉組合大輪321上，壓板61上設有通孔，螺杆62穿過壓板61的通孔後與預緊端塊63螺紋連接，預緊端塊63的底面和壓板61所安裝的迴轉組合大輪321的側面接觸，碟形彈簧64布置於壓板61的通孔端面和螺杆62之間，預緊端塊63和第二傳動柔索51或第三傳動柔索52的端部相連。

本實施例中，伺服電機211採用同種型號，諧波減速器212具有減速比i0；柔索輪213的半徑r1，迴轉組合小輪322的半徑r2，迴轉組合大輪321的半徑r3，俯仰輪42的半徑r4，取傳動比i1＝r2/r1，傳動比i2＝r4/r3，則所述穩定平臺的運動學方程滿足式(1)：

式(1)中，ωo表示負載端輸出角速度矩陣，ωy,ωx分別表示平臺俯仰方向、迴轉方向的角速度輸出；ωi表示電機軸輸出速度矩陣，其中ω1,ω2分別表示伺服電機21、伺服電機22的輸出轉速；γω表示速度變換矩陣。

下文將以兩個伺服電機211分別標記為伺服電機211#1和伺服電機211#2為例，定義圖7所示電機運動方向為順時針方向，對本實施例基於柔索傳動的差動結構穩定平臺的工作原理說明如下：

如圖7所示，當伺服電機211#1和伺服電機211#2等速順時針方向轉動時，則柔索輪213#1和柔索輪213#2等速順時針方向運動。在第一傳動柔索214的力矩傳遞的作用下，上側的迴轉組合小輪322#1、下側的迴轉組合小輪322#2等速沿逆時針方向運動，經第二傳動柔索51和第三傳動柔索52的傳動及導向輪引導、換向，動力傳遞至俯仰輪42，導向輪53周向受力平衡，相對俯仰軸線保持靜止，在徑向力偶的作用下帶動迴轉框31繞迴轉軸30運動，實現方位方向的逆時針運動輸出。

如圖8所示，當伺服電機211#1和伺服電機211#2等速逆時針方向轉動時，柔索輪213#1和柔索輪213#2等速逆時針方向運動。在第一傳動柔索214的力矩傳遞的作用下，上側的迴轉組合小輪322#1、下側的迴轉組合小輪322#2等速沿順時針方向運動，經第二傳動柔索51和第三傳動柔索52的傳動及導向輪引導、換向，動力傳遞至俯仰輪42，導向輪53周向受力平衡，相對俯仰軸線保持靜止，在徑向力偶的作用下帶動迴轉框31繞迴轉軸30運動，實現方位方向的順時針運動輸出。

如圖9所示，當伺服電機211#1順時針方向轉動、伺服電機211#2等速逆時針方向轉動時，柔索輪213#1沿順時針方向轉動、柔索輪213#2等速逆時針方向運動。在第一傳動柔索214的力矩傳遞的作用下，上側的迴轉組合小輪322#1沿逆時針方向運動、下側的迴轉組合小輪322#2等速沿順時針方向運動，經第二傳動柔索51和第三傳動柔索52的傳動及導向輪引導、換向，動力傳遞至俯仰輪42，導向輪53周向受力平衡，相對俯仰軸線保持靜止，周向在驅動力作用下帶動迴轉框31繞俯仰軸方向轉動，實現俯仰方向逆時針運動輸出。

如圖10所示，伺服電機211#1逆時針方向轉動、伺服電機211#2等速順時針方向轉動時，柔索輪213#1沿逆時針方向轉動、柔索輪213#2等速順時針方向運動。在第一傳動柔索214的力矩傳遞的作用下，上側的迴轉組合小輪322#1沿順時針方向運動、下側的迴轉組合小輪322#2等速沿逆時針方向運動，經第二傳動柔索51和第三傳動柔索52的傳動及導向輪引導、換向，動力傳遞至俯仰輪42，導向輪53周向受力平衡，相對俯仰軸線保持靜止，周向在驅動力作用下帶動迴轉框31繞俯仰軸方向轉動，實現俯仰方向順時針運動輸出。

需要說明的是，當伺服電機211#1和伺服電機211#2以不同的轉速輸出時，本實施例基於柔索傳動的差動結構穩定平臺同樣也可以實現方位方向和俯仰方向的同步運動，但其運動控制需進一步配合以具體的解耦控制算法。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。