CN101912213B - 一种小型三轴全动展台 - Google Patents

Abstract

一种小型三轴全动展台，包括展面部分、中枢机构、基座部分和控制器。展面部分包括展面、限位柱和安装在展面中心的球形轴承，中枢结构包括中心轴、三对传动机构、摇臂、转动支座、驱动机构和电机安装座，基座部分包括固定齿轮和承载座；三对传动机构固定安装在转动支座上，每一对传动机构由蜗轮和蜗杆组成。本发明采用三对传动机构和四个电机来实现三维动态展示，实现了展台的整体化和小型化；本发明传动机构采用蜗轮蜗杆结构，展面静止时，由于蜗轮蜗杆的自锁作用，展台台面承载一定重量，不需借助外力就可保持静止，突然断电时，由于蜗轮蜗杆的自锁作用使其自动保护模型和展台不受损，使展台具有自我保护能力，通电后，可以自动恢复原位。

Description

一种小型三轴全动展台

技术领域

本发明涉及一种展台，特别是涉及一种用于动态展示模型的三轴全动展台，属于机械及控制技术领域，可以应用于小型复杂运动展览。

背景技术

现代展览基本都是静态展览，其展示效果往往较差，无法把产品本身的特点全部展示出来，一些组合动态展示的框架又往往较大，无法应用小型(展品低于10Kg)布展的会场。

国内外未有能实现三维动态(水平、俯仰和滚动全方位)展示产品的整体展台的公开报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能实现三维动态展示、体积小、重量轻、承载力大、操控灵活的小型展台。本发明主要应用于展示三维小角度转动的模型，并可以附加声、光等多种媒体配合展示，以达到多方位展示产品的效果，弥补小型化三维动态展示展台的设计空白。

本发明的技术解决方案是：一种小型三轴全动展台，包括展面部分、中枢机构、基座部分和控制器，展面部分包括展面、限位柱和安装在展面中心的球形轴承，中枢结构包括中心轴、三对传动机构、摇臂、转动支座、驱动机构和电机安装座，基座部分包括固定齿轮和承载座；

三对传动机构固定安装在转动支座上，每一对传动机构由蜗轮和蜗杆组成，蜗轮内侧端面上安装有摇臂安装柱，在蜗轮与转动支座固定连接处外侧安装有限位杆，限位杆的上侧加工长条形的限位槽，驱动机构由第一、二、三、四电机组成，中心轴是主旋转机构，下部通过压力轴承压在承载座上，中心轴上部与球形轴承连接，中部和转动支座和电机安装座固连，限位柱固定安装在展面 的外侧，限位柱的前端伸入限位槽中，摇臂两端分别通过滑动轴承与摇臂安装柱和限位柱连接，三个蜗杆分别与第二、三、四电机的传动轴连接，第二、三、四电机固定安装在电机安装座上，第一电机倒置安装，第一电机的底座与中心轴固连，第一电机的传动轴与倒置驱动齿轮连接，倒置驱动齿轮与固定齿轮啮合，固定齿轮与承载座固连，第一、二、三、四电机通过数据线与控制器连接；

第一电机转动时驱动倒置驱动齿轮绕固定齿轮转动，带动第一电机和中心轴水平转动，中心轴带动电机安装座和转动支座水平转动，转动支座通过传动机构和摇臂带动展面水平转动，第二、三、四电机转动时驱动蜗杆转动，蜗杆带动对应的蜗轮转动，蜗轮通过摇臂驱动展面进行俯仰和滚动方向运动。

所述的控制器包括CPU和电机驱动器，CPU输出四路步进脉冲信号到控制第一、二、三、四电机的电机驱动器，驱动第一、二、三、四电机转动。

所述控制器的CPU根据展面需要旋转的角度θ_展面(°)和方向，通过公式得到蜗杆的旋转周数 

和旋转方向，即对应的第二、三、四电机的转动角度和方向，CPU根据第二、三、四电机的转动方向和速度输出步进脉冲信号到电机驱动器来驱动第二、三、四电机。

其中θ_展面(°)为展面需要旋转的角度， 

为蜗杆的旋转周数，Δ为蜗轮蜗杆传动比，L_展面为摇臂与限位柱连接的滑动轴承的中心到展面中心的距离，L_蜗轮为摇臂与摇臂安装柱连接的滑动轴承的中心到蜗轮中心的距离。

所述的三对传动机构呈120°分布。

所述的限位柱呈120°分布。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用三对传动机构和四个电机来实现三维动态展示，实现了展台的整体化和小型化；

(2)本发明传动机构采用蜗轮蜗杆结构，展面静止时，由于蜗轮蜗杆的自锁作用，展台台面承载一定重量，不需借助外力就可保持静止，突然断电时， 由于蜗轮蜗杆的自锁作用使其自动保护模型和展台不受损，使展台具有自我保护能力，通电后，可以自动恢复原位；

(3)本发明控制器采用CPU控制四个电机运动，只要设计好相应的控制率，即可根据需要展示的方向和角度，灵活控制四个电机完成水平静止展示、水平旋转展示、3轴协同旋转展示等功能；

(4)本发明体积小、重量轻，可以安装于展品内部，特别适用于模型飞机、模型汽车、模型建筑等展品的展示；

(5)本发明可通过离线或在线编程，使展台按照一定规律动作，操作使用非常方便；

(6)本发明已经成功的应用到文莱航展中对模型飞机的展示，收到了很好的展示效果。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明展面部分结构示意图a；

图3为本发明展面部分结构示意图b；

图4为本发明中枢机构结构示意图；

图5为本发明基座部分结构示意图；

图6为本发明控制器结构框图；

图7为本发明运动规律示意图；

图8为本发明展台传动框图。

具体实施方式

本发明如图1所示，结构选用的是三轴联动分层驱动方式，包括展面部分1、中枢机构2、基座部分3和控制器，可以用于模型的全动态展示。本发明的特点为体积小巧、承载力大、方便灵活、展示姿态多。

展面11用来支撑展品，根据要展示的产品不同，可以将展面11设计成不同的形状，图3所示的展面11为一圆形，图2所示的展面11在图3中的圆形 展面伸展出了两个侧翼，使展面的支撑面积扩大。展面11的形状不以图2、3所示为限，可根据实际情况进行灵活设计。

限位柱12通过滑动轴承与中枢机构的摇臂连接，将展台的运动(包括水平旋转和倾斜转动)传递给展面11。同时限位柱12与限位杆251、限位槽252配合，限制展面旋转方向，防止其进行自由旋转。

球形轴承13用于展面部分1与中枢机构2的中心轴21连接，由于中心轴21与展面部分1通过球形轴承13连接，当中心轴21转动时，不影响展面部分1，展面部分1的运动是通过摇臂24(限位柱12起限制摇臂运动作用)传递。

中枢结构2是本发明的核心部件，主要完成展台所有的运动。如图4所示，中枢结构2包括中心轴21、三对传动机构、摇臂24、转动支座25、驱动机构和电机安装座210。传动机构传递电机的转动，三对传动机构呈120°固定安装在转动支座25上，每一对传动机构由蜗轮22和蜗杆23组成，蜗轮22内侧端面上安装有摇臂安装柱221，在蜗轮22与转动支座25固定连接处外侧安装有限位杆251，限位杆251的上侧加工长条形的限位槽252，限位柱12的前端伸入限位槽252中，限位杆251数量为2～3个。

驱动机构用来驱动整个展台完成水平、俯仰和滚动方向的转动，由四台电机(第一电机26、第二电机27、第三电机28和第四电机29)组成。驱动机构采用步进电机，根据控制器输出的步进脉冲信号转动或停止。第一电机26用来完成展台的水平转动，第一电机26倒置安装，其底座与中心轴21固连，第一电机26的传动轴与倒置驱动齿轮261连接，倒置驱动齿轮261与基座部分3的固定齿轮31啮合。当第一电机26转动时，带动倒置驱动齿轮261与固定齿轮31啮合，驱动中心轴21进行旋转，中心轴21带动其他部件旋转，使整个展台完成水平运动。第二电机27、第三电机28、第四电机29正立固定安装在电机安装座210上，第二电机27、第三电机28、第四电机29的传动轴分别与三个蜗杆23连接，第二电机27、第三电机28、第四电 机29驱动三个蜗轮蜗杆进行协调运动，三个蜗轮蜗杆再驱动摇臂带动展面进行协调运动，从而驱动整个展面完成小角度的俯仰、横滚运动。通过四个电机的运动从而使整个展台具备了三个轴向的运动。

中心轴21从上到下贯穿整个展台，中心轴21上部与球形轴承13连接，中部与转动支座23和电机安装座210固连，下部穿过固定齿轮31，通过压力轴承211压在承载座32上。

摇臂24两端分别通过滑动轴承241与安装在蜗轮22上的摇臂安装柱221和展面部分1的限位柱12连接，将蜗轮蜗杆的运动传递给展面11，3对传动机构各用一个摇臂辅助支撑展面11，3个摇臂24支撑展面11做动。展面11静止时，由于蜗轮蜗杆的自锁作用，展台承载一定重量，不需借助外力就可保持静止。当展台通电运转后，由电机通过转动传动轴带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，驱动展面传动杆带动展面平台的转动。设计控制规律后，就可以进行3轴全动展示。如果突然断电，由于蜗轮蜗杆的自锁作用，且蜗轮蜗杆自锁使其自动保护模型和展台不受损，可见具有自我保护能力。并且通电后，可以自动恢复原位。

基座部分3为主要承力部件。主要和展示柱子连接使用，承载各个机构和展品的重量。基座部分3如图5所示，包括固定齿轮31和承载座32，固定齿轮31与承载座32固连。固定齿轮31与中枢机构2的倒置驱动齿轮261啮合，承载座32的下部可以用于固定安装和装配。

控制器如图6所示，由控制电路板(CPU)和电机驱动器组成。第一、二、三、四电机26、27、28、29通过数据线与控制器连接，CPU输出四路步进脉冲信号控制第一、二、三、四电机26～29。

控制器固化在电路板上，外部用外壳封装，并配有液晶屏用来显示工作状态。控制器主要用来驱动电机进行协调转动，当展台进行水平转动时，控制器只需驱动第一电机26即可完成。当展台需要完成另外两轴运动时，就需要同时驱动第二、第三、第四电机27～29同时按照一定的规律动作，完成相应的另 外两轴的转动。当展台进行三轴转动时，就需要同时驱动4台电机进行动作。

控制器的CPU通过公式1得到可得到蜗杆的旋转周数 

和旋转方向，即对应的第二、三、四电机27～29的转动方向和速度，CPU根据第二、三、四电机27～29的转动方向和速度输出步进脉冲信号到电机驱动器来驱动第二、

三、四电机27～29。

其中，θ_展面(°)为展面需要旋转的角度， 

为蜗杆的旋转周数，Δ为蜗轮蜗杆传动比，L_展面为摇臂与限位柱连接的滑动轴承的中心到展面中心的距离，L_蜗轮为摇臂与摇臂安装柱连接的滑动轴承中心到蜗轮中心的距离。

控制器固化在电路板上，外部用外壳封装，并配有液晶屏用来显示工作状态。控制器主要用来驱动电机进行协调转动，当展台进行水平转动时，控制器只需驱动第一电机26即可完成。当展台需要完成另外两轴运动时，就需要同时驱动第二、第三、第四电机27～29同时按照一定的规律动作，完成相应的另外两轴的转动。当展台进行三轴转动时，就需要同时驱动4台电机进行动作。

CPU选用ARM作为主控芯片，驱动伺服电机从而控制展台转动。通过预先编制控制程序，可以使展台具有水平静止展示、水平旋转展示、3轴协同旋转展示等功能。

本发明工作过程：

根据设定展品的运动方式在CPU中编制控制程序，将预制好控制程序的展台通过基座部分3的承载座32与展品固定连接。第一～四电机26～29根据预设好的程序转动，带动展品运动。驱动过程：第一电机26转动时驱动倒置驱动齿轮261绕固定齿轮31转动，带动第一电机26和中心轴21水平转动，中心轴21带动电机安装座210和转动支座25水平转动，转动支座25通过传动机构和摇臂24带动展面11水平转动，展面11带动展品水平转动。如图8所示，第二、三、四电机27～29转动时驱动蜗杆23转动，蜗杆23带动对应的蜗 轮22转动，蜗轮22通过摇臂24驱动展面11带动展品进行俯仰和滚动方向运动。

下面结合具体实施例来详细说明本发明，以模型飞机的动态展示为例。

系统通电后，控制器完成程序的预装配。展台电机通电，准备运转。整个模型飞机的展示有三个阶段，第一个阶段是水平转动阶段，控制器驱动1号电机(第一)进行水平转动，2、3、4号(第二～第四)电机不动作，整个模型飞机处于水平动态展示过程中。

第二阶段是模拟飞机进行起飞、爬升、巡航、盘旋、下滑、着陆等6个状态，控制器驱动2、3、4号电机控制1、2、3号摇臂(与第二电机驱动的传动机构连接的摇臂为1号摇臂，以此类推)作动，从而驱动整个台面进行协调转动。

根据实际设计，本实施例中公式1改写θ_展面(。)＝φ_蜗杆(周)×6.3。根据以上规律，推得飞机俯仰运动规律：(见图7)：

当飞机进行下俯运动时，展面倾斜15°，1号摇臂臂上摆15度(对应蜗杆右旋930度)，2、3号摇臂下摆7度(对应蜗杆左旋434度)。

当飞机进行上仰运动时，展面倾斜15°，1号摇臂下摆15度(对应蜗杆左旋930度)，2、3号摇臂上摆7度(对应蜗杆右旋434度)。

整个蜗轮蜗杆的运动时间相同，但运动角度不相同，所以蜗轮蜗杆的驱动速度也是不一样的。

当整套展示流程结束后，展台恢复到初始状态。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种小型三轴全动展台，其特征在于：包括展面部分(1)、中枢机构(2)、基座部分(3)和控制器，展面部分(1)包括展面(11)、限位柱(12)和安装在展面(11)中心的球形轴承(13)，中枢结构(2)包括中心轴(21)、三对传动机构、摇臂(24)、转动支座(25)、驱动机构和电机安装座(210)，基座部分(3)包括固定齿轮(31)和承载座(32)；

三对传动机构固定安装在转动支座(25)上，每一对传动机构由蜗轮(22)和蜗杆(23)组成，蜗轮(22)内侧端面上安装有摇臂安装柱(221)，在蜗轮(22)与转动支座(25)固定连接处外侧安装有限位杆(251)，限位杆(251)的上端为长条形的限位槽(252)，驱动机构由第一、二、三、四电机(26、27、28、29)组成，中心轴(21)是主旋转机构，下部通过压力轴承(211)压在承载座(32)上，中心轴(21)上部与球形轴承(13)连接，中部和转动支座

(25)和电机安装座(210)固连，限位柱(12)固定安装在展面(11)的外侧，限位柱(12)的前端伸入限位槽(252)中，摇臂(24)两端分别通过滑动轴承(241)与摇臂安装柱(221)和限位柱(12)连接，三个蜗杆(23)分别与第二、三、四电机(27、28、29)的传动轴连接，第二、三、四电机(27、28、29)固定安装在电机安装座(210)上，第一电机(26)倒置安装，第一电机(26)的底座与中心轴(21)固连，第一电机(26)的传动轴与倒置驱动齿轮(261)连接，倒置驱动齿轮(261)与固定齿轮(31)啮合，固定齿轮(31)与承载座(32)固连，第一、二、三、四电机(26、27、28、29)通过数据线与控制器(4)连接；

第一电机(26)转动时驱动倒置驱动齿轮(261)绕固定齿轮(31)转动，带动第一电机(26)和中心轴(21)水平转动，中心轴(21)带动电机安装座(210)和转动支座(25)水平转动，转动支座(25)通过摇臂(24)带动展面(11)水平转动，第二、三、四电机(27、28、29)转动时驱动蜗杆(23) 转动，蜗杆(23)带动对应的蜗轮(22)转动，蜗轮(22)通过摇臂(24)驱动展面(11)进行俯仰和滚动方向运动。

2.根据权利要求1所述的一种小型三轴全动展台，其特征在于：所述的控制器包括CPU和电机驱动器，CPU输出四路步进脉冲信号到控制第一、二、三、四电机(26、27、28、29)的电机驱动器，驱动第一、二、三、四电机(26、27、28、29)转动。

3.根据权利要求1或2所述的一种小型三轴全动展台，其特征在于：所述控制器的CPU根据展面需要旋转的角度θ_展面(°)和方向，通过公式

得到蜗杆的旋转周数 

和旋转方向，即对应的第二、三、四电机的转动角度和方向，CPU根据第二、三、四电机的转动方向和速度输出步进脉冲信号到电机驱动器来驱动第二、三、四电机；

其中θ_展面(°)为展面需要旋转的角度， 

为蜗杆的旋转周数，Δ为蜗轮蜗杆传动比，L_展面为摇臂与限位柱连接的滑动轴承的中心到展面中心的距离，L_蜗轮为摇臂与摇臂安装柱连接的滑动轴承的中心到蜗轮中心的距离。

4.根据权利要求1所述的一种小型三轴全动展台，其特征在于：所述的三对传动机构呈120°分布。

5.根据权利要求1所述的一种小型三轴全动展台，其特征在于：所述的限位柱(12)呈120°分布。 

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