CN101915341B - 一种两自由度云台机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种云台，具体涉及一种两自由度云台机构，目的是提供一种将负载转嫁而不受电机负载限制的、具有两自由度的云台机构，包括：底座、水平电机和垂直电机，固定在底座下方的一垂直电机的主轴与底座上方的可水平旋转的云台座同轴对接，云台座上方通过两对称支点铰接一云台，云台为倒U字型云台，其内一侧壁上固定一水平电机，其穿出云台侧壁的所述主轴B上设置一小齿轮，小齿轮与固定在云台座支点上的大齿轮啮合连接，主要是用于固定天线的云台，属于电动云台，是采用了巧妙的结构将纵向载荷施加到了底座上，使电机轴不受轴向力，同时简化了结构，使得结构紧凑，降低了成本，扩大了本发明适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种云台，具体涉及一种两自由度云台机构。
背景技术
目前，在越来越多的地方需要一种具有两个自由度的固定平台，例如：现在随处可见的视频监视系统中的摄像头就是需要一个具有两个自由度的安装固定平台，可以对于已经固定安装的摄像头，根据需要对其摄像角度进行自动、方便、快捷的角度调整，这便是两个自由度云台功用。当然不仅仅是摄像头的固定，还有许许多多的地方需要一个固定作用的两个自由度云台，而一个云台实质上是由两个电机组成的安装平台，可以进行水平旋转和垂直摇摆的运动。云台分为固定云台和电动云台两种，固定云台适用于调整范围不大、手动安装固定的情况；电动云台可以进行自动、方便、快捷地多角度、大范围调整。在现有的专利文献方面，已有公开文献是研究“两自由度云台”，其专利号是200610018168.0，在这个文献中仅描述是可控载荷平台，而对于载荷的传递虽然没有具体的文字描述，但是在图中也已经表达的非常清晰的、其载荷是通过轴、齿轮和轴承在逐级传递，这样电机的负荷就会很大，产品的负荷水平就会受到限制，而对于自锁和定位精度问题没有提及，现有两自由度云台的载重量是衡量云台的重要指标，传统的两自由度云台设计往往设计复杂，而且成本较高。如果两自由度云台的载荷不受到电机负荷的影响则云台载荷能力将大大的提高，这是目前工程技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种将负载转嫁而不受电机负载限制的、具有定位、自锁功能的两自由度云台机构。
本发明通过以下技术方案实现：
一种两自由度的云台机构，包括：底座、水平电机(步进电机或其它伺服控制电机)和垂直电机(步进电机或其它伺服控制电机)，其中：固定在底座下方的一垂直电机的主轴A与底座上方的可水平旋转的云台座同轴对接，云台座上方通过两对称支点铰接一云台，所述云台为倒U字型云台，其内一侧壁上固定一水平电机，其穿出云台侧壁的所述主轴B上设置一小齿轮，所述小齿轮与固定在所述云台座支点上的大齿轮啮合连接。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：所述垂直电机的主轴与云台座的同轴连接是通过一个联轴器对轴连接，所述联轴器外面套有一具有支撑作用的轴套，所述轴套长度尺寸是大于联轴器轴向长度尺寸，所述轴套10的材料为聚四氟乙烯。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：所述底座上的两对称支点与所述云台座的连接是螺纹固定连接，所述两对称支点与所述云台的连接是通过云台上的光孔活动连接，所述支点与大齿轮的连接是紧密连接。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：所述大齿轮通过一螺栓固定在云台上。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：在所述云台座上，在云台座相对底座的转动角度达到设定的限位位置处设置所述限位开关A，在所述底座上，所述云台座相对底座的水平转动角度达到设定的极限位置处的所述底座上，设置一限位块，其限位开关上带有与所述限位块碰触归零的簧片，该开关将给出信号，用于云台的回零控制。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：在所述云台上，在云台相对云台座的摆动角度达到设定的限位位置处设置所述限位开关B，在所述云台座上，所述云台相对云台座的摆动角度达到设定的限位位置处既是云台座支点上表面与限位开关上带有碰触归零的簧片相碰触连接的位置，该开关将给出信号，用于云台的回零控制。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：所述限位开关均具有发出清零信号功能。
本发明所述的两自由度的云台机构，其中：所述云台上设置有至少一个用于固定的连接孔。
本发明所述的两自由度云台机构其中：所述水平电机和所述垂直电机均为减速步进电机，减速步进电机自身带有减速器，在电机定子上和电机动子上安装有相互吸引的磁性元件，当电机停在某一个位置时，由于磁性元件的相互吸引，电机本身会存在抵抗外部因素激励电机输出轴转动的力。磁性元件吸引力比较小，但通过减速器的变速齿轮的传动之后，吸引力会被放大，此放大的力抵消外部因素激励的力，使减速步进电机具有一定的自锁功能。实际运用时，步进减速电机自锁力可以根据实际的需求通过设定变速齿轮的传动比来确定。
本发明具有如下显著优点：本发明所涉及的主要是用于天线方向调整的云台，属于电动云台，它采用了巧妙的结构将纵向载荷施加到了底座上，使电机轴不受轴向力，具有自锁功能，同时简化了结构，使得结构紧凑，降低了成本，扩大了本发明的适用范围。
附图说明：
图1：是本发明的一种两自由度云台机构实施例前侧立体示意图；
图2：是本发明的一种两自由度云台机构实施例后侧立体示意图；
图3是本发明的一种两自由度云台机构实施例前侧立体示意图的左视图；
图4：是本发明的一种两自由度云台机构实施例A-A剖视图；
底座1，螺栓2，大齿轮3，小齿轮4，云台5，水平电机6，垂直电机8，限位块9，轴套10，云台座11，支点12，限位开关B13，限位开关A14，联轴器15，主轴A16，压板17，侧壁18，主轴B19，固定螺栓20，簧片A21，簧片B22，连接孔23。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍，但不作为对本发明的限定。
如图1所示：是本发明的一种两自由度云台机构实施例前侧立体示意图；如图2是本发明的一种两自由度云台机构实施例后侧立体示意图；图3是本发明的一种两自由度云台机构实施例前侧立体示意图的左视图；图4：是A-A剖视图；本发明的一种两自由度的云台机构，包括：底座1、水平电机6和垂直电机8，固定在底座1下方的一垂直电机8的主轴A16与底座1上方的可水平旋转的云台座11同轴对接，如图4所示，所述主轴A16与云台座11的同轴连接是通过一个联轴器15对轴连接，图1中云台座11上方通过两对称支点12铰接一云台5，所述云台5为倒U字型云台，图2中，所述云台5内一侧壁18上固定一水平电机6，其穿出云台侧壁18的所述主轴B19上设置一小齿轮4，所述小齿轮4与固定在所述支点12上的大齿轮3啮合连接，所述大齿轮3通过固定螺栓20固定在云台5上。所述底座1上的两对称支点12与所述云台座11的连接是通过螺栓2上的螺纹固定连接的，所述螺栓2是一根根部带有螺纹而端部为光杆的长螺栓，所述两对称支点12与所述云台5的连接是通过螺栓2端部的光杆插入云台5上的光孔而活动连接的，这样可以使得云台5相对所述云台座11以两螺栓2为轴可以灵活地做前后摇摆运动，所述支点12与大齿轮3的连接是通过螺栓2紧固连接。所述云台5上设置有至少一个用于固定的连接孔23，本实施例云台5的顶面上设置有两排8个连接孔，以方便地与其它设备连接，如摄像头、天线等。
如图4所示，所述联轴器15外面套有一起支撑作用的轴套10，所述轴套10的长度尺寸是大于联轴器轴向长度尺寸。所述轴套10通过固定在底座1上的压板17限位，云台座11被轴套10支撑，这样云台座11上所承受到的外力可以通过轴套10传递到底座1上，而非通过联轴器15和垂直电机主轴A16传递载荷到垂直电机8上，并且，所述轴套10的材料为聚四氟乙烯轴套，是选择了与底座1和云台座11不同的材料，是一种耐磨材料作为轴套，保证承载力长期可靠地传递到底座1上。
如图1和图3所示，在所述云台座11上，在云台座11相对底座1的转动角度达到设定的限位位置处设置所述限位开关A14，在所述底座1上，所述底座1相对云台座11的水平转动角度达到设定的极限位处，设置一限位块9，其限位开关A14上带有与所述限位块9碰触归零的簧片A21，此极限位置即定为水平旋转的起始点，即水平旋转零点；限位开关A14具有零点功能，即每次水平旋转到限位开关A14位置都会给出一零点信号给外部的云台控制器，云台控制器收到零位信号后将给系统清零，并定位云台的实际位置；本发明充分利用计算机自动控制的特点，通过零点就确定了云台转角的绝对位置，这样云台可以运行到所需要的任何角度，而这一角度可以通过步进电机或伺服电机的运动来确定。它减少了零件个数，降低了机构的成本。
如图1所示，在所述云台5上，在云台5相对云台座11的摆动角度达到设定的限位位置处设置所述限位开关B，在所述云台座11上，所述云台5相对云台座11的摆动角度达到设定的限位位置即是支点12上表面与限位开关上带有碰触归零限位开关B的簧片B相碰触连接的位置。此极限位置即定为垂直摆动旋转的起始点，即垂直摆动旋转零点；限位开关具有零点功能，即每次摆动旋转到开关位置都会给出一零点信号给外部的云台控制器，控制器收到零位信号后将给系统清零，并定位平台的实际位置；本发明充分利用计算机自动控制的特点，通过零点就确定了云台转角的绝对位置，这样云台可以运行到所需要的任何角度，而这一角度可以通过步进电机或伺服电机的运动来确定。它减少了零件个数，降低了机构的成本。
所述水平电机和所述垂直电机均为减速步进电机，减速步进电机自身带有减速器，在电机定子上和电机动子上安装有相互吸引的磁性元件，当电机停在某一个位置时，由于磁性元件的相互吸引，电机本身会存在抵抗外部因素激励电机输出轴转动的力。磁性元件吸引力比较小，但通过减速器的变速齿轮的传动之后，吸引力会被放大，此放大的力抵消外部因素激励的力，使减速步进电机具有一定的自锁功能。实际运用时，步进减速电机自锁力可以根据实际的需求通过设定变速齿轮的传动比来确定。
本发明所采用的所述水平电机和所述垂直电机均为减速步进电机，减速步进电机自身带有减速器，在电机定子上和电机动子上安装有相互吸引的磁性元件，当电机停在某一个位置时，由于磁性元件的相互吸引，电机本身会存在抵抗外部因素激励电机输出轴转动的力。磁性元件吸引力比较小，但通过减速器的变速齿轮的传动之后，吸引力会被放大，此放大的力抵消外部因素激励的力，使减速步进电机具有一定的自锁功能。实际运用时，步进减速电机自锁力可以根据实际的需求通过设定变速齿轮的传动比来确定。
本发明的工作过程如下：
本发明是一种两自由度云台机构(如图1，2所示)，内部有两个电机，即一部水平电机6和一部垂直电机8，分别负责云台的前后上下摇摆和左右水平旋转两个方向自由度的转动，它们均为可控电机，即控制器知道它们的运转角度。当接通上下摇摆动作的水平电机6通电时，水平电机6转动，经小齿轮4带动云台5上下旋转；当接通左右旋转动作的垂直电机8通电时，垂直电机8转动，通过联轴器15带动云台座11左右水平转动。另外，云台5有水平和垂直的限位开关，实际是两个微动开关实现限位和清零功能。当转动角度达到设定的限位时，限位开关动作并发出信号，云台5随之进入相应的动作阶段。
具体过程是：垂直电机8通电，主轴A16通过联轴器15带动云台座11左右水平转动，若云台座11的水平旋转到达或超过限定角度则限位开关A14被限位块9顶升簧片A21，接通限位开关A14并发出信号，停止垂直电机8或反转或者停转。
水平电机6通电，带动小齿轮4转动，由于大齿轮3与云台座11通过固定螺栓20固定在一起，小齿轮4自转的同时将围绕大齿轮3以支点12为轴作圆周运动，由于云台5与支点12通过螺栓2连接，故小齿轮4带动云台5以支点12为轴作前后的转动，若云台5转动超过限定角度则限位开关B13被支点12的上表面碰触挤压，接通限位开关B13并发出信号，水平电机6随之反转或者停转。
在电机停转时，因所述电机为减速步进电机，自身带有减速器，在电机定子上和电机动子上安装有相互吸引的磁性元件，由于磁性元件的相互吸引，通过减速器的变速齿轮的传动之后，吸引力会被放大，电机自身就会阻止外力对输出轴的转动，因此减速步进电机具有一定的自锁功能，继而本发明的两自由度云台在减速步进电机的带动下具有自锁功能。实际运用时，步进减速电机自锁力可以根据实际的需求通过设定变速齿轮的传动比来确定。
Claims (9)
1.一种两自由度的云台机构，包括：底座(1)、水平电机(6)和垂直电机(8)，其特征在于：固定在底座(1)下方的一垂直电机(8)的主轴A(16)与底座(1)上方的可水平旋转的云台座(11)同轴对接，云台座(11)上方通过两对称支点(12)铰接一云台(5)，所述云台(5)为倒U字型云台，其内一侧壁(18)上固定一水平电机(6)，其穿出云台侧壁(18)的主轴B(19)上设置一小齿轮(4)，所述小齿轮(4)与固定在所述支点(12)上的大齿轮(3)啮合连接，所述主轴A(16)与云台座(11)的同轴连接是通过一个联轴器(15)对轴连接，所述联轴器(15)外面套有一起支撑作用的轴套(10)，所述轴套(10)的长度尺寸是大于联轴器轴向长度尺寸。
2.根据权利要求1所述的两自由度的云台机构，其特征在于：所述云台座(11)上的两对称支点(12)与所述云台座(11)的连接是螺纹固定连接，所述两对称支点(12)与所述云台(5)的连接是通过光孔活动连接，所述支点(12)与大齿轮(3)的连接是紧密连接。
3.根据权利要求2所述的两自由度的云台机构，其特征在于：所述大齿轮(3)通过固定螺栓(20)固定在云台座(11)上。
4.根据权利要求3所述的两自由度的云台机构，其特征在于：在所述云台座(11)上，在云台座(11)相对底座(1)的转动角度达到设定的限位位置处设置限位开关A(14)，在所述底座(1)上，所述底座(1)相对云台座(11)的水平转动角度达到设定的极限位处，设置一限位块(9)，其限位开关A(14)上带有与所述限位块(9)碰触归零的簧片A(21)。
5.根据权利要求4所述的两自由度的云台机构，其特征在于：在所述云台(5)上，在云台(5)相对云台座(11)的摆动角度达到设定的限位位置处设置限位开关B(13)，在所述云台座(11)上，所述云台(5)相对云台座(11)的摆动角度达到设定的限位位置即是支点(12)上表面与限位开关上带有碰触归零的簧片B(22)相碰触连接的位置。
6.根据权利要求5所述的两自由度的云台机构，其特征在于：所述限位开关均具有给出回零信号的功能。
7.根据权利要求6所述的两自由度的云台机构，其特征在于：所述云台(5)上设置有至少一个用于固定的连接孔(23)。
8.根据权利要求7所述的两自由度的云台机构，其特征在于：所述轴套(10)的材料为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求8所述的两自由度的云台机构，其特征在于：所述水平电机和所述垂直电机均为减速步进电机，减速步进电机自身带有减速器，在电机定子和电机动子上均安装有磁性元件，使减速步进电机具有一定的自锁功能。
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