CN103607135B - 一种二自由度旋转云台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度旋转云台，包括基座组件、振子组件、支架组件和负载台，基座组件包括底座、弹性垫片、工作台和预紧螺钉，工作台上端设有一球形内凹面，弹性垫片设于底座与工作台之间，预紧螺钉装配于底座中心设有的螺纹孔内，所述的振子组件包括振子基体和压电陶瓷组，所述的压电陶瓷组包括第一压电陶瓷组及第二压电陶瓷组，所述的支架组件为振子组件提供支持。本发明的二自由度旋转云台采用二自由度超声电机来实现云台两个自由度的旋转运动，使其具有响应速度快、断电自锁、抗电磁干扰、采集图像信息连续等优点，可广泛地应用于跟踪、摄像、声像、监测、视频会议等，亦可应用于其它需要使负载摆动的场合。

Description

一种二自由度旋转云台

技术领域

本发明涉及一种适用于微型负载的旋转云台，尤其涉及一种基于二自由度超声电机驱动的二自由度旋转云台，属于精密驱动技术领域。

背景技术

当前的视频监控领域，通常将摄像机等监控设备安装于云台，采用电控云台实现监控设备在一定区域内的监控。云台在监控过程中起到固定和安装支撑摄像机的作用，旋转云台可以扩大监控设备的监视范围，适用于大范围全景观察和对监控目标的定位。现有技术中的云台驱动通常采用仅提供单自由度运动的电磁电机作为驱动源，而在多自由度运动的云台中，通常需要采用多个单自由度运动的电机协同工作。现有技术中的云台所采用的电磁电机在工作中容易受到电磁干扰、响应速度慢、体积大，加之现有技术中的云台为了实现多自由度运动还需要引入复杂的齿轮减速传动装置及执行机构。故现有技术中的云台存在结构复杂，定位精度低、响应速度慢和复杂运动协调性差的缺陷。

针对现有技术中的云台所存在的上述问题，公告号为101202519A，名称为《二自由度超声电机》的发明专利申请中公开了一种二自由度超声电机，其特征在于：所述的二自由度超声电机采用具有逆压电效应的压电陶瓷组作为驱动源，所述的压电陶瓷组仅粘贴于超声电机的四个矩形柱腿的外侧，通过控制压电陶瓷组所施加的电压从而带动弹性振子基体的振动，使弹性振子基体在超声频段产生微幅机械振动，并通过定子和转子之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子的宏观旋转运动，从而实现超声电机的多自由度的运动。该种超声电机具有体积小、推力大、重量轻、精度高、响应快等特点，但是该种超声电机仅在四个矩形柱腿的外侧贴有压电陶瓷组，电机持久工作时压电陶瓷组会产生大量的热量导致压电陶瓷坏损，致使超声电机的使用寿命大大的减短，从而影响云台的后续工作。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现二自由度旋转的云台，该云台主要基于一个二自由度超声电机，该二自由度超声电机起到驱动定位作用，实现高精度、快速响应和高协调性的目标监控定位。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的二自由度旋转云台包括基座组件、振子组件、支架组件和负载台，所述的基座组件包括底座、弹性垫片、工作台和预紧螺钉，所述的工作台上端设有一球形内凹面，所述的弹性垫片设于底座与工作台之间，所述的预紧螺钉装配于底座中心设有的螺纹孔内，其上表面与工作台的下表面相接触；所述的振子组件包括振子基体和压电陶瓷组，所述的振子基体呈宝塔形，其驱动头作用于所述的工作台设有的球形内凹面，所述的压电陶瓷组包括第一压电陶瓷组及第二压电陶瓷组，其中第一压电陶瓷组粘贴于振子基体柱腿的外侧，第二压电陶瓷组粘贴于振子基体柱腿的内侧；所述的支架组件为振子组件提供支持，其包括夹板、第一环框架、第二环框架和支柱，所述的支架组件为振子组件提供支持，其包括夹板、第一环框架、第二环框架和支柱，所述的夹板中心孔周围均匀分布有4个定位安装孔，所述的夹板通过螺栓将振子基体固定于所述的定位安装孔内，所述的第二环框架设有第二通孔，所述的夹板的第一旋转轴装配于第二环框架设有的第二通孔内，所述的第一环框架设有第一通孔，所述的第二环框架的第二旋转轴装配于第一环框架的第一通孔内，所述的第一环框架通过支柱固定于底座；所述的负载台中心孔周围对称设有一组凸出轴，所述的凸出轴穿过夹板的安装孔以螺栓方式固连。

更进一步地，所述的振子基体由四个矩形柱腿及一个驱动头构成，所述的四个矩形柱腿自驱动头的一侧延伸，所述的各矩形柱腿的外侧及内侧均粘贴有压电陶瓷片。

更进一步地，所述的夹板设置于振子基体的四条柱腿处于工作模态下的弯振节点处。这样设置的原因主要是振子受激励信号作用时会处于弯曲振动模态，夹板的安装会影响振子的刚度从而影响工作模态，安装于弯振节点的话能尽量减小对正常工作的影响。

更进一步地，所述的工作台的球形内凹面的球心位于夹板的第一旋转轴和第二环框架的第二旋转轴的交点。

所述的夹板除起到支撑作用外，还起到相当于定位和旋转导向的作用。所述夹板的第一旋转轴和第二环框架的第二旋转轴即为本发明云台的两个旋转轴，当超声电机激励出绕x轴运动时，电机和负载台一起因夹板的第一旋转轴在第二环框架的通孔内的旋转来进行运动；当超声电机激励出绕y轴的运动时，电机、夹板和负载台一起因第二环框架的第二旋转轴在第一环框架通孔内的旋转来进行运动。

所述的振子组件和工作台在装配时预设有一定大小的预紧压力，其预紧压力通过旋转预紧螺钉在底座设有的螺纹孔内的深度及弹性垫片的厚度进行调整。

有益效果

与现有技术相比，本发明中的二自由度旋转云台有益效果如下：

1.本发明中的二自由度旋转云台采用二自由度超声电机来实现云台两个自由度的旋转运动，使得该超声电机所驱动的云台具有响应速度快、断电自锁、抗电磁干扰、采集图像信息连续等优点，因而该云台可以广泛地应用于跟踪、摄像、声像、监测、视频会议等，亦可应用于其它需要使负载摆动的场合。

2.本发明中的二自由度旋转云台，所采用的驱动电机仅由一个具有宝塔形结构的二自由度超声电机来完成，而不需要两个单自由度电机协同驱动，同时省去了复杂的传动机构，缩小了云台的尺寸及体积、便于加工制作，易于实现云台的微型化、精细化，提高了云台的协调性。

3、本发明中的二自由度旋转云台中所采用的二自由度超声电机采用了双压电陶瓷组的形式进行工作，第一压电陶瓷组黏贴于振子柱腿外侧，第二压电陶瓷组黏贴于振子柱腿内侧，双压电陶瓷组交替施加激励信号以驱动云台工作，有效解决电机工作过程中的发热问题，延长了电机和云台的工作寿命，增加了系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的二自由度旋转云台的结构剖视图；

图2是底座的俯视图；

图3是底座沿俯视图A-A面的剖视图；

图4是振子组件的结构图；

图5是夹板的前视图；

图6是振子组件和支架组件的俯视图；

图7是负载台的仰视图；

图8是负载台沿仰视图A-A面的剖视图；

图9是振子组件的激励电压输入端图；

图中标记名称：1、夹板；2、第一环框架；3、第二环框架；4、振子基体；5、工作台；6、弹性垫片；7、预紧螺钉；8、底座；9、支柱；10、螺栓；11、螺母；12、压电陶瓷组；13、负载台；14、15、16、17为振子组件驱动信号输入端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1所示，本实施例的二自由度旋转云台，包括基座组件、振子组件、支架组件和负载台，所述的基座组件包括底座8、弹性垫片6、工作台5和预紧螺钉7，所述的工作台5上端设有一球形内凹面，所述的弹性垫片6设于底座8与工作台5之间，所述底座的俯视图如图2所示，底座沿俯视图A-A面的剖视图如图3所示；所述的预紧螺钉7装配于底座8中心设有的螺纹孔内，其上表面与工作台5的下表面相接触；所述的振子组件包括振子基体4和压电陶瓷组12，如图4所示，所述的振子基体4呈宝塔形，其驱动头作用于所述的工作台5设有的球形内凹面，所述的压电陶瓷组12包括第一压电陶瓷组及第二压电陶瓷组，其中第一压电陶瓷组粘贴于振子基体4柱腿的外侧，第二压电陶瓷组粘贴于振子基体4柱腿的内侧；如图1、图5、图6和图7所示，所述的支架组件为振子组件提供支持，其包括夹板1、第一环框架2、第二环框架3和支柱9，所述的支架组件为振子组件提供支持，其包括夹板1、第一环框架2、第二环框架3和支柱9，所述的夹板1中心孔周围均匀分布有4个定位安装孔，所述的夹板1通过螺栓10将振子基体4固定于所述的定位安装孔内，所述的第二环框架3设有第二通孔，所述的夹板1的第一旋转轴装配于第二环框架3设有的第二通孔内，所述的第一环框架2设有第一通孔，所述的第二环框架3的第二旋转轴装配于第一环框架2的第一通孔内，所述的第一环框架2通过支柱9固定于底座8；所述的负载台13中心孔周围对称设有一组凸出轴，所述的凸出轴穿过夹板1的4个较大的安装孔以螺栓方式固连。

如图4所示，所述的振子基体4由四个矩形柱腿及一个驱动头构成，四个矩形柱腿设置有压电陶瓷组12，所述的各矩形柱腿的外侧及内侧均粘贴有压电陶瓷片。如图9所示，14、15、16、17为振子组件驱动信号输入端，这样的结构可以通过控制驱动电压实现所述的两压电陶瓷组交替工作，从而实现缓解电机发热问题，提高了电机工作的安全性能。

如图1所示，所述的夹板1设置于振子基体4的四个矩形柱腿处于工作模态下的弯振节点处。所述的工作台5的球形内凹面的球心位于夹板1的第一旋转轴和第二环框架3的第二旋转轴的交点处。

本实施例的二自由度旋转云台的具体组装过程如下：首先将二自由度超声电机的振子基体四个矩形柱腿内外侧分别粘接具有逆压电效应的压电陶瓷，其次在振子基体的四个矩形柱腿内嵌一夹板，夹板外环通过螺栓连接于负载台的一凸出轴。再将二自由度超声电机通过夹板第一旋转轴装配于第二环框架设有的通孔中，第二环框架通过第二旋转轴装配于第一环框架设有的通孔中，第一环框架支柱固定于底座设有的螺纹孔中，底座上端面垫有一弹性垫片，弹性垫片的上表面设有一工作台，工作台设有内凹面中心正对于振子基体的驱动头装配，底座的中心位置设有一螺纹孔，螺纹孔内设有一预紧螺钉，预紧螺钉的一端表面与工作台相接触。在云台装配完成时，可以根据实际工况的需要，改变弹性垫片的厚度及预紧螺钉在底座设有的螺纹孔内的深度来调整超声电机与工作台之间的预紧力大小。

由于两压电陶瓷组的工作原理相同，下面结合附图9仅对第一压电陶瓷组处于工作态的工作过程进行分析。如图9所示，云台启动工作时，对超声电机的输入端口14、16所粘接的压电陶瓷片分别施加驱动信号E＝-Vsinωt和E＝-Vcosωt时，由于云台装配时振子基体的驱动头和工作台凹面预设有一定的预压力，当压电陶瓷组的振动时其所产生的驱动力促使振子基体的驱动头在xoz平面内产生轨迹为椭圆的运动，振子组件与夹板1之间采用螺栓进行固连，夹板1与负载台13之间采用刚性螺栓连接，夹板1的转动轴与第二环框架3x轴方向上通孔配合，而第二环框架3的旋转轴与第一环框架2y轴方向上的通孔采用过盈配合，因此振子基体驱动头所受的作用力推动负载台在xoz平面内做绕y轴的正向摆动，如果将对输入端口14、16所粘接的压电陶瓷片的输入端所施加的驱动信号改为E＝-Vcosωt和E＝-Vsinωt时，可以实现负载台在xoz平面内做绕y轴的反向摆动。

当对超声电机的输入端15、17所粘接的压电陶瓷片分别施加驱动信号E＝-Vsinωt和E＝-Vcosωt时，由于云台装配时振子基体4的驱动头和工作台5凹面预设有一定的预压力，当压电陶瓷组12振动时其所产生的驱动力促使振子基体的驱动头在yoz平面内产生轨迹为椭圆的运动，振子组件与夹板1之间采用螺栓方式连接，夹板1与负载台13之间采用刚性螺栓连接，夹板1的转动轴与第二环框架x轴方向的通孔过盈配合，因此与振子基体驱动头所受的作用力推动负载台在yoz平面内做绕x轴的正向摆动，如果将对输入端口15、17所粘接的压电陶瓷片的输入端所施加的驱动信号改为E＝-Vcosωt和E＝-Vsinωt时，可以实现负载台在yoz平面内做绕x轴的反向摆动。由上述分析可知，通过调节压电陶瓷片输入的激励信号可以改变振子驱动头处的运动方向，带动驱动负载台做绕x轴和绕y轴的二自由度旋转运动，从而实现云台在一定区域的二自由度旋转监控。

同理，当给振子基体上的第二压电陶瓷工作组相对应的输入端分别施加相位差π/2的驱动信号，振子基体的驱动头的运动状态与第一压电陶瓷组输入端14、16或者输入端15、17施加相同驱动信号时的运动状态类似，同样可以带动负载台做绕x轴和绕y轴的二自由度旋转运动，实现云台在一定区域的二自由度旋转监控。

Claims (3)

1.一种二自由度旋转云台，包括基座组件、振子组件、支架组件和负载台，其特征在于，所述的基座组件包括底座(8)、弹性垫片(6)、工作台(5)和预紧螺钉(7)，所述的工作台(5)上端设有一球形内凹面，所述的弹性垫片(6)设于底座(8)与工作台(5)之间，所述的预紧螺钉(7)装配于底座(8)中心设有的螺纹孔内，其上表面与工作台(5)的下表面相接触；所述的振子组件包括振子基体(4)和压电陶瓷组(12)，所述的振子基体(4)呈宝塔形，其驱动头作用于所述的工作台(5)设有的球形内凹面，所述的压电陶瓷组(12)包括第一压电陶瓷组及第二压电陶瓷组，其中第一压电陶瓷组粘贴于振子基体(4)柱腿的外侧，第二压电陶瓷组粘贴于振子基体(4)柱腿的内侧；所述的支架组件为振子组件提供支持，其包括夹板(1)、第一环框架(2)、第二环框架(3)和支柱(9)，所述的夹板(1)中心孔周围均匀分布有4个定位安装孔，所述的夹板(1)通过螺栓(10)将振子基体(4)固定于所述的定位安装孔内，所述的第二环框架(3)设有第二通孔，所述的夹板(1)的第一旋转轴装配于第二环框架(3)设有的第二通孔内，所述的第一环框架(2)设有第一通孔，所述的第二环框架(3)的第二旋转轴装配于第一环框架(2)的第一通孔内，所述的第一环框架(2)通过支柱(9)固定于底座(8)；所述的负载台(13)中心孔周围对称设有一组凸出轴，所述的凸出轴穿过夹板(1)的安装孔以螺栓方式固连；所述的工作台(5)的球形内凹面的球心位于所述夹板(1)的所述第一旋转轴和所述第二环框架(3)的所述第二旋转轴的交点。

2.如权利要求1所述的二自由度旋转云台，其特征在于：所述的振子基体(4)由四个矩形柱腿及一个驱动头构成，所述的四个矩形柱腿的外侧及内侧均粘贴有压电陶瓷片。

3.如权利要求2所述的二自由度旋转云台，其特征在于：所述的夹板(1)设置于振子基体(4)的四条柱腿处于工作模态下的弯振节点处。