CN104390112A - 一种可测量自身旋转角度的云台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可测量自身旋转角度的云台包括底座、外壳、竖直连接轴、水平电机、水平减速器、水平蜗杆、水平涡轮、垂直传动轴、垂直联轴器、垂直支架、水平编码器、水平联轴器、水平支架、垂直编码器、垂直涡轮、垂直蜗杆、垂直电机、护罩和垂直减速器，通过在竖直连接轴上安装水平编码器，当云台水平旋转时，水平编码器绕着竖直连接轴旋转，由水平编码器读取云台水平旋转角度，在垂直传动轴上安装垂直编码器，当云台在竖直方向上旋转时，垂直编码器绕着垂直传动轴旋转，由垂直编码器读取云台竖直俯仰角度，在测量旋转角度时不受蜗轮蜗杆传动磨损以及加工误差的影响，具有成本低、结构简单、精度高的优点。

Description

一种可测量自身旋转角度的云台

技术领域

本发明涉及高铁灾害监测系统雪深监测领域，特别是一种可测量自身旋转角度的云台。

背景技术

随着高速铁路的快速发展，列车行驶速度也越来越快，确保列车在恶劣天气下的行车安全显得尤为重要。降雪发生时伴随的恶劣能见度对铁路产生很大的影响，在降雪之后地面形成的积雪会长时间阻碍交通运输的正常进行，扰乱市民的正工作和生活，降低生活交通运输效率。积雪造成轮轨之间摩擦力减小，很容易引起交通事故，白天经过太阳照射融化，晚上气温降低在铁轨上结冰，轨面摩擦系数更小，会导致列车在铁轨上刹车不灵，发生交通事故的概率会大大增加，严重威胁旅客的生命安全。因此利用雪深监测系统对降雪进行实时检测，并将数据通过无线模块和GPRS模块实时发到交通指挥控制中心，控制中心根据灾害情况进行实时处理，采取相应措施比如降速、停运。

雪深监测系统包含云台、激光雪深传感器、网络摄像头，对道岔进行雪深监测时需要云台进行一定角度的俯仰，依次对每一条轨道的雪深进行测量。雪深测量原理比较简单，激光传感器测出激光传感器到雪面的距离，再测量出云台自身转动的角度；但由于雪深误差要求特别高，对云台转动角度的精度要求也特别高，虽然云台可以预定位但大多数云台是蜗杆涡轮传动，由于蜗杆涡轮传动存在加工误差、长时间运动磨损就会导致云台定位精度不高。中国专利CN102095060公开了一种重载云台的机芯结构装置，该装置在水平传动轴和外壳的内部的弹簧卡位之间设置恒力弹簧，通过恒力弹簧拉动水平传动轴，使水平传动轴能够根据实际情况改变限定的位置，保持水平传动轴上固定的水平涡轮与水平蜗杆之间的紧密配合，使两者在配合保持稳定运转，恒力弹簧拉力有效解决涡轮蜗杆加工和磨损误差，使水平涡轮和水平蜗杆在传动过程中，咬合面永远保持重合。然而该装置只是降低了涡轮蜗杆传动的误差，并没有对云台实际定位角度精度作进一步分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可测量自身旋转角度的云台，通过在云台内部安装编码器，对水平涡轮和竖直涡轮旋转的实际转动的角度进行测量，把云台实际旋转角度与预定角度作对比，再进行微调，使云台旋转到预定位置，并把调整后的角度上传到上位机，达到了云台高精度旋转的目的，从而满足了雪深测量的需求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可测量自身旋转角度的云台，包括底座、外壳、竖直连接轴、水平电机、水平减速器、水平蜗杆、水平涡轮、垂直传动轴、垂直联轴器、垂直支架、水平编码器、水平联轴器、水平支架、垂直编码器、垂直涡轮、垂直蜗杆、垂直电机、护罩和垂直减速器。

竖直连接轴、水平电机、水平减速器、水平蜗杆、水平涡轮、垂直传动轴、垂直联轴器、垂直支架、水平编码器、水平联轴器、水平支架、垂直编码器、垂直涡轮、垂直蜗杆、垂直电机和垂直减速器均设置在外壳内；外壳位于底座上方，护罩形状为形，其两侧与外壳的外壁活动连接，顶部平行于外壳的顶部。

外壳底部中心设有通孔，竖直连接轴底部穿过上述通孔固定在底座上，其顶部位于外壳内，竖直连接轴和通孔通过滚动轴承配合连接；水平编码器穿过水平支架与水平联轴器连接，水平支架另一端固定在外壳底部，水平联轴器再与竖直连接轴相连，水平联轴器与竖直连接轴之间设有水平涡轮；水平电机固定在外壳底部，水平减速器的主动齿轮套在水平电机的传动轴上，水平蜗杆位于水平电机和水平涡轮之间，并固定在外壳底部，水平减速器的从动齿轮套在水平蜗杆的传动轴上，水平蜗杆与水平涡轮啮合；垂直电机固定在外壳底部，垂直蜗杆设置在垂直电机上方，且固定在外壳内壁上；垂直减速器的主动齿轮套在垂直电机的传动轴上，其从动齿轮套在垂直蜗杆的传动轴上，垂直传动轴位于水平电机、水平蜗杆、水平编码器以及垂直蜗杆的上方，垂直传动轴两端分别固定在外壳的内壁上垂直编码器穿过垂直支架与垂直联轴器连接，垂直联轴器与垂直传动轴连接，垂直支架固定在外壳的内壁上；垂直涡轮套在垂直传动轴上，且与垂直蜗杆啮合。

上述垂直传动轴包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第三连杆上设有二阶凸台，二阶凸台与垂直涡轮过盈配合，用于固定垂直涡轮；第一连杆与第三连杆的中心轴线重合，第二连杆的中心轴线不与第三连杆的中心轴线重合，第二连杆位于第一连杆与第三连杆中间，第二连杆两端通过连接板分别焊接在第一连杆端部和第三连杆端部；第一连杆端部穿过连接板，与垂直联轴器连接。

上述竖直连接轴由第一圆柱体、第二圆柱体、第三圆柱体、第四圆柱体、第五圆柱体和第六圆柱体依次连接而成，上述六个圆柱体直径不同；第一圆柱体设置在底座内，第三圆柱体与外壳底部通孔中的滚动轴承的内圈相配合，第二圆柱体22直径大于第一圆柱体且小于第三圆柱体；第四圆柱体与水平涡轮11通过键配合，第六圆柱体与水平联轴器相连，第五圆柱体的直径小于第四圆柱体且大于第六圆柱体；第四圆柱体的直径小于第三圆柱体的直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1)本发明对原有云台内部结构进行重新设计，设计出竖直连接轴和垂直传动轴，分别用来安装水平编码器和垂直编码器，结构简单。

2)通过与竖直连接轴相连的水平编码器测量云台水平旋转角度，与垂直传动轴相连的垂直编码器测量云台的竖直旋转角度，不受涡轮蜗杆磨损和加工误差的影响，具有成本低、精度高的优点。

附图说明

图1为本发明的可测量自身旋转角度的云台整体结构示意图。

图2为本发明的可测量自身旋转角度的云台内部结构示意图。

图3为本发明的可测量自身旋转角度的云台局部剖示意图图。

图4为本发明的可测量自身旋转角度的云台内部结构俯视图。

图5为本发明的可测量自身旋转角度的云台的竖直连接轴示意图。

图6为本发明的可测量自身旋转角度的云台的垂直传动轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1～图6，一种可测量自身旋转角度的云台，包括底座14、外壳13、竖直连接轴24、水平电机1、水平减速器3、水平蜗杆2、水平涡轮11、垂直传动轴4、垂直联轴器5、垂直支架6、水平编码器8、水平联轴器17、水平支架9、垂直编码器7、垂直涡轮10、垂直蜗杆16、垂直电机15、护罩12和垂直减速器26。

竖直连接轴24、水平电机1、水平减速器3、水平蜗杆2、水平涡轮11、垂直传动轴4、垂直联轴器5、垂直支架6、水平编码器8、水平联轴器17、水平支架9、垂直编码器7、垂直涡轮10、垂直蜗杆16、垂直电机15和垂直减速器26均设置在外壳13内；外壳13位于底座14上方，护罩12形状为U形，其两侧与外壳13的外壁活动连接，顶部平行于外壳13的顶部。

外壳13底部中心设有通孔，竖直连接轴24底部穿过上述通孔焊接在底座14中心，起支撑云台的作用，其顶部位于外壳13内，竖直连接轴24和通孔通过滚动轴承配合连接。水平支架9一端开有通孔，水平编码器8穿过水平支架9的通孔与水平联轴器17连接，水平支架9另一端焊接在外壳13底部，水平联轴器17再与竖直连接轴24相连，水平联轴器17与竖直连接轴24之间设有水平涡轮11。水平电机1通过支架焊接在外壳13底部，水平减速器3的主动齿轮套在水平电机1的传动轴上，水平蜗杆2位于水平电机1和水平涡轮11之间，并通过支架焊接在外壳13底部，水平减速器3的从动齿轮套在水平蜗杆2的传动轴上，使得水平蜗杆2与水平涡轮11啮合。

垂直电机15通过支架焊接在外壳13底部，垂直蜗杆16设置在垂直电机15的上方，并通过支架焊接在外壳13内侧侧壁上。垂直减速器26的主动齿轮套在垂直电机15的传动轴上，其从动齿轮套在垂直蜗杆16的传动轴上。垂直传动轴4位于水平电机1、水平蜗杆2、水平编码器8以及垂直蜗杆16的上方，垂直传动轴4两端安装在安装架上，安装架焊接在外壳13的内侧侧壁上。垂直支架6一端开有通孔，垂直编码器7穿过垂直支架6的通孔与垂直联轴器5连接，垂直联轴器5与垂直传动轴4连接，垂直支架6焊接在外壳13的内侧侧壁上。垂直涡轮10套在垂直传动轴4上，且与垂直蜗杆16啮合。

垂直电机15和水平电机1关于外壳13底部通孔对称布置。安装垂直电机15和水平电机1时考虑到云台受力平衡，把水平电机1和垂直电机15关于外壳13底部通孔对称安装，使云台在中心处受力平衡，云台作水平和垂直旋转时速度均匀、平稳。

垂直传动轴4包括第一连杆18、第二连杆19和第三连杆28，第三连杆28上设有二阶凸台27，二阶凸台27与垂直涡轮10过盈配合，用于固定垂直涡轮10。第一连杆18与第三连杆28的中心轴线重合，第二连杆19的中心轴线不与第三连杆28的中心轴线重合，第二连杆19位于第一连杆18与第三连杆28中间，第二连杆19两端通过连接板分别焊接在第一连杆18端部和第三连杆28端部；第一连杆18端部穿过连接板，与垂直联轴器5连接。

竖直连接轴24由第一圆柱体21、第二圆柱体22、第三圆柱体23、第四圆柱体25、第五圆柱体29和第六圆柱体30组成，上述六个圆柱体直径不同，由车削加工而成。其中第一圆柱体21插在底座14中心，第三圆柱体23与外壳13底部通孔中的滚动轴承的内圈相配合，第二圆柱体22直径大于第一圆柱体21且小于第三圆柱体23；第四圆柱体25与水平涡轮11通过键配合，第六圆柱体30与水平联轴器17相连，第五圆柱体29的直径小于第四圆柱体25且大于第六圆柱体30。第四圆柱体25的直径小于第三圆柱体23的直径。

护罩12由三块钢板焊接而成，相互平行的两块设置在外壳13的侧壁，且与垂直传动轴4通过螺钉连接，激光传感器固定在护罩12顶部。

当测量道岔处雪深时需要云台旋转到几个预定位置，输入既定角度，云台旋转再由编码器测出云台旋转实际的角度并与所要求角度作对比，再进行微调，并把微调后的角度反馈到上位机用来计算雪深，具体工作原理及过程：云台水平旋转角度由水平电机1、水平减速器3、水平蜗杆2、水平涡轮11、水平联轴器17、水平支架9、水平编码器8、竖直连接轴24等组件组成，具体工作过程是控制板向水平电机1发送信号，水平电机1通过水平减速器3带动水平蜗杆2旋转，水平蜗杆2与水平涡轮11之间是蜗杆涡轮传动，竖直连接轴24固定在底座中心，水平涡轮11被竖直连接轴24固定，在反作用力作用下水平蜗杆2带动外壳13整体，水平支架9也随着外壳13旋转，与竖直连接轴24相连的水平联轴器17也是固定的，水平支架9带动水平编码器8绕着水平联轴器17旋转，从而可由水平编码器17读取云台水平旋转的角度，并把水平旋转角度反馈到上位机；测量云台在竖直方向旋转角度由垂直电机15、垂直减速器26、垂直蜗杆16、垂直涡轮10、垂直传动轴4、垂直联轴器5、垂直支架6、垂直编码器7等组件组成；控制板向垂直电机15发送信号，垂直电机15通过垂直减速器26带动垂直蜗杆16旋转，垂直蜗杆16带动垂直涡轮10旋转，垂直涡轮10固连在垂直传动轴4，使垂直传动轴4旋转，垂直传动轴4带动垂直联轴器5旋转，垂直编码器7固定在垂直支架7上，垂直编码器7的传动轴在垂直联轴器带动下旋转，从而可由垂直编码器读出云台竖直旋转的角度，并把俯仰角反馈到上位机。

本实施例的水平步进电机1和垂直步进电机15都选择75BF001的三相单轴步进电机，步距角度1.5度/3度电压24V，电流3A。步进电机通过减速器与蜗杆相连接。

本实施例的水平编码器和垂直编码器选择非接触式编码器，是按照霍尔原理制作的10位绝对型编码器，采用SSI通讯方式，0-5V的标准模拟量信号输出。编码器与传动轴相连接检测云台当前旋转的角度，由控制板进行读取，从而实现闭环控制。绝对式编码器选择MAB25，其特性如下：

Claims (3)

1.一种可测量自身旋转角度的云台，其特征在于：包括底座（14）、外壳（13）、竖直连接轴（24）、水平电机（1）、水平减速器（3）、水平蜗杆（2）、水平涡轮（11）、垂直传动轴（4）、垂直联轴器（5）、垂直支架（6）、水平编码器（8）、水平联轴器（17）、水平支架（9）、垂直编码器（7）、垂直涡轮（10）、垂直蜗杆（16）、垂直电机（15）、护罩（12）和垂直减速器（26）；

竖直连接轴（24）、水平电机（1）、水平减速器（3）、水平蜗杆（2）、水平涡轮（11）、垂直传动轴（4）、垂直联轴器（5）、垂直支架（6）、水平编码器（8）、水平联轴器（17）、水平支架（9）、垂直编码器（7）、垂直涡轮10、垂直蜗杆16、垂直电机（15）和垂直减速器（26）均设置在外壳（13）内；外壳（13）位于底座（14）上方，护罩（12）形状为（U）形，其两侧与外壳（13）的外壁活动连接，顶部平行于外壳（13）的顶部；

外壳（13）底部中心设有通孔，竖直连接轴（24）底部穿过上述通孔固定在底座（14）上，其顶部位于外壳（13）内，竖直连接轴（24）和通孔通过滚动轴承配合连接；水平编码器（8）穿过水平支架（9）与水平联轴器（17）连接，水平支架（9）另一端固定在外壳（13）底部，水平联轴器（17）再与竖直连接轴（24）相连，水平联轴器（17）与竖直连接轴（24）之间设有水平涡轮11；水平电机（1）固定在外壳（13）底部，水平减速器（3）的主动齿轮套在水平电机（1）的传动轴上，水平蜗杆（2）位于水平电机1和水平涡轮（11）之间，并固定在外壳（13）底部，水平减速器（3）的从动齿轮套在水平蜗杆2的传动轴上，水平蜗杆（2）与水平涡轮11啮合；垂直电机（15）固定在外壳（13）底部，垂直蜗杆（16）设置在垂直电机（15）上方，且固定在外壳（13）内壁上；垂直减速器（26）的主动齿轮套在垂直电机（15）的传动轴上，其从动齿轮套在垂直蜗杆（16）的传动轴上，垂直传动轴（4）位于水平电机（1）、水平蜗杆（2）、水平编码器（8）以及垂直蜗杆（16）的上方，垂直传动轴（4）两端分别固定在外壳（13）的内壁上垂直编码器（7）穿过垂直支架（6）与垂直联轴器（5）连接，垂直联轴器（5）与垂直传动轴（4）连接，垂直支架（6）固定在外壳（13）的内壁上；垂直涡轮（10）套在垂直传动轴（4）上，且与垂直蜗杆（16）啮合。

2.根据权利要求1所述的可测量自身旋转角度的云台，其特征在于：垂直传动轴（4）包括第一连杆（18）、第二连杆（19）和第三连杆（28），第三连杆（28）上设有二阶凸台（27），二阶凸台（27）与垂直涡轮（10）过盈配合，用于固定垂直涡轮（10）；第一连杆（18）与第三连杆（28）的中心轴线重合，第二连杆（19）的中心轴线不与第三连杆（28）的中心轴线重合，第二连杆（19）位于第一连杆（18）与第三连杆（28）中间，第二连杆（19）两端通过连接板分别焊接在第一连杆（18）端部和第三连杆（28）端部；第一连杆（18）端部穿过连接板，与垂直联轴器（5）连接。

3.根据权利要求1所述的可测量自身旋转角度的云台，其特征在于：竖直连接轴（24）由第一圆柱体（21）、第二圆柱体（22）、第三圆柱体（23）、第四圆柱体（25）、第五圆柱体（29）和第六圆柱体（30）依次连接而成，上述六个圆柱体直径不同；第一圆柱体（21）设置在底座（14）内，第三圆柱体（23）与外壳（13）底部通孔中的滚动轴承的内圈相配合，第二圆柱体（22）直径大于第一圆柱体（21）且小于第三圆柱体（23）；第四圆柱体（25）与水平涡轮（11）通过键配合，第六圆柱体（30）与水平联轴器（17）相连，第五圆柱体（29）的直径小于第四圆柱体（25）且大于第六圆柱体（30）；第四圆柱体（25）的直径小于第三圆柱体（23）的直径。