CN105099067A - 一种超声电机驱动的双自由度旋转装置 - Google Patents

Abstract

一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，它涉及一种能够实现双自由度的装置，以解决现有双自由度旋转装置结构复杂、体积大、重量大和驱动精度低的问题，它包括仰卧运动机构和方位运动机构；方位运动机构包括方位超声电机、方位超声电机座和方位编码器；仰卧运动机构包括俯仰超声电机、俯仰超声电机座和俯仰编码器；方位超声电机安装在方位超声电机座上，方位编码器的轴与方位超声电机的电机轴同轴设置连接，方位超声电机的输出轴与俯仰超声电机座连接；俯仰超声电机安装在俯仰超声电机座上，俯仰编码器的轴与俯仰超声电机的电机轴同轴设置连接，俯仰超声电机的输出轴连接负载。本发明用于负载的驱动。

Description

一种超声电机驱动的双自由度旋转装置

技术领域

本发明涉及一种能够实现双自由度的装置，特别是涉及一种新型的由超声电机直接驱动的高精密的双自由度旋转装置。

背景技术

现有专利号为“200820125881.X”的“双自由度精确旋转装置”中：底座与旋转机架连接座通过轴承连接，驱动装置及驱动编码器分别与旋转机架连接，驱动装置用的是步进电机加谐波减速器。装置中使用了编码器，相对的提高了装置的精度；以上装置的不足之处在于：体积大，质量重，精度低。

申请号为“201210278883.3”的“一种星载精密太阳指向机构”中：采用了方位转动部件和俯仰转动部件两个结构的配合，方位转动部件主要由两组平行边框连接而成，而俯仰转动部件两端分别于方位转动部件的一组边框固定连接，并且机构底座为U形架，而专利中未涉及驱动装置、驱动部件以及驱动方式。不足之处在于：体积大，质量重。

专利号为“201220166738.1”的“一种二维精密定位平台”中：用超声电机驱动二维精密定位平台实现X方向和Y方向的平行移动，包括X向工作平台和Y向工作平台，两个工作平台结构和工作原理一致。其中超声电机通过联轴器与丝杠螺母连接，通过丝杠将超声电机的旋转运动转换为螺母的水平运动，进而驱动平台实现水平方向移动。不足之处在于：超声电机通过丝杠将旋转运动转化为平台的平行移动，丝杠转化效率较低，精度低。

超声电机是近几年来是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动发展起来的新型微电机。超声电机比传统电机具有更独特的优势，例如结构简单、紧凑，响应快，位置控制性好，分频率高断电自锁，能保持原有停止位置不动不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，能够低噪声运行，并且转矩/重量比大，是传统电机的一倍，低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动，由此大大减小由齿轮箱以及其他转化装置所增加的体积、振动、噪声、能量损耗和传动误。

发明内容

本发明是为解决现有双自由度旋转装置结构复杂、体积大、重量大和驱动精度低的问题，进而提供一种超声电机驱动的双自由度旋转装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置包括仰卧运动机构和方位运动机构；

方位运动机构包括方位超声电机、方位超声电机座和方位编码器；

仰卧运动机构包括俯仰超声电机、俯仰超声电机座和俯仰编码器；

方位超声电机安装在方位超声电机座上，方位编码器的轴与方位超声电机的电机轴同轴设置连接，方位超声电机的输出轴与俯仰超声电机座连接；

俯仰超声电机安装在俯仰超声电机座上，俯仰编码器的轴与俯仰超声电机的电机轴同轴设置连接，俯仰超声电机的输出轴连接负载，方位超声电机的输出轴与俯仰超声电机的输出轴垂直设置。

本发明的有益效果是：一、用超声电机直接驱动，体积小、重量轻。二、超声电机的输出轴直接作为方位轴和俯仰轴，提高了结构利用率，结构紧凑。三、俯仰超声电机座作为俯仰超声电机的底座，并连接方位轴，空间利用率高，结构简单。四、本发明采用编码器控制超声电机的旋转精度，精度高，单轴回转精度可达3.6角秒～9角秒。本发明整体结构紧凑，体积小，质量轻，精度高，可应用于多种领域，如：天线指向、太阳帆板、扫描机构、调整机构、CCD等。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明超声电机驱动的双自由度旋转装置的方位超声座与基座分体连接结构示意图，图3是本发明超声电机驱动的双自由度旋转装置的方位超声电机座与基座制成一体连接结构示意图，图4是图3的局部剖视图，图5是俯仰超声电机座与电机分体连接结构示意图，图6是具体实施方式六中俯仰超声电机座的一种结构示意图，图7是具体实施方式七中俯仰超声电机座的一种结构示意图，图8是具体实施方式六中俯仰超声电机座的另一种结构示意图，图9是具体实施方式七中俯仰超声电机座的另一种结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，它包括仰卧运动机构和方位运动机构；

方位运动机构包括方位超声电机4、方位超声电机座5和方位编码器8；

仰卧运动机构包括俯仰超声电机3、俯仰超声电机座6和俯仰编码器9；

方位超声电机4安装在方位超声电机座5上，方位编码器8的轴与方位超声电机4的电机轴同轴设置连接，方位超声电机4的输出轴与俯仰超声电机座6连接；

俯仰超声电机3安装在俯仰超声电机座6上，俯仰编码器9的轴与俯仰超声电机3的电机轴同轴设置连接，俯仰超声电机3的输出轴连接负载，方位超声电机4的输出轴与俯仰超声电机3的输出轴垂直设置。

本实施方式的俯仰超声电机6的输出轴单独作为承载负载的输出轴，方位超声电机4的输出轴直接作为方位轴，提高了空间利用率，结构紧凑，方位超声电机4的输出精度由方位编码器8监控，从而直接驱动负载绕方位超声电机4的输出轴旋转；俯仰超声电机3的输出轴单独作为承载负载的俯仰轴，提高了空间利用率，结构紧凑，俯仰超声电机3的输出精度由俯仰编码器9监控，直接驱动负载绕俯仰超声电机3的输出轴转动，俯仰运动机构与方位运动机构通过俯仰超声电机座6连接，实现俯仰运功机构绕方位超声电机4的输出轴旋转，从而通过控制俯仰轴和方位轴的运动可以直接控制负载在方位和俯仰方向的运动。方位编码器8通过方位连接板7与方位超声电机座5连接；俯仰编码器9通过俯仰连接板12与俯仰超声电机座6连接。方位超声电机座设计成能够支撑整个装置的底座，将底座与安装基体连接。结构更加紧凑，质量更轻。

具体实施方式二：结合图1-图5说明，本实施方式的方位超声电机4为行波旋转型超声电机或驻波旋转型超声电机。如此设置，提交小，质量轻，使用方便可靠，满足实际需要，可实现负载绕方位超声电机4的输出轴360°旋转，负载绕俯仰超声电机3的输出轴≥180°旋转。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图5说明，本实施方式的俯仰超声电机3为行波旋转型超声电机或驻波旋转型超声电机。如此设置，提交小，质量轻，使用方便可靠，满足实际需要，可实现负载绕方位超声电机4的输出轴360°旋转，负载绕俯仰超声电机3的输出轴≥180°旋转。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1-图5说明，本实施方式的方位编码器8为光电编码器。如此设置，通过光电编码器控制方位超声电机4的旋转精度，精度更高。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1-图5说明，本实施方式的俯仰编码器9为光电编码器。如此设置，通过光电编码器控制方位超声电机4的旋转精度，精度更高。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1-图5、图6和图7说明，本实施方式的俯仰超声电机座6包括制成一体的第一连接板6-1和第二连接板6-2，第二连接板6-2为截面是直角梯形结构，第二连接板6-2的大底面与第一连接板6-1的板面连接，俯仰超声电机3安装在第一连接板6-1上，第二连接板6-2安装在俯仰超声电机3的输出轴上。本实施方式的图6中第一连接板6-1与俯仰超声电机3一体制成，这样的设计能很好地保证俯仰运动机构所需的刚度，减轻重量，结构更加紧凑；图7中第一连接板6-1与俯仰超声电机3分体设计且二者连接，这样的设计，减轻重量，结构更加紧凑，使用连接方便可靠。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1-图5、图8和图9说明，本实施方式的俯仰超声电机座6包括制成一体的第一连接板6-1和第三连接板6-3，第三连接板6-3为截面是等腰梯形结构，第三连接板6-3的两斜面之间连接有与两斜面平滑过渡的圆弧板，第三连接板6-3的大底面与第一连接板6-1的板面连接，俯仰超声电机3安装在第一连接板6-1上，第三连接板6-3安装在俯仰超声电机3的输出轴上。本实施方式的图8中第一连接板6-1与俯仰超声电机3一体制成，第三连接板6-3采用等腰梯形结构，这样的设计能很好地保证俯仰运动机构所需的刚度，减轻重量，结构更加紧凑；图9中第一连接板6-1与俯仰超声电机3分体设计且二者连接，第三连接板6-3采用等腰梯形结构，这样的设计，减轻重量，结构更加紧凑，使用连接方便可靠。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图2-图5说明，本实施方式所述装置还包括基座10，方位超声电机座5安装在基座10上。本实施方式的方位编码器穿过装置基座，方便了装置基座与方位超声电机运转机构的布置和连接，基座10与方位超声电机座5通过连接螺钉11连接，方位编码器8通过方位连接板7与方位超声电机座5连接；俯仰编码器9通过俯仰连接板12与俯仰超声电机座6连接。

具体实施方式九：结合图1-图5说明，本实施方式的方位运动机构还包括方位轴1，俯仰运动机构还包括俯仰轴2，方位超声电机4的输出轴与方位轴1同轴设置连接；方位轴1与俯仰超声电机座6连接，俯仰超声电机3的输出轴与俯仰轴2同轴设置连接。如此设置，方位超声电机4不加减速器直接驱动方位轴1，俯仰超声电机3不加减速器直接驱动俯仰轴2，可实现负载绕方位超声电机4的输出轴360°旋转，负载绕俯仰超声电机3的输出轴≥180°旋转。其它与具体实施方式八相同。

Claims (9)

1.一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：它包括仰卧运动机构和方位运动机构；方位运动机构包括方位超声电机(4)、方位超声电机座(5)和方位编码器(8)；仰卧运动机构包括俯仰超声电机(3)、俯仰超声电机座(6)和俯仰编码器(9)；方位超声电机(4)安装在方位超声电机座(5)上，方位编码器(8)的轴与方位超声电机(4)的电机轴同轴设置连接，方位超声电机(4)的输出轴与俯仰超声电机座(6)连接；俯仰超声电机(3)安装在俯仰超声电机座(6)上，俯仰编码器(9)的轴与俯仰超声电机(3)的电机轴同轴设置连接，俯仰超声电机(3)的输出轴连接负载，方位超声电机(4)的输出轴与俯仰超声电机(3)的输出轴垂直设置。

2.根据权利要求1所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：方位超声电机(4)为行波旋转型超声电机或驻波旋转型超声电机。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：俯仰超声电机(3)为行波旋转型超声电机或驻波旋转型超声电机。

4.根据权利要求3所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：方位编码器(8)为光电编码器。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：俯仰编码器(9)为光电编码器。

6.根据权利要求5所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：俯仰超声电机座(6)包括制成一体的第一连接板(6-1)和第二连接板(6-2)，第二连接板(6-2)为截面是直角梯形结构，第二连接板(6-2)的大底面与第一连接板(6-1)的板面连接，俯仰超声电机(3)安装在第一连接板(6-1)上，第二连接板(6-2)安装在俯仰超声电机(3)的输出轴上。

7.根据权利要求5所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：俯仰超声电机座(6)包括制成一体的第一连接板(6-1)和第三连接板(6-3)，第三连接板(6-3)为截面是等腰梯形结构，第三连接板(6-3)的两斜面之间连接有与两斜面平滑过渡的圆弧板，第三连接板(6-3)的大底面与第一连接板(6-1)的板面连接，俯仰超声电机(3)安装在第一连接板(6-1)上，第三连接板(6-3)安装在俯仰超声电机(3)的输出轴上。

8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：所述装置还包括基座(10)，方位超声电机座(5)安装在基座(10)上。

9.根据权利要求8所述的一种超声电机驱动的双自由度旋转装置，其特征在于：方位运动机构还包括方位轴(1)，俯仰运动机构还包括俯仰轴(2)，方位超声电机(4)的输出轴与方位轴(1)同轴设置连接；方位轴(1)与俯仰超声电机座(6)连接，俯仰超声电机(3)的输出轴与俯仰轴(2)同轴设置连接。