CN108268057B - 一种三维位姿调整及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位姿调整的实现装置，具体地说是一种三维位姿调整及测量装置。包括试验物块、俯仰调整机构、偏航调整机构及直线运动机构，其中试验物块固定于俯仰调整机构的俯仰转动体上，偏航调整机构位于俯仰调整机构的下方、并与俯仰调整机构的俯仰基座连接，直线运动机构位于偏航调整机构的下方、并与偏航调整机构的偏航基板连接；俯仰调整机构的第一转动轴和偏航机构的第二转动轴分别连接有角度编码器，直线运动机构的上支座和下支座分别连接有直线光栅尺的读数头和指示光栅。本发明具有三维位姿调整精度高，结构简单，调整方便，安全可靠，便于维护的优点。

Description

一种三维位姿调整及测量装置

技术领域

本发明涉及位姿调整的实现装置，具体地说是一种三维位姿调整及测量装置。

背景技术

为了实现试验物体绕空间某点的俯仰转动、偏航转动和直线运动(三维位姿运动)，目前通常采用的是并联机构，并通过测量并联分支的长度计算实际的位姿，为了实现参考点为空间某一点的位置和姿态，通常要进行坐标系的变换，累计误差较大；而串联机构体积较大，调整和测量难以保证同时进行。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种三维位姿调整及测量装置。该调整和测量装置可对试验物块绕空间某点的俯仰运动和偏航运动进行精确调整及实时测量，保证较小空间内实现试验物块的三维位姿调整与测量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三维位姿调整及测量装置，包括试验物块、俯仰调整机构、偏航调整机构及直线运动机构，其中试验物块固定于俯仰调整机构上，所述偏航调整机构位于俯仰调整机构的下方、并与俯仰调整机构连接，所述直线运动机构位于偏航调整机构的下方、并与偏航调整机构连接。

所述俯仰调整机构包括俯仰角度测量装置、俯仰驱动装置、俯仰转动体及俯仰基座，其中俯仰转动体安装在俯仰基座上、且通过曲面配合，所述俯仰驱动装置和俯仰角度测量装置均安装在俯仰基座上、且均与俯仰转动体连接，所述试验物块安装在俯仰转动体上，所述俯仰驱动装置用于驱动俯仰转动体作回转运动，从而带动试验物块作俯仰动作，所述俯仰角度测量装置用于测量试验物块的俯仰角度。

所述俯仰驱动装置包括第一蜗杆减速器、支座、俯仰齿轮轴、俯仰齿条及俯仰齿轮，其中俯仰齿轮轴沿水平方向可转地安装在俯仰基座上，所述俯仰齿轮套装在俯仰齿轮轴上，可随俯仰齿轮轴一起转动，所述第一蜗杆减速器通过支座安装在俯仰基座上、且与所述俯仰齿轮轴连接，所述俯仰齿条安装在俯仰转动体上、且与俯仰齿轮啮合。

所述俯仰转动体为中空结构，所述俯仰齿轮轴、俯仰齿轮及俯仰齿条均容置于所述中空结构内。

所述俯仰角度测量装置包括编码器安装板、第一转动轴支座、俯仰角度编码器及第一转动轴，其中编码器安装板和第一转动轴支座分别与俯仰基座和俯仰转动体连接，所述第一转动轴的两端分别与编码器安装板和第一转动轴支座可转动连接，所述俯仰角度编码器安装在编码器安装板上、且与第一转动轴连接。

所述偏航调整机构包括偏航支撑体、偏航角度测量装置、偏航驱动装置、偏航基板及连接板，其中偏航支撑体与所述俯仰调整机构固连，所述连接板与偏航基板固定连接、且与偏航支撑体滑动连接，所述偏航驱动装置安装在偏航支撑体上、且与连接板连接，所述偏航角度测量装置安装在连接板上、且与偏航支撑体可转动地连接，所述偏航驱动装置驱动偏航支撑体作回转运动，所述偏航角度测量装置用于测量偏航支撑体的回转角度。

所述偏航驱动装置包括第二蜗杆减速器、偏航齿条、偏航齿轮轴、支撑座及偏航齿轮，其中偏航齿轮轴沿竖直方向可转动地安装在偏航支撑体上，所述偏航齿轮套装在偏航齿轮轴上，所述第二蜗杆减速器通过支撑座安装在偏航支撑体上、且与偏航齿轮轴连接，所述偏航齿条设置于偏航基板上、且与偏航齿轮啮合。

所述偏航角度测量装置包括第二转动轴、编码器安装座及偏航角度编码器，其中编码器安装座安装在偏航基板上，所述第二转动轴的两端分别与偏航支撑体和编码器安装座可转动地连接，所述偏航角度编码器安装在编码器安装座上、且与第二转动轴连接。

所述直线运动机构包括滑块、直线导轨、底板、直线往复驱动机构及直线位移测量装置，其中直线导轨固定在底板上，所述滑块固定在所述偏航驱动装置上、且与所述直线导轨滑动连接，所述直线往复驱动机构和直线位移测量装置均设置于底板上、且均与所述偏航驱动装置连接，所述直线往复驱动机构驱动所述偏航驱动装置作直线往复运动，所述直线位移测量装置用于测量所述偏航驱动装置的直线位移量。

所述直线位移测量装置包括读数头、上支座、下支座及指示光栅，其中上支座和下支座分别固定在所述偏航驱动装置和底板上，所述读数头和指示光栅分别固定连接于上支座和下支座上，所述读数头与指示光栅相对应。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明能实现试验物体绕空间任意点的三维位姿调整运动，且能够实时获得调整量。

2.本发明的姿态转动中心为俯仰转动轴线和偏航转动轴线的交点，实现了俯仰转动运动和偏航转动运动的解耦。

3.本发明的姿态调整角度都经过齿轮啮合传动及蜗杆传动机构的放大，姿态角的调整分辨率和精度都较高；直线运动机构下方可再相互正交的串联另一直线运动机构，实现试验物块的位姿的四维调整及测量。

4.本发明结构简单且具有一定的可扩展性，位姿运动调整精度高，安装和维护方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1中A-A处的局部剖视图；

图4为图1中B-B处的局部剖视图；

图5为图2中C-C剖视图；

图6为图2中D-D剖视图。

其中：1为试验物块，2为俯仰调整机构，3为偏航调整机构，4为直线运动机构，5为编码器安装板，6为第一转动轴支座，7为俯仰角度编码器，8为第一转动轴，9为俯仰转动体，10为第一蜗杆减速器，11为支座，12为俯仰基座，13为俯仰齿轮轴，14为俯仰齿条，15为端盖，16为偏航支撑体，17为第二蜗杆减速器，18为偏航齿条，19为偏航齿轮轴，20为第二转动轴，21为编码器安装座，22为偏航角度编码器，23为偏航基板,24为支撑座，25为连接板，26为滑块，27为直线导轨，28为底板，29为手轮，30为滚珠螺母，31为滚珠丝杠，32为螺母支座，33为轴承，34为轴承座，35为读数头，36为上支座，37为下支座，38为指示光栅，39为俯仰齿轮，40为偏航齿轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-4所示，本发明提供的一种三维位姿调整及测量装置，包括试验物块1、俯仰调整机构2、偏航调整机构3及直线运动机构4，其中试验物块1固定于俯仰调整机构2上，所述偏航调整机构3位于俯仰调整机构2的下方、并与俯仰调整机构2连接，所述直线运动机构4位于偏航调整机构3的下方、并与偏航调整机构3连接。

所述俯仰调整机构2包括俯仰角度测量装置、俯仰驱动装置、俯仰转动体9及俯仰基座12，其中俯仰转动体9安装在俯仰基座12上、且通过曲面配合，所述俯仰驱动装置和俯仰角度测量装置均安装在俯仰基座12上、且均与俯仰转动体9连接，所述试验物块1安装在俯仰转动体9上，所述俯仰驱动装置用于驱动俯仰转动体9作回转运动，从而带动试验物块1作俯仰动作，所述俯仰角度测量装置用于测量试验物块1的俯仰角度。

如图3所示，所述俯仰驱动装置包括第一蜗杆减速器10、支座11、俯仰齿轮轴13、俯仰齿条14及俯仰齿轮39，其中俯仰齿轮轴13沿水平方向通过轴承可转地安装在俯仰基座12上，俯仰齿轮轴13的两端轴承的外侧设有端盖15。所述俯仰齿轮39套装在俯仰齿轮轴13上，可随俯仰齿轮轴13一起转动，所述第一蜗杆减速器10通过支座11安装在俯仰基座12上、且与所述俯仰齿轮轴13连接，所述俯仰齿条14安装在俯仰转动体9上、且与俯仰齿轮39啮合。

如图5所示，所述俯仰转动体9为中空结构，所述俯仰齿轮轴13、俯仰齿轮39及俯仰齿条14均容置于所述中空结构内。第一蜗杆减速器10驱动俯仰齿轮轴13转动，因俯仰齿轮39与俯仰齿条14啮合，从而带动俯仰转动体9作回转运动。

所述俯仰角度测量装置包括编码器安装板5、第一转动轴支座6、俯仰角度编码器7及第一转动轴8，其中编码器安装板5和第一转动轴支座6分别与俯仰基座12和俯仰转动体9连接，所述第一转动轴8的两端分别与编码器安装板5和第一转动轴支座6可转动连接，所述俯仰角度编码器7安装在编码器安装板5上、且与第一转动轴8连接。

所述试验物块1的俯仰转动轴线与俯仰角度编码器7的轴线重合，从而实现俯仰转动体9与俯仰基座12之间的相对转动，俯仰角度编码器7可测得俯仰转动体9与俯仰基座12之间的角度，进而实现试验物块1的俯仰转动和俯仰角的测量。

如图1、图6所示，所述偏航调整机构3包括偏航支撑体16、偏航角度测量装置、偏航驱动装置、偏航基板23及连接板25，其中偏航支撑体16与所述俯仰调整机构2固连，所述连接板25与偏航基板23固定连接、且与偏航支撑体16滑动连接，所述偏航驱动装置安装在偏航支撑体16上、且与连接板25连接，所述偏航角度测量装置安装在连接板25上、且与偏航支撑体16可转动地连接，所述偏航驱动装置驱动偏航支撑体16作回转运动，所述偏航角度测量装置用于测量偏航支撑体16的回转角度。

所述偏航驱动装置包括第二蜗杆减速器17、偏航齿条18、偏航齿轮轴19、支撑座24及偏航齿轮40，其中偏航齿轮轴19沿竖直方向可转动地安装在偏航支撑体16上，所述偏航齿轮40套装在偏航齿轮轴19上，所述第二蜗杆减速器17通过支撑座24安装在偏航支撑体16上、且与偏航齿轮轴19连接，所述偏航齿条18设置于偏航基板23上、且与偏航齿轮40啮合。

所述偏航角度测量装置包括第二转动轴20、编码器安装座21及偏航角度编码器22，其中编码器安装座21安装在偏航基板23上，所述第二转动轴20的两端分别与偏航支撑体16和编码器安装座21可转动地连接，所述偏航角度编码器22安装在编码器安装座21上、且与第二转动轴20连接。

所述第二蜗杆减速器17驱动偏航齿轮轴19和偏航齿轮40转动，因偏航齿轮40与偏航齿条18啮合，所述带动偏航支撑体16作转动运动，从而实现偏航支撑体16与偏航基板23之间的相对转动。试验物块1的偏航转动轴线与偏航角度编码器的轴线重合，偏航角度编码器22可测得偏航支撑体16与偏航基板23之间的角度，进而实现试验物块1的偏航转动和偏航角的测量。

如图4所示，所述直线运动机构4包括滑块26、直线导轨27、底板28、直线往复驱动机构及直线位移测量装置，其中直线导轨27固定在底板28上，所述滑块26固定在所述偏航驱动装置上、且与所述直线导轨27滑动连接，所述直线往复驱动机构和直线位移测量装置均设置于底板28上、且均与所述偏航驱动装置的偏航基板23连接，所述直线往复驱动机构驱动所述偏航驱动装置作直线往复运动，所述直线位移测量装置用于测量所述偏航驱动装置的直线位移量。

所述直线位移测量装置包括读数头35、上支座36、下支座37及指示光栅38，其中上支座36和下支座37分别固定在所述偏航驱动装置的偏航基板23和底板28上，所述读数头35和指示光栅38分别固定连接于上支座36和下支座37上，所述读数头35与指示光栅38相对应。

所述直线往复驱动机构包括手轮29、滚珠螺母30、滚珠丝杠31、螺母支座32、轴承33及轴承座34，其中手轮29与滚珠丝杠31的一端固定连接，轴承33、轴承座34分别位于滚珠丝杠31的两侧，轴承33安装于轴承座34内，轴承座34固定于底板28上，滚珠丝杠31与轴承33的内圈为固定连接，滚珠螺母30通过螺母支座32固定于偏航基板23上，滚珠螺母30位于滚珠丝杠31上、且二者之间为螺旋连接。

所述手轮29转动带动滚珠丝杠31转动，通过螺旋传动依次带动滚珠螺母30、螺母支座32和偏航基板23直线移动。试验物块1的直线运动方向与滚珠丝杠31的轴线方向相同，从而实现偏航基板23与底板28之间的相对直线运动。直线光栅尺的读数头35可测得偏航基板23与底板28之间的直线移动距离，进而实现试验物块1的直线运动和直线位移的测量。

本发明的工作原理为：

手轮29转动会使直线运动机构4产生直线运动，从而带动偏航调整机构3、俯仰调整机构2和试验物块1一起直线移动，直线光栅尺的读数头35会得到直线运动的位移数值；当第二蜗杆减速器17转动时，偏航支撑体16会相对于偏航基板23转动一定角度(偏航角)，从而带动俯仰调整机构2和试验物块1一起实现偏航转动，偏航角度由偏航角度编码器22测量得到；当第一蜗杆减速器10转动时，俯仰转动体9会相对于俯仰基座12转动一定的角度(俯仰角)，从而带动试验物块1实现俯仰转动，俯仰角度由俯仰角度编码器7测量得到。试验物体1偏航转动的轴线和俯仰转动的轴线相互垂直，并相交于一点，此点即试验物块的姿态运动中心；本发明直线运动机构4的运动、偏航调整机构3的转动及俯仰调整机构2的转动都会使试验物块1产生相应的运动，并可以通过相应的传感器实时获取试验物块1的直线运动位移数值和姿态转动的角度，因此可以实现试验物块1绕空间某点三维位姿运动的调整及实时测量。所述三维位姿调整及测量装置的试验物块的俯仰转动轴线和偏航转动轴线相互垂直且相交于一点，该点即试验物块的姿态转动中心。

本发明的俯仰角度编码器7及偏航角度编码器22均为市购产品，购置于德国Hengstler公司，型号为AD36；第一蜗杆减速器10及第二蜗杆减速器均为市购产品，购置于台州市行星变速机械厂，型号为NRV-050；读数头35及指示光栅38为市购产品，购置于长春长光数显公司，型号为SGC8。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三维位姿调整及测量装置，其特征在于：包括试验物块(1)、俯仰调整机构(2)、偏航调整机构(3)及直线运动机构(4)，其中试验物块(1)固定于俯仰调整机构(2)上，所述偏航调整机构(3)位于俯仰调整机构(2)的下方、并与俯仰调整机构(2)连接，所述直线运动机构(4)位于偏航调整机构(3)的下方、并与偏航调整机构(3)连接；

所述俯仰调整机构(2)包括俯仰角度测量装置、俯仰驱动装置、俯仰转动体(9)及俯仰基座(12)，其中俯仰转动体(9)安装在俯仰基座(12)上、且通过曲面配合，所述俯仰驱动装置和俯仰角度测量装置均安装在俯仰基座(12)上、且均与俯仰转动体(9)连接，所述试验物块(1)安装在俯仰转动体(9)上，所述俯仰驱动装置用于驱动俯仰转动体(9)作回转运动，从而带动试验物块(1)作俯仰动作，所述俯仰角度测量装置用于测量试验物块(1)的俯仰角度。

2.根据权利要求1所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述俯仰驱动装置包括第一蜗杆减速器(10)、支座(11)、俯仰齿轮轴(13)、俯仰齿条(14)及俯仰齿轮(39)，其中俯仰齿轮轴(13)沿水平方向可转地安装在俯仰基座(12)上，所述俯仰齿轮(39)套装在俯仰齿轮轴(13)上，可随俯仰齿轮轴(13)一起转动，所述第一蜗杆减速器(10)通过支座(11)安装在俯仰基座(12)上、且与所述俯仰齿轮轴(13)连接，所述俯仰齿条(14)安装在俯仰转动体(9)上、且与俯仰齿轮(39)啮合。

3.根据权利要求2所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述俯仰转动体(9)为中空结构，所述俯仰齿轮轴(13)、俯仰齿轮(39)及俯仰齿条(14)均容置于所述中空结构内。

4.根据权利要求1所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述俯仰角度测量装置包括编码器安装板(5)、第一转动轴支座(6)、俯仰角度编码器(7)及第一转动轴(8)，其中编码器安装板(5)和第一转动轴支座(6)分别与俯仰基座(12)和俯仰转动体(9)连接，所述第一转动轴(8)的两端分别与编码器安装板(5)和第一转动轴支座(6)可转动连接，所述俯仰角度编码器(7)安装在编码器安装板(5)上、且与第一转动轴(8)连接。

5.根据权利要求1所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述偏航调整机构(3)包括偏航支撑体(16)、偏航角度测量装置、偏航驱动装置、偏航基板(23)及连接板(25)，其中偏航支撑体(16)与所述俯仰调整机构(2)固连，所述连接板(25)与偏航基板(23)固定连接、且与偏航支撑体(16)滑动连接，所述偏航驱动装置安装在偏航支撑体(16)上、且与连接板(25)连接，所述偏航角度测量装置安装在连接板(25)上、且与偏航支撑体(16)可转动地连接，所述偏航驱动装置驱动偏航支撑体(16)作回转运动，所述偏航角度测量装置用于测量偏航支撑体(16)的回转角度。

6.根据权利要求5所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述偏航驱动装置包括第二蜗杆减速器(17)、偏航齿条(18)、偏航齿轮轴(19)、支撑座(24)及偏航齿轮(40)，其中偏航齿轮轴(19)沿竖直方向可转动地安装在偏航支撑体(16)上，所述偏航齿轮(40)套装在偏航齿轮轴(19)上，所述第二蜗杆减速器(17)通过支撑座(24)安装在偏航支撑体(16)上、且与偏航齿轮轴(19)连接，所述偏航齿条(18)设置于偏航基板(23)上、且与偏航齿轮(40)啮合。

7.根据权利要求5所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述偏航角度测量装置包括第二转动轴(20)、编码器安装座(21)及偏航角度编码器(22)，其中编码器安装座(21)安装在偏航基板(23)上，所述第二转动轴(20)的两端分别与偏航支撑体(16)和编码器安装座(21)可转动地连接，所述偏航角度编码器(22)安装在编码器安装座(21)上、且与第二转动轴(20)连接。

8.根据权利要求1所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述直线运动机构(4)包括滑块(26)、直线导轨(27)、底板(28)、直线往复驱动机构及直线位移测量装置，其中直线导轨(27)固定在底板(28)上，所述滑块(26)固定在所述偏航驱动装置上、且与所述直线导轨(27)滑动连接，所述直线往复驱动机构和直线位移测量装置均设置于底板(28)上、且均与所述偏航驱动装置连接，所述直线往复驱动机构驱动所述偏航驱动装置作直线往复运动，所述直线位移测量装置用于测量所述偏航驱动装置的直线位移量。

9.根据权利要求8所述的三维位姿调整及测量装置，其特征在于：所述直线位移测量装置包括读数头(35)、上支座(36)、下支座(37)及指示光栅(38)，其中上支座(36)和下支座(37)分别固定在所述偏航驱动装置和底板(28)上，所述读数头(35)和指示光栅(38)分别固定连接于上支座(36)和下支座(37)上，所述读数头(35)与指示光栅(38)相对应。

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