CN108448809A - 一种基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构，该机构的基座与四个直线音圈电机的线圈部分固连，两个相对的直线音圈电机方向平行，相邻的两个直线音圈电机方向互相垂直；载荷托支架与四个直线音圈电机的磁钢部分固连；柔性环的边缘部分压紧固定于基座上，中心部分与载荷托支架固定连接，边缘部分与中心部分之间的过渡部分悬空，并且四个直线音圈电机将柔性环围在中间；挠杆穿插柔性环的中心过孔，其底部与基座固定连接，上部与载荷托支架固定连接。

Description

一种基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构
技术领域
本发明属于光电平台机械设计技术领域，涉及一种基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构。
背景技术
两轴转动机构可实现精确、快速、低交叉耦合的两轴转动。传统两轴转动机构部分设计均是基于刚性机构，由运动副连接刚性杆件组合实现运动。刚性机构中存在摩擦和间隙，并且需要润滑，无法适应极端的环境，转动的精度极易受外界扰动影响。近几年新兴了一些基于柔顺机构的转动机构设计，主要靠柔性构建的弹性变形实现运动，但是无法解决两轴存在交叉耦合的影响，增加了控制难度。
对于系统机械结构设计，主要区别在于支撑结构的设计。传统的机械支撑结构形式是有轴系结构，具有轴系结构惯量和摩擦力矩大，导致控制系统存在严重的非线性，系统响应慢，控制精度低的缺点。针对现有光电系统对频率响应特性要求高，要求系统无摩擦，体积小，结构紧凑，而传统的转动机构价格贵，体积大，设备复杂，难以维护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构，该机构能够实现两轴低交叉耦合转动，并具有快速响应性能。
为了解决上述技术问题，本发明的基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构包括基座，四个直线音圈电机，载荷托支架，柔性环，挠杆；基座与四个直线音圈电机的线圈部分固连，两个相对的直线音圈电机方向平行，相邻的两个直线音圈电机方向互相垂直；载荷托支架与四个直线音圈电机的磁钢部分固连；柔性环的边缘部分压紧固定于基座上，其中心部分与载荷托支架底部中央的凸台固定连接，边缘部分与中心部分之间的过渡部分悬空，并且四个直线音圈电机将柔性环围在中间；挠杆穿插柔性环的中心过孔，其底部与基座固定连接，上部与载荷托支架固定连接。
所述的柔性环的过渡部分开设有多个周向相间均匀布置的内转子槽和外转子槽；内转子槽由左右对称的左侧枝段、右侧枝段以及主枝段构成，左侧枝段、右侧枝段与主枝段在底部互相连通；外转子槽由左径向段、周向段和右径向段构成，左径向段与右径向段通过周向段过渡连通；外转子槽的左径向段和右径向段分别与相邻的内转子槽的左侧枝段和右侧枝段相扣。
本发明还包括柔性环压圈，柔性环压圈通过螺钉将柔性环的边缘部分压紧固定于基座上。
载荷支撑固定在载荷托支架上，通过四个直线音圈电机、挠杆和柔性环组成的排布安装方式，可实现载荷的方位、俯仰转动；通过挠杆与载荷托支架的固定连接能够限制载荷托支架的轴向位移，通过柔性环中心部分与载荷托支架固定连接，能够限制载荷托支架周向旋转；通过柔性环内转子槽与外转子槽的错位运动，能够实现载荷托支架的两轴转动及轴间去耦合。
有益效果：本发明采用的柔性环在工作方向上具备足够的柔度以防止驱动器过载，在非工作方向上具有足够的刚度以保持系统的快速响应性能。同时柔性环具有加工简单、无机械摩擦、无间隙，高精度和免组装等优点。采用音圈电机驱动具有行程大，无滞后，驱动电压低的优点，适合大角度的应用。包括挠杆和柔性环在内的支撑结构安装在电机安装机架的下方且位于四个直线音圈电机围成的空间内，具有结构紧凑、体积小的优点。本发明通过柔性环、挠杆和四个直线音圈电机实现两轴的运动，转角范围大，工作带宽高。
本发明具有两轴转动的全柔性转动结构设计，有效的减小了系统的整体质量和体积，具有转动中心稳定、大行程、高精度、高可靠性、无磨损、低交叉耦合等关键特性，从而减小了对载荷的约束；由于减少了零件数量，降低了装配时间，简化加工了过程。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构爆炸示意图。
图2是本发明的剖视图。
图3、4、5是柔性环的右视图。
图6是四个直线音圈电机排布及方位转动方向示意图。
图7是四个直线音圈电机排布及俯仰转动方向示意图。
图中，1.1、基座，1.2、直线音圈电机，1.3、载荷托支架，1.4、柔性环，1.5、挠杆，1.6、柔性环压圈，2.1、转子固定孔，2.2、内转子，2.21、左侧枝段，2.22、右侧枝段，2.23、主枝段；2.3、外转子槽，2.31、左径向段；2.32、周向段；2.33、右径向段；2.4、定子固定孔，2.5、挠杆过孔。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构包括包括基座1.1，四个直线音圈电机1.2，载荷托支架1.3，柔性环1.4，挠杆1.5，柔性环压圈1.6。
基座1.1通过螺钉与四个直线音圈电机1.2a～1.2d的线圈部分1.22固连，两个相对的直线音圈电机方向平行，相邻的两个直线音圈电机方向互相垂直。载荷托支架1.3通过螺钉与四个直线音圈电机1.2a～1.2d的磁钢部分1.21固连。载荷托支架1.3用于载荷的支撑固定。
柔性环1.4的边缘开设8个固定孔2.4，柔性环压圈1.6通过8个螺钉3.1将柔性环1.4的边缘部分压紧固定于基座1.1上，并且四个直线音圈电机1.2a～1.2d将柔性环1.4围在中间；基座1.1的中间部分具有使柔性环1.4悬空的凹部1.11；载荷托支架1.3的底部中央具有凸台1.31，柔性环1.4中心部分通过螺钉3.3与凸台1.31固定连接。
挠杆1.5穿插柔性环1.4的中心过孔，其底部的外螺纹端旋拧于基座1.1中央，上部的内螺纹端通过螺钉3.2与载荷托支架1.3固定连接。载荷托支架1.3用于载荷的支撑固定，挠杆1.5可以限制载荷托支架1.3轴向的平移，柔性环1.4可以限制载荷托支架1.3径向的旋转，从而实现两轴去耦作用。
如图3、4、5所示，所述柔性环1.4为正方形或圆形，其上开设有周向相间均匀分布的多个内转子槽2.2和外转子槽2.3；内转子槽2.2由左侧枝段2.21、右侧枝段2.22和主枝段2.23构成，并且左侧枝段2.21与右侧枝段2.22左右对称；左侧枝段2.21、右侧枝段2.22与主枝段2.23在底部圆弧过渡互相连通；外转子槽2.3由左径向段2.31、周向段2.32和右径向段2.33构成，左径向段2.31与右径向段2.33通过周向段2.32过渡连通。外转子槽2.3的左径向段2.31和右径向段2.33分别与相邻的内转子槽2.2的左侧枝段2.21和右侧枝段2.22相扣。由于内转子槽弧形相扣，能够有效限制运动过程中的径向位移；多个内转子槽2.2和外转子槽2.3沿周向均匀分布切割柔性环1.4，在小角度范围转动时，柔性环形变量均匀，扭转力矩近似线性变化，利于稳定控制。
内部内转子槽2.2和外转子槽2.3可根据需要的载荷及刚度要求进行形状切割，内转子槽2.2和外转子槽2.3将整个圆形内环切割的数量与负载载荷和刚度成反比。
通过内转子槽2.2与外转子槽2.3的错位运动，可以实现载荷托支架1.3的两轴转动及轴间去耦合作用。柔性环1.4上的内转子槽和外转子槽可根据需要的载荷及刚度要求进行形状切割。
除此之外，柔性环1.4还可以任意切割成蜘蛛网形状、圆弧状、三角形等形状的转子槽，这些转子槽形状均能限制载荷托支架周向旋转，实现载荷托支架的两轴转动及轴间去耦合。但是这些形状存在刚度较弱，径向力限制不足，扭转时状态不稳定等缺点，相比之下，采用柔性环1.4图3、4、5所示形状，具有刚度合适，径向力限制强，扭转状态稳定等优点。
本发明通过四个直线音圈电机、挠杆和柔性环组成的排布安装方式，可实现控制音圈电机的转子实现方位、俯仰转动。
如图6和图7所示。
第一、控制左方相邻两个直线音圈电机的磁钢按垂直平面向外方向移动，控制右方相邻两个直线音圈电机的磁钢按垂直平面向里方向移动，可以单独实现方位方向的转动。
第二、控制上方相邻两个直线音圈电机的转子按垂直平面向外方向移动，控制下方相邻两个直线音圈电机的磁钢按垂直平面向里方向移动，可以单独实现俯仰方向的转动。
显然，上述实施仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。
对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构，其特征在于包括基座(1.1)，四个直线音圈电机(1.2)，载荷托支架(1.3)，柔性环(1.4)，挠杆(1.5)；基座(1.1)与四个直线音圈电机的线圈部分(1.22)固连，两个相对的直线音圈电机方向平行，相邻的两个直线音圈电机方向互相垂直；载荷托支架(1.3)与四个直线音圈电机的磁钢部分(1.21)固连；柔性环(1.4)的边缘部分压紧固定于基座(1.1)上，其中心部分与载荷托支架(1.3)底部中央的凸台(1.31)固定连接，边缘部分与中心部分之间的过渡部分悬空，并且四个直线音圈电机将柔性环(1.4)围在中间；挠杆(1.5)穿插柔性环(1.4)的中心过孔，其底部与基座(1.1)固定连接，上部与载荷托支架(1.3)固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构，其特征在于所述的柔性环(1.4)的过渡部分开设有多个周向相间均匀布置的内转子槽(2.2)和外转子槽(2.3)；内转子槽(2.2)由左右对称的左侧枝段(2.21)、右侧枝段(2.22)以及主枝段(2.23)构成，左侧枝段(2.21)、右侧枝段(2.22)与主枝段(2.23)在底部互相连通；外转子槽(2.3)由左径向段(2.31)、周向段(2.32)和右径向段(2.33)构成，左径向段(2.31)与右径向段(2.33)通过周向段(2.32)过渡连通；外转子槽(2.3)的左径向段(2.31)和右径向段(2.33)分别与相邻的内转子槽(2.2)的左侧枝段(2.21)和右侧枝段(2.22)相扣。
3.根据权利要求2所述的基于挠杆和柔性环组成的两轴转动机构，其特征在于还包括柔性环压圈(1.6)，柔性环压圈(1.6)通过螺钉将柔性环(1.4)的边缘部分压紧固定于基座(1.1)上。
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