CN109084149B - 一种机电式自动调平旋转底座 - Google Patents

一种机电式自动调平旋转底座 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机电式自动调平旋转底座，包括上端平板、连接板、旋转机构、水平传感器、控制显示单元、第一电机驱动器、三个第二电机驱动器、三组调平支撑机构。旋转机构包括第一步进电机、轴连接块和止推轴承。调平支撑机构包括支撑架、第二步进电机、丝杆、滑台、上端连接件、中间连接件、下端连接件、支撑脚和两根光轴。控制显示单元包括中央处理器、显示屏、按键阵列和接收器。本发明利用追逐式调平的原理，中央处理器实时检测水平传感器的水平度数据来控制三个支撑脚升降从而实现调平。同时中央处理器还检测按键阵列的输入指令和接收器指令，并对指令做出响应。本发明具有结构简单、造价低廉、小型化、自动化的优点。

Description

一种机电式自动调平旋转底座
技术领域
本发明属于仪器底座领域，尤其是涉及一种自动调平和旋转的底座。
背景技术
许多仪器需要工作在水平面上，而为仪器提供水平面的方式主要有固定工作台和可调工作台两种。可调工作台分为手动调平底座和自动调平底座两类。现有手动调平类小型仪器底座大多采用水平泡加螺纹的工作方式，即依靠观察水平泡的位置来判断是否水平，通过调节支撑脚螺纹的旋合深度来升降调平，由于存在耦合性，调平操作繁琐。此外，现有利用水平泡工作的手动调平类小型仪器底座没有量化水平度测量，调平受操作人员影响大，调平精度低。现有大型自动调平底座，如车载平台、工程车、通讯车等，大多采用多点支撑原理，通过调节各液压支撑腿实现平台或车辆的调平，且需要解决多点支撑中的“虚腿”问题。此外，现有大型自动调平底座往往采用机电液一体化控制技术，技术复杂，体积庞大，造价高昂，只适合于特定场合使用。
因此，市场上需要一种小型化、满足简单使用条件的自动调平底座来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种机电式自动调平旋转底座，解决了现有手动调平底座调平精度低，操作繁琐，旋转不稳定和功能单一以及现有大型调平底座价格昂贵、结构复杂、专用性强、难以面向简单场合使用的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为： 一种机电式自动调平旋转底座，包括上端平板、连接板、旋转机构、水平传感器、控制显示单元、第一电机驱动器、三个第二电机驱动器、三组调平支撑机构；上端平板平行设置在连接板的正上方，旋转机构设置在上端平板和连接板之间，三组调平支撑机构对称固定在连接板的外侧壁，第一电机驱动器固定在连接板底面，第一电机驱动器与旋转机构连接，每组调平支撑机构上固连一个第二电机驱动器；水平传感器固定在连接板的顶面，控制显示单元固定在连接板的底面，水平传感器、第一电机驱动器和三个第二电机驱动器分别与控制显示单元连接。
所述旋转机构包括第一步进电机、轴连接块和止推轴承；连接板中心开有一个连接孔，第一步进电机固定在上述连接孔内，第一步进电机的输出轴向上伸出连接板；轴连接块为圆筒，其顶面外壁设有一圈凸台，轴连接块套在第一步进电机的输出轴上，并用紧定螺钉紧固，轴连接块顶面的凸台与上端平板底面固连；止推轴承置于连接板与上端平板之间，并通过连接板与上端平板限位，第一电机驱动器与第一步进电机连接。
所述止推轴承、连接板、上端平板三者的中心共轴线。
所述调平支撑机构包括支撑架、第二步进电机、丝杆、滑台、上端连接件、中间连接件、下端连接件、支撑脚和两根光轴；支撑架正面的两端分别与上端连接件和下端连接件固连，第二步进电机固定在上端连接件的顶面，第二步进电机的输出轴向下穿过上端连接件，中间连接件位于上端连接件和下端连接件之间，丝杆一端穿过中间连接件与第二步进电机的输出轴连接，中间连接件与丝杆通过法兰轴承配合，丝杆另一端与下端连接件通过法兰轴承配合，且中间连接件螺栓连接于支撑架上，两根光轴对称设置在丝杆两侧，光轴穿过中间连接件两端分别伸入上端连接件和下端连接件，支撑脚固定在滑台上，滑台内壁嵌有直线轴承和螺母，滑台的螺母与丝杆配合，滑台的直线轴承与光轴配合，使得支撑脚沿丝杆和光轴作竖直运动，支撑架背面的顶部与连接板的外侧壁固连，第二电机驱动器与第二步进电机连接。
所述光轴与丝杆的中心轴在同一平面内，且该平面平行于支撑架的侧面。
所述支撑脚包括支撑连接板、三角形支撑和球形撑脚，支撑连接板固定在三角形支撑的一条侧边，三角形支撑的尖端向下，并固连球形撑脚，球形撑脚落地，支撑连接板与滑台固连。
所述支撑脚处于上极限位置时悬空，此时调平支撑机构的支撑架接触地面。
所述控制显示单元包括显示屏、中央处理器、接收器和按键阵列，显示屏、接收器、按键阵列、水平传感器、第一电机驱动器和三个第二电机驱动器分别与中央处理器连接，中央处理器打印系统信息到显示屏，水平传感器检测水平度信息并送入中央处理器，接收器接收遥控端指令并送入中央处理器，按键阵列检测外部输入数据并送入中央处理器， 中央处理器进行信息处理并输出控制信号到第一电机驱动器和三个第二电机驱动器来控制相应机构动作。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）支撑脚在非工作状态时悬空，增长丝杆使用寿命；（2）支撑脚沿着两根光轴升降，减少了丝杆的弯曲载荷；（3）连接板与上端平板之间夹有止推轴承，提高了承载能力；（4）连接板中心的步进电机的装配方式形成较大范围面接触，使应力均匀分布；（5）设置有限位开关，当支撑脚到达极限位置时停止运动，防止损坏丝杆；（6）中央处理器是可编程控制器；（7）调平操作简单方便，可在一定范围内改变平面高度。
附图说明
图1为本发明一种机电式自动调平旋转底座的装配结构示意图。
图2为本发明一种机电式自动调平旋转底座的旋转机构示意图。
图3为本发明一种机电式自动调平旋转底座的调平支撑机构示意图。
图4为本发明一种机电式自动调平旋转底座的控制显示单元示意图。
图5为本发明一种机电式自动调平旋转底座的控制流程示意图。
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至图5，一种机电式自动调平旋转底座，包括上端平板2、连接板4、旋转机构、水平传感器1、控制显示单元14、第一电机驱动器、三个第二电机驱动器13、三组调平支撑机构；上端平板2平行设置在连接板4的正上方，旋转机构设置在上端平板2和连接板4之间，三组调平支撑机构对称固定在连接板4的外侧壁，第一电机驱动器固定在连接板4底面，第一电机驱动器与旋转机构连接，每组调平支撑机构上固连一个第二电机驱动器13；水平传感器1固定在连接板4的顶面，控制显示单元14固定在连接板4的底面，水平传感器1、第一电机驱动器和三个第二电机驱动器13分别与控制显示单元14连接。水平传感器1用于检测水平度并将原始数据输入中央处理器21。
所述旋转机构包括第一步进电机16、轴连接块15、止推轴承3；连接板4中心开有一个连接孔，第一步进电机16置于上述连接孔内，并用螺栓固定，形成较大范围面接触，使应力均匀分布；第一步进电机16的输出轴向上伸出连接板4；轴连接块15为圆筒，其顶面外壁设有一圈凸台，轴连接块15套在第一步进电机16的输出轴上，并用紧定螺钉紧固，轴连接块15顶面的凸台与上端平板2底面螺钉连接；内径较大的止推轴承3置于连接板4与上端平板2之间，并通过连接板4与上端平板2预留的槽限位；第一电机驱动器与第一步进电机16连接。
所述止推轴承3、连接板4、上端平板2三者的中心共轴线。完全装配好后，上端平板2与连接板4平行。止推轴承3、连接板4、上端平板2三者的连接方式保证旋转的顺畅与稳定，同时提高了上端平板2的承载能力。
所述调平支撑机构包括支撑架17、第二步进电机5、丝杆8、滑台10、上端连接件6、中间连接件7、下端连接件12、支撑脚11和两根光轴9；支撑架17正面的两端分别与上端连接件6和下端连接件12螺钉连接，第二步进电机5螺钉连接在上端连接件6的顶面，第二步进电机5的输出轴向下穿过上端连接件6，中间连接件7位于上端连接件6和下端连接件12之间，丝杆8一端穿过中间连接件7与第二步进电机5的输出轴连接，中间连接件7与丝杆8通过法兰轴承配合，丝杆8另一端与下端连接件12通过法兰轴承配合，且中间连接件7螺钉连接于支撑架17上，两根光轴9对称设置在丝杆8两侧，光轴9穿过中间连接件7两端分别伸入上端连接件6和下端连接件12，支撑脚11固定在滑台10上，滑台10内壁嵌有直线轴承和螺母，滑台10的螺母与丝杆8配合，滑台10的直线轴承与光轴9配合，使得支撑脚11沿丝杆8和光轴9作竖直运动，支撑架17背面的顶部与连接板4的外侧壁螺栓连接，第二电机驱动器13与第二步进电机5连接。
所述上端连接件6、中间连接件7、下端连接件12共同固定丝杆8与光轴9，增强了丝杆8的刚性。
所述光轴9与丝杆8的中心轴在同一平面内，且该平面平行于支撑架17的侧面。两根光轴9支撑引导滑台10运动，使运动平稳，减少了丝杆8的弯曲载荷，整体上提高了调平支撑机构的抗倾覆能力。
所述支撑脚11包括支撑连接板、三角形支撑和球形撑脚，支撑连接板固定在三角形支撑的一条侧边，三角形支撑的尖端向下，并固连球形撑脚，球形撑脚落地，支撑连接板与滑台10固连。球形撑脚落地最大限度保证三点接触，增强三点调平过程中稳定性。
所述调平支撑机构上安装有限位开关。下限位开关18安装在中间连接件7上、上限位开关19安装在下端连接件12上。支撑脚11运动到上下极限位置时触发限位开关使第二步进电机5停止转动，防止损坏丝杆8。在使用完毕后，支撑脚11回到上极限位置，此时支撑脚11悬空而支撑架17支撑整个底座，从而减轻支撑脚11在非工作状态的负担。
所述控制显示单元14包括显示屏20、中央处理器21、接收器22和按键阵列23，显示屏20、接收器22、按键阵列23、水平传感器1、第一电机驱动器和三个第二电机驱动器13分别与中央处理器21连接。显示屏20可显示设备运行模式信息、水平度信息、当前输入信息、操作提示信息以及其他状态参数；接收器22用于接收远程遥控端的指令并将指令送入中央处理器21，接收器22可以使用无线、蓝牙或红外接收器；按键阵列23用于选择控制模式以及输入控制指令并将指令送入中央处理器21；水平传感器1检测水平度信息并送入中央处理器21；中央处理器21进行水平度数据处理并响应接收器22和按键阵列23的指令，中央处理器21输出控制信号到第一电机驱动器和三个第二电机驱动器13来控制相应机构动作。
所述中央处理器21是可编程控制器。
所述优选的电机驱动器13采用超高速光耦隔离的接口，具有短路保护、过流保护、过热保护的功能。
本发明一种机电式自动调平旋转底座，相对于现有仪器底座在结构设计、使用效率和便捷性上明显提高，其优点在于：（1）水平传感器1检测精度高，丝杆8制造精度高，故调平精度高；（2）操作简单，调平速度快，可在一定范围内改变上端平板2的高度；（3）上端平板2与连接板4之间夹有止推轴承3，使旋转顺畅且提高承载能力；（4）使用完毕后支撑脚11悬空，提高调平支撑机构的使用寿命；（5）两根光轴引导支撑脚11升降，光轴承受主要弯曲载荷，从而减少丝杆8的弯曲载荷；（6）设置有限位开关，当支撑脚11到达极限位置时停止运动，防止损坏丝杆8；（7）有通电自锁功能。
其工作原理如下：在一种机电式自动调平旋转底座中，中央处理器21对来自水平传感器1的数据进行滤波处理后计算出当前姿态角，并将姿态角输入PID控制器，PID控制器根据当前角度与水平参考角度之间的偏差程度以及丝杆8螺距大小计算支撑脚升降高度并折合成脉冲个数，中央处理器21产生PID计算值个数的脉冲输出到电机驱动器13控制第二步进电机5转动相应角度，第二步进电机5带动丝杆8转动导致与丝杆8配合的螺母升降，螺母升降带动支撑脚11升降相应高度，三个支撑脚11按照所测姿态角有目的的升降可以实现调平。同时中央处理器21还将检测按键阵列23的输入指令以及接收器22指令，并对指令做出响应。
在一种机电式自动调平旋转底座中，每个调平支撑机构可单独升降，所有调平支撑机构可同步升降。将三个调平支撑机构简记为第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构，将第一支撑机构与第二支撑机构间的连线记为X轴，垂直于X轴过第三支撑机构的直线记为Y轴。根据水平传感器1检测到的平面姿态信息，利用追逐式调平的原理，第一支撑机构不动，第二支撑机构升降实现X轴调平，X轴调平之后，第三支撑机构升降实现Y轴调平，从而实现平面水平。旋转机构可使上端平板2按照设定的角速度转动或由外部指令控制微小转动。
一种机电式自动调平旋转底座有三种运行模式，包括自动模式、按键控制模式、遥控模式。三种模式共用显示屏20、中央处理器21、按键阵列23，遥控模式需要额外使用接收器22且需要配备遥控器。
在三种模式下，平面自动调平是实时进行的，可随外部环境变化实时补偿、维持水平。使用完毕触发关机信号后，所有支撑脚11同步上升使主体部分下降，支撑脚11上升至下限位开关18时停止动作，此时支撑脚11已经悬空，支撑架17接触地面，这种设计可以降低丝杆8的非使用状态负荷、提高寿命。
在自动模式下，所有调平支撑机构同步上升一定高度之后进入平面自动调平，调平结束后旋转机构使上端平板2按照一定的角速度旋转。通过按键阵列23输入指令可调节上端平板2的旋转速度。
在按键控制模式下，通过按键阵列23输入指令可设定上端平板2的旋转速度、可单独控制单个调平支撑机构升降也可控制所有调平支撑机构同步升降到需要的高度，之后进入平面自动调平，调平结束后上端平板2按照设定角速度旋转，该种模式可以人为设定水平面高度，可用于检查设备状态，由于按键可靠性高可作为其他模式的备用模式。
在遥控模式下，遥控端发送控制指令，接收器端收到指令后传递给中央处理器21，中央处理器21控制各机构动作，除实现与按键模式相同的功能外，该模式可以在丝杆8行程范围内实时调节上端平板2的高度，微调各支撑机构的升降高度，微调上端平板2的旋转角度。

Claims (5)

1.一种机电式自动调平旋转底座，其特征在于：包括上端平板（2）、连接板（4）、旋转机构、水平传感器（1）、控制显示单元（14）、第一电机驱动器、三个第二电机驱动器（13）、三组调平支撑机构；上端平板（2）平行设置在连接板（4）的正上方，旋转机构设置在上端平板（2）和连接板（4）之间，三组调平支撑机构对称固定在连接板（4）的外侧壁，第一电机驱动器固定在连接板（4）底面，第一电机驱动器与旋转机构连接，每组调平支撑机构上固连一个第二电机驱动器（13）；水平传感器（1）固定在连接板（4）的顶面，控制显示单元（14）固定在连接板（4）的底面，水平传感器（1）、第一电机驱动器和三个第二电机驱动器（13）分别与控制显示单元（14）连接；
所述旋转机构包括第一步进电机（16）、轴连接块（15）和止推轴承（3）；连接板（4）中心开有一个连接孔，第一步进电机（16）固定在上述连接孔内，第一步进电机（16）的输出轴向上伸出连接板（4）；轴连接块（15）为圆筒，其顶面外壁设有一圈凸台，轴连接块（15）套在第一步进电机（16）的输出轴上，并用紧定螺钉紧固，轴连接块（15）顶面的凸台与上端平板（2）底面固连；止推轴承（3）置于连接板（4）与上端平板（2）之间，并通过连接板（4）与上端平板（2）限位，第一电机驱动器与第一步进电机（16）连接；
所述调平支撑机构包括支撑架（17）、第二步进电机（5）、丝杆（8）、滑台（10）、上端连接件（6）、中间连接件（7）、下端连接件（12）、支撑脚（11）和两根光轴（9）；支撑架（17）正面的两端分别与上端连接件（6）和下端连接件（12）固连，第二步进电机（5）固定在上端连接件（6）的顶面，第二步进电机（5）的输出轴向下穿过上端连接件（6），中间连接件（7）位于上端连接件（6）和下端连接件（12）之间，丝杆（8）一端穿过中间连接件（7）与第二步进电机（5）的输出轴连接，中间连接件（7）与丝杆（8）通过法兰轴承配合，丝杆（8）另一端与下端连接件（12）通过法兰轴承配合，且中间连接件（7）螺栓连接于支撑架（17）上，两根光轴（9）对称设置在丝杆（8）两侧，光轴（9）穿过中间连接件（7）两端分别伸入上端连接件（6）和下端连接件（12），支撑脚（11）固定在滑台（10）上，滑台（10）内壁嵌有直线轴承和螺母，滑台（10）的螺母与丝杆（8）配合，滑台（10）的直线轴承与光轴（9）配合，使得支撑脚（11）沿丝杆（8）和光轴（9）作竖直运动，支撑架（17）背面的顶部与连接板（4）的外侧壁固连，第二电机驱动器（13）与第二步进电机（5）连接；
所述控制显示单元（14）包括显示屏（20）、中央处理器（21）、接收器（22）和按键阵列（23），显示屏（20）、接收器（22）、按键阵列（23）、水平传感器（1）、第一电机驱动器和三个第二电机驱动器（13）分别与中央处理器（21）连接，中央处理器（21）打印系统信息到显示屏（20），水平传感器（1）检测水平度信息并送入中央处理器（21），接收器（22）接收遥控端指令并送入中央处理器（21），按键阵列（23）检测外部输入数据并送入中央处理器（21）， 中央处理器（21）进行信息处理并输出控制信号到第一电机驱动器和三个第二电机驱动器（13）来控制相应机构动作。
2.根据权利要求1所述的机电式自动调平旋转底座，其特征在于：所述止推轴承（3）、连接板（4）、上端平板（2）三者的中心共轴线。
3.根据权利要求1所述的机电式自动调平旋转底座，其特征在于：所述光轴（9）与丝杆（8）的中心轴在同一平面内，且该平面平行于支撑架（17）的侧面。
4.根据权利要求1所述的机电式自动调平旋转底座，其特征在于：所述支撑脚（11）包括支撑连接板、三角形支撑和球形撑脚，支撑连接板固定在三角形支撑的一条侧边，三角形支撑的尖端向下，并固连球形撑脚，球形撑脚落地，支撑连接板与滑台（10）固连。
5.根据权利要求1所述的机电式自动调平旋转底座，其特征在于：所述支撑脚（11）处于上极限位置时悬空，此时调平支撑机构的支撑架（17）接触地面。
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