CN110701450B - 两轴并联式稳定平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轴并联式稳定平台。该平台采用音圈电机驱动，针对音圈电机失电后无法自锁的情况，在支链底部设置失电抱闸装置，实现失电后整机处于可控状态。本发明可以满足舰载设备、车载设备或其它需要隔离外界干扰的精密设备的功能需求。

Description

两轴并联式稳定平台

技术领域

本发明涉及稳定平台技术领域，具体是一种两轴并联式稳定平台。

背景技术

车载设备或船载设备在正常工作时会受到恶劣天气、路况或海浪和非接触式不利因素的影响，产生的各种干扰运动会给相应的设备带来诸多负面影响。由于稳定平台对外界方位、横滚、俯仰的干扰运动具有有效的隔离，可以使安装在稳定平台上的精密仪器等运动载体相对地理坐标系保持稳定，或者在相关的指令的作用下，使被稳定对象按照预期的运动规律相对于制定的惯性空间运动，从而能使相关设备更好地发挥作用，以满足相关作业的需求。因此，稳定平台在武器等国防领域引起广泛关注。但是，目前研制较多的串联型转动平台大多数只能补偿方位和俯仰的干扰运动，难以实现快速响应、多维稳定、大型化及承受重载，无法满足精密仪器正常工作所需的技术要求。之后，在此基础上发展起来的稳定平台在多自由度的干扰运动得到有效地补偿，但面对高频率、大幅度的摇荡运动时稳定效果不佳。

现有的稳定平台具有以下不足：

1、串联型稳定平台随着传动链的增长，误差累积，导致末端误差增大；

2、串联型稳定平台不具有并联型机构的各项同性，各向响应速度不一致；

3、并联式稳定平台一般采用液压缸或电动缸驱动，响应速度慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两轴并联式稳定平台。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种两轴并联式稳定平台，包括基座、控制板、失电锁紧装置、支链、立柱、光纤陀螺、单万向节、倾角传感器和动平台；两个失电锁紧装置安装于基座上并相互成90度夹角，立柱安装于基座中心，立柱上端通过单万向节与动平台实现两个方向相互垂直的转动连接；两个支链互成90°设置，其下端分别通过失电自锁装置与基座转动连接，上端导杆通过单万向节与动平台实现两个方向的转动连接；动平台下方安装有倾角传感器和两个相互垂直安装的光纤陀螺，其中，倾角传感器和光纤陀螺的测量转动轴线均与动平台的转动轴线平行，用于检测动平台的偏离角度和角加速度；控制板安装在基座上，分别与失电锁紧装置、支链、光纤陀螺和倾角传感器连接，用于接收光纤陀螺和倾角传感器反馈的动平台姿态信号，并通过解锁失电锁紧装置、驱动支链，实现动平台的稳定需求。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)消除了中间的传动环节，稳定精度指标仅仅依赖于音圈电机的控制精度；音圈电机响应速度快，可以实现稳定的时效性；传动环节中的不可靠因素也从根本上避免了；(2)增加失电抱闸装置，消除了音圈电机失电后不能自锁的缺点；(3)整机结构简单，零部件备件数量少，维护成本降低。

附图说明

图1是本发明两轴并联式稳定平台的整机结构示意图。

图2是图1中的支链4的剖视示意图。

图3是图1失电锁紧装置3的剖视示意图。

图4是本发明两轴并联式稳定平台的三维模型图。

具体实施方式

本发明提供一种采用音圈电机驱动的两轴并联型稳定平台，消除了诸如滚珠丝杆螺母副、减速器、液压缸等传动部件，缩短了传动链，从根本上提高系统的可靠性，减少了后期的维护时间和开销。本发明针对传统稳定平台存在的缺陷，采用音圈电机直接驱动负载，并针对音圈电机失电后无自锁功能，在支链摆动轴端增加失电锁紧装置，从机构运动学角度达到失电后运动支链退化为刚性桁架的目的，实现失电后自锁，使整机处于可控状态。

本发明所述两轴并联式稳定平台，包括一个基座，一个动平台，两个支链 (包含电机座、音圈电机定子、音圈电机动块、滑轨、导轨滑块、电机滑块座、导杆、光栅传感器、侧板、上盖、盖板等)，两个失电锁紧装置(铰链轴、角接触轴承、失电抱闸器、压圈等)，三个单万向节，一个立柱，一个倾角传感器，两个光纤陀螺，一个控制板等组成。零件依次组合，立柱位于基座中心，下端通过轴孔配合与基座固定连接，并采用紧定螺钉锁紧，上端通过单万向节与动平台实现两个方向(相互垂直)的转动连接，两个支链互成90°(支链运动互不耦合)设置，下端通过失电自锁装置与基座转动连接，上端导杆通过单万向节与动平台实现两个方向(相互垂直，其中一个方向为导杆伸缩时的转动，另一个方向为随另一支链的随动转动)的转动连接。动平台下方安装有倾角传感器和两个相互垂直安装的光纤陀螺，其中，倾角传感器和光纤陀螺的测量转动轴线均与动平台的转动轴线平行，用于检测动平台的偏离角度，进而实现稳定平台的负反馈控制。

当外界干扰来临，倾角传感器和两个光纤陀螺收到偏离信号，控制板根据偏移量，发出脉冲，驱动两个支链的音圈电机的动块，带动支链的导杆随电机滑块座沿滑轨方向运动，进而实现动平台的两个方向的转动，直至满足稳定状态，将外界的干扰与工作设备隔离。实现稳定平台所需的横摇、俯仰方向的稳定要求。

当电机失电后，音圈电机失去驱动脉动，由于重力作用，导致下坠，而安装在支链底端的失电抱闸装置将支链摆动轴锁止，基座、铰链轴、支链、单万向节、单万向节、立柱和基座构成的封闭的运动链蜕化为刚性桁架，无法运动，实现失电后自锁，整机处于可控状态。

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

本发明所述两轴并联式稳定平台，如附图1所示，主要零部件为基座1、控制板2、失电锁紧装置3、支链4、立柱5、光纤陀螺6、陀螺支架7、单万向节 8、倾角传感器9、动平台10、螺钉若干组合而成。

基座1上有一个立柱安装孔、两个失电锁紧装置座，其中，立柱安装座位于基座1中心，两个失电锁紧装置座，相互成90度夹角，三者之间存在相互位置要求。

动平台上10上有三个相对成90度夹角的单万向节8的安装凹槽，并且在对向合适位置有陀螺支架7、倾角传感器9的安装凹槽，确保倾角传感器9和光纤陀螺8与两个支链4产生的运动轴保持平行。

如附图2所示，支链主要由电机座21、光栅尺22、导轨23、光栅读数头24、导轨滑块25、导杆26、电机滑块座27、侧板28、音圈电机动块29、音圈电机定子30、上盖31、盖板32、螺钉若干组合而成。本发明需要两个支链，且安装有相互位置要求。

音圈电机是基于电磁感应的直线运动电机，在音圈电机动块29的行程范围内，定子30上的永久磁铁给予了它比较均匀的磁场，当动块29的线圈中通入电流，载有电流的导体在磁场中会受到电磁力的作用，这个电磁力的方向可以由左手定则来确定，让左手掌正对定子30上磁铁产生的磁场，四指顺着动块29上电流的方向，大拇指所指的方向就是动块29所受的电磁力方向，当动块29受到的电磁力大于动块29与定子30之间的阻力的时候，就可以使音圈电机产生直线运动。

电机座21上有音圈电机定子30的安装限位块，并且在音圈电机动块29运动方向上设置导轨23安装槽，以及光栅尺22的安装槽。音圈电机定子30、导轨23、光栅尺23三者之间有相互位置要求。

电机滑块座27上设置导轨滑块25的安装凹槽，导杆26的螺纹孔，音圈电机动块29的安装凹槽，以及光栅读数头24的安装面。导轨滑块25、导杆26、音圈电机29、光栅读数头24四者安装有相互位置要求。

如附图3所示，失电锁紧装置3主要由基座1的双耳轴承座结构、电机座21 底部的定位孔及附属键槽结构、失电抱闸器33、压圈一34、平键一35、角接触球轴承36、铰链轴37、压圈二38、平键二39、隔圈40、螺钉若干组合而成。本发明需要两个失电锁紧装置，且安装有相互位置要求。

基座1上有轴承36的安装孔、压圈一34、压圈二38的螺纹孔，以及失电抱闸器33的安装面及固定螺纹孔。电机座21上设置铰链轴37的孔，以及传递运动的平键二39的键槽。

两个角接触球轴承36面对面安装于基座1的轴承安装孔内，并通过压圈一 34、压圈二38实现轴承36外圈与基座1的相对连接。铰链轴37通过定位台阶、轴孔配合与轴承36内圈实现固定连接。电机座21通过铰链轴37上的定位台阶、轴孔配合、平键二39以及隔圈40实现与铰链轴37的固定连接。失电抱闸器33 的外圈通过螺钉安装到基座1的安装面上，失电抱闸器33的内圈通过轴孔配合和平键一35实现与铰链轴37的固定连接。

综上，失电抱闸装置(3)从左到右依次为：压圈二38、基座1的双耳轴承座左支、左角接触球轴承36、铰链轴37的左定位轴颈及定位轴肩、电机座21 及平键二39、隔圈40、基座1的双耳轴承座右支、压圈一34、失电抱闸器33 及平键一35。

失电抱闸器33为通电吸合(释放)，断电弹簧制动的摩擦式制动器。具有结构紧凑简单、安装快捷、噪音低、制动平稳等特点，有制动、保持两种功能。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

基座1与动平台10通过立柱5、单万向节8依次连接。其中，立柱5与基座 1、动平台10与单万向节8通过大圆柱头开槽螺钉连接，并设置紧定螺钉孔，通过大圆柱头开槽螺钉实现连接，并通过紧定螺钉实现锁止；立柱10与单万向节 8通过螺纹连接，并设置有锁紧螺母，实现固定连接。

失电抱闸装置3中电机座21与铰链轴37采用轴孔配合，通过平键二39传递支链4相对基座1的摆动运动。铰链轴37通过一对角接触轴承36(面对面安装)，实现与基座1的相对转动。失电抱闸器33的外圈与基座1通过螺钉实现固定连接。铰链轴37通过平键一35将摆动运动传递到失电抱闸器33的内圈上，实现失电后的锁止要求。铰链轴37为阶梯轴，角接触轴36通过定位台阶、压圈二38、隔圈40、压圈一34固定连接到基座1上，进而实现两个支链4的相对位置要求。

在相互成90°方向上，两个支链4中的电机座21通过失电抱闸装置和底座实现转动连接，并且实现失电后锁住机构，避免音圈电机动块29因失电后的浮动状态造成设备不可控。支链4中的导杆26与单万向节8通过螺纹连接，并通过锁紧螺母实现锁止。与支链4相连的单万向节8通过大圆柱头开槽螺钉实现与动平台10的固定连接，并采用紧定螺钉锁止。

音圈电机定子30通过限位凹槽、螺钉实现与电机座21的固定连接，导轨23 通过限位凹槽、螺钉实现与电机座21的固定连接，光栅尺22通过凹槽、不干胶实现与电机座21的固定连接。电机滑块座27固定到导轨滑块25上，光栅读数头24、音圈电机动块29通过定位面、螺钉固定到电机滑块座27上，导杆26通过螺纹实现与电机滑块座27的固定连接，并依靠锁紧螺母进行锁止。进而实现音圈电机动块29相对音圈电机定子30的直线相对运动。

单万向节8能够实现两个相互垂直方向的转动，可以替代胡克铰链。

倾角传感器9、光纤陀螺6、音圈电机动块29、光栅读数头24的控制线均与控制板2通过电缆连接。倾角传感器9能够测量绕平行于安装面两个轴的转动，通过动平台10上的安装凹槽，实现测量动平台10相对于基座1的两个方向的转动。光纤陀螺6只能够测量单轴转动，因此，本发明采用两个光纤陀螺6，并通过陀螺支架7实现测量相对于基座1的两个方向的转动。

通过一支链4中音圈电机动块29带动电机滑块座27和导轨滑块25沿导轨 22的直线运动，进而带动导杆26推动单万向节8、动平台10绕基座1水平面一个方向的转动。通过另一支链4中音圈电机动块29带动电机滑块座27和导轨滑块25沿导轨23的直线运动，进而带动导杆26推动单万向节8、动平台10绕基座1水平面另一个方向的转动。两个方向的相对转动相互垂直，互不耦合。而且一个方向的运动与另一个方向的运动相互独立，因此，通过倾角传感器9、光纤陀螺6、光栅读数头24反馈的信号，实现控制两个音圈电机，可以实现横摇、俯仰两个转动的补偿要求。

本发明的两轴并联式稳定平台结构紧凑，两个音圈电机驱动的支链互不耦合，运动分析简单，并设置失电锁紧装置，实现失电后整机处于可控状态，三维模型如图4所示。通过两个支链构成了两自由度并联式稳定平台，采用单万向节作为可动连接，实现大幅角的运动范围，并且采用音圈电机直接驱动，响应速度快，使得本并联式运动稳定平台满足较多场合使用。

Claims (6)

1.一种两轴并联式稳定平台，其特征在于：包括基座(1)、控制板(2)、失电锁紧装置(3)、支链(4)、立柱(5)、光纤陀螺(6)、单万向节(8)、倾角传感器(9)和动平台(10)；两个失电锁紧装置(3)安装于基座(1)上并相互成90度夹角，立柱(5)安装于基座(1)中心，立柱(5)上端通过单万向节(8)与动平台(10)实现两个方向相互垂直的转动连接；两个支链(4)互成90°设置，其下端分别通过失电锁紧装置(3)与基座(1)转动连接，上端导杆(26)通过单万向节(8)与动平台(10)实现两个方向的转动连接；动平台(10)下方安装有倾角传感器(9)和两个相互垂直安装的光纤陀螺(6)，其中，倾角传感器(9)和光纤陀螺(6)的测量转动轴线均与动平台(10)的转动轴线平行，用于检测动平台的偏离角度和角加速度；控制板(2)安装在基座(1)上，分别与失电锁紧装置(3)、支链(4)、光纤陀螺(6)和倾角传感器(9)连接，用于接收光纤陀螺(6)和倾角传感器(9)反馈的动平台姿态信号，并通过解锁失电锁紧装置(3)、驱动支链(4)，实现动平台(10)的稳定需求；

所述支链(4)由电机座(21)、光栅尺(22)、导轨(23)、光栅读数头(24)、导轨滑块(25)、导杆(26)、电机滑块座(27)、侧板(28)、音圈电机动块(29)、音圈电机定子(30)、上盖(31)、盖板(32)组合而成；

支链(4)的固定部分结构从下到上依次为：电机座(21)、音圈电机定子(30)、导轨(23)、光栅尺(22)、上盖(31)；两个侧板(28)和盖板(32)分别位于电机座(21)的两侧及前侧；线性滑移部分以电机滑块座(27)为中心，一侧为音圈电机动块(29)，另一侧为导轨滑块(25)，前侧为光栅读数头(24)，上部设置导杆(26)；

电机座(21)底部上设有音圈电机定子(30)的安装基面，并在音圈电机定子(30)侧面设置导轨(23)安装基面和光栅尺(22)的安装基面；音圈电机定子(30)中音圈电机动块(29)、导轨(23)上的导轨滑块(25)、光栅尺(22)上光栅读数头(24)三者的运动方向一致；

电机滑块座(27)的一个侧面为导轨滑块(25)的安装基面，电机滑块座(27)的另一侧为音圈电机动块(29)的安装基面，电机滑块座(27)的第三个侧面为光栅读数头(24)的安装基面，电机滑块座(27)的顶面设有导杆(26)的安装螺纹孔；电机滑块座(27)将导轨滑块(25)、音圈电机动块(29)、光栅读数头(24)以及导杆(26)组成支链的可动部分，在支链的运动轨道内进行线性滑移。

2.根据权利要求1所述的两轴并联式稳定平台，其特征在于：所述两个相互垂直安装的光纤陀螺(6)通过陀螺支架(7)安装在动平台(10)下方，且测量转动轴线与动平台(10)的转动轴线平行。

3.根据权利要求1所述的两轴并联式稳定平台，其特征在于：所述上盖(31)通过定位台阶定位固定于电机座(21)、侧板(28)、盖板(32)的上方，上盖(31)中间开孔，导杆(26)穿孔而过，将音圈电机动块(29)的运动传递到支链(4)外部。

4.根据权利要求1所述的两轴并联式稳定平台，其特征在于：所述失电锁紧装置(3)由失电抱闸器(33)、压圈一(34)、平键一(35)、角接触球轴承(36)、铰链轴(37)、压圈二(38)、平键二(39)、隔圈(40)组成；

基座(1)上相对中心呈90°方向上布置两个双耳轴承座，电机座(21)底部布置轴孔及键槽结构，基座(1)和电机座(21)通过双耳轴承座、底部轴孔及键槽结构连接；

两个角接触球轴承(36)面对面安装于一个双耳轴承座的安装孔内，两个角接触球轴承(36)分别通过压圈一(34)、压圈二(38)实现角接触球轴承(36)外圈与基座(1)的相对固定连接；铰链轴(37)通过定位轴肩、轴孔配合与角接触球轴承(36)内圈实现固定连接；电机座(21)通过铰链轴(37)上的定位轴肩和轴颈及其键槽、平键二(39)以及隔圈(40)实现与铰链轴(37)的固定连接；失电抱闸器(33)的外圈通过螺钉安装到基座(1)的安装面上，失电抱闸器(33)的内圈通过轴孔配合和平键一(35)实现与铰链轴(37)的固定连接。

5.根据权利要求4所述的两轴并联式稳定平台，其特征在于：所述铰链轴(37)上依次为轴承安装轴颈、定位轴肩、与电机座(21)进行轴孔配合的定位轴颈及其附属键槽、轴承安装轴颈、与失电抱闸器(33)进行轴孔配合的定位轴颈及其附属键槽。

6.根据权利要求4所述的两轴并联式稳定平台，其特征在于：所述失电抱闸器(33)的外圈与铰链轴(37)同心。

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