CN111307175A - 一种高动态三轴仿真转台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高动态三轴仿真转台，包括偏航轴系、俯仰轴系和滚转轴系，偏航轴系包括偏航支承座、偏航框架、偏航电机和偏航支承轴承，俯仰轴系包括俯仰电机座、U型俯仰支承座、俯仰电机、俯仰传动杆机构、俯仰框架和俯仰输出轴，俯仰电机座和俯仰电机及U型俯仰支承座均与偏航轴系同轴线布置，俯仰传动杆机构包括俯仰主动连杆，俯仰串动杆和俯仰从动端盖，俯仰主动连杆与俯仰电机的输出轴连接，俯仰从动端盖与俯仰框架的一端连接；滚转轴系包括滚转电机和滚转支承轴承。本发明把俯仰轴系的驱动元件转移到了偏航轴线上，可以大幅度地降低其对偏航轴系的转动惯量，进而对大幅度提高偏航轴系的加速度和频响指标创造了条件。

Description

一种高动态三轴仿真转台
技术领域
本发明属于运动仿真装备技术领域，尤其是涉及一种高动态三轴仿真转台。
背景技术
三轴仿真转台广泛应用于导弹、无人机、卫星及水下航行器等领域中，主要实现扭滚转、俯仰和偏航三个自由度的模拟等功能。传统的三轴转台一般分为卧式结构和立式结构两种，由于三个框架的转动惯量较大，难以实现较高的动态性能。传统的三轴转台角加速度一般不能超过10000°/s2，即使采用液压驱动方式，角加速度角一般不超过20000°/s2，不适用于新型号空空弹、超空泡水下航行器等高动态仿真需求的场合。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高动态三轴仿真转台，把俯仰轴系的驱动元件转移到了偏航轴线上，而不是传统转台中俯仰电机位于偏航U型框架的远离偏航轴线的U型臂端，因此可以大幅度地降低其对偏航轴系的转动惯量，进而对大幅度提高偏航轴系的加速度和频响指标创造了条件。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高动态三轴仿真转台，包括偏航轴系、俯仰轴系和滚转轴系，所述的偏航轴系包括偏航支承座、偏航框架、偏航电机和偏航支承轴承，所述的偏航电机设置在偏航支承座内，所述的偏航电机设有偏航输出轴，通过偏航支承轴承将偏航输出轴支撑在偏航支承座内，所述的偏航输出轴伸出偏航支承座顶端与偏航框架连接；
所述的俯仰轴系包括固定在偏航框架上的俯仰电机座、设置在俯仰电机座上部的且与俯仰电机座一体设置的U型俯仰支承座、俯仰电机、俯仰传动杆机构、俯仰框架和俯仰输出轴，所述的俯仰电机座和俯仰电机及U型俯仰支承座均与偏航轴系同轴线布置，所述的俯仰电机设置在俯仰电机座内；所述的俯仰框架设置在U型俯仰支承座内，俯仰框架的左右两侧各通过一俯仰输出轴与U型俯仰支承座的两个臂端转动连接，所述的俯仰传动杆机构包括俯仰主动连杆，俯仰串动杆和俯仰从动端盖，所述的俯仰主动连杆和俯仰从动端盖分别设置在俯仰串动杆的上下两端，所述的俯仰主动连杆和俯仰串动杆之间以及所述俯仰串动杆和俯仰从动端盖之间均为铰接，所述的俯仰主动连杆与俯仰电机的输出轴连接，所述的俯仰从动端盖与俯仰框架的一端连接；
所述的滚转轴系包括滚转电机和滚转支承轴承，所述的滚转电机设置在俯仰框架内，所述的滚转电机设有滚转输出轴，所述滚转输出轴通过滚转支承轴承设置在俯仰框架内，所述的滚转输出轴为空心轴；
所述的俯仰输出轴与俯仰电机的输出轴在空间上呈平行布置；在所有电机内均内置一测角元件。
进一步的，每个俯仰输出轴与U型俯仰支承座的相应臂之间的连接处均设有一俯仰支承轴承。
进一步的，所述俯仰框架为空心圆柱结构。
进一步的，两个俯仰输出轴的延长线均穿过俯仰框架的中心。
进一步的，所述偏航电机和俯仰电机均为交流无刷力矩电机，所述滚转电机为环形中空交流无刷力矩电机。
进一步的，所述测角元件为钢栅尺或光电编码器。
进一步的，所述偏航支承轴承和俯仰支承轴承均为交叉滚子轴承，所述滚转支承轴承为交叉滚子圆环轴承。
进一步的，所述俯仰传动杆机构进行消隙处理。
相对于现有技术，本发明所述的一种高动态三轴仿真转台具有以下优势：
本发明所述的一种高动态三轴仿真转台，
(1)本发明转台采用立式结构，三个回转轴即滚转输出轴、俯仰输出轴和偏航输出轴分别实现滚转、俯仰和偏航运动；
(2)为降低俯仰轴系及电机对偏航轴系造成的大转动惯量，将俯仰电机布置在偏航轴系的轴线上，俯仰传动杆机构是一种平行四连杆机构，通过消隙处理的俯仰传动杆机构实现俯仰运动的1：1传动比传递；俯仰框架和俯仰电机座采用一体化设计，以减少连接面带来的尺寸和惯量增加，偏航电机尽量靠近偏航支承轴承设置，以获得更好的机械刚度特性；
(3)俯仰电机、俯仰轴系，滚转轴系和滚转电机的惯量主要集中在偏航轴系的轴线附近，整体惯量小，便于高动态指标实现。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种高动态三轴仿真转台的立体结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种高动态三轴仿真转台的主视图；
图3为本发明实施例所述的一种高动态三轴仿真转台的侧视图。
附图标记说明：
1-偏航轴系，1-1-偏航支承座，1-2-偏航电机，1-3-偏航输出轴，1-4-偏航框架，1-5-偏航支承轴承；
2-俯仰轴系，2-1-俯仰电机，2-2-俯仰电机座，2-3-输出轴，2-4-U型俯仰支承座，2-5-俯仰主动连杆，2-6-俯仰串动杆，2-7-俯仰从动端盖，2-8-俯仰框架，2-9-俯仰支承轴承，2-10-俯仰输出轴；
3-滚转轴系，3-1-滚转电机，3-2-滚转输出轴，3-3-滚转支承轴承。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，一种高动态三轴仿真转台，包括偏航轴系1、俯仰轴系2和滚转轴系3，所述的偏航轴系1包括偏航支承座1-1、偏航框架1-4、偏航电机1-2和偏航支承轴承1-5，所述的偏航电机1-2设置在偏航支承座1-1内，所述的偏航电机1-2设有偏航输出轴1-3，通过偏航支承轴承1-5将偏航输出轴1-3支撑在偏航支承座1-1内，所述的偏航输出轴1-3伸出偏航支承座1-1顶端与偏航框架1-4连接；
所述的俯仰轴系2包括固定在偏航框架1-4上的俯仰电机座2-2、设置在俯仰电机座2-2上部的且与俯仰电机座2-2一体设置的U型俯仰支承座2-4、俯仰电机2-1、俯仰传动杆机构、俯仰框架2-8和俯仰输出轴2-10，所述的俯仰电机座2-2和俯仰电机2-1及U型俯仰支承座2-4均与偏航轴系1同轴线布置，所述的俯仰电机2-1设置在俯仰电机座2-2内；所述的俯仰框架2-8设置在U型俯仰支承座2-4内，俯仰框架2-8的左右两侧各通过一俯仰输出轴2-10与U型俯仰支承座2-4的两个臂端转动连接，所述的俯仰传动杆机构包括俯仰主动连杆2-5，俯仰串动杆2-6和俯仰从动端盖2-7，所述的俯仰主动连杆2-5和俯仰从动端盖2-7分别设置在俯仰串动杆2-6的上下两端，所述的俯仰主动连杆2-5和俯仰串动杆2-6之间以及所述俯仰串动杆2-6和俯仰从动端盖2-7之间均为铰接，所述的俯仰主动连杆2-5与俯仰电机2-1的输出轴2-3连接，所述的俯仰从动端盖2-7与俯仰框架2-8的一端连接；
所述的滚转轴系3包括滚转电机3-1和滚转支承轴承3-3，所述的滚转电机3-1设置在俯仰框架2-8内，所述的滚转电机3-1设有滚转输出轴3-2，所述滚转输出轴3-2通过滚转支承轴承3-3设置在俯仰框架2-8内，所述的滚转输出轴3-2为空心轴；
所述的俯仰输出轴2-10与俯仰电机2-1的输出轴2-3在空间上呈平行布置；在所有电机内均内置一测角元件。
每个俯仰输出轴2-10与U型俯仰支承座2-4的相应臂之间的连接处均设有一俯仰支承轴承2-9。
俯仰框架2-8为空心圆柱结构。两个俯仰输出轴2-10的延长线均穿过俯仰框架2-8的中心。
偏航电机1-2和俯仰电机2-1均为交流无刷力矩电机，所述滚转电机3-1为环形中空交流无刷力矩电机。测角元件为钢栅尺或光电编码器。具体可以为：滚转轴系的测角元件为大中空钢栅尺，俯仰轴系和偏航轴系的测角元件均为光电编码器。
偏航支承轴承1-5和俯仰支承轴承2-9均为交叉滚子轴承，所述滚转支承轴承3-3为交叉滚子圆环轴承。俯仰传动杆机构进行消隙处理。
本发明可根据刚度设计俯仰传动杆机构，可根据控制精度要求选择光电编码器的型号。
三轴仿真转台中的偏航轴系的框架部分采用钢材料焊接，其他轴系的框架部分的材料采用硬铝合金铸造。
本发明的工作原理为：将三轴仿真转台的框架、驱动电机、测角元件等尽量布置在偏航轴线附近，使其整体转动惯量最小。偏航电机1-2直接驱动偏航轴系1实现旋转运动，俯仰电机2-1通过消隙处理的俯仰传动杆机构驱动俯仰轴系2实现旋转运动，滚转电机3-1直接驱动滚转轴系3实现旋转运动。
将三轴仿真转台的框架、驱动电机、测角元件等尽量布置在偏航轴线附近，使其整体转动惯量最小。表1为10kg负载情况下三轴仿真转台各个输出轴角加速度的结果。
表1三轴仿真转台计算结果(10kg负载)
Figure BDA0002388236640000051
从表1中可以看出：三台电机的力矩分别为430Nm、624Nm、1820Nm情况下实现三轴角加速度为：55000°/s2、20000°/s2、20000°/s2，也就是在电机驱动力矩小于2000Nm的情况下，实现三轴仿真转台角加速度55000°/s2、20000°/s2、20000°/s2的指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：包括偏航轴系(1)、俯仰轴系(2)和滚转轴系(3)，所述的偏航轴系(1)包括偏航支承座(1-1)、偏航框架(1-4)、偏航电机(1-2)和偏航支承轴承(1-5)，所述的偏航电机(1-2)设置在偏航支承座(1-1)内，所述的偏航电机(1-2)设有偏航输出轴(1-3)，通过偏航支承轴承(1-5)将偏航输出轴(1-3)支撑在偏航支承座(1-1)内，所述的偏航输出轴(1-3)伸出偏航支承座(1-1)顶端与偏航框架(1-4)连接；
所述的俯仰轴系(2)包括固定在偏航框架(1-4)上的俯仰电机座(2-2)、设置在俯仰电机座(2-2)上部的且与俯仰电机座(2-2)一体设置的U型俯仰支承座(2-4)、俯仰电机(2-1)、俯仰传动杆机构、俯仰框架(2-8)和俯仰输出轴(2-10)，所述的俯仰电机座(2-2)和俯仰电机(2-1)及U型俯仰支承座(2-4)均与偏航轴系(1)同轴线布置，所述的俯仰电机(2-1)设置在俯仰电机座(2-2)内；所述的俯仰框架(2-8)设置在U型俯仰支承座(2-4)内，俯仰框架(2-8)的左右两侧各通过一俯仰输出轴(2-10)与U型俯仰支承座(2-4)的两个臂端转动连接，所述的俯仰传动杆机构包括俯仰主动连杆(2-5)，俯仰串动杆(2-6)和俯仰从动端盖(2-7)，所述的俯仰主动连杆(2-5)和俯仰从动端盖(2-7)分别设置在俯仰串动杆(2-6)的上下两端，所述的俯仰主动连杆(2-5)和俯仰串动杆(2-6)之间以及所述俯仰串动杆(2-6)和俯仰从动端盖(2-7)之间均为铰接，所述的俯仰主动连杆(2-5)与俯仰电机(2-1)的输出轴(2-3)连接，所述的俯仰从动端盖(2-7)与俯仰框架(2-8)的一端连接；
所述的滚转轴系(3)包括滚转电机(3-1)和滚转支承轴承(3-3)，所述的滚转电机(3-1)设置在俯仰框架(2-8)内，所述的滚转电机(3-1)设有滚转输出轴(3-2)，所述滚转输出轴(3-2)通过滚转支承轴承(3-3)设置在俯仰框架(2-8)内，所述的滚转输出轴(3-2)为空心轴；
所述的俯仰输出轴(2-10)与俯仰电机(2-1)的输出轴(2-3)在空间上呈平行布置；在所有电机内均内置一测角元件。
2.根据权利要求1所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：每个俯仰输出轴(2-10)与U型俯仰支承座(2-4)的相应臂之间的连接处均设有一俯仰支承轴承(2-9)。
3.根据权利要求1所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：所述俯仰框架(2-8)为空心圆柱结构。
4.根据权利要求3所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：两个俯仰输出轴(2-10)的延长线均穿过俯仰框架(2-8)的中心。
5.根据权利要求1所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：所述偏航电机(1-2)和俯仰电机(2-1)均为交流无刷力矩电机，所述滚转电机(3-1)为环形中空交流无刷力矩电机。
6.根据权利要求1所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：所述测角元件为钢栅尺或光电编码器。
7.根据权利要求1所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：所述偏航支承轴承(1-5)和俯仰支承轴承(2-9)均为交叉滚子轴承，所述滚转支承轴承(3-3)为交叉滚子圆环轴承。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种高动态三轴仿真转台，其特征在于：所述俯仰传动杆机构进行消隙处理。
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