CN111811541A - 一种双轴转台系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双轴转台系统。该双轴转台系统包括内轴部和外轴部，内轴部的轴向正交于外轴部的轴向，且外轴部轴连接内轴部，以使得内轴部能够围绕外轴部的轴向进行转动。本发明实施例所提供的双轴转台系统，属于地平式T型结构双轴转台，通过控制主机向内轴电机和外轴电机输出符合电机运转特性的高精度的驱动信号，使得内轴电机和外轴电机能够响应控制主机的驱动信号按照设定的运转曲线进行平滑转动，实现不同转速之间的平滑过渡，从而解决了现有技术中大型的转台系统在低速状态下失真度大的问题，提高了对于待测器件的检测精度。同时本发明实施例所提供的双轴转台系统具有体积小、质量轻的优点，能够满足多种工程级别的验证需求。

Description

一种双轴转台系统

技术领域

本发明实施例涉及仿真控制技术领域，尤其涉及一种双轴转台系统。

背景技术

陀螺仪用于检测物体的角速度，加速度传感器用于检测物体的加速度。在陀螺仪或者加速度传感器的生产过程中，需要对陀螺仪或者加速度传感器进行标定、反复检测，以使得在设定输入信号的作用下陀螺仪或者加速度传感器的输出量符合规范要求。

现有的双轴转台系统其体积较大，且现有的双轴转台系统在低速状态下速度失真度较大，从而影响了陀螺仪或加速度传感器在低速运转状态的测试精度和测试可靠性。

发明内容

本发明实施例提供一种双轴转台系统，以提高转台系统的稳定性，提高对于速度型或加速度型器件的测试可靠性。

本发明实施例提供了一种双轴转台系统，包括内轴部和外轴部，所述内轴部的轴向正交于所述外轴部的轴向，且所述外轴部轴连接所述内轴部，以使得所述内轴部能够围绕所述外轴部的轴向进行转动；

所述内轴部包括内轴框架，所述内轴框架沿所述内轴部的轴向的第一端连接有内轴编码器，沿所述内轴部的轴向的第二端连接有内轴电机，所述内轴电机和所述内轴编码器通过第一转轴连接；所述内轴框架在所述第一端和所述第二端之间间隔设置有第一支撑臂和第二支撑臂，所述第一转轴支承于所述第一支撑臂和所述第二支撑臂；所述第一转轴位于所述第一支撑臂和所述第二支撑臂之间的部分连接有用于固定待测器件的载物台，所述内轴电机通过所述第一转轴驱动所述载物台沿所述内轴部的轴向进行转动；

所述外轴部包括沿所述外轴部的轴向设置于所述内轴框架两侧的第一外轴支架和第二外轴支架，所述第一外轴支架支承有第二转轴，所述第二转轴的一端连接所述内轴框架的第一侧，所述第二转轴的另一端穿过所述第一外轴支架连接外轴编码器；所述第二外轴支架支承有第三转轴，所述第三转轴的一端连接所述内轴框架的第二侧，所述第三转轴的另一端穿过所述第二外轴支架连接外轴电机，所述外轴电机通过所述第三转轴驱动所述内轴框架围绕所述外轴部的轴向进行转动；

还包括控制主机，所述控制主机与所述内轴编码器、所述内轴电机、所述外轴编码器、所述外轴电机以及所述待测器件分别连接，所述控制主机用于响应用户输入的测试指令，向所述内轴电机和所述外轴电机输出设定类型的驱动信号，并获取所述内轴编码器、所述外轴编码器和所述待测器件的输出信号，基于所述输出信号将所述内轴部、所述外轴部以及所述待测器件的运行状态按照预设方式进行展示。

可选的，所述内轴部还包括内轴过孔滑环，所述内轴过孔滑环固定于所述内轴框架，且所述第一转轴穿过所述内轴过孔滑环；

所述内轴过孔滑环的输入端连接所述待测器件，所述内轴过孔滑环用于与所述待测器件进行通讯，并输出所述待测器件的的转动信号。

可选的，所述外轴部还包括固定于所述第一外轴支架的第一外轴过孔滑环和固定于所述第二外轴支架的第二外轴过孔滑环；

所述第二转轴穿过所述第一外轴过孔滑环，所述第三转轴穿过所述第二外轴过孔滑环；

所述第一外轴过孔滑环的输入端与所述内轴编码器的输出端连接，所述第一外轴过孔滑环的输出端连接所述控制主机，所述第一外轴过孔滑环用于将所述内轴编码器的输出信号输出至所述控制主机；

所述第二外轴过孔滑环的输入端与所述内轴过孔滑环的输出端和所述内轴电机的驱动器分别连接，所述第二外轴过孔滑环的输出端连接所述控制主机，所述第二外轴过孔滑环用于将所述控制主机的驱动信号传输至所述内轴电机以及所述待测器件，并将所述待测器件的反馈信号输出至所述控制主机。

可选的，还包括内轴限位器和外轴限位器；所述内轴限位器和所述外轴限位器的信号输出端连接所述控制主机；

所述内轴限位器设置于所述内轴框架朝向所述第一转轴的一侧，所述外轴限位器设置于所述第一外轴支架或所述第二外轴支架朝向所述内轴框架的一侧。

可选的，所述内轴部还包括配重模块，所述配重模块设置于所述内轴框架位于所述内轴编码器的一端，所述配重模块用于调节所述内轴部的重心，以使得所述内轴部的重心与所述内轴部的几何中心重合。

可选的，还包括沿所述外轴部的轴向设置于所述第一外轴支架和所述第二外轴支架两侧的第一承重支架和第二承重支架；

所述外轴编码器固定于所述第一承重支架，所述第二转轴穿过所述第一承重支架后连接所述外轴编码器；

所述外轴电机固定于所述第二承重支架，所述第三转轴穿过所述第二承重支架后连接所述外轴电机。

可选的，所述第一承重支架和所述第一外轴支架通过具有第一预设强度的第一连接部连接，所述第二承重支架和所述第二外轴支架通过具有第二预设强度的第二连接部连接。

可选的，还包括安装底座，所述第一外轴支架、所述第二外轴支架、所述第一承重支架和所述第二承重支架均固定于所述安装底座。

可选的，所述内轴框架为航空铝框架；

所述第一外轴支架、所述第二外轴支架、所述第一承重支架和所述第二承重支架均为预设强度的钢制支架；所述安装底座为预设强度的钢制底座。

可选的，所述内轴电机和所述外轴电机均为步进电机。

可选的，所述第一支撑臂、所述第二支撑臂、所述内轴框架的第一端和第二端均设置有内轴过孔，各所述内轴过孔内均设置有内轴轴承，各所述内轴轴承的外圈与对应所述内轴过孔过盈配合，各所述内轴轴承的内圈与所述第一转轴过盈配合；

所述第一外轴支架、所述第二外轴支架、所述第一承重支架以及所述第二承重支架均设置有外轴过孔，各所述外轴过孔内均设置有外轴轴承，各所述外轴轴承的外圈与对应所述外轴过孔过盈配合，各所述外轴轴承的内圈分别与对应位置的所述第二转轴或所述第三转轴过盈配合。

可选的，各转轴的端部连接有柔性联轴器；

所述第一转轴通过端部的所述柔性联轴器与所述内轴电机和所述内轴编码器分别连接；

所述第二转轴和所述第三转轴通过端部的所述柔性联轴器与所述外轴编码器和所述外轴电机对应连接。

本发明实施例通过设置内轴框架，在内轴框架设置第一转轴，由内轴电机驱动第一转轴转动，从而带动固定于第一转轴的载物台在第一维度进行转动；通过在内轴框架的两侧设置第二转轴和第三转轴，由外轴电机驱动第三转轴转动，进而带动内轴框架围绕外轴部的轴向进行转动，从而带动载物台在第二维度进行转动。通过设置内轴编码器与第一转轴连接，设置外轴编码器与第二转轴连接，从而由内轴编码器输出的编码信号作为内轴部的基准信号，由外轴编码器输出的编码信号作为外轴部的基准信号，控制主机基于这两个基准信号对待测器件在第一维度和第二维度进行速度或加速度检测。本发明实施例所提供的双轴转台系统，属于地平式T型结构双轴转台，通过控制主机向内轴电机和外轴电机输出符合电机运转特性的高精度的驱动信号，使得内轴电机和外轴电机能够响应控制主机的驱动信号按照设定的运转曲线进行平滑转动，实现不同转速之间的平滑过渡，从而解决了现有技术中大型的转台系统在低速状态下失真度大的问题，提高了对于待测器件的检测精度。同时本发明实施例所提供的双轴转台系统具有体积小、质量轻的优点，能够满足多种工程级别的验证需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种双轴转台系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的内轴部的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的外轴部的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的采用S型曲线控制算法下的内轴速度图形；

图5为本发明实施例提供的一种导数函数的曲线图；

图6为本发明实施例提供的S型曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种双轴转台系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的内轴部的结构示意图，图3为本发明实施例提供的外轴部的结构示意图。该双轴转台系统为小型的转台系统，可用于对陀螺仪、加速度传感器等进行检测验证。通过本实施例所提供的双轴转台系统，可以精确实现在各种转速状态下复现被测物体的各种动力学特性。参考图1～图3，该双轴转台系统包括内轴部和外轴部，内轴部的轴向正交于外轴部的轴向，且外轴部轴连接内轴部，以使得内轴部能够围绕外轴部的轴向进行转动；

内轴部包括内轴框架10，内轴框架10沿内轴部的轴向的第一端连接有内轴编码器11，沿内轴部的轴向的第二端连接有内轴电机12，内轴电机12和内轴编码器11通过第一转轴13连接；内轴框架10在第一端和第二端之间间隔设置有第一支撑臂14和第二支撑臂15，第一转轴13支承于第一支撑臂14和第二支撑臂15；第一转轴13位于第一支撑臂14和第二支撑臂15之间的部分连接有用于固定待测器件的载物台16，内轴电机12通过第一转轴13驱动载物台16沿内轴部的轴向进行转动；

外轴部包括沿外轴部的轴向设置于内轴框架10两侧的第一外轴支架20和第二外轴支架21，第一外轴支架20支承有第二转轴22，第二转轴22的一端连接内轴框架10的第一侧，第二转轴22的另一端穿过第一外轴支架20连接外轴编码器24；第二外轴支架21支承有第三转轴23，第三转轴23的一端连接内轴框架10的第二侧，第三转轴23的另一端穿过第二外轴支架21连接外轴电机25，外轴电机25通过第三转轴23驱动内轴框架10围绕外轴部的轴向进行转动；

还包括控制主机(图中未示出)，控制主机与内轴编码器11、内轴电机12、外轴编码器24、外轴电机25以及待测器件分别连接，控制主机用于响应用户输入的测试指令，向内轴电机12和外轴电机25输出设定类型的驱动信号，并获取内轴编码器11、外轴编码器24和待测器件的输出信号，基于输出信号将内轴部、外轴部以及待测器件的运行状态按照预设方式进行展示。

具体地，内轴部用于驱动待测器件在第一维度进行转动，外轴部用于驱动待测器件在第二维度进行转动，进而实现双轴转台系统的双自由度架构。

内轴框架10采用“回型”一体式结构设置，内轴框架10的一端设置内轴电机12，内轴电机12的动力输出端连接第一转轴13，由内轴电机12驱动第一转轴13转动。载物台16固定于第一转轴13，从而实现由内轴电机12驱动第一转轴13带动载物台16转动，而待测器件固定于载物台16，因而在此结构下，实现了由内轴电机12通过第一转轴13驱动待测器件进行相应转动。在一可选的实施方式中，载物台16设有穿心过孔，第一转轴13穿过该孔，然后在载物台16的背面，使用六角沉头螺丝将载物台16与第一转轴13进行固定。

第一转轴13的另一端连接内轴编码器11，从而在第一转轴13转动的过程中，由内轴编码器11检测第一转轴13的转动角度，这样可以通过内轴编码器11对第一转轴13的转动角度也即待测器件的转动角度进行校验，从而控制主机将内轴编码器11输出的编码信号作为标准信号，对待测器件的速度信号或加速度信号进行校验。

在内轴框架10的第一端和第二端之间设置的第一支撑臂14和第二支撑臂15可以对第一转轴13形成支撑，第一转轴13支承设置于这两个支撑臂，这样，可以保证第一转轴13在转动的过程中不会因为垂直方向的承重问题而造成旋转偏心，从而可以保护内轴部的第一转轴13，保证内轴部稳定运行，有助于提高测试精度。

外轴部用于驱动内轴部围绕外轴部的轴向进行转动，以实现双轴转台系统在另一维度的转动。具体而言，外轴部的轴向包括第二转轴22和第三转轴23，由第二转轴22与内轴框架10的一侧连接，由第三转轴23与内轴框架10的另一侧连接，而因为第二转轴22和第三转轴23是支承设置于第一外轴支架20和第二外轴支架21，因而内轴框架10在第二转轴22和第三转轴23的带动下可以围绕外轴部的轴向即第二转轴22和第三转轴23的方向进行转动。通过将第三转轴23的另一端连接外轴电机25的动力输出端，从而实现由外轴电机25通过第三转轴23驱动内轴框架10围绕外轴部的轴向进行转动。同时，通过将第二转轴22的另一端连接外轴编码器24，由外轴编码器24来检测内轴框架10的旋转角度，从而控制主机基于外轴编码器24输出的编码信号对待测器件在外轴部的轴向方向的速度或加速度信号进行校验。

本实施例通过设置内轴电机12来驱动第一转轴13转动，从而实现了双轴转台系统在第一维度的转动；通过设置外轴电机25驱动内轴框架10进行转动，实现了双轴转台系统在第二维度的转动。从而通过向内轴电机12和外轴电机25施加预设类型的转动控制信号，使得双轴转台系统能够实现两个维度的转动，以在双维度对待测器件进行角度或者加速度检测。

在一个实施例中，内轴编码器11和外轴编码器24均为增量型旋转编码器，输出A、B相脉冲信号至控制主机，由控制主机进行闭环角度控制。

控制主机中运行有控制软件，以能够按照用户输入的测试指令向内轴电机12和外轴电机25输出对应的驱动信号，使得内轴电机12和外轴电机25按照设定的速度变化曲线运转设定角度，实现不同转速之间的平滑过渡。控制主机中所运行的控制软件，能够根据内轴电机12和外轴电机25的运转特性输出对应的旋转控制信号，使得内轴电机12和外轴电机25在任意转速下都能够进行转速的平滑过渡，从而避免了双轴转台系统在低速状态下出现失真的问题，提高了双轴转台系统的稳定性。

本发明实施例通过设置内轴框架10，在内轴框架10设置第一转轴13，由内轴电机12驱动第一转轴13转动，从而带动固定于第一转轴13的载物台16在第一维度进行转动；通过在内轴框架10的两侧设置第二转轴22和第三转轴23，由外轴电机25驱动第三转轴23转动，进而带动内轴框架10围绕外轴部的轴向进行转动，从而带动载物台16在第二维度进行转动。通过设置内轴编码器11与第一转轴13连接，设置外轴编码器24与第二转轴22连接，从而由内轴编码器11输出的编码信号作为内轴部的基准信号，由外轴编码器24输出的编码信号作为外轴部的基准信号，控制主机基于这两个基准信号对待测器件在第一维度和第二维度进行速度或加速度检测。本发明实施例所提供的双轴转台系统，属于地平式T型结构双轴转台，通过控制主机向内轴电机12和外轴电机25输出符合电机运转特性的高精度的驱动信号，使得内轴电机12和外轴电机25能够响应控制主机的驱动信号按照设定的运转曲线进行平滑转动，实现不同转速之间的平滑过渡，从而解决了现有技术中大型的转台系统在低速状态下失真度大的问题，提高了对于待测器件的检测精度。同时本发明实施例所提供的双轴转台系统具有体积小、质量轻的优点，能够满足多种工程级别的验证需求。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图2。内轴部还包括内轴过孔滑环17，内轴过孔滑环17固定于内轴框架10，且第一转轴13穿过内轴过孔滑环17；

内轴过孔滑环17的输入端连接待测器件，内轴过孔滑环17用于与待测器件进行通讯，并输出待测器件的转动信号。

具体地，过孔滑环能够将转动信号以固定形式进行输出。具体到本实施例中，内轴过孔滑环17能够将内轴部的转动信号以固定形式输出至外轴过孔滑环并进而输出至控制主机。

本实施例中，为了保证双轴转台系统能够平稳运行，控制主机需要分别对内轴电机12、内轴编码器11、以及待测器件的各类信号进行处理，而每个器件均需要输出多路信号，因而就需要布设较多的连接线缆，而过多的线缆在内轴框架10旋转时，不可避免地会缠绕在一起，从而影响内轴框架10的旋转，对内轴部的运行产生影响，造成运转偏差。本实施例通过设置内轴过孔滑环17，将待测器件的输出信号通过内轴过孔滑环17进行输出，从而规整了内轴部所连接的各类信号线，避免了各类信号线与内轴框架10的交缠，因而不会对内轴部的转动产生影响，保证了对于待测器件的检测精度。

需要说明的是，本实施例中的内轴过孔滑环17仅是将其外壳固定于内轴框架10，内轴过孔滑环17本身并不承担第一转轴13以及内轴电机12和内轴编码器11的重量，从而保证了内轴过孔滑环17能够不失真地输出内轴部的转动信号。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图3。外轴部还包括固定于第一外轴支架20的第一外轴过孔滑环26和固定于第二外轴支架21的第二外轴过孔滑环27；

第二转轴22穿过第一外轴过孔滑环26，第三转轴23穿过第二外轴过孔滑环27；

第一外轴过孔滑环26的输入端与内轴编码器11的输出端连接，第一外轴过孔滑环26的输出端连接控制主机，第一外轴过孔滑环26用于将内轴编码器11的输出信号输出至控制主机；

第二外轴过孔滑环27的输入端与内轴过孔滑环17的输出端和內轴电机12的驱动器连接，第二外轴过孔滑环27的输出端连接控制主机，第二外轴过孔滑环27用于将控制主机的驱动信号传输至内轴电机12，并将待测器件的反馈信号输出至控制主机。

具体地，外轴过孔滑环的数量设置为两个，其中的第一外轴过孔滑环26用于将内轴编码器11的编码信号输出至控制主机，第二外轴过孔滑环27用于将控住主机的驱动信号传输至内轴电机12以及待测器件，并将待测器件的反馈信号输出至控制主机，并通过将第一外轴过孔滑环26和第二外轴过孔滑环27分开设置，可以避免电机的驱动信号干扰编码器的编码信号。同时，通过设置外轴过孔滑环将内轴部的信号线以及外轴部的信号线进行规整，避免了外置的信号走线对内轴框架10的旋转产生影响。

本实施例中，因为内轴电机12和外轴电机25的驱动信号为电压型信号，而编码器的编码信号为脉冲型高频振荡信号，因而通过第一外轴过孔滑环26和第二外轴过孔滑环27将电机的驱动信号和编码器的编码信号进行隔离输出，避免了电机的驱动信号对编码器的编码信号产生纹波干扰，从而保证了控制主机能够得到不失真的基准信号，保障了双轴检测系统对于待测器件的检测精度。

可选的，在上述实施例的基础上，参照图2和图3。该双轴转台系统还包括内轴限位器18和外轴限位器28；内轴限位器18和外轴限位器28的信号输出端连接控制主机；

内轴限位器18设置于内轴框架10朝向第一转轴13的一侧，外轴限位器28设置于第一外轴支架20或第二外轴支架21朝向内轴框架10的一侧。

具体地，通过设置内轴限位器18和外轴限位器28用于将内轴部和外轴部回归初始位置。本实施例中，内轴限位器18检测第一转轴13的转动角度进行检测，外轴限位器28对内轴框架10的转动角度进行检测。

在对待测器件完成一次检测后，双轴转台系统的内轴部和/或外轴部因为转动而偏离初始位置，而只有当内轴部和外轴部处于初始位置时，控制主机才可以得到准确的基准位置，进而输出准确的驱动信号至内轴电机和/或外轴电机。因而每运行完一次检测后，都需要将内轴部和外轴部回归至初始位置。

下面以内轴限位器18为例对其回归限位原理作进一步介绍。

内轴限位器18的信号输出端连接控制主机，控制主机中配置有对应的回归算法，当完成一次检测后，控制主机中的回归算法根据本次检测內轴部旋转的角度，控制内轴部相应的进行反方向同角度旋转，当内轴部旋转至內轴限位器18检测范围内时，內轴限位器18反馈信号至控制主机，并确认完成回归至初始位置。

外轴部的回归控制过程类似，本实施例不再赘述。

在一个实施例中，内轴限位器18和外轴限位器28均采用限位U型光电传感器，以通过限位U型光电传感器完成内外轴状态回归动作。

可选的，在上述实施例的基础上。内轴部还包括配重模块(图中未示出)，配重模块设置于内轴框架10位于内轴编码器11的一端，配重模块用于调节内轴部的重心，以使得内轴部的重心与内轴部的几何中心重合。

具体地，内轴框架10上安装内轴编码器11的一端因为重量轻，所以整个内轴部的重心偏向于内轴电机12的一侧，通过设置合适重量的配重模块，可以调整内轴部的重心位置，并最终将内轴部的重心位置调节到与内轴部的几何中心相重合。这样设置的好处在于，当内轴部的重心与几何中心重合时，在外轴部转动时，内轴部不会出现偏心旋摆，因而减少了转动惯量，从而可以保证双轴转台系统能够稳定、安全地运转，同时也有助于延长双轴转台系统的使用寿命。

可选的，在上述实施例的基础上，参考图3。该双轴转台系统还包括沿外轴部的轴向设置于第一外轴支架20和第二外轴支架21两侧的第一承重支架29和第二承重支架30；

外轴编码器24固定于第一承重支架29，第二转轴22穿过第一承重支架29后连接外轴编码器24；

外轴电机25固定于第二承重支架30，第三转轴23穿过第二承重支架30后连接外轴电机25。

具体地，通过设置第一承重支架29和第二承重支架30，由第一承重支架29承担第二转轴22以及外轴编码器24的重量，由第二承重支架30承担第三转轴23以及外轴电机25的重量。在此基础上，第一外轴支架20仅用于固定第一外轴过孔滑环26的外壳，第二外轴支架21仅用于固定第二外轴过孔滑环27的外壳，而避免让第一外轴过孔滑环26和第二外轴过孔滑环27承担对应转轴的重量，使得第一外轴过孔滑环26和第二外轴过孔滑环27仅需要将转动信号进行输出，保证了两个外轴过孔滑环得以可靠运行。此外，第一承重支架29和第二承重支架30起到了对外轴部的加固作用，因而也提高了双轴转台系统的抗震性能。

作为一种实施方式，第二转轴22、第三转轴23以及第一转轴13可通过轴承与对应的支架进行配合，具体地，第一支撑臂14、第二支撑臂15、内轴框架10的第一端和第二端均设置有内轴过孔，各内轴过孔内均设置有内轴轴承，各内轴轴承的外圈与对应内轴过孔过盈配合，各内轴轴承的内圈与第一转轴13过盈配合；

第一外轴支架20、第二外轴支架21、第一承重支架29以及第二承重支架30均设置有外轴过孔，各外轴过孔内均设置有外轴轴承，各外轴轴承的外圈与对应外轴过孔过盈配合，各外轴轴承的内圈分别与对应位置的第二转轴22或第三转轴23过盈配合。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图1。第一承重支架29和第一外轴支架20通过具有第一预设强度的第一连接部32连接，第二承重支架30和第二外轴支架21通过具有第二预设强度的第二连接部33连接。

具体地，通过设置第一连接部32将第一承重支架29和第一外轴支架20连接，设置第二连接部33将第二承重支架30和第二外轴支架21连接，使得第一承重支架29和第一外轴支架20，以及第二承重支架30和第二外轴支架21分别组成H型加固桥结构，从而确保了双轴转台系统运转的稳定性。

其中的第一连接部32和第二连接部33的强度可以设置为相同，也可以设置为不同。在一个优选实施例中，第一连接部32和第二连接部33的强度相同，均采用45号钢制作而成。

可选的，在上述实施例的基础上，参照图1和图3。该双轴转台系统还包括安装底座31，第一外轴支架20、第二外轴支架21、外轴编码器24支架和外轴电机25支架均固定于安装底座31。

具体地，通过设置安装底座31，将第一外轴支架20、第二外轴支架21、外轴编码器24支架和外轴电机25支架均固定于安装底座31，使得内轴部和外轴部全部被装配至安装底座31，再通过锁紧机构进行锁紧，从而使得双轴转台系统构成一可移动的转台系统，可以满足用户对于不同场合对于双轴转台系统的使用需求。

可选的，在上述实施例的基础上。该双轴转台系统的内轴框架10为航空铝框架；

第一外轴支架20、第二外轴支架21、外轴编码器24支架和外轴电机25支架均为预设强度的钢制支架；安装底座31为预设强度的钢制底座。

具体地，内轴整体结构采用航空铝材料制备而成，以使得内轴部具备质量轻和硬度高的特点，配合一体式设置的“回型”结构的内轴框架10作为内轴的结构支撑部分，保证了内轴部的精密度和高硬度、超轻度，使得内轴部的稳定性大大提高，同时减轻了内轴部的重量，极大地降低了外轴部的旋转惯量。在一优选实施例中，内轴部具体采用7系列航空铝材料制作而成。

外轴部需要支撑整个双轴转台系统，因而需要具备一定的强度。本实施例采用钢材制作外轴部，使得外轴部在具备高强度的同时，还具有塑性好和韧性好，且质量重稳定性强的优点，满足了2自由度转台结构设计需求。在一优选实施例中，第一外轴支架20、第二外轴支架21、外轴编码器24支架、外轴电机25支架以及安装底座31均采用45号钢制作而成。

可选的，在上述实施例的基础上。内轴电机12和外轴电机25均为步进电机。

具体地，步进电机的旋转角度与速度均正比于脉冲频率，而脉冲频率又是精确可控的，故速度与角度均可以在允许范围内精确测控。同时由于电机特性不会将每步的误差积累到下一步，因而有较好的位置精度与运动重复性。因而本实施例中的内轴电机12和外轴电机25均采用步进电机，保证了内轴部和外轴部的转动角度的精确可控。

相比于传统的转台系统采用伺服电机进行驱动，本实施例通过采用步进电机作为双轴转台系统的动力源，步进电机可以在低速状态下保证极大的速度准确度，配合控制主机中运行的针对步进电机的转动控制算法，让步进电机的转速平滑过渡，使得本实施例所提供的双轴转台系统在低速状态下也能够对待测器件进行精确检测。同时，转台的负载是可控且明确的，因此步进电机的静态转矩与相电流就是可以确定地，从而内轴电机12和外轴电机25的体积也就固定了，从而可以选择适配于该双轴转台系统的步进电机型号。

在一实施例中，内轴电机12和外轴电机25均采用2相四线步进电机作为内轴动力和外轴动力，其中的内轴电机12采用57系列步进电机，外轴电机25采用86型步进电机。内轴步进电机的静转矩0.66N.m，相电流3A，外轴步进电机的静转矩2.2N.m，相电流6A，满足小型双轴转台系统驱动负载的需求。

可选的，在上述实施例的基础上，参照图2和图3。各转轴的端部连接有柔性联轴器19；

第一转轴13通过端部的柔性联轴器19与内轴电机12和内轴编码器11分别连接；

第二转轴22和第三转轴23通过端部的柔性联轴器19与外轴编码器24和外轴电机25对应连接。

具体地，电机通过柔性联轴器19将转动信号传送至对应的编码器，可吸收双轴转台系统在运转过程中所产生的振动，从而有助于降低双轴转台系统的运转噪音。

在一个实施例中，控制主机采用了NI的LabVIEW作为上位机控制程序，配合IO设备NI-USB-6341进行系统控制与监测，作为NI X系列的采集卡，它拥有16路模拟输入用于监测传感器的VDC输出，同时4路32位计数器/定时器，用于PWM、编码器、频率、事件计数等，它满足PWM控制步进电机条件，编码器检测角位移需求，频率与事件计数等功能这三方面，并且搭配NI-DAQmx可以满足系统程序所需的全部功能，对转台电机闭环控制有着高精度的测控能力同时又可以高效准确的采集待测产品的输出信号。而且LabVIEW作为上位机更加匹配NI硬件，前面板的功能也更适合测试平台测控一体化的需求。

上位机控制程序结构采用了AF操作者框架，它是LabVIEW中的一个高级概念，也是当前可以使用的官方支持的快速开发框架。便于模式切换时更灵活的执行，它能以稳定可靠的方式，尽可能多地重用代码。

控制主机中的程序运行模式可分为：单轴-内轴-速度模式，单轴-内轴-角度模式，单轴-外轴-速度模式，单轴-外轴-角度模式，满足内轴部和外轴部两轴的多种测试需求和复杂的运动状态。

在一个实施例中，内轴编码器11和外轴编码器24均采用欧姆龙的增量式旋转编码器，通过NI DAQ采集并分析编码器输出的A、B相脉冲信号并转换成角位移便于控制主机闭环角度控制。

下面结合附图对本发明实施例所提供的双轴转台系统进行速度和角度控制的过程进行具体介绍。

关于速度模式：本发明实施例所提供的双轴转台系统采用S曲线控制算法应用到动力控制中。图4为本发明实施例提供的采用S型曲线控制算法下的内轴速度图形，图5为本发明实施例提供的一种导数函数的曲线图，图6为本发明实施例提供的S型曲线图。

S型曲线控制算法，即7段控制算法，将整个运动过程分为加加阶段，匀加速阶段，减加速阶段，匀速段，加减速阶段，匀减速阶段，减减速阶段。不同阶段速度衔接处加速度连续，且加速率可控，完美解决了T型控制算法的突变问题，而且S型曲线柔性冲击小对机器损伤较小。

根据Sigmoid函数原型可知：

对公式(1)求导后，可得：

S'_(x)＝S_(x)×(1-S_(x)) (2)

参照图5，当横轴取0时，导数函数达到最大值，对应函数的加速度最大。

参照图6，根据图6所示曲线可知，其坐标原点在(-10，0)，故将原函数进行X，Y轴平移同时对曲线进行拉伸变换得到：

Y＝A+B/1+e^-ax+b (3)

将函数曲线应用到步进电机脉冲频率控制中，即：

式中：F_min为频率下限；F_max为频率上限；F为曲线控制强度，也就是Sigmoid函数在0-x段的数值，F越大，表示曲线压缩越厉害，即中间曲线加速度越大，反之越小则越接近匀加速，理想为4～6；

Num为控制点的总个数；

X为取值点索引值。

同时步进电机的速度与频率的关系如下：

式中：N为电机转速(rpm)；

T为电机固有步距角；

C为电机驱动器细分精度。

因此通过程序实现了转台系统的速度控制，通过低速启动并逐步柔和地达至目标速度，既保证了强大的转矩又能平滑的过渡到想要的速度状态，满足了当前转台系统的速度模式要求。通过采用匀加减速的方法来控制电机的速度，而速度与转矩是反比的关系，因而有利于转台精确且稳定地执行速度和角度命令，保证了实验环境的准确性，解决了步进电机作为动力源所存在的“差速变化与启停电流过大”的问题。

关于角度模式：本发明实施例提供的双轴转台系统中步进电机在合理的脉冲环境下，其角度精度由两方面影响。

细分精度与固有步距角精度：本发明实施例中的内轴电机12和外轴电机25均采用两相混合式步进电机，当细分精度为1时，单步距为：360÷200＝1.8°，而随着细分精度的增大如2，4，8，16……，电机的单步步距角也随之减小如0.9°，0.45°，0.225°，0.1125°……。由此可知单步步距角与固有步距角和细分精度有着直接联系。

单步步距角＝360/(步进电机固步数×细分数) (6)

计算精度：在控制步进电机运动时，当计算要运动的角位移时，必须确保计算的精度要大于步进电机单步的精度。例如本实施例中步进电机的固有步距角1.8°，采用16细分，即单步的步距角为0.1125°，当我们要移动143.45°时，要走的步数应该为143.45÷0.1125，计算结果为1275.1111步，实际结果为1275步，移动误差就是：0.1125÷0.1111＝0.0125°。而且如果计算角度为1°单位时，则143.45＝143度，小数部分舍掉，即143÷0.1125＝1271.1111步，比较前面的移动误差，(1275-1271)÷0.1125＝0.45，此时误差更大。而且根据不同上位机的定义，数据类型又不尽相同。从而造成更大的计算误差。尽量应用float与double数据类型进行计算予以避免。

电机单圈所需脉冲数：根据系统动力电机的类型，固有步距角，细分数，便可以计算电机旋转一圈的脉冲数，具体为：

电机旋转一圈所需脉冲量＝360°/(电机固有步距角/电机驱动器细分数) (7)

由此便可以准确的开环控制电机旋转所需的角度，同时亦可通过在轴的另一端增加旋转光电编码器来捕获实际带动负载时真实的旋转角度，以检测是否出现失步，角过量等异常现象。

在一个实施例中，基于控制主机按照如下流程对待测器件进行检测。

将系统装配调试完毕后，通过控制主机的UI操作页面即可开始与双轴转台进行交互。

首先，根据待测产品的类型(模拟量输出、数字I2C输出)选择传感器的通道与模式(陀螺仪模式、加速度模式)。

然后，根据测试项转动模式(速度模式，角度模式)配置好内轴、外轴的运行速度、转动角度、旋转方向。

进而，通过触发不同按键去执行对应的测试内容，包括Single Axis-Speed Mode-X、Single Axis-Angle Mode-X、Single Axis-Speed-Mode-Y以及Single Axis-AngleMode-Y，并实时显示转台的运行状态以及传感器3轴的变化数据及曲线，每次执行完毕均自动地完成测试数据本地储存操作和系统回归操作，保证传感器处于初始状态。

本发明实施例所提供的双轴转台系统在保证速度与角度精确的情况下，不但满足了陀螺仪测试的复杂要求，而且增加了限位功能，保证了系统回归定位的准确性，同时由LabVIEW开发了S曲线加减速控制算法且内轴和外轴均能够360°任意旋转，因此该系统亦可准确测试加速度传感器。

综上，该双轴转台系统可用于微机电MEMS的陀螺仪、惯性测量单元等产品的测试和系统运动仿真，通过采集设备与控制主机实现动态跟踪测量与闭环控制，能够实现实时精确数据分析与定期追溯复测。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种双轴转台系统，其特征在于，包括内轴部和外轴部，所述内轴部的轴向正交于所述外轴部的轴向，且所述外轴部轴连接所述内轴部，以使得所述内轴部能够围绕所述外轴部的轴向进行转动；

所述内轴部包括内轴框架，所述内轴框架沿所述内轴部的轴向的第一端连接有内轴编码器，沿所述内轴部的轴向的第二端连接有内轴电机，所述内轴电机和所述内轴编码器通过第一转轴连接；所述内轴框架在所述第一端和所述第二端之间间隔设置有第一支撑臂和第二支撑臂，所述第一转轴支承于所述第一支撑臂和所述第二支撑臂；所述第一转轴位于所述第一支撑臂和所述第二支撑臂之间的部分连接有用于固定待测器件的载物台，所述内轴电机通过所述第一转轴驱动所述载物台沿所述内轴部的轴向进行转动；

所述外轴部包括沿所述外轴部的轴向设置于所述内轴框架两侧的第一外轴支架和第二外轴支架，所述第一外轴支架支承有第二转轴，所述第二转轴的一端连接所述内轴框架的第一侧，所述第二转轴的另一端穿过所述第一外轴支架连接外轴编码器；所述第二外轴支架支承有第三转轴，所述第三转轴的一端连接所述内轴框架的第二侧，所述第三转轴的另一端穿过所述第二外轴支架连接外轴电机，所述外轴电机通过所述第三转轴驱动所述内轴框架围绕所述外轴部的轴向进行转动；

还包括控制主机，所述控制主机与所述内轴编码器、所述内轴电机、所述外轴编码器、所述外轴电机以及所述待测器件分别连接，所述控制主机用于响应用户输入的测试指令，向所述内轴电机和所述外轴电机输出设定类型的驱动信号，并获取所述内轴编码器、所述外轴编码器和所述待测器件的输出信号，基于所述输出信号将所述内轴部、所述外轴部以及所述待测器件的运行状态按照预设方式进行展示。

2.根据权利要求1所述的双轴转台系统，其特征在于，所述内轴部还包括内轴过孔滑环，所述内轴过孔滑环固定于所述内轴框架，且所述第一转轴穿过所述内轴过孔滑环；

所述内轴过孔滑环的输入端连接所述待测器件，所述内轴过孔滑环用于与所述待测器件进行通讯、并输出所述待测器件的转动信号。

3.根据权利要求2所述的双轴转台系统，其特征在于，所述外轴部还包括固定于所述第一外轴支架的第一外轴过孔滑环和固定于所述第二外轴支架的第二外轴过孔滑环；

所述第二转轴穿过所述第一外轴过孔滑环，所述第三转轴穿过所述第二外轴过孔滑环；

所述第一外轴过孔滑环的输入端与所述内轴编码器的输出端连接，所述第一外轴过孔滑环的输出端连接所述控制主机，所述第一外轴过孔滑环用于将所述内轴编码器的输出信号输出至所述控制主机；

所述第二外轴过孔滑环的输入端与所述内轴过孔滑环的输出端和所述内轴电机的驱动器分别连接，所述第二外轴过孔滑环的输出端连接所述控制主机，所述第二外轴过孔滑环用于将所述控制主机的驱动信号传输至所述内轴电机以及所述待测器件，并将所述待测器件的反馈信号输出至所述控制主机。

4.根据权利要求1所述的双轴转台系统，其特征在于，还包括内轴限位器和外轴限位器；所述内轴限位器和所述外轴限位器的信号输出端连接所述控制主机；

所述内轴限位器设置于所述内轴框架朝向所述第一转轴的一侧，所述外轴限位器设置于所述第一外轴支架或所述第二外轴支架朝向所述内轴框架的一侧。

5.根据权利要求1所述的双轴转台系统，其特征在于，所述内轴部还包括配重模块，所述配重模块设置于所述内轴框架位于所述内轴编码器的一端，所述配重模块用于调节所述内轴部的重心，以使得所述内轴部的重心与所述内轴部的几何中心重合。

6.根据权利要求1所述的双轴转台系统，其特征在于，还包括沿所述外轴部的轴向设置于所述第一外轴支架和所述第二外轴支架两侧的第一承重支架和第二承重支架；

所述外轴编码器固定于所述第一承重支架，所述第二转轴穿过所述第一承重支架后连接所述外轴编码器；

所述外轴电机固定于所述第二承重支架，所述第三转轴穿过所述第二承重支架后连接所述外轴电机。

7.根据权利要求6所述的双轴转台系统，其特征在于，所述第一承重支架和所述第一外轴支架通过具有第一预设强度的第一连接部连接，所述第二承重支架和所述第二外轴支架通过具有第二预设强度的第二连接部连接。

8.根据权利要求6所述的双轴转台系统，其特征在于，还包括安装底座，所述第一外轴支架、所述第二外轴支架、所述第一承重支架和所述第二承重支架均固定于所述安装底座。

9.根据权利要求8所述的双轴转台系统，其特征在于，所述内轴框架为航空铝框架；

所述第一外轴支架、所述第二外轴支架、所述第一承重支架和所述第二承重支架均为预设强度的钢制支架；所述安装底座为预设强度的钢制底座。

10.根据权利要求1-9任一项所述的双轴转台系统，其特征在于，所述内轴电机和所述外轴电机均为步进电机。

11.根据权利要求6所述的双轴转台系统，其特征在于，所述第一支撑臂、所述第二支撑臂、所述内轴框架的第一端和第二端均设置有内轴过孔，各所述内轴过孔内均设置有内轴轴承，各所述内轴轴承的外圈与对应所述内轴过孔过盈配合，各所述内轴轴承的内圈与所述第一转轴过盈配合；

所述第一外轴支架、所述第二外轴支架、所述第一承重支架以及所述第二承重支架均设置有外轴过孔，各所述外轴过孔内均设置有外轴轴承，各所述外轴轴承的外圈与对应所述外轴过孔过盈配合，各所述外轴轴承的内圈分别与对应位置的所述第二转轴或所述第三转轴过盈配合。

12.根据权利要求1所述的双轴转台系统，其特征在于，各转轴的端部连接有柔性联轴器；

所述第一转轴通过端部的所述柔性联轴器与所述内轴电机和所述内轴编码器分别连接；

所述第二转轴和所述第三转轴通过端部的所述柔性联轴器与所述外轴编码器和所述外轴电机对应连接。

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