CN116336335A - 适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置 - Google Patents

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曹秀芳
王光明
刘赓
赵旭东
陈星星
王丽男
李召芹
魏东
冯晓雄
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Abstract

本发明公开了一种适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，包括防护支撑结构组件、俯仰机构、方位机构和测控系统，该云台装置为机载光电设备提供结构支撑和俯仰作动、方位作动以及防抖功能，具备高集成化、高负载自重比特点，可以适应高低温、冲击、振动、淋雨、湿热、盐雾等严苛的机载使用环境；通过俯仰、方位机构调整光电设备视轴中心达到目标要求，基于陀螺仪反馈的实时姿态数据，通过PID速度、位置双闭环控制算法，实现光电设备在机载振动与姿态机动环境下视轴中心的相对稳定。

Description

适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置
技术领域
本发明涉及机载云台技术领域，具体涉及一种适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置。
背景技术
随着飞行器的更新迭代，航空照明、拍照、探测等多功能需求也日益提高，这对用于航空探测的光电设备的工作性能提出了更高的要求，由于光电设备在飞行器飞行过程中会受到内、外因素的扰动而产生抖动，会导致光电设备的视轴中心无法实时稳定定位捕捉到目标区域，对其探测性能有着显著影响。这就需要云台装置作为稳定承载平台，实时感知陀螺仪反馈的姿态数据，通过控制算法，来主动作动来补偿负载姿态角度偏差，从而隔离载机振动与姿态机动对光电设备视轴稳定的影响，使在不稳定工作环境中的光电设备保持在稳定的位置，提升其探测性能。云台装置作为机载的载荷系统，其体积、重量和带载力，是影响飞行器稳定飞行和探测续航时长的重要因素。目前传统的机载云台结构已经无法满足日益提高的轻量化、高集成化、高带载力发展需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，该云台装置为机载光电设备提供结构支撑和俯仰作动、方位作动以及防抖功能，具备高度集成化、高负载自重比特点，可以适应高低温、冲击、振动、淋雨、湿热、盐雾等严苛的机载使用环境，通过俯仰、方位机构调整光电设备视轴中心达到目标要求，基于陀螺仪反馈的实时姿态数据，通过PID速度、位置双闭环控制算法，实现光电设备在载机振动与姿态机动环境下视轴中心的相对稳定。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，该云台装置包括防护支撑结构组件、俯仰机构、方位机构和测控系统；
所述防护支撑结构组件包括顶盖、过度段、俯仰壳体、左防护罩、右防护罩，所述过渡段通过螺钉与顶盖紧固连接，所述左防护罩、右防护罩通过螺钉与俯仰壳体紧固连接；
所述俯仰机构包括俯仰驱动单元、俯仰驱动单元支架、联轴器、蜗轮蜗杆副、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、第一平键、第二平键、俯仰限位轴、轴承座、第一俯仰轴、第二俯仰轴、第一轴承端盖、第二轴承端盖、第三轴承端盖、锁紧螺母、止动垫圈、模拟负载；所述俯仰驱动单元通过俯仰驱动单元支架安装至俯仰壳体上；所述蜗轮蜗杆副由蜗轮、蜗杆组成，所述蜗轮通过第二平键传递驱动扭矩至第一俯仰轴；所述蜗杆通过俯仰驱动单元支架、第一角接触球轴承、第一轴承端盖安装至俯仰壳体上；所述蜗轮蜗杆副为俯仰机构提供机械自锁、大负载驱动功能；所述俯仰限位轴安装在俯仰壳体上；所述第一俯仰轴作为驱动轴，通过第二角接触球轴承、第二轴承端盖安装至俯仰壳体上，通过两个锁紧螺母防松锁紧轴向位置，通过蜗轮将驱动扭矩传递到第一俯仰轴上，进而驱动光电设备模拟负载俯仰运动；所述第二俯仰轴作为从动轴，通过模拟负载传递的驱动力矩带动其俯仰运动，通过第二角接触球轴承、第三轴承端盖安装至轴承座上，通过锁紧螺母和止动垫圈防松锁紧轴向位置；
所述方位机构包括方位驱动单元、方位驱动单元支架、驱动齿轮、回转支撑、方位轴、方位限位块；所述方位驱动单元通过方位驱动单元支架安装至俯仰壳体；所述驱动齿轮为圆柱直齿轮，固定至方位驱动单元输出轴上，用于传递驱动力矩；所述回转支承为带外圆柱直齿的交叉滚子轴承，与驱动齿轮组成齿轮传动副；所述回转支承内圈与过渡段紧固作为方位固定端，回转支承外圈与俯仰壳体紧固作为方位转动端；所述方位轴结构侧壁开有窗口，紧固安装在俯仰壳体上；所述方位限位块通过一个销钉紧固到过渡段上，允许方位限位块以销钉为轴旋转一定角度；
所述测控系统包含俯仰编码器、方位编码器、陀螺仪、控制器、俯仰驱动器、方位驱动器、制动模块、制动电阻；所述俯仰编码器为抱轴式绝对式编码器，安装在第二俯仰轴末端，用于反馈俯仰终端绝对角度信号；所述方位编码器为中空式绝对式编码器，安装在方位轴末端，用于反馈方位终端绝对角度信号；所述陀螺仪通过转接板安装在顶盖上，用于反馈机身抖动方向、频率和幅度；所述控制器安装在顶盖上，通过RS485通信接口采集方位编码器、俯仰编码器、陀螺仪反馈的角度、姿态数据信号，基于PID速度、位置双闭环控制算法，通过CAN通信接口发送控制指令给俯仰驱动器、方位驱动器，进而驱动俯仰电机、方位电机工作到指令位置，实现俯仰作动、方位作动以及防抖动控制功能，再通过RS422通信串口将俯仰、方位角度位置实时反馈给上位机；所述制动模块和制动电阻用于电机减速时消耗电机的回馈能量来保护驱动器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的一种适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，为机载光电设备提供结构支撑和俯仰作动、方位作动以及防抖功能，可以适应高低温、冲击、振动、淋雨、湿热、盐雾等严苛的机载使用环境。与现有技术相比，本发明的有益效果是具备高集成化、轻量化、高带载力的结构特点，满足目前飞行器对云台装置结构体积、重量和带载力的发展要求。
附图说明
图1为本发明双轴云台装置爆炸展开图。
图2为本发明双轴云台装置主剖视图。
图3为图2的A向视图(隐藏右防护罩1-5)。
图4为图2的B向视图(隐藏左防护罩1-4)。
图5为图2的Ⅰ放大图。
图6为图2的Ⅱ放大图。
图7为图2的C-C剖视图。
图8为图4的D-D剖视图。
具体实施方式
如图1-图8所示，一种高集成化、高负载自重比的机载双轴云台装置，该云台装置包括防护支撑结构组件1、俯仰机构2、方位机构3、测控系统4。
所述防护支撑结构组件1包括顶盖1-1、过度段1-2、俯仰壳体1-3、左防护罩1-4、右防护罩1-5，采用薄壁壳体主体结构和局部加强筋设计，所述俯仰壳体1-3材质为高强度铸造铝合金，其它防护支撑结构零件材质为超硬铝合金，为云台装置提供结构支撑和防护功能，具有轻量化、高强度、高防护性等特点。所述顶盖1-1上端面加工一组机载安装用铝基螺纹孔，在螺纹孔中嵌入不锈钢插销螺套，保证在机载振动环境下的云台装置与飞行器的连接可靠性；所述过渡段1-2通过螺钉与顶盖紧固连接，所述左防护罩1-4、右防护罩1-5通过螺钉与俯仰壳体紧固连接。所述防护支撑结构组件1各个零件均在安装端面上设计异型密封槽结构，用于安装密封件。
所述俯仰机构2包括俯仰驱动单元2-1、俯仰驱动单元支架2-2、联轴器2-3、蜗轮蜗杆副2-4、第一角接触球轴承2-5、第二角接触球轴承2-6、第一平键2-7、第二平键2-8、俯仰限位轴2-9、轴承座2-10、第一俯仰轴2-11、第二俯仰轴2-12、第一轴承端盖2-13、第二轴承端盖2-14、第三轴承端盖2-15、锁紧螺母2-16、止动垫圈2-17、模拟负载2-18；所述俯仰机构2采用伺服电机+减速机+蜗轮蜗杆副+俯仰执行机构设计，具备俯仰作动、防抖、自锁、限位等功能，具有驱动力大、高集成化、易维护性、自锁可靠性高等特点。
所述俯仰驱动单元2-1由俯仰电机、俯仰减速器组成，所述俯仰电机为无刷直流伺服电机，提供稳定、可控的驱动力矩和转速，通过前端安装的俯仰减速器增大驱动扭矩，通过联轴器2-3将驱动扭矩传递至蜗杆；所述俯仰驱动单元2-1通过俯仰驱动单元支架2-2安装至俯仰壳体1-3上。
所述蜗轮蜗杆副2-4由蜗轮2-4-1、蜗杆2-4-2组成，可进一步增大电机驱动扭矩，并传递两交错轴之间的运动和动力，便于在有限的空间对俯仰驱动单元2-1、俯仰驱动单元支架2-2以及蜗轮蜗杆副2-4进行紧凑布局；所述蜗轮2-4-1通过第二平键2-8传递驱动扭矩至第一俯仰轴2-11；所述蜗杆2-4-2通过俯仰驱动单元支架2-2、第一角接触球轴承2-5、第一轴承端盖2-13安装至俯仰壳体1-3上；所述蜗轮蜗杆副2-4为俯仰机构2提供机械自锁、大负载驱动功能。
所述俯仰限位轴2-9安装在俯仰壳体1-3上，在俯仰运动过程中，蜗轮2-4-1结构上的弧形槽与俯仰限位轴2-9相对运动，当弧形槽两端运动到俯仰限位轴2-9受迫停止，为俯仰机构2提供-90°～+10°俯仰机械限位功能。
所述第一俯仰轴2-11作为驱动轴，通过第二角接触球轴承2-6、第二轴承端盖2-14安装至俯仰壳体1-3上，通过两个锁紧螺母2-16防松锁紧轴向位置，通过蜗轮2-4-1将驱动扭矩传递到第一俯仰轴2-11上，进而驱动光电设备模拟负载2-18俯仰运动；所述第一俯仰轴2-11中间设计一定尺寸的中心孔，便于供电、通信线缆由此穿线至模拟负载2-18中，在中心孔靠近外端处涂覆硅橡胶，防止雨水渗入。
所述第二俯仰轴2-12作为从动轴，通过模拟负载2-18传递的驱动力矩带动其俯仰运动，通过第二角接触球轴承2-6、第三轴承端盖2-15安装至轴承座2-10上，通过锁紧螺母2-16和止动垫圈2-17防松锁紧轴向位置，这些零件组成了高集成化的独立安装单元，可以单独装配好后，整体装配或拆卸至俯仰壳体1-3上，可以提高模拟负载2-18的装卸效率和重复安装精度。
所述方位机构3包括方位驱动单元3-1、方位驱动单元支架3-2、驱动齿轮3-3、回转支撑3-4、方位轴3-5、方位限位块3-6；所述方位机构3采用伺服电机+减速机+齿轮传动副+方位执行机构设计，具有驱动力大、高集成化、自锁、限位等特点，具备方位作动、防抖、自锁、限位等功能。
所述方位驱动单元3-1由方位电机、方位减速器、失电抱闸器组成，方位电机为无刷直流伺服电机，提供稳定、可控的驱动力矩和转速，通过前端安装的减速器增大驱动扭矩，通过后端安装的失电抱闸器提供失电后电机转轴自锁功能，方位驱动单元3-1通过方位驱动单元支架3-2安装至俯仰壳体1-3。
所述驱动齿轮3-3为圆柱直齿轮，固定至方位驱动单元3-1输出轴上，用于传递驱动力矩；所述回转支承3-4为带外圆柱直齿的交叉滚子轴承，作为方位传动和支撑的主要构件，能够承受较大的轴向载荷和倾覆力矩，可以与驱动齿轮3-3组成齿轮传动副，可进一步增大驱动扭矩；所述回转支承3-4内圈与过渡段1-2通过螺钉紧固作为方位固定端，回转支承3-4外圈与俯仰壳体1-3通过螺钉紧固作为方位转动端；所述方位轴3-5结构侧壁开有窗口，便于线缆穿线，通过螺钉紧固安装在俯仰壳体上1-3。
所述方位限位块3-6通过一个销钉紧固到过渡段1-2上，允许方位限位块3-6以销钉为轴旋转一定角度，当方位转动过程中，俯仰壳体1-3上的结构接触到方位限位块3-6后，推动方位限位块3-6转动一定角度后，再碰到过渡段1-2上固定结构后限位，从而实现大于360°的方位机械限位。
所述测控系统4包含俯仰编码器4-1、方位编码器4-2、陀螺仪4-3、控制器4-4、俯仰驱动器4-5、方位驱动器4-6、制动模块4-7、制动电阻4-8，具有响应速度快、控制精度高、高可靠性等特点，具备反馈角度数据和方位、俯仰双轴的作动和防抖控制功能。
所述俯仰编码器4-1为抱轴式绝对式编码器，安装在第二俯仰轴2-12末端，用于反馈俯仰终端绝对角度信号；所述方位编码器4-2为中空式绝对式编码器，安装在方位轴3-5末端，用于反馈方位终端绝对角度信号，结构中空，便于线缆穿线；所述陀螺仪4-3通过转接板安装在顶盖1-1上，用于反馈机身抖动方向、频率和幅度。
所述控制器4-4是整个测控系统的核心，安装在顶盖1-1上，通过RS485通信接口采集方位编码器4-2、俯仰编码器4-1、陀螺仪4-3反馈的角度、姿态数据信号，基于PID速度、位置双闭环控制算法，通过CAN通信接口发送控制指令给俯仰驱动器4-5、方位驱动器4-6，进而驱动俯仰电机、方位电机工作到指令位置，实现俯仰作动、方位作动以及防抖动控制功能，再通过RS422通信串口将俯仰、方位角度位置实时反馈给上位机；所述制动模块4-7和制动电阻4-8用于电机减速时将电机的回馈能量快速消耗来保护驱动器；所述俯仰驱动器4-5、方位驱动器4-6、制动模块4-7和制动电阻4-8分别安装在俯仰壳体1-3两侧。
云台装置所使用的零部件材质、密封件、粘结剂、润滑脂、印制电路板、电子元器件、接插件、电缆等均满足-40℃～+70℃的高低温工作使用环境。
云台装置的零件紧固均采用不锈钢材质螺钉和双叠自锁防松垫圈进行防松紧固，装配时在螺钉螺纹处涂覆螺纹防松胶，接线端子接线后涂覆硅橡胶防松，印制电路板的上元器件焊点处涂覆硅橡胶防松，满足冲击、振动的使用环境。
云台装置的碳钢材质零件表面进行锌镍合金表面处理，铝合金材质零件表面进行阳极氧化处理，云台装置外表面整体做三防油漆表面处理，在各个安装端面处、相对转动处设置硅橡胶O型密封圈进行密封，满足淋雨、湿热、盐雾等使用环境。
上述仅为本发明的主要特征、工作原理和优点等，对于本领域的技术人员来说，本发明并不受上述实施例的限制，在不违背其基本原理的前提下，针对不同的实施例本发明可以进行灵活的更改和变化，这些更改和变化如在本发明的精神和范围之内，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，其特征在于，该云台装置包括防护支撑结构组件(1)、俯仰机构(2)、方位机构(3)和测控系统(4)；
所述防护支撑结构组件(1)包括顶盖(1-1)、过度段(1-2)、俯仰壳体(1-3)、左防护罩(1-4)、右防护罩(1-5)，所述过渡段(1-2)与顶盖(1-1)紧固连接，所述左防护罩(1-4)、右防护罩(1-5)与俯仰壳体(1-3)紧固连接；
所述俯仰机构(2)包括俯仰驱动单元(2-1)、俯仰驱动单元支架(2-2)、联轴器(2-3)、蜗轮蜗杆副(2-4)、第一角接触球轴承(2-5)、第二角接触球轴承(2-6)、第一平键(2-7)、第二平键(2-8)、俯仰限位轴(2-9)、轴承座(2-10)、第一俯仰轴(2-11)、第二俯仰轴(2-12)、第一轴承端盖(2-13)、第二轴承端盖(2-14)、第三轴承端盖(2-15)、锁紧螺母(2-16)、止动垫圈(2-17)、模拟负载(2-18)；所述俯仰驱动单元(2-1)通过俯仰驱动单元支架(2-2)安装至俯仰壳体(1-3)上；所述蜗轮蜗杆副(2-4)由蜗轮(2-4-1)、蜗杆(2-4-2)组成，所述蜗轮(2-4-1)通过第二平键(2-8)传递驱动扭矩至第一俯仰轴(2-11)；所述蜗杆(2-4-2)通过俯仰驱动单元支架(2-2)、第一角接触球轴承(2-5)、第一轴承端盖(2-13)安装至俯仰壳体(1-3)上；所述蜗轮蜗杆副(2-4)为俯仰机构(2)提供机械自锁、大负载驱动功能；所述俯仰限位轴(2-9)安装在俯仰壳体(1-3)上；所述第一俯仰轴(2-11)作为驱动轴，通过第二角接触球轴承(2-6)、第二轴承端盖(2-14)安装至俯仰壳体(1-3)上，通过两个锁紧螺母(2-16)防松锁紧轴向位置，通过蜗轮(2-4-1)将驱动扭矩传递到第一俯仰轴(2-11)上，进而驱动光电设备模拟负载(2-18)俯仰运动；所述第二俯仰轴(2-12)作为从动轴，通过模拟负载(2-18)传递的驱动力矩带动其俯仰运动，通过第二角接触球轴承(2-6)、第三轴承端盖(2-15)安装至轴承座(2-10)上，通过锁紧螺母(2-16)和止动垫圈(2-17)防松锁紧轴向位置；
所述方位机构(3)包括方位驱动单元(3-1)、方位驱动单元支架(3-2)、驱动齿轮(3-3)、回转支撑(3-4)、方位轴(3-5)、方位限位块(3-6)；所述方位驱动单元(3-1)通过方位驱动单元支架(3-2)安装至俯仰壳体(1-3)；所述驱动齿轮(3-3)为圆柱直齿轮，固定至方位驱动单元(3-1)输出轴上，用于传递驱动力矩；所述回转支承(3-4)为带外圆柱直齿的交叉滚子轴承，与驱动齿轮(3-3)组成齿轮传动副；所述回转支承(3-4)内圈与过渡段(1-2)紧固作为方位固定端，回转支承(3-4)外圈与俯仰壳体(1-3)紧固作为方位转动端；所述方位轴(3-5)结构侧壁开有窗口，紧固安装在俯仰壳体上(1-3)；所述方位限位块(3-6)通过一个销钉紧固到过渡段(1-2)上，允许方位限位块(3-6)以销钉为轴旋转一定角度；
所述测控系统(4)包含俯仰编码器(4-1)、方位编码器(4-2)、陀螺仪(4-3)、控制器(4-4)、俯仰驱动器(4-5)、方位驱动器(4-6)、制动模块(4-7)、制动电阻(4-8)；所述俯仰编码器(4-1)为抱轴式绝对式编码器，安装在第二俯仰轴(2-12)末端，用于反馈俯仰终端绝对角度信号；所述方位编码器(4-2)为中空式绝对式编码器，安装在方位轴(3-5)末端，用于反馈方位终端绝对角度信号；所述陀螺仪(4-3)通过转接板安装在顶盖(1-1)上，用于反馈机身抖动方向、频率和幅度；所述控制器(4-4)安装在顶盖(1-1)上，通过RS485通信接口采集方位编码器(4-2)、俯仰编码器(4-1)、陀螺仪(4-3)反馈的角度、姿态数据信号，基于PID速度、位置双闭环控制算法，通过CAN通信接口发送控制指令给俯仰驱动器(4-5)、方位驱动器(4-6)，进而驱动俯仰电机、方位电机工作到指令位置，实现俯仰作动、方位作动以及防抖动控制，再通过RS422通信串口将俯仰、方位角度位置实时反馈给上位机；所述制动模块(4-7)和制动电阻(4-8)用于电机减速时消耗电机的回馈能量来保护驱动器。
2.根据权利要求1所述的适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，其特征在于，所述防护支撑结构组件(1)各个零件均在安装端面上设计异型密封槽结构，用于安装密封件。
3.根据权利要求1所述的适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，其特征在于，所述顶盖(1-1)上端面加工一组机载安装用铝基螺纹孔，在螺纹孔中嵌入不锈钢插销螺套；所述过渡段(1-2)通过螺钉与顶盖(1-1)紧固连接，所述左防护罩(1-4)、右防护罩(1-5)通过螺钉与俯仰壳体(1-3)紧固连接。
4.根据权利要求1所述的适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，其特征在于，所述俯仰驱动单元(2-1)由俯仰电机、俯仰减速器组成，所述俯仰电机为无刷直流伺服电机，提供驱动力矩和转速，通过前端安装的俯仰减速器增大驱动扭矩，通过联轴器(2-3)将驱动扭矩传递至蜗杆。
5.根据权利要求1所述的适用于机载环境的高集成化、高负载自重比双轴云台装置，其特征在于，所述第一俯仰轴(2-11)中间设计一定尺寸的中心孔，用于供电线缆、通信线缆由此穿线至模拟负载(2-18)中，在中心孔靠近外端处涂覆硅橡胶。
6.根据权利要求1所述的高集成化、高负载自重比的机载双轴云台装置，其特征在于，在俯仰运动过程中，蜗轮(2-4-1)结构上的弧形槽与俯仰限位轴(2-9)相对运动，当弧形槽两端运动到俯仰限位轴(2-9)受迫停止，为俯仰机构(2)提供-90°～+10°俯仰机械限位功能。
7.根据权利要求1所述的高集成化、高负载自重比的机载双轴云台装置，其特征在于，所述方位驱动单元(3-1)由方位电机、方位减速器、失电抱闸器组成，方位电机为无刷直流伺服电机，提供驱动力矩和转速，通过前端安装的减速器增大驱动扭矩，通过后端安装的失电抱闸器提供失电后电机转轴自锁功能。
8.根据权利要求1所述的高集成化、高负载自重比的机载双轴云台装置，其特征在于，所述回转支承(3-4)内圈与过渡段(1-2)通过螺钉紧固作为方位固定端，回转支承(3-4)外圈与俯仰壳体(1-3)通过螺钉紧固作为方位转动端；所述方位轴(3-5)通过螺钉紧固安装在俯仰壳体上(1-3)。
9.根据权利要求1所述的高集成化、高负载自重比的机载双轴云台装置，其特征在于，在方位转动过程中，俯仰壳体(1-3)上的结构接触到方位限位块(3-6)后，推动方位限位块(3-6)转动一定角度后，再碰到过渡段(1-2)上固定结构后限位，从而实现大于360°的方位机械限位。
10.根据权利要求1所述的高集成化、高负载自重比的机载双轴云台装置，其特征在于，所述俯仰驱动器(4-5)、方位驱动器(4-6)、制动模块(4-7)和制动电阻(4-8)分别安装在俯仰壳体(1-3)两侧。
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