一种单电机驱动的双轴云台的制作方法

1.本实用新型涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种单电机驱动的双轴云台。


背景技术：

2.目前，双轴云台广泛应用于户外监测、厂区巡检、无人飞行等领域。根据云台所连接的负载，可分为轻载云台和重载云台；根据驱动形式，可分为电机直驱形式、皮带传动形式和涡轮蜗杆传动形式。
3.常用的双轴云台结构如图1所示，核心是利用两台分立设置的电机，仰俯角电机和航向角电机，分别对云台的航向(yaw)和俯仰(pitch)进行角度调节，从而完成负载设备的航向与俯仰角度的调整。
4.目前常用的双轴云台的供电线路中，一般采用电源通过滑环同时向负载和双轴云台双向供电，滑环承载较大，对滑环要求很高；同时，由于供电线路和控制线路均通过滑环，滑环处向负载传输的信号和向双轴云台传输的信号会产生互扰，从而造成负载的运动形式出现失误。
5.现有技术的俯仰角的调节多使用齿轮减速器传递结构，具有减速比大、负载能力强等特点。但是，目前的双轴云台，特别是重载云台，由于两台电机需要分别安装，各自都需要自己的安装结构和传动系统，造成双轴云台结构庞杂，体积和重量都不能很好地满足使用要求。同时还存在以下问题：
6.1、从结构安排和线路布设方面考虑，双轴云台负责角度调整的结构和角度驱动电机位于云台主体结构一侧，重心偏离轴线，需要额外增加配重以调整重心位置，从而导致主体结构质量和外形尺寸的进一步增加；负载相较自重比较小；
7.2、云台电机和减速器均布置在舱内，显著高出安装平台，云台稳定性和抗扰性差；在受到倾覆力矩时，负载与云台重心同侧布局会放大双轴云台的倾覆效应，导致稳定性差，负载能力差等问题。
8.3、滑环要同时传输云台电机和负载设备的供电与通讯，由于云台电机功率大，瞬时功耗高，滑环传输负担重，容易对负载设备信号传输产生干扰，从而导致数据传输错误。
9.有效减小双轴云台的体积、优化双轴云台的重心、排除信号干扰、提高负载运行稳定性，是云台控制技术领域非常迫切的需求。


技术实现要素：

10.鉴于上述分析，本实用新型旨在提供一种单电机驱动的双轴云台及其供电方法和角度调整控制方法，以解决目前双轴云台结构复杂、体积大、重心高，负载运行稳定性差的技术问题。
11.本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：
12.一种单电机驱动的双轴云台，用于负载的角度调整，包括主驱动组件、从驱动组件、搭载组件、同心外轴和安装平台组件；所述主驱动组件和从驱动组件通过传动副连接；
所述搭载组件与主驱动组件活动连接；所述搭载组件与从驱动组件离合式活动连接；所述搭载组件与同心外轴连接；所述安装平台组件与同心外轴离合式连接。
13.进一步的，所述主驱动组件包括电机和主动单元；所述主动单元连接在电机输出端。
14.进一步的，所述主驱动组件包括同心内轴和第一斜锥齿轮；所述同心内轴第一端连接电机输出端；所述同心内轴第二端连接第一斜锥齿轮。
15.进一步的，所述从驱动组件包括输出轴和第二斜锥齿轮；所述第二斜锥齿轮连接在输出轴中部；所述第二斜锥齿轮与第一斜锥齿轮共同组成所述传动副。
16.进一步的，所述搭载组件包括输出轴安装体和第一制动器；所述输出轴活动连接输出轴安装体的2个相对的侧壁；所述第一制动器套接输出轴；所述第一制动器的本体连接在输出轴安装体上；所述第一制动器吸片与输出轴机械连接。
17.进一步的，所述输出轴安装体的下部活动连接同心内轴外壁；所述输出轴安装体的下部连接同心外轴。
18.进一步的，所述安装平台组件包括安装平台和第二制动器；所述第二制动器套接同心外轴；所述第二制动器的本体连接在安装平台的底面；所述第二制动器的吸片与同心外轴机械连接。
19.进一步的，所述安装平台位于输出轴安装体下部；所述安装平台连接在所述负载所搭载的外部装备上。
20.进一步的，还包括滑环，所述滑环设置在所述电机底部的中心位置。
21.进一步的，所述同心外轴同轴设置在同心内轴外。
22.本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
23.(1)本实用新型的双轴云台重心降低，可有效提升整机稳定性：本实用新型的单电机驱动的双轴云台将体积和重量最大的电机布局于整机下方，使得整机重心降低至安装平面下方。
24.(2)本实用新型的双轴云台倾覆力矩小，从而提高整机受到冲击时的稳定性：本实用新型的单电机驱动的双轴云台将电机和负载分布于安装平台两侧，可将负载重心和双轴云台重心分设在安装平台的两侧，且尽可能地接近安装平台；这样，由于电机重力可提供额外的抗倾覆力矩，使得本实用新型整机布局能有效缩小负载力矩。
25.(3)本实用新型的双轴云台抗扰力矩大，可降低对电机扭矩的要求，从而选择较小尺寸的电机，降低整机重量，也降低了整机的成本。
26.(4)本实用新型的双轴云台抗干扰能力强，间接地进一步降低了双轴云台成本：一方面，本实用新型通过同心轴结构，对电机和负载进行了物理隔离，大幅提高系统的抗干扰能力；另一方面，本实用新型的双轴云台的电机和第二制动器的供电与控制可与整机控制系统直连，只有负载和第一制动器的供电与控制通过滑环；供电和控制信号较少地产生相互干扰，而且，对滑环数和抗干扰能力的要求有所降低，进一步降低了双轴云台成本。
27.本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
28.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
29.图1为现有技术中双轴云台结构示意图；
30.图2为带有负载的本实用新型单电机驱动的双轴云台整体结构示意图；
31.图3为本实用新型单电机驱动的双轴云台整体结构示意图；
32.图4为图3中分面剖切示意图；
33.图5为图4中a部的局部放大图；
34.图6为图4中b部的局部放大图。
35.附图标记：
36.1.主驱动组件；11.电机；12.同心内轴；13.第一斜锥齿轮轴；2. 从驱动组件；21.输出轴；22.第二斜锥齿轮；3.搭载组件；31.输出轴安装体；32.第一制动器；4.同心外轴；5.安装平台组件；51.安装平台；52. 第二制动器；6.滑环；100.负载。
具体实施方式
37.下面结合图2-图6来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本实用新型一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
38.首先说明：本技术所指的制动器分为两部分，制动器本体和吸片，本体与外部零件固定，吸片和制动器所通过的轴相对设置。制动器分为断电制动和上电制动两种，均可用于本技术的技术方案。
39.制动器本体和吸片间隙很小，约为0.2mm，以保证磁吸力度和变形量足够小。在本技术的示意图中，为了清晰显示间隙，做了放大10倍处理，为2mm。
40.如图2和图3所示，一种单电机驱动的双轴云台，用于负载100俯仰角和航向角的调整，包括主驱动组件1、从驱动组件2、搭载组件3、同心外轴4和安装平台组件5；所述主驱动组件1和从驱动组件2通过传动副连接；所述搭载组件3与主驱动组件接；所述安装平台组件5与同心外轴4离合式连接。优选的，本实施例的传动副为两个斜锥齿轮组成的齿轮副。
41.具体的，如图4所示，所述主驱动组件1包括电机11和主动单元；所述主动单元连接在电机11输出端。进一步具体的，主动单元包括同心内轴12和第一斜锥齿轮13；所述同心内轴12第一端连接电机11输出端；所述同心内轴12第二端连接第一斜锥齿轮13。
42.优选的，本实施例电机11选择中空的伺服电机，进一步优选为dd 马达。电机11中空的位置可以用于安装滑环6；滑环6为供电线路和控制线路的枢纽。
43.优选的，本实施例的同心内轴12为中空的阶梯轴；其中间的空心，一方面用于通过下部滑环6的供电线路和控制线路的继续上行，另一方面也可以有效减重，进一步降低整体双轴云台的重量。同心内轴12的下平台用于固定连接电机11的输出端，同心内轴12的上部外圆柱面用于活动连接搭载组件3；同心内轴12的上端部用于连接第一斜锥齿轮13的轴端。
44.具体的，电机11的输出端位于电机11的主体的中间环部，同心内轴12下平台固定连接在电机11的主体的中间环部的上平面，即电机11 的输出端，随电机11的旋转而旋转；同心内轴12的上部连接第一斜锥齿轮13轴端；二者的连接可以采用常规机械连接方式；优
选的，采取第一斜锥齿轮13轴端从上部插入同心内轴12内孔，二者之间以定位键连接；进一步优选的，定位键处用紧定螺钉进一步定位，可以保证第一斜锥齿轮13的安装稳定性，进一步保证了电机11的旋转能通过输出轴精确传递到负载100。同心内轴12的上部外圆柱面可以再设置一层阶梯轴，用于定位并活动连接搭载组件3。
45.具体的，如图4所示，所述从驱动组件2包括输出轴21和第二斜锥齿轮22；输出轴21旋转连接输出轴安装体31的2个相对的侧壁，并与第一制动器32设置同轴的连接关系；所述第二斜锥齿轮22卡固在输出轴21上；所述第二斜锥齿轮22与第一斜锥齿轮13啮合，共同组成所述传动副。其中，输出轴安装体31用于支撑输出轴21和同心内轴12。
46.优选的，如图4和图5所示，输出轴安装体31与输出轴21之间通过一对水平支撑轴承活动连接，该对水平支撑轴承内圈压固在输出轴21 的两端，该对水平支撑轴承的外圈卡固连接在输出轴安装体31。
47.输出轴安装体31属于搭载组件3；搭载组件3还包括第一制动器32；所述第一制动器32可以是断电制动器，也可以是上电制动器。所述第一制动器32套接输出轴21；所述第一制动器32的本体连接在输出轴安装体31内侧壁上。
48.所述第一制动器32穿接在所述输出轴21上，第一制动器32连接在所述输出轴安装体31上。具体的，第一制动器32与输出轴安装体31的一个侧壁的水平支撑轴承同心设置；第一制动器32本体在水平支撑轴承周边固定连接在输出轴安装体31内侧壁上。第一制动器32上电(或断电)后，第一制动器本体可以吸附第一制动器吸片，从而制动与第一制动器吸片机械连接的输出轴21，使得输出轴21连同第二斜锥齿轮22相对于所述输出轴安装体31制动，此时，电机11转动，通过同心内轴12、传动副、输出轴21和输出轴安装体31，继续传递；第一制动器32断电 (或上电)后，第一制动器本体释放第一制动器吸片，从而释放输出轴 21，此时，电机11转动，只通过同心内轴12、传动副，电动输出轴21 转动，而不传递至输出轴安装体31。
49.具体的，输出轴21的两个端头伸出输出轴安装体31外，输出轴21 在输出轴安装体31外部连接负载100。这种带有第一制动器32的设置，可以保证在第一制动器32断电(或上电)后，第一制动器本体释放第一制动器吸片，电机11输出给同心内轴12的垂直方向旋转运动转化为输出轴21自身的旋转运动，从而带动输出轴21的两个端头所连接的负载 100作俯仰方向的运动，以调整负载100的俯仰角；此时，由于水平支撑轴承的支撑和旋转运动隔离的作用，负载100的仰俯不带动输出轴安装体31的位置变动。
50.具体的，如图4和图6所示，输出轴安装体31下部的中心位置设置输出轴安装体下孔；输出轴安装体下孔处设置有下孔轴台结构，下孔轴台结构的底面限位安装垂直支撑轴承，具体的，下孔轴台结构的底面限位垂直支撑轴承外圈的下端面。
51.也就是说，垂直支撑轴承活动连接了输出轴安装体31下孔和同心内轴12的上部，即，该垂直支撑轴承内圈卡固在同心内轴12上部；该垂直支撑轴承外圈限位连接输出轴安装体31。
52.具体的，安装平台组件5包括安装平台51和第二制动器52；所述第二制动器52可以是断电制动器，也可以是上电制动器。所述第二制动器 52套接同心外轴4；所述第二制动器本体连接在安装平台51的底面，第二制动器吸片机械连接同心外轴4。
53.进一步具体的，安装平台51连接到负载100所应用的外部设备上，同时，安装平台
51的内圈通过平台支撑轴承与同心外轴4外部连接；进一步具体的，平台支撑轴承的内圈固连同心外轴4中部圆柱外侧面，平台支撑轴承的外圈固连安装平台51内圈；优选的，设置上、下2个平台支撑轴承，这样可以以轴线定位，保证安装平台51与同心外轴4位置稳固，不发生偏转；同时，使得双轴云台上的旋转运动，不传递到其所安装的外部设备，使得外部设备保持其原有的运动状态。
54.进一步具体的，安装平台51下部连接第二制动器52的主体；所述第二制动器52内孔穿过同心外轴4。第二制动器52上电(或断电)后，第二制动器本体可吸附第二制动器吸片，从而制动与第二制动器吸片机械连接的同心外轴4，使得与同心外轴4固连的输出轴安装体31与安装平台51固连，从而使得输出轴安装体31与安装平台51有一致的运动状态，也就是说，此时的负载100只可能相对于安装平台51静止或只随输出轴21的转动做俯仰角的调整；第二制动器52断电(或上电)后，第二制动器本体释放第二制动器吸片，从而释放同心外轴4，使得与同心外轴4固连的输出轴安装体31与安装平台51脱离，从而使得输出轴安装体31相对安装平台51可以做航向角偏转运动，也就带动了负载100做了航向角的改变。
55.本实用新型的单电机驱动的双轴云台对负载100俯仰角和航向角的调整按以下方式调整：
56.1、初始状态
57.外部电机上电，双轴云台的各部分位置保持原有静止状态；即第一制动器32处于制动状态，第二制动器52处于制动状态；
58.2、航向角调整
59.外部电机开始旋转，同时，第二制动器52释放，第一制动器32继续处于制动状态；此时，同心外轴4与输出轴安装体31脱离，同心外轴 4和同心内轴12保持锁定；此时负载100进行了航向角的调整。
60.负载100航向角角度调整所述对应的外部电机预设角度调整到位；
61.第二制动器52锁定，双轴云台恢复初始状态。
62.3、俯仰角调整
63.外部电机开始旋转，同时，第一制动器32释放，同心外轴4和同心内轴12脱离，同心外轴4和输出轴安装体31保持锁定；此时负载100 进行了俯仰角的角度调整。负载100俯仰角角度调整所述对应的外部电机预设角度调整到位；
64.第一制动器32锁定，双轴云台恢复初始状态。
65.本实用新型的双轴云台也可以先调整俯仰角，再调整航向角。
66.在调整负载100的角度调整时，由底部的电机11旋转运动，通过同心内轴12传递至水平放置的第一斜锥齿轮13，并通过垂直放置的第二斜锥齿轮22将扭矩改变方向，从而完成俯仰角或航向角的调整，电机11 每次只能带动其中1个角度的调整。其中，可以通过调整齿轮副传动比，从而进行扭矩调整，以调整转角的改变速率。
67.本实用新型的单电机驱动的双轴云台，有1个电机分时驱动负载100 分别进行俯仰角和航向角的调整，可以节省成本；两个制动器可在负载 100角度调整到位后双向锁定，和电机的制动器同时对航向角和俯仰角进行制动，抗冲击力强。另外，安装平台位于中部，接近整个双轴云台的重心；这种重心低设置，使得双轴云台结构稳定，抗扰能力强。
68.本技术的单电机驱动的双轴云台，其控制端将云台控制指令发送给控制器，控制
器进行解析，按照预设的角度调整顺序分别将指令发送至电机11的驱动器、第一制动器32和第二制动器52，其中第一制动器32 的供电和控制指令需经过滑环6发送，第二制动器52的控制指令可以从控制器直接发送。
69.以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。