一种基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台

摘要

本发明提供一种基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台，包括水平回转部分和俯仰摆动部分，水平回转部分包括底板、三个HR2陶瓷电机、设置在三个HR2陶瓷电机输出拨动手指间的陶瓷环、与陶瓷环粘连的回转环、与回转环连接的光栅盘，在三个HR2陶瓷电机中的一个上设置有回转光栅读数头支架，光栅读数头支架上设置有回转光栅读数头，光栅盘上固连有上摆机体，光栅圆盘上端面贴有光栅尺，俯仰摆动部分包括与上摆机体连接的两个上摆支撑块、分别安装在两个上摆支撑块上的两个HR4陶瓷电机、设置在两个HR4陶瓷电机输出拨动手指间的两个陶瓷片、粘接在两个陶瓷片之间的上部摆动体。本发明具有不引入磁场，精度高，动态性能好，可控性好等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台，属于高精密测量仪器技术领域。

背景技术

随着工业、交通、电力及生活设施的急剧增加，人们正处在一个日益复杂的电磁环境之中，地磁场在局域范围内已经变得越来越复杂。然而，随着科技的不断进步，在精密测量、航天航空、计量测试等领域里，对外界环境磁场的要求越来越高。例如，在航空航天以及船舶中导航用的陀螺仪，干扰磁场严重影响着其导航精度，必须对干扰磁场进行消除。在无人机、惯性制导中远程导弹中，惯导传感器的性能直接影响着其轨道精度。所以为了模拟惯性导航传感器在实际使用中的姿态，设计成一种高精度无磁转台成为了一个重要环节。

二轴转台可以针对基于微机电MEMS的陀螺、惯性测量单元、航姿参考系统等模块及其产品的测试和整个系统的运动仿真。在测试过程中不能引入外界磁场干扰，转台电机要做磁防控处理，转台材料选用非铁磁材料铜和铝等，电缆要做隔磁处理。二轴电动转台需要较高的运动精度，水平转动和俯仰摆动精度一般不低于0.1′；转台还需要有较高的加工精度，转台的位置重复精度不大于0.1′。转台负载也应该设计合理，因为在较大的负载下，转台动态性能变差。在设计初期，这些都需要充分考虑，并应选择合理可靠的方法去避免磁场的引入和获得良好的精度。

在二轴无磁电动转台的设计中，选用压电陶瓷电机进行驱动，采用非铁磁性的金属材料，选用较高精度的、无磁场引入的光栅编码器是一个较为合理的方案。转台可负载重量为2.0Kg，它采用压电陶瓷电机驱动，可以避免使用常规电机引入的磁场，机械本体完全采用非铁磁性的金属材料，材料的相对磁导率<1.01。位置、速度和加速度检测使用雷尼绍光栅编码器，光栅系统最小分辨率可以达到0.1μm，二轴无磁电动转台的水平转动和俯仰摆动精度为0.01′，转台配备数字显示器显示角度，显示精度0.01′，转台具有良好的动态性能，调速范围广。转台底座具有调平功能，底座平面上预留基准面，使用二维水平仪实现高精度调平。相对其他方法而言，该二轴无磁电动转台能有效避免外界磁场的引入，结构相对简单，能够容易确保很高的精度，动态性能好。本基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台可以控制角速度、最大角加速度，转台能以间歇-停顿方式旋转，压电陶瓷电机良好的性能确保了转台的高精度和优异的动态性。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台，

本发明的目的是这样实现的：包括水平回转部分和俯仰摆动部分，水平回转部分包括底板、设置在底板三个端部的三个水平调节脚、对称设置在底板上的三个HR2陶瓷电机、设置在三个HR2陶瓷电机输出拨动手指间的陶瓷环、与陶瓷环粘连的回转环、与回转环连接的光栅盘，在三个HR2陶瓷电机中的一个上设置有回转光栅读数头支架，光栅读数头支架上设置有回转光栅读数头，且第一光栅读数头与光栅盘处于同一水平位置，所述光栅盘上固连有上摆机体，光栅圆盘上端面贴有光栅尺，上摆机体侧面设置有与光栅尺配和的指针，上摆机体上端设置有防尘板；所述俯仰摆动部分包括与上摆机体连接的两个上摆支撑块、分别安装在两个上摆支撑块上的两个HR4陶瓷电机、设置在两个HR4陶瓷电机输出拨动手指间的两个陶瓷片、粘接在两个陶瓷片之间的上部摆动体、设置在上部摆动体上的T形槽台，所述光栅盘的中间位置设置有摆动光栅读数头支架，摆动光栅读数头支架上设置有摆动光栅读数头，防尘板的中间位置设置有与摆动光栅读数头尺寸配合的通孔，上部摆动机体的一侧面上设置有上摆刻度盘。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述底板上还设置有包络水平回转部分的外部壳体，外部壳体由侧面的转台外壳a和水平的转台外壳b组成，且在外部壳体上端还设置有角度显示器、归零按钮和二维水平仪。

2.在回转环与底板之间的间隙中、上部摆动体与对应的上摆支撑块之间均设置有间隙调节块和间隙调节螺钉。

3.所述陶瓷环与回转环之间、陶瓷片和上部摆动体之间均是通过3M丙烯酸胶带粘结在一起。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台是一种高精度陀螺测试设备，能提供高精度速率转动和定位运动。用于测试陀螺仪的阈值、分辨率、比例因子、滞环误差、交叉耦合系数等项目。二轴转台可以在不引入外加磁场的条件下，通过转台水平方向的回转运动和俯仰方向的摆动，满足惯性导航传感器在研发、生产、使用过程中标校、调试、检验等需求。二轴无磁电动转台具有不引入磁场，精度高，动态性能好，可控性好等优点。

本发明的压电陶瓷电机不会引入附加磁场，压电陶瓷电机最小步距可以达到10nm，调速范围广至1μm/s～250mm/s。位置、速度和加速度检测采用雷尼绍光栅编码器，光栅系统最小分辨率可以达到0.1μm，所以转台可以达到很高的精度。转台可以负载2.0Kg的重量，并且能提供的最大角加速度为400(°)/s²。高精度二轴转台的使用环境为0～50℃，空气湿度0～80％。二轴无磁电动转台主要由底座、压电陶瓷电机、陶瓷电机驱动器、光栅编码器、滑动轴承、角度控制器等组成。本发明的底座可以进行调平，多个压电陶瓷电机对称布置确保足够的驱动力；滑动轴承带有间隙调节机构，可以在确保足够刚度的前提下保证转台的精度；雷尼绍光栅不会引入外界磁场的干扰，而且位置检测精度很高；角度控制器可以分别控制转台各个自由度，带有角度数字显示器，显示精度为0.01′；因为底部回转是单圈转动，采用导电滑环会改变压电陶瓷电机的驱动特性，所以不采用导电滑环，电机电缆和光栅读数头电缆直接走轴线位置。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的底部回转爆炸图；

图3是本发明的俯仰摆动爆炸图；

图4是本发明的全剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明由把手1、水平回转部分2、转台外壳a 3、水平调节脚4、归零按钮5、角度显示器6、水平刻度盘7、俯仰摆动部分8、上摆刻度盘9、转台外壳b 10、二维水平仪11组成。其中，水平回转部分2由HR2陶瓷电机12、底板13、陶瓷环(3M丙烯酸胶带粘接)14、回转环15、光栅读数头支架16、光栅读数头17、光栅盘18、上摆基体19、防尘板20、调节块压板21、间隙调节螺钉22、间隙调节块23等零件组成。俯仰摆动部分8由摆动光栅读数头支架24、摆动光栅读数头25、上摆支撑块26、电机框架27、HR4陶瓷电机28、间隙调节螺钉29、间隙调节块30、T形槽台31、上部摆动体32、陶瓷片33、指针34等零件组成。

本发明的工作原理是：

转台下面有两个把手1，在搬运设备过程中可以抓牢防止打滑。3个可调节支撑腿4通过螺杆和螺母固定在底板13上用于调节装置水平度。转台外壳a 3和转台外壳b 10通过螺钉固定在底板上，壳体做成两半的目的是便于拆卸，当线缆布置好后并且水平回转部分2和俯仰摆动部分8都安装调试完毕后，再安装设备外壳。指针34配合在上摆基体19一侧的凹槽内，并用防尘板20压住指针34，指针34可粗略观察水平转动角度。二维水平仪11、角度显示器6和归零按钮5安装在转台外壳a上。底座平面上预留基准面，使用二维水平仪11实现高精度调平。角度显示器6显示精度0.01′，双行显示回转角度和摆动角度。归零按钮6可以使转台自动恢复到初始零位。

水平回转部分2中，陶瓷环14通过3M丙烯酸胶带粘结在回转环15上，并滴两滴环氧基树脂作为保护，HR2陶瓷电机12直接驱动陶瓷环14。陶瓷电机前端的两个拨动手指在高频高压电路的驱动下做高频椭圆形轨迹运动，拨动陶瓷环无行程限制运动。陶瓷电机必须时刻保持压紧状态，不允许脱离陶瓷环，预紧力为105N～140N。HR2陶瓷电机在20℃时的驱动力为7N，采用3个陶瓷电机中心对称布置，这样对称布置陶瓷电机可以消除径向预紧力的载荷。间隙调节块23和间隙调节螺钉22配合使用，可以消除回转环15和间隙调节块之间的空隙，从而获得高精度地回转运动，调节块压板21对调节块进行竖直方向的限位。雷尼绍光栅读数头17固定在光栅读数头支架16上，可贴式光栅尺贴在光栅盘18外圆面上，光栅读数头和光栅尺可以精确的测量出回转部分的位置、速度、加速度等信息，光栅读数头和光栅尺的间隙为2.2mm，光栅系统配有IN-TRAC双向光学参考零位。上摆基体19通过螺钉连接在光栅盘18上，上摆基体用于连接整个俯仰摆动部分8。防尘板20是为了防止上摆基体19中间空腔进入灰尘。

俯仰摆动部分8由左右两个上摆支撑块26承重，支撑块与水平回转部分3中上摆基体19连接。两个对称布置的HR4陶瓷电机28通过螺钉固定在电机框架27上，电机框架通过螺钉分别安装在两个上摆支撑块26上，这样的结构使得陶瓷电机的安装、拆卸更加方便，可以达到很好的可维修性能。通过在电机框架27和上摆支撑块26的接触面适配垫片，使陶瓷电机的安装精度和预紧力的调节更加容易保证。陶瓷电机28与陶瓷片33以一定的预紧力压紧，采用侧面压紧陶瓷半圈的方式，陶瓷片和上部摆动体32之间用3M丙烯酸胶带粘接。为了减轻上部摆动的质量，上部摆动体做轻化处理，加工一系列槽减重。间隙调节螺钉29和间隙调节块30配合使用，消除上部摆动体32和上摆支撑块26之间的间隙，使上部摆动获得一个较好的刚度。通过上部摆动体32圆柱面上贴的光栅条和其下部的光栅读数头25测量俯仰摆动部分的速度、位置等信息，读取精度可以达到0.01′。T型槽台31使用螺钉固定在上部摆动体32上，台面上用于固定待测试陀螺仪。

本发明的基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台是根据我国测试陀螺仪等项目的实际需要，并结合一般的性能测试指标条件做出的，满足如下设计要求：

1)转台可负载质量0～2.0Kg；

2)转台台面在水平方向采用电动方式操控，转动范围±175°。水平旋转角度可控，转动最小角度为0.01′，误差不大于0.01′。转速范围-25～25(°)/s，精度不小于0.01(′)/s。最大角加速度300(°)/s²；

3)在俯仰方向采用电动方式操控，俯仰方向转动范围±40°，转速范围-25～25(°)/s，精度不小于0.01(′)/s；

4)转台能以间歇-停顿方式旋转，停顿时间最短0.1s，误差不大于0.05s，停顿时间可控。

一种基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台主要应用在陀螺仪的标较、调试、检测过程中，转台整体尺寸为：底面为边长为360mm的正三角形，高为142mm，转台整体质量约为7Kg。转台整体布局分为两部分：水平回转部分和俯仰摆动部分。

本发明的具体工作过程是：

(1)准备工作：搬移转台过程中，不允许抓取俯仰摆动部分或者其余强度相对较低的部位，应把持住转台下部分的把手1。将二轴转台安放到实验地点后，通过调整水平调节脚4，使二维水平仪11的空气泡处于中间位置。在T形槽台上部安装待测试陀螺仪，上部摆动陶瓷电机的静态锁死力约为100N，所以安装陀螺仪过程中需要注意不要超过锁死力。最后按下归零按钮，使水平回转运动和上部摆动回到0°位置。

(2)水平回转部分：三个关于中心对称布置的Nanomotion HR2陶瓷电机12压紧陶瓷环14，预紧力为105N～140N。压电陶瓷电机前端的两个拨动手指在高频高压电路的驱动下做高频椭圆形轨迹运动，拨动陶瓷环无行程限制运动，陶瓷电机布置方向与水平转动的回转轴线垂直。压电陶瓷电机没有磁场的引入，步距最小可以达到10nm，调速范围广至1μm/s～250mm/s。光栅盘18圆柱面上粘贴光栅条，光栅读数头最小分辨率可以达到0.1μm，光栅读数头和光栅尺的间距为2.15～2.45mm。

(3)上部摆动过程：两个上摆支撑块26固定在上摆基体19上，用于支撑整个上部摆动的重量。两个HR4陶瓷电机28对称布置在上摆支撑块上，总驱动力达36N。陶瓷电机安装在电机框架27上，以便于快速安装、拆卸陶瓷电机，而且不会影响转台整体精度。陶瓷片33通过3M丙烯酸胶带粘在上部摆动体32上，陶瓷电机压紧陶瓷片的预紧力为54N。HR4压电陶瓷电机前端的四个拨动手指在高频高压电路的驱动下做高频椭圆形轨迹运动，拨动陶瓷环运动，陶瓷电机布置方向与俯仰摆动的回转轴线平行。上摆光栅读数头25发出的光经过光栅条衍射反射后再进行接受，光栅头可以达到的最大精度为0.1μm。光栅读数头进行位置、速度、加速度反馈并控制陶瓷电机。

光栅头和陶瓷电机电缆的布置在中心通孔中走线，因为HR陶瓷电机是高频高压信号控制，导电滑环的使用会改变电机本身的频点。因为回转±175°，所以不增设导电滑环能够满足使用要求。

综上，本发明的基于压电陶瓷的二轴无磁电动转台可以避免了常规电机引入的磁场干扰，不用对电机进行磁防控处理，配合用非铁磁金属材料加工的转台机械本体，可以基本做到无磁环境。压电陶瓷电机可控性好，控制精度高，动态性能好，而且体积小，多个陶瓷电机对称布置就可以达到足够大的驱动力。此基于压电陶瓷电机的二轴转台在小型无磁转台领域有明显的优势。