一种双自由度旋转控制装置及设有该装置的应用系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及旋转装置技术领域，特别是双自由度旋转控制装置。本实用新型还涉及设有该装置的应用系统。
【背景技术】
[0002]双自由度旋转的装置和应用系统，常用于实现稳定平台、自动调平装置等，是实现三旋转自由度驱动、稳定装置和方法的核心。
[0003]目前，双自由度旋转装置大都采用两个相互正交的转动框架实现，在每个框架旋转轴的两端安装电机和传感器实现驱动和旋转角度测量，外部采用框架进行支撑和固定。
[0004]请参考图1，图1为框架式双自由度旋转控制装置的结构示意图。
[0005]如图所示，两个矩形转动框架I’(也可采用球形框架)相互正交，各转动框架I’的两个旋转驱动轴的两端分别安装驱动电机2’和角度传感器3’，根据角度传感器3’的测量数据对两个旋转轴进行控制和调整，从而实现稳定平台4’的稳定控制，驱动电机2’为常规电磁感应电机。
[0006]这种双自由度旋转控制装置，由于两个旋转轴要求相互垂直正交，而且驱动电机需要安装在两个轴端。因此，存在以下不足:
[0007]首先，框架形式和叠套结构会导致整个装置体积过大，不利于向小型化方向发展，会占用过大的空间，布置与组装的难度较大。
[0008]其次，虽然从原理图来看，其结构较为简单，但在实际制造过程中，为保证两个旋转轴精确地相互垂直正交，其机械结构会十分复杂，而且加工、装调精度要求很高，导致设备成本较高。
[0009]再者，框架式结构导致整个装置刚度较差，性能不够稳定。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型的第一目的是提供一种双自由度旋转控制装置。该装置结构简单、成本低、性能稳定，且易于小型化、动态响应更宽、功耗更小，可广泛应用于各种动态稳定平台和自动静态定向/调平装置。
[0011]本实用新型的第二目的是提供一种设有该装置的应用系统。
[0012]为实现上述第一目的，本实用新型提供一种双自由度旋转控制装置，包括:
[0013]转动体，具有磨擦球面，其顶部或内部设有负载安装平台；
[0014]固定支撑结构，保持所述转动体，使其仅具有旋转自由度；
[0015]驱动电机，其驱动端与所述转动体的摩擦球面直接接触，形成与所述摩擦球面相切的磨擦传动副。
[0016]优选地，所述驱动电机的数量为四个，以90度相位角均匀分布于所述转动体外围，其中相对的两个所述驱动电机的磨擦传动副的回转力矩方向相反。
[0017]优选地，所述驱动电机的数量为两个，两者的相位角为90度，各所述驱动电机在所述转动体的另一侧均设有与之相对的转动支撑件。
[0018]优选地，所述驱动电机为驻波型压电陶瓷电机。
[0019]优选地，各所述驱动电机纵向布置于所述转动体周围。
[0020]优选地，还包括:
[0021]检测单元，用于获取并向控制单元传输所述转动体的姿态数据；
[0022]控制单元，用于接收所述检测单元测量的姿态数据，并根据包括所述姿态数据在内的数据对所述转动体在两个旋转自由度上的旋转进行控制和调整。
[0023]优选地，所述转动体为完整球形转动体、部分球形转动体或者具有多个局部球面的虚拟球形转动体。
[0024]优选地，所述转动体为陶瓷或金属转动体。
[0025]优选地，所述固定支撑结构包括:
[0026]底座，其上设有容纳所述转动体的球形凹座；
[0027]下支撑件，设于所述球形凹座球形空间的底部，其支撑所述转动体具有旋转自由度；
[0028]上压块，分布于所述球形凹座顶部，其将所述转动体向下保持在所述下支撑件上。
[0029]优选地，所述下支撑件为下支撑环，其通过环带形内球面支撑所述转动体；或者，所述下支撑件为环形分布的若干支撑块，其通过局部内球面支撑所述转动体。
[0030]优选地，所述下支撑环或支撑块为采用固体润滑材料制成的支撑环或支撑块。
[0031]优选地，所述上压块为采用固体润滑材料制成的上压块。
[0032]优选地，所述球形凹座呈开口向上的空心半球形，其外侧设有局部平面，并在局部平面上开设槽口，形成驱动电机安装位，相邻的所述槽口之间形成异形支柱，所述上压块安装于所述异形支柱顶部。
[0033]优选地，所述驱动电机的驱动端与所述转动体的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接触。
[0034]为实现上述第二目的，本实用新型提供一种应用系统，包括旋转装置及其上的工作单元，所述旋转装置为上述任一项所述的双自由度旋转控制装置，所述工作单元设于所述转动体的负载安装平台。
[0035]本实用新型采用驻波型压电陶瓷电机作为驱动电机，并使其驱动端与转动体磨擦球面直接接触传递力和力矩，工作时，驻波型压电陶瓷电机的驱动端能够以超声工作频率和纳米的振幅以摩擦的形式将力直接传递到转动体，从而形成使转动体在不同方向上旋转的驱动力矩，每一个或每一组驱动电机对应一个方向上的旋转自由度，通过角度检测单元和控制单元，最终可实现对转动体在两个旋转自由度上的定向、稳定进行控制和调整。
[0036]基于上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果:
[0037]I)使用一个转动体即可实现两个自由度的旋转，结构简单，很容易通过压电陶瓷电机安装位置调整实现两个旋转轴的正交，成本将大幅降低。
[0038]2)通过转动体摩擦球面的表面精加工，较低的成本即可保证良好的球度和转动体表面的粗糙度(纳米级别)，而压电陶瓷电机的超声激励频率、纳米级振幅，可在两个旋转自由度上均获得非常高的旋转精度。
[0039]3)压电陶瓷电机直接将驱动力矩作用于转动体表面，转动体的球形结构或类球形结构具有极高的刚度，因此可获得极高的动态性能，在不需要驱动转动体转动时，驻波型压电陶瓷电机的自锁特性，能够使转动体的姿态保持稳定而不需要消耗能量，从而使得整套装置具有极尚的能效。
[0040]4)转动体容易实现和底座等构件的精密耦合加工，固定支撑结构与转动体接触的部位使用固体润滑材料，其配合精度可保证在0.5um以内，加上压电陶瓷电机的纳米级高频小步进给运动，可以实现转动体的高速精准旋转运动。
[0041]5)采用压电陶瓷电机、转动体的双自由度旋转控制装置，可在满足高精度、大负载要求的情况下实现小尺寸，有利于最终产品向小型化方向发展。
[0042]本实用新型所提供的应用系统设有上述双自由度旋转控制装置，由于所述双自由度旋转控制装置具有上述技术效果，设有该双自由度旋转控制装置的应用系统也应具有相应的技术效果。
【附图说明】
[0043]图1为现有技术中框架式双自由度旋转控制装置的结构示意图；
[0044]图2为本实用新型所提供的双自由度旋转控制装置的一种【具体实施方式】的结构示意图；
[0045]图3为图2中所示陶瓷球形转动体的结构示意图；
[0046]图4为图2中所示底座及球形凹座的结构示意图；
[0047]图5为一种虚拟球形转动体的示例图。
[0048]图1 中:
[0049]转动框架I’驱动电机2’角度传感器3’稳定平台4’
[0050]图2至图5中:
[0051]1.转动体 1-1.局部球面 2.球形凹座 3.底座 4.下支撑环 5.上压块
6.角度传感器7.驱动电机8.电机安装板9.传感器连接安装板
【具体实施方式】
[0052]为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的详细说明。
[0053]请参考图2，图2为本实用新型所提供的双自由度旋转控制装置的一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0054]本实用新型提供的双自由度旋转控制装置的一种具体实施例中，主要由转动体1、设有球形凹座2的底座3、下支撑环4、上压块5、角度传感器6、驱动电机7以及控制单元等构成。
[0055]转动体I为陶瓷或金属材质的部分球形转动体(见图3)，由一个完整的球体在顶部加工出平面形成，其内部可以是中空结构，顶部或内部可安装其他组成部件，负载安装平台既可以位于转动体I内部，也可以位于转动体I顶部，除顶面以外，转动体I的其余部分为球面，即摩擦球面，通过表面精加工，可使摩擦球面达到纳米级别的粗糙度。
[0056]请一并参考图4，图4为图2中所示底座及球形凹座的结构示意图。
[0057]底座3呈圆盘形，其中央处设有用于容纳转动体的球形凹座2，球形凹座2呈开口向上的空心半球形，其顶面位于赤道面以下的位置，以便于转动体I能够顺利的放入球形凹座2，其外侧面沿纵向方向切割出四个周向均匀分布的局部平面，并在局部平面上开设“U”形槽口，形成驱动电机安装位，相邻的“U”形槽口之间形成异形支柱。
[0058]球形凹座2为单体结构，可一次性精确加工成形，与分体组装式结构相比，其结构简单、性能稳定、易于装调，且能够保证两个旋转轴精确正交，从而大幅降低成本。
[0059]下支撑环4安装在球形凹座2的球形空间底部，其通过环带形内球面支撑转动体I绕立体空间的三个旋转轴旋转，也就是图3所示的X轴、Y轴和Z轴，转动体I的任何旋转运动，都可以分解为绕X轴、Y轴和Z轴的旋转，转动体I在球形凹座2内虽然可以任意旋转，却不会沿X轴、Y轴和Z轴发生位移，即转动体I相对于球形凹座2仅具有旋转自由度。
[0060]上压块5的形状大体与异形支柱的顶面形状相吻合，四个上压块5分别固定在四个异形支柱的顶部，将转动体I向下保持在下支撑环4上，其与转动体I的接触部位处于转动体I赤道面以上的位置，以便将转动体I保持在下支撑环4上，防止其从球形凹座2中脱出。
[0061]下支撑环4、上压块5采