一种可测量自身旋转角度的云台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可测量自身旋转角度的云台包括底座、外壳、竖直连接轴、水平电机、水平减速器、水平蜗杆、水平涡轮、垂直传动轴、垂直联轴器、垂直支架、水平编码器、水平联轴器、水平支架、垂直编码器、垂直涡轮、垂直蜗杆、垂直电机、护罩和垂直减速器，通过在竖直连接轴上安装水平编码器，当云台水平旋转时，水平编码器绕着竖直连接轴旋转，由水平编码器读取云台水平旋转角度，在垂直传动轴上安装垂直编码器，当云台在竖直方向上旋转时，垂直编码器绕着垂直传动轴旋转，由垂直编码器读取云台竖直俯仰角度，在测量旋转角度时不受蜗轮蜗杆传动磨损以及加工误差的影响，具有成本低、结构简单、精度高的优点。
【专利说明】-种可测量自身旋转角度的云台
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高铁灾害监测系统雪深监测领域，特别是一种可测量自身旋转角度的 云台。
【背景技术】
[0002] 随着高速铁路的快速发展，列车行驶速度也越来越快，确保列车在恶劣天气下的 行车安全显得尤为重要。降雪发生时伴随的恶劣能见度对铁路产生很大的影响，在降雪之 后地面形成的积雪会长时间阻碍交通运输的正常进行，扰乱市民的正工作和生活，降低生 活交通运输效率。积雪造成轮轨之间摩擦力减小，很容易引起交通事故，白天经过太阳照射 融化，晚上气温降低在铁轨上结冰，轨面摩擦系数更小，会导致列车在铁轨上刹车不灵，发 生交通事故的概率会大大增加，严重威胁旅客的生命安全。因此利用雪深监测系统对降雪 进行实时检测，并将数据通过无线模块和GPRS模块实时发到交通指挥控制中也，控制中也 根据灾害情况进行实时处理，采取相应措施比如降速、停运。
[0003] 雪深监测系统包含云台、激光雪深传感器、网络摄像头，对道岔进行雪深监测时需 要云台进行一定角度的俯仰，依次对每一条轨道的雪深进行测量。雪深测量原理比较简单， 激光传感器测出激光传感器到雪面的距离，再测量出云台自身转动的角度；但由于雪深误 差要求特别高，对云台转动角度的精度要求也特别高，虽然云台可W预定位但大多数云台 是蜗杆润轮传动，由于蜗杆润轮传动存在加工误差、长时间运动磨损就会导致云台定位精 度不高。中国专利CN102095060公开了一种重载云台的机芯结构装置，该装置在水平传动 轴和外壳的内部的弹黃卡位之间设置恒力弹黃，通过恒力弹黃拉动水平传动轴，使水平传 动轴能够根据实际情况改变限定的位置，保持水平传动轴上固定的水平润轮与水平蜗杆之 间的紧密配合，使两者在配合保持稳定运转，恒力弹黃拉力有效解决润轮蜗杆加工和磨损 误差，使水平润轮和水平蜗杆在传动过程中，咬合面永远保持重合。然而该装置只是降低了 润轮蜗杆传动的误差，并没有对云台实际定位角度精度作进一步分析。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种可测量自身旋转角度的云台，通过在云台内部安装编 码器，对水平润轮和竖直润轮旋转的实际转动的角度进行测量，把云台实际旋转角度与预 定角度作对比，再进行微调，使云台旋转到预定位置，并把调整后的角度上传到上位机，达 到了云台高精度旋转的目的，从而满足了雪深测量的需求。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种可测量自身旋转角度的云台，包括底座、 外壳、竖直连接轴、水平电机、水平减速器、水平蜗杆、水平润轮、垂直传动轴、垂直联轴器、 垂直支架、水平编码器、水平联轴器、水平支架、垂直编码器、垂直润轮、垂直蜗杆、垂直电 机、护罩和垂直减速器。
[0006] 竖直连接轴、水平电机、水平减速器、水平蜗杆、水平润轮、垂直传动轴、垂直联轴 器、垂直支架、水平编码器、水平联轴器、水平支架、垂直编码器、垂直润轮、垂直蜗杆、垂直 电机和垂直减速器均设置在外壳内；外壳位于底座上方，护罩形状为形，其两侧与外壳的外 壁活动连接，顶部平行于外壳的顶部。
[0007] 外壳底部中也设有通孔，竖直连接轴底部穿过上述通孔固定在底座上，其顶部位 于外壳内，竖直连接轴和通孔通过滚动轴承配合连接；水平编码器穿过水平支架与水平联 轴器连接，水平支架另一端固定在外壳底部，水平联轴器再与竖直连接轴相连，水平联轴器 与竖直连接轴之间设有水平润轮；水平电机固定在外壳底部，水平减速器的主动齿轮套在 水平电机的传动轴上，水平蜗杆位于水平电机和水平润轮之间，并固定在外壳底部，水平减 速器的从动齿轮套在水平蜗杆的传动轴上，水平蜗杆与水平润轮晒合；垂直电机固定在外 壳底部，垂直蜗杆设置在垂直电机上方，且固定在外壳内壁上；垂直减速器的主动齿轮套在 垂直电机的传动轴上，其从动齿轮套在垂直蜗杆的传动轴上，垂直传动轴位于水平电机、水 平蜗杆、水平编码器W及垂直蜗杆的上方，垂直传动轴两端分别固定在外壳的内壁上垂直 编码器穿过垂直支架与垂直联轴器连接，垂直联轴器与垂直传动轴连接，垂直支架固定在 外壳的内壁上；垂直润轮套在垂直传动轴上，且与垂直蜗杆晒合。
[0008] 上述垂直传动轴包括第一连杆、第二连杆和第H连杆，第H连杆上设有二阶凸台， 二阶凸台与垂直润轮过盈配合，用于固定垂直润轮；第一连杆与第H连杆的中也轴线重合， 第二连杆的中也轴线不与第H连杆的中也轴线重合，第二连杆位于第一连杆与第H连杆中 间，第二连杆两端通过连接板分别焊接在第一连杆端部和第H连杆端部；第一连杆端部穿 过连接板，与垂直联轴器连接。
[0009] 上述竖直连接轴由第一圆柱体、第二圆柱体、第H圆柱体、第四圆柱体、第五圆柱 体和第六圆柱体依次连接而成，上述六个圆柱体直径不同；第一圆柱体设置在底座内，第H 圆柱体与外壳底部通孔中的滚动轴承的内圈相配合，第二圆柱体22直径大于第一圆柱体 且小于第H圆柱体；第四圆柱体与水平润轮11通过键配合，第六圆柱体与水平联轴器相 连，第五圆柱体的直径小于第四圆柱体且大于第六圆柱体；第四圆柱体的直径小于第H圆 柱体的直径。
[0010] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0011] 1)本发明对原有云台内部结构进行重新设计，设计出竖直连接轴和垂直传动轴， 分别用来安装水平编码器和垂直编码器，结构简单。
[0012] 2)通过与竖直连接轴相连的水平编码器测量云台水平旋转角度，与垂直传动轴相 连的垂直编码器测量云台的竖直旋转角度，不受润轮蜗杆磨损和加工误差的影响，具有成 本低、精度高的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的可测量自身旋转角度的云台整体结构示意图。
[0014] 图2为本发明的可测量自身旋转角度的云台内部结构示意图。
[0015] 图3为本发明的可测量自身旋转角度的云台局部剖示意图图。
[0016] 图4为本发明的可测量自身旋转角度的云台内部结构俯视图。
[0017] 图5为本发明的可测量自身旋转角度的云台的竖直连接轴示意图。
[0018] 图6为本发明的可测量自身旋转角度的云台的垂直传动轴示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0020] 结合图1?图6，一种可测量自身旋转角度的云台，包括底座14、外壳13、竖直连接 轴24、水平电机1、水平减速器3、水平蜗杆2、水平润轮11、垂直传动轴4、垂直联轴器5、垂 直支架6、水平编码器8、水平联轴器17、水平支架9、垂直编码器7、垂直润轮10、垂直蜗杆 16、垂直电机15、护罩12和垂直减速器26。
[0021] 竖直连接轴24、水平电机1、水平减速器3、水平蜗杆2、水平润轮11、垂直传动轴 4、垂直联轴器5、垂直支架6、水平编码器8、水平联轴器17、水平支架9、垂直编码器7、垂直 润轮10、垂直蜗杆16、垂直电机15和垂直减速器26均设置在外壳13内；夕['壳13位于底座 14上方，护罩12形状为U形，其两侧与外壳13的外壁活动连接，顶部平行于外壳13的顶 部。
[0022] 外壳13底部中也设有通孔，竖直连接轴24底部穿过上述通孔焊接在底座14中 也，起支撑云台的作用，其顶部位于外壳13内，竖直连接轴24和通孔通过滚动轴承配合连 接。水平支架9 一端开有通孔，水平编码器8穿过水平支架9的通孔与水平联轴器17连接， 水平支架9另一端焊接在外壳13底部，水平联轴器17再与竖直连接轴24相连，水平联轴 器17与竖直连接轴24之间设有水平润轮11。水平电机1通过支架焊接在外壳13底部，水 平减速器3的主动齿轮套在水平电机1的传动轴上，水平蜗杆2位于水平电机1和水平润 轮11之间，并通过支架焊接在外壳13底部，水平减速器3的从动齿轮套在水平蜗杆2的传 动轴上，使得水平蜗杆2与水平润轮11晒合。
[0023] 垂直电机15通过支架焊接在外壳13底部，垂直蜗杆16设置在垂直电机15的上 方，并通过支架焊接在外壳13内侧侧壁上。垂直减速器26的主动齿轮套在垂直电机15的 传动轴上，其从动齿轮套在垂直蜗杆16的传动轴上。垂直传动轴4位于水平电机1、水平蜗 杆2、水平编码器8 W及垂直蜗杆16的上方，垂直传动轴4两端安装在安装架上，安装架焊 接在外壳13的内侧侧壁上。垂直支架6 -端开有通孔，垂直编码器7穿过垂直支架6的通 孔与垂直联轴器5连接，垂直联轴器5与垂直传动轴4连接，垂直支架6焊接在外壳13的 内侧侧壁上。垂直润轮10套在垂直传动轴4上，且与垂直蜗杆16晒合。
[0024] 垂直电机15和水平电机1关于外壳13底部通孔对称布置。安装垂直电机15和 水平电机1时考虑到云台受力平衡，把水平电机1和垂直电机15关于外壳13底部通孔对 称安装，使云台在中也处受力平衡，云台作水平和垂直旋转时速度均匀、平稳。
[00巧]垂直传动轴4包括第一连杆18、第二连杆19和第H连杆28,第H连杆28上设有 二阶凸台27,二阶凸台27与垂直润轮10过盈配合，用于固定垂直润轮10。第一连杆18与 第H连杆28的中也轴线重合，第二连杆19的中也轴线不与第H连杆28的中也轴线重合， 第二连杆19位于第一连杆18与第H连杆28中间，第二连杆19两端通过连接板分别焊接 在第一连杆18端部和第H连杆28端部；第一连杆18端部穿过连接板，与垂直联轴器5连 接。
[0026] 竖直连接轴24由第一圆柱体21、第二圆柱体22、第H圆柱体23、第四圆柱体25、 第五圆柱体29和第六圆柱体30组成，上述六个圆柱体直径不同，由车削加工而成。其中第 一圆柱体21插在底座14中也，第H圆柱体23与外壳13底部通孔中的滚动轴承的内圈相 配合，第二圆柱体22直径大于第一圆柱体21且小于第H圆柱体23 ;第四圆柱体25与水平 润轮11通过键配合，第六圆柱体30与水平联轴器17相连，第五圆柱体29的直径小于第四 圆柱体25且大于第六圆柱体30。第四圆柱体25的直径小于第H圆柱体23的直径。
[0027] 护罩12由H块钢板焊接而成，相互平行的两块设置在外壳13的侧壁，且与垂直传 动轴4通过螺钉连接，激光传感器固定在护罩12顶部。
[0028] 当测量道岔处雪深时需要云台旋转到几个预定位置，输入既定角度，云台旋转再 由编码器测出云台旋转实际的角度并与所要求角度作对比，再进行微调，并把微调后的角 度反馈到上位机用来计算雪深，具体工作原理及过程：云台水平旋转角度由水平电机1、水 平减速器3、水平蜗杆2、水平润轮11、水平联轴器17、水平支架9、水平编码器8、竖直连接 轴24等组件组成，具体工作过程是控制板向水平电机1发送信号，水平电机1通过水平减 速器3带动水平蜗杆2旋转，水平蜗杆2与水平润轮11之间是蜗杆润轮传动，竖直连接轴 24固定在底座中也，水平润轮11被竖直连接轴24固定，在反作用力作用下水平蜗杆2带动 外壳13整体，水平支架9也随着外壳13旋转，与竖直连接轴24相连的水平联轴器17也是 固定的，水平支架9带动水平编码器8绕着水平联轴器17旋转，从而可由水平编码器17读 取云台水平旋转的角度，并把水平旋转角度反馈到上位机；测量云台在竖直方向旋转角度 由垂直电机15、垂直减速器26、垂直蜗杆16、垂直润轮10、垂直传动轴4、垂直联轴器5、垂 直支架6、垂直编码器7等组件组成；控制板向垂直电机15发送信号，垂直电机15通过垂 直减速器26带动垂直蜗杆16旋转，垂直蜗杆16带动垂直润轮10旋转，垂直润轮10固连 在垂直传动轴4,使垂直传动轴4旋转，垂直传动轴4带动垂直联轴器5旋转，垂直编码器7 固定在垂直支架7上，垂直编码器7的传动轴在垂直联轴器带动下旋转，从而可由垂直编码 器读出云台竖直旋转的角度，并把俯仰角反馈到上位机。
[0029] 本实施例的水平步进电机1和垂直步进电机15都选择75BF001的H相单轴步进 电机，步距角度1. 5度/3度电压24V，电流3A。步进电机通过减速器与蜗杆相连接。
[0030] 本实施例的水平编码器和垂直编码器选择非接触式编码器，是按照霍尔原理制作 的10位绝对型编码器，采用SSI通讯方式，0-5V的标准模拟量信号输出。编码器与传动轴 相连接检测云台当前旋转的角度，由控制板进行读取，从而实现闭环控制。绝对式编码器选 择MAB25,其特性如下：
[0031]
【权利要求】
1. 一种可测量自身旋转角度的云台，其特征在于：包括底座（14)、外壳（13)、坚直连接 轴（24)、水平电机（1)、水平减速器（3)、水平蜗杆（2)、水平涡轮（11)、垂直传动轴（4)、垂 直联轴器（5)、垂直支架（6)、水平编码器（8)、水平联轴器（17)、水平支架（9)、垂直编码器 (7)、垂直涡轮（10)、垂直蜗杆（16)、垂直电机（15)、护罩（12)和垂直减速器（26); 坚直连接轴（24 )、水平电机（1)、水平减速器（3 )、水平蜗杆（2 )、水平涡轮（11)、垂直传 动轴（4)、垂直联轴器（5)、垂直支架（6)、水平编码器（8)、水平联轴器（17)、水平支架（9)、 垂直编码器（7)、垂直涡轮10、垂直蜗杆16、垂直电机（15)和垂直减速器（26)均设置在外 壳（13)内；外壳（13)位于底座（14)上方，护罩（12)形状为（U)形，其两侧与外壳（13)的 外壁活动连接，顶部平行于外壳（13)的顶部； 外壳（13)底部中心设有通孔，坚直连接轴（24)底部穿过上述通孔固定在底座（14)上， 其顶部位于外壳（13)内，坚直连接轴（24)和通孔通过滚动轴承配合连接；水平编码器（8) 穿过水平支架（9)与水平联轴器（17)连接，水平支架（9)另一端固定在外壳（13)底部，水 平联轴器（17)再与坚直连接轴（24)相连，水平联轴器（17)与坚直连接轴（24)之间设有水 平涡轮11 ;水平电机（1)固定在外壳（13)底部，水平减速器（3)的主动齿轮套在水平电机 (1)的传动轴上，水平蜗杆（2)位于水平电机1和水平涡轮（11)之间，并固定在外壳（13) 底部，水平减速器（3)的从动齿轮套在水平蜗杆2的传动轴上，水平蜗杆（2)与水平涡轮11 哨合；垂直电机（15)固定在外壳（13)底部，垂直蜗杆（16)设置在垂直电机（15)上方，且固 定在外壳（13)内壁上；垂直减速器（26)的主动齿轮套在垂直电机（15)的传动轴上，其从 动齿轮套在垂直蜗杆（16)的传动轴上，垂直传动轴（4)位于水平电机（1)、水平蜗杆（2)、水 平编码器（8)以及垂直蜗杆（16)的上方，垂直传动轴（4)两端分别固定在外壳（13)的内壁 上垂直编码器（7 )穿过垂直支架（6 )与垂直联轴器（5 )连接，垂直联轴器（5 )与垂直传动轴 (4)连接，垂直支架（6)固定在外壳（13)的内壁上；垂直涡轮（10)套在垂直传动轴（4)上， 且与垂直蜗杆（16)哨合。
2. 根据权利要求1所述的可测量自身旋转角度的云台，其特征在于：垂直传动轴（4)包 括第一连杆（18)、第二连杆（19)和第三连杆（28)，第三连杆（28)上设有二阶凸台（27)，二 阶凸台（27)与垂直涡轮（10)过盈配合，用于固定垂直涡轮（10);第一连杆（18)与第三连 杆（28)的中心轴线重合，第二连杆（19)的中心轴线不与第三连杆（28)的中心轴线重合，第 二连杆（19)位于第一连杆（18)与第三连杆（28)中间，第二连杆（19)两端通过连接板分别 焊接在第一连杆（18)端部和第三连杆（28)端部；第一连杆（18)端部穿过连接板，与垂直联 轴器（5)连接。
3. 根据权利要求1所述的可测量自身旋转角度的云台，其特征在于：坚直连接轴（24) 由第一圆柱体（21)、第二圆柱体（22)、第三圆柱体（23)、第四圆柱体（25)、第五圆柱体（29) 和第六圆柱体（30)依次连接而成，上述六个圆柱体直径不同；第一圆柱体（21)设置在底座 (14)内，第三圆柱体（23)与外壳（13)底部通孔中的滚动轴承的内圈相配合，第二圆柱体 (22)直径大于第一圆柱体（21)且小于第三圆柱体（23);第四圆柱体（25)与水平涡轮（11) 通过键配合，第六圆柱体（30)与水平联轴器（17)相连，第五圆柱体（29)的直径小于第四圆 柱体（25)且大于第六圆柱体（30);第四圆柱体（25)的直径小于第三圆柱体（23)的直径。
【文档编号】F16M11/12GK104390112SQ201410695758
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】石奋义, 王夫歌, 王晓浩, 蒋杰, 刘鑫荣, 刑宗义 申请人:南京理工大学