一种集成化微小型通用云台的制作方法

本发明涉及一种无人平台，具体涉及一种集成化微小型通用云台，属于智能化无人平台技术领域。

背景技术：

狭义的云台主要是指安装、固定摄像机(摄像头)的支撑设备，以实现摄像机镜头在水平方向回转和垂直方向俯仰运动。广义的云台，是指安装、固定大型机械电子设备或者毁伤性武器(以下统称为任务载荷)的承载装置或机构。该装置广泛应用于军事和民用领域。

在军用领域，火炮/坦克装甲车辆上部的炮塔系统，各种武器站、导弹发射装置、光电跟踪设备、雷达监视设备、航炮、舰炮等武器广泛采用云台的二自由度运动原理，以满足武器瞄准目标时对俯仰、回转运动的需求。

在民用领域内，工程机械(如汽车吊、船吊、挖掘机)、安防监控设备、电视转播设备等，也广泛采用云台工作原理实现各种功能。

现有技术中，云台由俯仰机构、回转机构及其电气控制部件组成。其中俯仰机构安装各种任务载荷，靠蜗轮、蜗杆或者齿轮、齿弧等传统机械传动实现俯仰运动和回转运动。俯仰架体上安装任务载荷，回转架体上安装俯仰运动机构和各种电气组件。同时回转架体作为全部重量的承载机构，与车体等机动性平台通过转盘轴承进行连接，以实现回转减速机构带动整个上部任务载荷进行回转运动的功能。

现有技术中俯仰机构多为齿轮、齿弧传动机构或者蜗轮蜗杆减速机构。回转机构多通过转盘轴承与机动性平台连接，由回转减速器驱动轴承齿圈运动，进而带动上部任务载荷进行回转运动。

现有云台装置存在以下共性或者缺陷/问题：

(1)云台的高低俯仰机构使用传统的齿轮齿弧或蜗轮蜗杆减速机构，虽可满足传动需求，但是传统齿轮减速器由制造误差、安装误差带来的传动空回量大，传动精度差，影响武器类任务载荷的射击精度；

(2)云台为满足大角度俯仰运动的需求，俯仰机构的任务载荷多为偏心布置，导致俯仰运动时，产生较大不平衡力矩，需要加装弹簧式或气压式平衡机(力矩平衡器)来减小不平衡力矩，在减小俯仰运动电机功率的同时，使俯仰运动传动平稳。带来的问题是结构复杂，增加重量；

(3)云台本身通用性差，一种平台，一种云台装置，尤其是与车体连接部分，接口尺寸大小不一，结构各异；

(4)云台安装任务载荷的俯仰架体，功能化单一，基本是专属制作，即一种载荷一种架体。俯仰架体安装其它任务载荷时，互换性、通用性差或者基本不具备互换性；

(5)云台各机构或装置在满足任务载荷静承载、动承载的基础上，轻量化、紧凑化设计不足，造成云台重量、体积较大，设计裕度大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种集成化微小型通用云台，能够实现俯仰传动精准化、结构微型化、紧凑化、轻量化、安装方式的通用化以及工作高度集成化。

所述的集成化微小型通用云台包括：俯仰机构、托架组件、支撑组件和电气组件；

所述俯仰机构包括：载荷支架、摇架和上耳轴；所述载荷支架安装在摇架上方，用于承载任务载荷；所述摇架内部设置有两根平行的上耳轴，用于和托架组件连接；

所述托架组件包括：托架本体和伺服电动推杆；所述托架本体的顶部以及伺服电动推杆伸缩端的端部分别通过耳轴孔与俯仰机构中的两个上耳轴连接；所述伺服电动推杆用于推动所述俯仰机构绕其与托架本体相连的上耳轴的轴线转动；所述伺服电动推杆的底部与所述托架本体相连；

所述支撑组件包括：底座、立轴、立轴座和回转行星减速器；所述立轴通过轴承支撑在立轴座上，所述立轴座安装在所述底座上；所述托架本体与所述立轴固接；所述回转行星减速器的动力输出端与所述立轴相连，用于带动立轴及与立轴固连的部件进行回转运动；

所述电气组件包括安装在所述底座上的两个电机驱动器、主控制电路板以及供电电池；两个电机驱动器分别用于伺服电动推杆中伺服电机以及转行星减速器中伺服电机的驱动控制；所述主控制电路板用于两个电机驱动器控制程序的写入和运行；所述供电电池用于向伺服电动推杆中伺服电机、回转行星减速器中伺服电机、两个电机驱动器以及主控制电路板供电。

所述载荷支架包括：导轨安装架、前支座和后支座；所述T形导轨安装架上设置有导轨，在所述导轨安装架上导轨滑动方向的两端分别设置有与所述导轨滑动配合的前支座和后支座；所述前支座和后支座提供所述任务载荷的安装接口。

所述摇架上设置有用于安装瞄准设备的安装接口。

所述载荷支架还包括前支撑机构和后支撑调节机构，所述导轨安装架的前后两端分别通过前支撑机构和后支撑调节机构与所述摇架相连；所述后支撑调节机构能够带动所述导轨安装架后端进行上下、左右移动，以调节所述导轨安装架上任务载荷的轴线与所述瞄准设备轴线平行度。

所述前支撑机构包括前支撑座，所述导轨安装架的前端通过销轴与前支撑座销接，销轴的轴线与所述上耳轴轴线平行；所述前支撑座底部的连接轴竖直穿过摇架前端的连接孔后通过螺母进行限位，实现所述前支撑座与摇架的连接；

所述后支撑调节机构包括：上下调节组件和左右调节组件；所述上下调节组件包括：下调节螺套、上调节螺套和上下调节螺杆；所述左右调节组件包括：左调节螺套、右调节螺套和左右调节螺杆；所述上下调节组件竖直设置，左右调节组件水平设置，形成十字型结构；其中所述上下调节螺杆上端与导轨安装架的后端相连，下端分别套装上调节螺套和下调节螺套，与所述上下调节螺杆形成丝杠螺母副；

所述左右调节螺杆包括竖直设置的套筒和分别设置在套筒外圆周左右两侧的螺杆，令左右两侧的螺杆分别为左调节螺杆和右调节螺杆；所述上下调节组件中的上调节螺套和下调节螺套同轴套装在该套筒内部，所述左调节螺杆上套装有左调节螺套，形成丝杠螺母副，左调节螺套通过螺母座进行轴向限位；所述右调节螺杆上套装有右调节螺套，形成丝杠螺母副，所述右调节螺套通过螺母座进行轴向限位。

所述托架本体的两相对侧分别设置有回转限位器；所述立轴座外圆周面上的两个设定位置处安装有缓冲垫，所述缓冲垫作为与回转限位器配合的限位块，用于所述云台回转角度的限位。

所述回转限位器包括：限位销、外套筒、弹簧、定位销和拉环；所述限位销同轴套装在外套筒内部，其两端均伸出外套筒，且一端端部设置有拉环；在位于外套筒内部的限位销外套装有弹簧，所述弹簧的两端分别抵触在限位销上的轴肩以及外套筒内部的环形台阶面上，当通过拉环拉动限位销时，压缩所述弹簧；外套筒上在拉环所在端的端面上沿其轴向加工有条形槽，为连接在限位销上的定位销提供移动通道，所述定位销的轴线与限位销的轴线垂直；所述回转限位器处于限位状态时，所述定位销位于条形槽内，与条形槽的槽底抵触；所述回转限位器处于非限位状态时，所述定位销与所述外套筒拉环所在端的端面的抵触，所述弹簧处于压缩状态。

有益效果：

(1)该平台俯仰传动采用微型伺服电动推杆驱动，电动推杆内部使用滚珠丝杠副进行传动，能够实现精准化俯仰传动，滚珠丝杠副伸缩运动，既可以实现高低运动俯仰，同时其刚性好，具有自锁功能，可以在任意位置停止运动时，平衡不平衡力矩，保持力平衡。

(2)该平台的结构微型化、紧凑化、轻量化(减少冗余部件，例如力矩平衡器)；

(3)安装方式的通用化：上部预留各种任务载荷的通用安装接口，下部预留能够快速安装于各种无人平台上的安装接口。

(4)将电气组件集成在云台上，不依赖车体平台供电，工作高度集成化，为自主化应用奠定基础。

附图说明

图1和图2为本发明的通用平台的整体结构示意图；

图3为本发明的通用平台的俯仰机构的结构示意图；

图4为载荷支架的结构示意图；

图5为后支撑调节机构的结构示意图；

图6为托架组件的结构示意图；

图7为回转限位器的结构示意图；

图8为支撑组件的结构示意图；

图9为电气组件的结构示意图；

图10为护罩的结构示意图。

其中：1-俯仰机构、1-1载荷支架、1-1-1导轨安装架、1-1-2前支座、1-1-3后支座、1-1-4前支撑机构、1-1-5后支撑调节机构、1-1-6下调节螺套、1-1-7上调节螺套、1-1-8左调节螺套、1-1-9右调节螺套、1-2摇架、1-3上耳轴、1-4耳轴挡板、2-托架组件、2-1托架本体、2-2伺服电动推杆、2-3下耳轴、2-4回转限位器、2-4-1限位销、2-4-2外套筒、2-4-3弹簧、2-4-4定位销、2-4-5拉环、3-支撑组件、3-1底座、3-2立轴、3-3立轴座、3-4回转行星减速器、3-5缓冲垫、4-电气组件、4-1电机驱动器、4-2主控制电路板、4-3供电电池、5-护罩、5-1前护罩、5-2后护罩、6-任务载荷、7-瞄准镜

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种集成化微小型通用云台，该云台具备通用化、紧凑化、集成化等特点，且能够赋予任务载荷进行俯仰、回转二个自由度的高精度运动，满足期望的射击精度或瞄准精度等任务指标。

如图1和图2所示，该通用云台包括：俯仰机构1、托架组件2、支撑组件3、电气组件4和护罩5。

如图3所示，俯仰机构1包括：载荷支架1-1、摇架1-2和上耳轴1-3；其中载荷支架1-1安装在摇架1-2上方，用于承载任务载荷6。摇架1-2为矩形框架结构，其一侧外表面预留皮卡丁尼接口，用于安装瞄准镜7或摄像头等。摇架1-2的框架内部设置有两根平行的上耳轴1-3，用于和托架组件2连接。上耳轴1-3的两端通过耳轴挡板1-4进行轴向限位，避免上耳轴1-3的轴向窜动。具体的，载荷支架1-1的结构如图4所示，包括导轨安装架1-1-1、前支座1-1-2、后支座1-1-3、前支撑机构1-1-4和后支撑调节机构1-1-5。导轨安装架1-1-1上设置有T形导轨，在导轨安装架1-1-1上T形导轨滑动方向的两端分别设置有前支座1-1-2和后支座1-1-3，前支座1-1-2和后支座1-1-3作为前后两个安装支点，顶部通过销轴铰接的方式与任务载荷6相连，这样最大程度上保证了任务载荷6安装接口尺寸简单可靠。同时前支座1-1-2和后支座1-1-3通过其下表面加工的T形槽与导轨安装架1-1-1上的T形导轨滑动配合，使得前支座1-1-2和后支座1-1-3能够沿T形导轨滑动，以适应不同任务载荷6的尺寸。

导轨安装架1-1-1底部前后两端分别设置有前支撑机构1-1-4和后支撑调节机构1-1-5，导轨安装架1-1-1分别通过前支撑机构1-1-4和后支撑调节机构1-1-5与摇架1-2连接，其中通过后支撑调节机构1-1-5能够实现导轨安装架1-1-1后端上下、左右移动。具体为：前支撑机构1-1-4包括前支撑座，导轨安装架1-1-1的前端通过销轴与前支撑座的顶部销接，销轴的轴线与上耳轴1-3轴线平行；同时前支撑座底部的连接轴穿过摇架1-2前端的连接孔后通过螺母进行轴向限位，实现前支撑座与摇架1-2的连接；该连接轴的轴向沿竖直方向。

如图5所示，后支撑调节机构1-1-5包括：上下调节组件和左右调节组件；上下调节组件竖直设置，左右调节组件水平设置，形成十字型结构。其中上下调节组件包括：下调节螺套1-1-6、上调节螺套1-1-7和上下调节螺杆1-1-10；左右调节组件包括：左调节螺套1-1-8、右调节螺套1-1-9和左右调节螺杆1-1-11。其中上下调节螺杆上端与导轨安装架1-1-1的后端相连，下端分别套装上调节螺套1-1-7和下调节螺套1-1-6，与上下调节螺杆1-1-10形成丝杠螺母副。

左右调节螺杆1-1-11包括竖直设置的套筒和分别设置在套筒外圆周左右两侧的水平螺杆，令左右两侧的螺杆分别为左调节螺杆和右调节螺杆，左调节螺杆和右调节螺杆的轴线与套筒的轴线垂直。套筒同轴套装在上下调节组件中的上调节螺套1-1-7和下调节螺套1-1-6外部，且通过套筒对上调节螺套1-1-7和下调节螺套1-1-6进行轴向限位。当需要进行上移微调时，松开下调节螺套1-1-6，拧紧上调节螺套1-1-7，拧紧上调节螺套1-1-7过程中，上下调节螺杆1-1-10相对上调节螺套1-1-7向上移动，通过上调节螺套1-1-7带动导轨安装架1-1-1的后端上移；同理，当需要进行下移微调时，松开上调节螺套1-1-7(此时上下调节螺杆1-1-10也会在重力的作用下下移)，拧紧下调节螺套1-1-6，拧紧下调节螺套1-1-6过程中，上下调节螺杆1-1-10相对下调节螺套1-1-6向下移动，通过下调节螺套1-1-6带动导轨安装架1-1-1的后端下移。导轨安装架1-1-1的后端进行上移或下移的微调时，导轨安装架1-1-1整体绕前支撑座前端的销轴转动，实现导轨安装架1-1-1俯仰角的微调。

左调节螺杆上套装有左调节螺套1-1-8，形成丝杠螺母副，左调节螺套1-1-8通过螺母座进行轴向限位；右调节螺杆上套装有右调节螺套1-1-9，形成丝杠螺母副，右调节螺套1-1-9通过螺母座进行轴向限位。当需要进行左移微调时，松开右调节螺套1-1-9，拧紧左调节螺套1-1-8，拧紧左调节螺套1-1-8过程中，左右调节螺杆1-1-11相对左调节螺套1-1-8向左移动，通过左右调节螺杆1-1-11带动导轨安装架1-1-1的后端左移；同理，当需要进行右移微调时，松开左调节螺套1-1-8，拧紧右调节螺套1-1-9，左右调节螺杆1-1-11相对右调节螺套1-1-9向右移动，通过左右调节螺杆1-1-11带动导轨安装架1-1-1的后端右移。导轨安装架1-1-1的后端进行左移或右移的微调时，导轨安装架1-1-1整体绕前支撑座底部的连接轴转动，实现导轨安装架1-1-1回转方向的微调。

当任务载荷6在俯仰机构1上安装完成后，由于客观存在的机械加工误差，云台搭载的任务载荷6(尤其是轻武器)的射击轴线与固定在摇架1-2上的瞄准镜7的轴线不平行，此时可使用后支撑调节机构1-1-5上的四个螺套，对导轨安装架1-1-1进行俯仰和回转方向的微调，使得搭载的武器等任务载荷的轴线与瞄准镜7轴线平行，进而提高射击精度。

如图6所示，托架组件为单耳轴式托举架体结构，包括：托架本体2-1、微型伺服电动推杆2-2、下耳轴2-3和回转限位器2-4。托架本体2-1的顶部以及微型伺服电动推杆2-2伸缩端的端部分别设置有用于和俯仰机构1中的两个上耳轴1-3配合的耳轴孔，托架本体2-1和微型伺服电动推杆2-2的伸缩端通过耳轴孔分别与俯仰机构1中的两个上耳轴1-3连接。微型伺服电动推杆2-2的固定端通过下耳轴2-3与托架本体2-1相连。通过微型伺服电动推杆2-2的伸缩运动推动俯仰机构1绕其与托架本体2-1相连的上耳轴的轴线转动，实现俯仰机构1的俯仰运动，即实现了云台第一个自由度功能。其中微型伺服电动推杆2-2为滚珠丝杆式，通过滚珠丝杠副伸缩运动，带动俯仰机构1作俯仰运动，伺服电动推杆2-2的滚珠丝杠副轴向传动间隙为0.02mm，相比蜗轮蜗杆或者齿轮齿弧空回量在1～4密位，按任务载荷最前端与俯仰耳轴孔距离为100mm进行换算，传动间隙约为0.1～0.4mm。本方案可将传动精度提高5～20倍。

托架本体2-1底部预留有立轴座安装接口，用于与支撑组件3的立轴连接。同时在托架本体2-1的左右两侧各安装一个回转限位器2-4。回转限位器2-4的结构如图7所示，包括：限位销2-4-1、外套筒2-4-2、弹簧2-4-3、定位销2-4-4和拉环2-4-5。限位销2-4-1同轴套装在外套筒2-4-2内部，其两端均伸出外套筒2-4-2，且一端端部设置有拉环2-4-5；限位销2-4-1中部设置有轴肩，在位于外套筒2-4-2内部的限位销2-4-1外套装有弹簧2-4-3，弹簧的两端分别抵触在限位销2-4-1的轴肩以及外套筒2-4-2内部的环形台阶面上，当通过拉环2-4-5向外拉动限位销2-4-1时，压缩弹簧2-4-3。外套筒2-4-2上在拉环2-4-5所在端的端面上沿其轴向加工有条形槽，用于连接在限位销2-4-1上的定位销2-4-4的移动，定位销2-4-4的轴线与限位销2-4-1的轴线垂直。回转限位器2-4处于限位状态时，定位销2-4-4位于条形槽内，与条形槽的槽底抵触；通过拉环2-4-5向外拉动限位销2-4-1时，定位销2-4-4沿条形槽向拉环2-4-5所在端移动，当定位销2-4-4移动出外套筒2-4-2时，将限位销2-4-1转动90°，使定位销2-4-4与外套筒2-4-2端面的抵触(或位于外套筒2-4-2端面与条形槽垂直的凹槽内)，便可使回转限位器2-4处于解脱状态。当需要使回转限位器2-4恢复至限位状态时，只需将限位销2-4-1反转90°，使定位销2-4-4与外套筒2-4-2上的条形槽位置对应，限位销2-4-1便可在弹簧2-4-3回复力的作用下伸出。

支撑组件3的结构如图8所示，包括：底座3-1、立轴3-2、立轴座3-3、回转行星减速器3-4和缓冲垫3-5；底座3-1为锥台形结构，包括上底板、下底板以及用于连接上底板和下底板的多个支撑杆。立轴3-2通过轴承支撑在立轴座3-3上，立轴座3-3安装在底座3-1的上底板上；托架本体2-1通过其底部的立轴座安装接口与立轴3-2进行法兰式连接；回转行星减速器3-4的动力输出端与立轴3-2相连，带动立轴3-2及与立轴3-2固连的部件进行回转运动；回转行星减速器3-4通过螺钉与立轴座3-3下部进行法兰式连接。支撑组件的立轴3-2、回转行星减速器3-4和俯仰机构、托架组件共同组成云台的回转部分，在回转行星减速器3-4的带动下，可进行回转运动，实现云台装置的第二个自由度功能。

立轴座3-3外圆周面上安装有两个缓冲垫3-5(作为与回转限位器2-4配合的限位块)，缓冲垫3-5所在位置为设定的±90°的危界位置，立轴座3-3外圆周缓冲垫3-5所在圆周面与回转限位器2-4所在位置在同一圆周面上。回转部分工作前，回转限位器2-4处于限位状态，当回转部分回转至设定的±90°的危界时，限位销2-4-1与缓冲垫3-5撞击，对回转部分进行限位，保证了回转部分安全工作。回转部分停止工作时，可向外拔出回转限位器2-4的限位销2-4-1，回转限位器2-4处于解脱状态，限位销与缓冲垫3-5不会撞击，回转部分可进行±180°回转。

底座3-1的下底板上留有电气组件4和护罩5的安装空间和接口，使得该云台的上部和下部所有零件、组件和电气元件通过底座3-1进行综合集成安装。底座3-1的下底板为圆形安装盘，可使用螺栓，与无人机动平台的车体进行法兰式连接。圆形安装法兰结构简单，尺寸接口统一，便于与各种平台或车辆进行快速安装，实现了“一种云台，多种载荷，多种平台”的通用化、互换化模式。

如图9所示，电气组件4包括：两个电机驱动器4-1、主控制电路板4-2以及供电电池4-3；其中两个电机驱动器4-1通过其安装座固定在底座3-1的下底板上，分别用于控制伺服电动推杆2-2中的伺服电机以及转行星减速器中的伺服电机的转速和位置；主控制电路板4-2通过其安装座固定在底座3-1的下底板上，用于两个电机驱动器4-1控制程序的写入和运行；供电电池4-3通过其安装座固定在底座3-1的下底板上，用于向伺服电动推杆2-2中伺服电机、回转行星减速器3-4中伺服电机、两个电机驱动器4-1以及主控制电路板4-2供电。

如图10所示，护罩5为由前护罩5-1和后护罩5-2对接后形成的四方体结构，安装在支撑组件的底座3-1上，电气组件4位于护罩5内，通过护罩5防护电气组件4的元器件和线缆。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。