一种三轴直驱转台的制作方法

本发明涉及转台技术领域，具体来说，涉及一种三轴直驱转台。

背景技术：

世界上一些航天技术发达的国家，如美国、前苏联、德国、法国等都对转台的研制投入了很大的精力。他们的研制水平已经发展到一定的高度。特别是美国，它是研制转台起步最早的国家之一，其转台研制技术一直处于世界领先的地位。目前美国在转台制造方面，无论在数量上、品种上、还是测量精度、测试自动化程度方面都居世界领先地位，代表当今世界最高水平。

1945年在美国麻省理工学院仪表实验室诞生了世界上的第一台转台a型转台。采用普通的滚珠轴承，用交流力矩电机驱动，角位置测量元件采用滚珠微动开关。由于采用的元件精度比较低，并且无经验可借鉴，这台转台存很多缺点，精度也很低，实际上没有投入使用。以后相继在1950年研制成功了b型伺服转台，1953年研制了c型转台，用精密齿轮代替了直接驱动装置。1954年d型转台投入使用，这种转台采用了精密锥形滚珠轴承，角位置读出装置采用光电测角系统，标志着转台进入了一个高级阶段。60年代末期，美国研制的转台开始采用计算机控制，如菲克系统分公司生产的3768型、3769型单轴转台及5768型、5769型双轴转台；5769型转台还实现了计算机自动测试，这种转台可以分别工作于伺服状态，同步速率状态，辅助速率状态，数字位置状态和自动程序移位状态等。美国ccjc公司于60年代末到70年代初，研制生产了51系列双轴空气轴承测试台。70年代末研制生产了53系列三轴转台。值得一提的是在该型转台中采用了模块化精密角位置控制系统mpacs（modularpresicionangularcontrolsystem）30h。30h系列产品综合了现代电子设计和封装技术，可提供多种控制与编码功能。由于在设计mpacs的每一个模块时都考虑了从最少到最多的功能要求，故此系统可提供绝对角度或位置控制、位置编码以及精密速率控制。系统结构设计为多轴测试设备提供了最大扩充能力，30h系列的模块功能部件，显示出高度的可维护性和使用灵活性。到70年代末，美国测试转台已达到相当高的水平，表现在精度高，高可靠性，多用途，采用计算机控制和数据处理。由于在许多情况下，技术水平己达到边界或极限精度，而技术发展的连续性和习惯势力。使其难以一下子进入新的发展阶段。因此惯导测试技术在发展过程中进入了一个相对停滞阶段，转台的技术水平基本维持到80年代末没有重大进展。

1984年，cgs开始研制改进的三轴测试台italrr，itatt的许多性能指标代表了当今惯导测试台的发展水平，设计中使用的许多新技术和措施对今后惯导测试设备的发展来说，是具有代表性的。为了提高转台的性能，rratt高级三轴测试台的设计中采用了一系列措施。如轴承方面；现有的一些测试设备采用的是空气轴承，而高级三轴测试台采用了有源磁悬浮技术，这样可将轴的回转精度从0.5角秒提高到0.03角秒；测试台的结构式样方面：现有的一些测试台采用的是铝材框架式结构，而高级三轴测试台则采用了石墨复合材料球形壳体结构，这样就改善了对称性和偏转特性；驱动器方面现有型号的一些测试台采用的是直流／交流力矩电机，而高级三轴测试台则采用了多相感应马达，从而消除了马达的齿槽效应和力矩波动；角位置传感器方面：现有型号的一些测试设备使用单一的感应同步器，而itatt高级三轴测试台则采用了感应同步器和光学编码器组合，从而使测角精度从0.5角秒提高到小于0.03角秒，控制方面：cgc原有的一些测试台采用的是模拟／数字技术，而高级三轴测试台采用了数字状态反馈技术，这样可消除偏移，并为误差补偿创造了条件：采用了上述技术后，改进的高级三轴测试台itatt的综合指向精度可达0.1角秒，轴的定位精度为0.03角秒，综合技术指标抬高一个数量级。我国转台起步于1965年，较美国晚二十年，但发展速度还是较快的，差距正在逐渐缩小。1974年，由707所研制成dt-1型低速转台，1975年，由303所研制成的sft-1.1型伺服转台，与cgc的200型转台类似，主要用来进行伺服试验.1979年，由哈工大、441厂和6354所共同研制成我国第一台双轴伺服台“7191”双轴空气轴承转台。1982年，由6354所研制成“7191-n”型双轴转台。该转台是在“7191”转台基础上，在提高精度、方便操作、扩展功能、提高可靠性和增加连续工作时间方面做了改进。1983年由13所研制的dpct-ⅱ伺服转台是我国最大的双轴转台。它设计用来测量漂移率为0.01°m的双自由度陀螺、三自由度陀螺和加速度计。1985年，由哈工大研制的dpct-n型转台是我国第一台计算机控制的转台，该转台采用了一些国际上比较流行的技术，利用先进的控制算法，使转台测角精度达到1角秒，设计指标是可测漂移率为0.001°/h的陀螺。1987年哈工大与6354所共同研制成功的ccgt型陀螺测试转台，为计算机控制的双轴测试转台，可测试漂移率为0.001°m的陀螺。1990年，航空部303所研制成功了sgt-ⅰ型三轴捷连惯导测试转台，该转台采用机械轴承，其主要性能指标是。本轴回转精度为±2角秒，不垂直度为1角秒，测角精度为1角秒。目前，哈工大正研制或已完成hit三轴测试转台、gst-ⅰ三轴综合测试台、ct-ⅰ单轴伺服台、ct-ⅰ三轴测试转台、光学成像五轴仿真转台等二十余个转台。2008年浙江讯领科技有限公司成立，该公司一直致力于转台的研制开发和生产。2009年７月该公司第一台单轴超高速转台研制成功并交付客户使用，此台转台转速可达到50-20000rpm，突破国家领先水平。2009年9月开始着手双轴无磁转台的研究开发项目，并于2010年5月陆续交付用户使用，同时此台无磁转台也突破了国家先进水平，申请了国家专利。

目前的三轴直驱转台，无法对俯仰、回转的位置实时监控，具有较多的中间传动环节，响应速度慢，平台稳定性不高。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种三轴直驱转台，由永磁同步电机直接驱动，减少中间传动环节，电机加速度大、响应速度快且调速范围宽。电机的启停通过各编码器信号反馈实现闭环伺服控制，控制精度高，从而使转台上的负载能跟踪信号的运动。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种三轴直驱转台，包括俯仰框架，所述俯仰框架活动连接有俯仰旋转轴，所述俯仰旋转轴的一端连接第一电机的转子，所述俯仰旋转轴的另一端设置有第一编码器，所述俯仰旋转轴的圆周面上固定连接俯仰平台的底部，所述俯仰平台的顶部固定连接一立式直驱转台的底座，所述俯仰框架的底部固定连接在另一立式直驱转台的转台面上，所述立式直驱转台的底座固定连接第二电机，所述第二电机的转子通过转接轴连接所述转台面，所述转接轴上设置有第二编码器，所述第一编码器和第二编码器均通过伺服控制系统连接第一电机和第二电机。

进一步地，所述俯仰框架的两端均设置有轴承支座，轴承支座的端面固定安装有端盖，轴承支座内部固定安装有与所述俯仰旋转轴相连接的轴承，所述轴承的两端设置有机械密封，所述俯仰框架的右端安装所述第一电机，所述第一电机的转子通过平键和圆螺母与所述俯仰旋转轴的右端连接，所述第一电机通过过渡板安装在所述俯仰框架的右端面。

进一步地，所述第一电机和第二电机均为无框式永磁同步电机。

进一步地，所述第一电机包括第一定子组件、第一转子组件、第一定子座及防尘盖板，所述第一定子组件包括第一定子铁芯以及第一定子绕组，所述第一定子绕组设置在所述定子铁芯内，所述第一转子组件包括第一转子本体以及第一导磁内圈，所述第一导磁内圈沿所述第一转子本体的外圆周设置，所述第一转子本体通过所述平键和圆螺母与所述俯仰旋转轴连接，所述第一定子座通过过渡板安装在所述俯仰框架的右端面。

进一步地，所述立式直驱转台包括所述底座，所述底座通过第二定子座和内六角螺钉固定连接第二定子组件，所述第二定子组件包括第二定子铁芯以及第二定子绕组，所述第二定子绕组设置在所述第二定子铁芯内，所述第二定子绕组通过转台轴承活动连接第二转子组件，所述第二转子组件包括第二转子本体以及第二导磁内圈，所述第二导磁内圈沿所述第二转子本体的外圆周设置，所述第二转子本体通过所述转接轴与所述转台面连接，所述转接轴与所述底座之间安装有后盖板，所述后盖板和转接轴间设置有tc密封圈。

进一步地，所述转台轴承为yrt转台轴承，所述yrt转台轴承包括座圈和轴圈，所述座圈固定在所述第二定子座上，所述轴圈固定在所述第二转子本体上，所述轴圈与所述转台面连接，所述转台面与所述座圈之间设置有vl密封圈。

进一步地，所述第一导磁内圈和第二导磁内圈由永磁体材料组成，第一定子绕组和第二定子绕组由导电金属材料制成，所述第一定子铁芯和第二定子铁芯由矽钢片材料制成。

进一步地，所述第一编码器为ts2620n21e11旋转编码器，所述第二编码器为ecn113绝对式编码器。

进一步地，所述伺服控制系统包括单片机以及与单片机连接的多个伺服驱动器，所述单片机连接第一编码器和第二编码器。

进一步地，其中一个伺服驱动器连接第一定子绕组，另两个伺服驱动器各连接一第二定子绕组。

本发明的有益效果：设计合理，结构简单，永磁同步电机转子直接驱动各转台，减少了传动链，提高了传动效率；程序数字化控制电机运转，控制精度高；转台运行噪音小，维护方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的三轴直驱转台的结构示意图；

图2是根据图1所示的m的放大示意图。

图中：

1、第二编码器；2、立式直驱转台；21、底座；22、第二定子组件；221、第二定子铁芯；222、第二定子绕组；23、第二定子座；24、转台轴承；241、座圈；242、轴圈；25、第二转子组件；251、第二转子本体；252、第二导磁内圈；26、转台面；27、转接轴、28、vl密封圈；29、后盖板；210、tc密封圈；3、俯仰框架；4、轴承支座；5、端盖；6、轴承；7、机械密封；8、俯仰旋转轴；9、第一电机；91、第一定子组件；911、第一定子铁芯；912、第一定子绕组；92、第一转子组件；921、第一转子本体；922、第一导磁内圈；93、第一定子座；94、防尘盖板；10、平键；11、圆螺母；12、过渡板；13、俯仰平台；14、横滚转台；15、第一编码器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种三轴直驱转台，包括俯仰框架3，所述俯仰框架3活动连接有俯仰旋转轴8，所述俯仰旋转轴8的一端连接第一电机9的转子，所述俯仰旋转轴8的另一端设置有第一编码器15，所述俯仰旋转轴8的圆周面上固定连接俯仰平台13的底部，所述俯仰平台13的顶部固定连接一立式直驱转台2的底座21，所述俯仰框架3的底部固定连接在另一立式直驱转台2的转台面26上，所述立式直驱转台2的底座21固定连接第二电机，所述第二电机的转子通过转接轴27连接所述转台面26，所述转接轴27上设置有第二编码器1，所述第一编码器15和第二编码器1均通过伺服控制系统连接第一电机9和第二电机。

在本发明的一个具体实施例中，所述俯仰框架3的两端均设置有轴承支座4，轴承支座4的端面固定安装有端盖5，轴承支座4内部固定安装有与所述俯仰旋转轴8相连接的轴承6，所述轴承6的两端设置有机械密封7，所述俯仰框架3的右端安装所述第一电机9，所述第一电机9的转子通过平键10和圆螺母11与所述俯仰旋转轴8的右端连接，所述第一电机9通过过渡板12安装在所述俯仰框架3的右端面。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一电机9和第二电机均为无框式永磁同步电机。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一电机9包括第一定子组件91、第一转子组件92、第一定子座93及防尘盖板94，所述第一定子组件91包括第一定子铁芯911以及第一定子绕组912，所述第一定子绕组912设置在所述定子铁芯911内，所述第一转子组件92包括第一转子本体921以及第一导磁内圈922，所述第一导磁内圈922沿所述第一转子本体921的外圆周设置，所述第一转子本体921通过所述平键10和圆螺母11与所述俯仰旋转轴8连接，所述第一定子座93通过过渡板12安装在所述俯仰框架3的右端面。

在本发明的一个具体实施例中，所述立式直驱转台2包括所述底座21，所述底座21通过第二定子座23和内六角螺钉固定连接第二定子组件22，所述第二定子组件22包括第二定子铁芯221以及第二定子绕组222，所述第二定子绕组222设置在所述第二定子铁芯221内，所述第二定子绕组222通过转台轴承24活动连接第二转子组件25，所述第二转子组件25包括第二转子本体251以及第二导磁内圈252，所述第二导磁内圈252沿所述第二转子本体251的外圆周设置，所述第二转子本体251通过所述转接轴27与所述转台面26连接，所述转接轴27与所述底座21之间安装有后盖板29，所述后盖板29和转接轴27间设置有tc密封圈210。

在本发明的一个具体实施例中，所述转台轴承24为yrt转台轴承，所述yrt转台轴承包括座圈241和轴圈242，所述座圈241固定在所述第二定子座23上，所述轴圈242固定在所述第二转子本体251上，所述轴圈242与所述转台面26连接，所述转台面26与所述座圈241之间设置有vl密封圈28。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一导磁内圈922和第二导磁内圈252由永磁体材料组成，第一定子绕组912和第二定子绕组222由导电金属材料制成，所述第一定子铁芯911和第二定子铁芯221由矽钢片材料制成。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一编码器15为ts2620n21e11旋转编码器，所述第二编码器1为ecn113绝对式编码器1。

在本发明的一个具体实施例中，所述伺服控制系统包括单片机以及与单片机连接的多个伺服驱动器，所述单片机连接第一编码器15和第二编码器1。

在本发明的一个具体实施例中，其中一个伺服驱动器连接第一定子绕组912，另两个伺服驱动器各连接一第二定子绕组222。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本发明所述的固定连接方式可用螺栓、粘接等常规技术手段替换，活动连接方式可用轴承、铰链等常规技术手段替换。

本发明的三轴直驱转台，包括底部的立式直驱转台2和中部的俯仰框架3及上部的横滚转台14三部分组成。底部的立式直驱转台2内设置有ecn113绝对式编码器（即第二编码器1）。中部的俯仰框架3安装在底部的立式直驱转台2的转台面26上，俯仰框架3两端设置有轴承支座4，轴承支座4端面安装有端盖5，轴承支座4内部安装有轴承6，轴承6两端设置有机械密封7，俯仰框架3两端轴承支座4间安装有俯仰旋转轴8，俯仰框架3的最右端安装有无框式永磁同步电机（第一电机9），第一电机9通过平键10与俯仰旋转轴8连接并用圆螺母11紧固，第一电机9通过过渡板12安装在俯仰框架3的右端面，俯仰框架3的中部俯仰旋转轴8上安装有俯仰平台13，俯仰框架3的左端轴承支座4左侧端面上安装有ts2620n21e11旋转编码器（即第一编码器15）。上部的横滚转台14也由立式直驱转台构成，结构形式与底部的立式直驱转台2一样，该横滚转台14直接固定安装在俯仰平台13上。

底部的立式直驱转台2设置有底座21，第二定子组件22通过第二定子座23落座在底座21上，通过内六角螺钉紧固，转台面26通过yrt转台轴承（即转台轴承24）的轴圈242与第二转子组件25连接，转台面26和第二转子组件25中间安装有转接轴27，转台轴承24的座圈241固定在第二定子座23上，转台面26和转台轴承24的座圈241间设置有vl密封圈28，转接轴27和底座21间安装有后盖板29，后盖板29和转接轴27间设置有tc密封圈210。

第一电机9包括第一定子组件91、第一转子组件92、第一定子座93及防尘盖板94。第一电机9的第一转子组件92通过平键10与俯仰旋转轴8连接用圆螺母11紧固，第一定子座93通过过渡板12安装在俯仰框架3的右端面。

转台轴承24包括座圈241和轴圈242，座圈241固定在第二定子座23上，轴圈242固定在第二转子组件25上。

第二定子组件22包括第二定子铁芯221以及第二定子绕组222，第二定子绕组222设置在第二定子铁芯221内。

第二转子组件25包括第二转子本体251以及第二导磁内圈（永磁体）252，第二导磁内圈252沿第二转子本体251的外圆周设置。

第一电机9的第一定子组件91包括第一定子铁芯911以及第一定子绕组912，第一定子绕组912设置在第一定子铁芯911内。

第一电机9的第一转子组件92包括第一转子本体921以及第一导磁内圈（永磁体）922，第一导磁内圈922沿第一转子本体921的外圆周设置。

三轴直驱转台的每一根轴上均安装有编码器，编码器信号反馈给伺服控制器实现电机闭环矢量控制，各转台扭矩恒定、转速精确可调，从而实现对三轴直驱转台旋转角度的精确控制。

所述第一导磁内圈922和第二导磁内圈252由永磁体材料组成，第一定子绕组912和第二定子绕组222由导电金属材料制成，所述第一定子铁芯911和第二定子铁芯221由矽钢片材料制成。

第一编码器15用于检测第一电机9转子的角位移，第二编码器用于检测第二电机转子的角位移，单片机为控制中心，当其接收到第一编码器15和第二编码器1的信号后，通过伺服驱动器控制对应的电机转动，实现立式直驱转台2、俯仰平台13及上部的横滚转台14的精确动作。

具体使用时，底部的立式直驱转台2和中部俯仰第一电机9及上部的横滚转台14的无框式永磁同步电机通电后，相对应的转台面26和俯仰旋转轴8在电磁力的作用下旋转，电机轴上的编码器将信号反馈给伺服控制系统，能精确控制各转台转速及控制各转台位置角度。

综上，借助于本发明的上述技术方案，对俯仰、横滚转台的位置实时监控，通过永磁同步伺服电机的稳定控制调节，使平台稳定地保持在俯仰和横滚的双轴水平位置，采用一体永磁同步伺服电机驱动平台负载，高效率，高可靠性，无刷伺服电机免维护运行。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。