一種雙自由度旋轉控制裝置及設有該裝置的應用系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及旋轉裝置技術領域，特別是雙自由度旋轉控制裝置。本實用新型還涉及設有該裝置的應用系統。
【背景技術】
[0002]雙自由度旋轉的裝置和應用系統，常用于實現穩定平臺、自動調平裝置等，是實現三旋轉自由度驅動、穩定裝置和方法的核心。
[0003]目前，雙自由度旋轉裝置大都采用兩個相互正交的轉動框架實現，在每個框架旋轉軸的兩端安裝電機和傳感器實現驅動和旋轉角度測量，外部采用框架進行支撐和固定。
[0004]請參考圖1，圖1為框架式雙自由度旋轉控制裝置的結構示意圖。
[0005]如圖所示，兩個矩形轉動框架I’(也可采用球形框架)相互正交，各轉動框架I’的兩個旋轉驅動軸的兩端分別安裝驅動電機2’和角度傳感器3’，根據角度傳感器3’的測量數據對兩個旋轉軸進行控制和調整，從而實現穩定平臺4’的穩定控制，驅動電機2’為常規電磁感應電機。
[0006]這種雙自由度旋轉控制裝置，由于兩個旋轉軸要求相互垂直正交，而且驅動電機需要安裝在兩個軸端。因此，存在以下不足:
[0007]首先，框架形式和疊套結構會導致整個裝置體積過大，不利于向小型化方向發展，會占用過大的空間，布置與組裝的難度較大。
[0008]其次，雖然從原理圖來看，其結構較為簡單，但在實際制造過程中，為保證兩個旋轉軸精確地相互垂直正交，其機械結構會十分復雜，而且加工、裝調精度要求很高，導致設備成本較高。
[0009]再者，框架式結構導致整個裝置剛度較差，性能不夠穩定。
【實用新型內容】
[0010]本實用新型的第一目的是提供一種雙自由度旋轉控制裝置。該裝置結構簡單、成本低、性能穩定，且易于小型化、動態響應更寬、功耗更小，可廣泛應用于各種動態穩定平臺和自動靜態定向/調平裝置。
[0011]本實用新型的第二目的是提供一種設有該裝置的應用系統。
[0012]為實現上述第一目的，本實用新型提供一種雙自由度旋轉控制裝置，包括:
[0013]轉動體，具有磨擦球面，其頂部或內部設有負載安裝平臺；
[0014]固定支撐結構，保持所述轉動體，使其僅具有旋轉自由度；
[0015]驅動電機，其驅動端與所述轉動體的摩擦球面直接接觸，形成與所述摩擦球面相切的磨擦傳動副。
[0016]優選地，所述驅動電機的數量為四個，以90度相位角均勻分布于所述轉動體外圍，其中相對的兩個所述驅動電機的磨擦傳動副的回轉力矩方向相反。
[0017]優選地，所述驅動電機的數量為兩個，兩者的相位角為90度，各所述驅動電機在所述轉動體的另一側均設有與之相對的轉動支撐件。
[0018]優選地，所述驅動電機為駐波型壓電陶瓷電機。
[0019]優選地，各所述驅動電機縱向布置于所述轉動體周圍。
[0020]優選地，還包括:
[0021]檢測單元，用于獲取并向控制單元傳輸所述轉動體的姿態數據；
[0022]控制單元，用于接收所述檢測單元測量的姿態數據，并根據包括所述姿態數據在內的數據對所述轉動體在兩個旋轉自由度上的旋轉進行控制和調整。
[0023]優選地，所述轉動體為完整球形轉動體、部分球形轉動體或者具有多個局部球面的虛擬球形轉動體。
[0024]優選地，所述轉動體為陶瓷或金屬轉動體。
[0025]優選地，所述固定支撐結構包括:
[0026]底座，其上設有容納所述轉動體的球形凹座；
[0027]下支撐件，設于所述球形凹座球形空間的底部，其支撐所述轉動體具有旋轉自由度；
[0028]上壓塊，分布于所述球形凹座頂部，其將所述轉動體向下保持在所述下支撐件上。
[0029]優選地，所述下支撐件為下支撐環，其通過環帶形內球面支撐所述轉動體；或者，所述下支撐件為環形分布的若干支撐塊，其通過局部內球面支撐所述轉動體。
[0030]優選地，所述下支撐環或支撐塊為采用固體潤滑材料制成的支撐環或支撐塊。
[0031]優選地，所述上壓塊為采用固體潤滑材料制成的上壓塊。
[0032]優選地，所述球形凹座呈開口向上的空心半球形，其外側設有局部平面，并在局部平面上開設槽口，形成驅動電機安裝位，相鄰的所述槽口之間形成異形支柱，所述上壓塊安裝于所述異形支柱頂部。
[0033]優選地，所述驅動電機的驅動端與所述轉動體的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接觸。
[0034]為實現上述第二目的，本實用新型提供一種應用系統，包括旋轉裝置及其上的工作單元，所述旋轉裝置為上述任一項所述的雙自由度旋轉控制裝置，所述工作單元設于所述轉動體的負載安裝平臺。
[0035]本實用新型采用駐波型壓電陶瓷電機作為驅動電機，并使其驅動端與轉動體磨擦球面直接接觸傳遞力和力矩，工作時，駐波型壓電陶瓷電機的驅動端能夠以超聲工作頻率和納米的振幅以摩擦的形式將力直接傳遞到轉動體，從而形成使轉動體在不同方向上旋轉的驅動力矩，每一個或每一組驅動電機對應一個方向上的旋轉自由度，通過角度檢測單元和控制單元，最終可實現對轉動體在兩個旋轉自由度上的定向、穩定進行控制和調整。
[0036]基于上述技術方案，本實用新型具有如下有益效果:
[0037]I)使用一個轉動體即可實現兩個自由度的旋轉，結構簡單，很容易通過壓電陶瓷電機安裝位置調整實現兩個旋轉軸的正交，成本將大幅降低。
[0038]2)通過轉動體摩擦球面的表面精加工，較低的成本即可保證良好的球度和轉動體表面的粗糙度(納米級別)，而壓電陶瓷電機的超聲激勵頻率、納米級振幅，可在兩個旋轉自由度上均獲得非常高的旋轉精度。
[0039]3)壓電陶瓷電機直接將驅動力矩作用于轉動體表面，轉動體的球形結構或類球形結構具有極高的剛度，因此可獲得極高的動態性能，在不需要驅動轉動體轉動時，駐波型壓電陶瓷電機的自鎖特性，能夠使轉動體的姿態保持穩定而不需要消耗能量，從而使得整套裝置具有極尚的能效。
[0040]4)轉動體容易實現和底座等構件的精密耦合加工，固定支撐結構與轉動體接觸的部位使用固體潤滑材料，其配合精度可保證在0.5um以內，加上壓電陶瓷電機的納米級高頻小步進給運動，可以實現轉動體的高速精準旋轉運動。
[0041]5)采用壓電陶瓷電機、轉動體的雙自由度旋轉控制裝置，可在滿足高精度、大負載要求的情況下實現小尺寸，有利于最終產品向小型化方向發展。
[0042]本實用新型所提供的應用系統設有上述雙自由度旋轉控制裝置，由于所述雙自由度旋轉控制裝置具有上述技術效果，設有該雙自由度旋轉控制裝置的應用系統也應具有相應的技術效果。
【附圖說明】
[0043]圖1為現有技術中框架式雙自由度旋轉控制裝置的結構示意圖；
[0044]圖2為本實用新型所提供的雙自由度旋轉控制裝置的一種【具體實施方式】的結構示意圖；
[0045]圖3為圖2中所示陶瓷球形轉動體的結構示意圖；
[0046]圖4為圖2中所示底座及球形凹座的結構示意圖；
[0047]圖5為一種虛擬球形轉動體的示例圖。
[0048]圖1 中:
[0049]轉動框架I’驅動電機2’角度傳感器3’穩定平臺4’
[0050]圖2至圖5中:
[0051]1.轉動體 1-1.局部球面 2.球形凹座 3.底座 4.下支撐環 5.上壓塊
6.角度傳感器7.驅動電機8.電機安裝板9.傳感器連接安裝板
【具體實施方式】
[0052]為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0053]請參考圖2，圖2為本實用新型所提供的雙自由度旋轉控制裝置的一種【具體實施方式】的結構示意圖。
[0054]本實用新型提供的雙自由度旋轉控制裝置的一種具體實施例中，主要由轉動體1、設有球形凹座2的底座3、下支撐環4、上壓塊5、角度傳感器6、驅動電機7以及控制單元等構成。
[0055]轉動體I為陶瓷或金屬材質的部分球形轉動體(見圖3)，由一個完整的球體在頂部加工出平面形成，其內部可以是中空結構，頂部或內部可安裝其他組成部件，負載安裝平臺既可以位于轉動體I內部，也可以位于轉動體I頂部，除頂面以外，轉動體I的其余部分為球面，即摩擦球面，通過表面精加工，可使摩擦球面達到納米級別的粗糙度。
[0056]請一并參考圖4，圖4為圖2中所示底座及球形凹座的結構示意圖。
[0057]底座3呈圓盤形，其中央處設有用于容納轉動體的球形凹座2，球形凹座2呈開口向上的空心半球形，其頂面位于赤道面以下的位置，以便于轉動體I能夠順利的放入球形凹座2，其外側面沿縱向方向切割出四個周向均勻分布的局部平面，并在局部平面上開設“U”形槽口，形成驅動電機安裝位，相鄰的“U”形槽口之間形成異形支柱。
[0058]球形凹座2為單體結構，可一次性精確加工成形，與分體組裝式結構相比，其結構簡單、性能穩定、易于裝調，且能夠保證兩個旋轉軸精確正交，從而大幅降低成本。
[0059]下支撐環4安裝在球形凹座2的球形空間底部，其通過環帶形內球面支撐轉動體I繞立體空間的三個旋轉軸旋轉，也就是圖3所示的X軸、Y軸和Z軸，轉動體I的任何旋轉運動，都可以分解為繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉，轉動體I在球形凹座2內雖然可以任意旋轉，卻不會沿X軸、Y軸和Z軸發生位移，即轉動體I相對于球形凹座2僅具有旋轉自由度。
[0060]上壓塊5的形狀大體與異形支柱的頂面形狀相吻合，四個上壓塊5分別固定在四個異形支柱的頂部，將轉動體I向下保持在下支撐環4上，其與轉動體I的接觸部位處于轉動體I赤道面以上的位置，以便將轉動體I保持在下支撐環4上，防止其從球形凹座2中脫出。
[0061]下支撐環4、上壓塊5采