基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构的制作方法

xiaoxiao2021-4-12  52

基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及惯性导航技术及测量设备领域,尤其设及一种基于超声波电机的 高精度小型化光纤巧螺寻北仪转位机构。
【背景技术】
[0002] 巧螺寻北仪,是利用巧螺测定地球自转角速率在当地水平面投影方向(即真北方 位)的一种惯性测量系统。巧螺寻北仪是一种精密惯性测量仪器,广泛用于为火炮、地对地 导弹和地面雷达等机动武器系统提供方位参考。
[0003]目前巧螺寻北仪,通常采用多位置寻北法在实施过程中,需要运动部件驱动巧螺 转动到指定方位。转位完毕后,还需要锁止机构保证巧螺转位的角度精度。而现有的巧螺 寻北系统中巧螺转位机构为电磁电机驱动,经过一系列精密机械传动后实现寻北巧螺的转 位。其锁止机构亦多为机械机构,如销孔结构等。该种机械转位方式的巧螺寻北仪,虽然具 有较高的寻北精度,但是其结构复杂,不仅对加工、装配工艺要求高,还使得寻北仪体积大, 重量重,无法满足野外便携、重量体积敏感环境下的使用需求,大大限制巧螺寻北仪的应用 范围。此外,由于采用电磁电机驱动,电机工作时产生的电磁福射还会影响巧螺的测量精 度,客观上会制约巧螺寻北仪寻北精度的进一步提高。

【发明内容】

[0004] 本实用新型的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于超声波电机的高精度 小型化光纤巧螺寻北仪转位机构。
[0005] 本实用新型的目的是通过W下技术方案来实现的:一种基于超声波电机的高精度 小型化光纤巧螺寻北仪转位机构,其特征在于,包括基座、编码器安装架、绝对式光电编码 器、中空超声电机、超声电机控制器、连轴垫片、蛇螺支架、嵌入式控制器和电源模块;其中, 所述编码器安装架安装于基座上;编码器安装架具有空屯、的圆柱形凸起,在圆柱形凸起顶 部开有通孔;绝对式光电编码器安装于编码器安装架的圆柱形凸起内部,其转轴穿出通孔; 编码器安装架的圆柱形凸起置于中空超声电机的圆柱形内孔中且保证同轴;连轴垫片连接 中空超声电机的转子与绝对式光电编码器的转轴,使得绝对式光电编码器能够测量中空超 声电机的转动角度;L形巧螺支架底面置于连轴垫片上,并用螺钉与中空超声电机的转子 紧固安装,使得中空超声电机能够带动巧螺支架同步转动;嵌入式控制器通过RS485通信 电缆连接绝对式光电编码器,通过RS232通信电缆连接超声电机控制器,超声电机控制器 通过电缆与中空超声电机连接;电源模块分别通过电缆给绝对式光电编码器、超声电机控 制器和嵌入式控制器提供巧V、+12V、+5V直流电源。
[0006] 进一步地,所述绝对式光电编码器为16位绝对式光电编码器,体积小,能够置于 中空超声电机内孔中。
[0007] 进一步地,所述中空超声电机具有内孔,可安装绝对式光电编码器,断电自锁,无 磁场福射;所述超声电机控制器通过RS232通信协议接收外部指令,进而控制中空超声电 机,其具体指令包括正转指令、反转指令及停止指令。
[0008] 本实用新型具有的有益效果是;本实用新型提出一种精度高、结构简单、体积小、 重量轻的光纤巧螺寻北仪转位机构。本实用新型创新性提出采用精密驱动技术设计光纤巧 螺寻北仪的转位机构,首次引入超声波电机设计全新转位机构取代传统复杂的机械式转位 机构及锁止机构,能够大大简化转位机构的结构。采用该转位机构组成的光纤巧螺寻北仪 在不降低寻北精度的情况下,可W大幅减小寻北仪体积和重量,填补了对当前高精度寻北 仪转位机构小型化、轻量化技术空白。
【附图说明】
[0009] 图1基于超声波电机的光纤巧螺寻北仪转位机构装配图;
[0010] 图2转位机构编码器安装架结构设计图;
[0011] 图3基于超声波电机的光纤巧螺寻北仪转位机构效果图;
[0012] 图4基于超声波电机的光纤巧螺寻北仪转位机构系统框图;
[0013]图5基于超声波电机的光纤巧螺寻北仪转位机构转位控制流程图;
[0014] 图中;基座1、编码器安装架2、绝对式光电编码器3、中空超声电机4、超声电机控 制器5、连轴垫片6、巧螺支架7、嵌入式控制器8、电源模块9。
【具体实施方式】
[0015] 多位置法光纤巧螺寻北的关键技术之一是寻北仪转位机构的设计。W四位置寻北 法为例,其转位机构必须能够精确转动、停止(锁止),实现互为90D的四个位置的切换。实 现精密转位除了采用精密机械的转位及锁止机构外,还可采用精密驱动技术来实现。超声 波电机作为精密驱动技术的典型代表,利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运 动和力矩,将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦禪合转换成转子的转动。超声电机 结构简单、小型轻量、响应速度快、扭矩大、断电自锁、无磁场干扰,运动准确等特点能够很 好的契合光纤巧螺寻北仪转位机构的使用需求。
[0016] 本实用新型基于超声波电机的高精度小型化光纤巧螺寻北仪转位机构,采用超声 波电机作为驱动器件,设计了转位精度高、结构简单了的新型转位机构,应用该转位机构有 利于光纤巧螺寻北仪的小型化和轻量化。下面结合附图对本实用新型的转位机构进一步详 细说明。
[0017] 如图1所示,本实用新型一种基于超声波电机的高精度小型化光纤巧螺寻北仪转 位机构,包括基座1、编码器安装架2、绝对式光电编码器3、中空超声电机4、超声电机控制 器5、连轴垫片6、巧螺支架7、嵌入式控制器8和电源模块9。其具体的装配关系如下;编码 器安装架2安装于基座1上;编码器安装架2具有空屯、的圆柱形凸起,在圆柱形凸起顶部开 有通孔;绝对式光电编码器3安装于编码器安装架2圆柱形凸起内部,其转轴穿出通孔;编 码器安装架2圆柱形凸起置于中空超声电机4的圆柱形内孔中且保证同轴;连轴垫片6连 接中空超声电机4的转子与绝对式光电编码器3的转轴,使得绝对式光电编码器3能够测 量中空超声电机4的转动角度;L形巧螺支架7侧面用于安装光纤 巧螺,底面用于安装倾角 传感器,可W快速方便的组建光纤巧螺寻北仪;巧螺支架7底面置于连轴垫片6上,并用螺 钉与中空超声电机4的转子紧固安装,使得中空超声电机4能够带动巧螺支架7同步转动; 嵌入式控制器8通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器3,通过RS232通信电缆连接超 声电机控制器5,超声电机控制器5通过电缆与中空超声电机4连接,构成转位机构闭环控 制系统。电源模块9分别通过电缆给绝对式光电编码器3、超声电机控制器5和嵌入式控制 器8提供巧V、+12V、+5V直流电源。
[0018]具体实施时,绝对式光电编码器3采用16位绝对式编码器,分辨率达0.005°,为 转位机构转位精度提供了保障。该编码器数据刷新率达400Hz,能够保证转位控制的实时 性,通过RS485协议输出数据的方式能够提高转位机构的集成性与扩展性。中空超声电机 4及超声电机控制器5采用TRUN-7036系列及与之匹配的驱动器。该旋转型超声电机具有 70mm内孔,可用于安装绝对式光电编码器3。中空超声电机4转动精细,结合高精度绝对式 光电编码器3能够保证系统转位精度达0. 005°。中空超声电机4特殊的工作原理决定其 具有停转自锁的特性,能够在停转时无需额外的锁止机构即可达到锁止目的。超声电机控 制器5可W通过RS232通信协议接收外部指令,进而控制中空超声电机4运动。其具体指 令包括正转指令、反转指令及停止指令。编码器安装架2的结构设计,结合绝对式光电编码 器3、中空超声电机4物理尺寸及两者安装要求,经过特殊优化而成,如图2所示。编码器安 装架2中间圆柱凸起内部用于安装绝对式光电编码器3,外部置于中空超声电机4内孔中, 使得绝对式光电编码器3的转轴与超声电机4的转动中屯、同轴。绝对式光电编码器3的转 轴通过连轴垫片6与中空超声电机4的转子连接,从而实现对中空超声电机4转动位置的 监测。整个转位结构安装效果如图3所示。
[0019] 所述巧螺支架7采用L形设计,合金材料加工而成。整个巧螺支架7置于连轴垫 片6上,通过螺钉与中空超声电机4紧固安装,中空超声电机4转位时,即可实现巧螺支架 7侧面方位的切换,旋转轴与水平面垂直。巧螺支架7侧面与底面正交,底面用于安装倾角 传感器,侧面用于安装光纤巧螺,可W方便的构成光纤巧螺寻北仪系统。
[0020] 如图4所示,嵌入式控制器8WDSP为核心具有RS485、RS232通信接口,分别与 绝对式光电编码器3和超声电机控制器5通信。在嵌入式控制器8的闭环控制下,转位机 构可W实现指定角度位置的转位。角度转位控制子程序流程图如图5所示。
[0021] 转位机构转位实验,针对本实用新型所述实验转位机构,采用光纤巧螺寻北仪四 位置寻北法使用的0° -90° -180° -270° -0°该四个位置进行连续转位测试,得到5组 如下误差数据。
[0022] 转位机构连续转位误差单位:度
[0023]

[0024]由上表的实验数据可W看出,本实用新型所述转位机构具有良好的角分辨力、高 转位精度W及高稳定性,能够满足高精度光纤巧螺寻北仪的转位精度要求。此外,针对任意 角度的转位随机测量六组数据,本实用新型转位机构任意角度转位精度均可达0. 005°。在 多位置光纤巧螺寻北系统中,采用此转位机构不仅能够保证转位精度,还能大大减小光巧 螺寻北仪的体积和重量。
【主权项】
1. 一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构,其特征在于,包括 基座(1)、编码器安装架(2)、绝对式光电编码器(3)、中空超声电机(4)、超声电机控制器 (5) 、连轴垫片(6)、陀螺支架(7)、嵌入式控制器(8)和电源模块(9);其中,所述编码器安装 架(2)安装于基座(1)上;编码器安装架(2)具有空心的圆柱形凸起,在圆柱形凸起顶部开 有通孔;绝对式光电编码器(3)安装于编码器安装架(2)的圆柱形凸起内部,其转轴穿出通 孔;编码器安装架(2)的圆柱形凸起置于中空超声电机(4)的圆柱形内孔中且保证同轴;连 轴垫片(6)连接中空超声电机(4)的转子与绝对式光电编码器(3)的转轴,使得绝对式光 电编码器(3)能够测量中空超声电机(4)的转动角度;L形陀螺支架(7)底面置于连轴垫片 (6) 上,并用螺钉与中空超声电机(4)的转子紧固安装,使得中空超声电机(4)能够带动陀 螺支架(7)同步转动;嵌入式控制器(8)通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器(3), 通过RS232通信电缆连接超声电机控制器(5),超声电机控制器(5)通过电缆与中空超声电 机(4)连接;电源模块(9)分别通过电缆给绝对式光电编码器(3)、超声电机控制器(5)和 嵌入式控制器(8)提供+5V、+12V、+5V直流电源。2. 根据权利要求1所述基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构,其 特征在于,所述绝对式光电编码器(3)为16位绝对式光电编码器。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构,包括基座(1)、编码器安装架(2)、绝对式光电编码器(3)、中空超声电机(4)、超声电机控制器(5)、连轴垫片(6)、陀螺支架(7)、嵌入式控制器(8)和电源模块(9)。本实用新型采用精密驱动技术设计光纤陀螺寻北仪转位机构,首次引入超声波电机设计全新转位机构取代传统复杂的机械式转位机构及锁止机构,能够大大简化转位机构的结构。采用该转位机构组成的光纤陀螺寻北仪在不降低寻北精度的情况下,可以大幅减小寻北仪体积和重量,填补了对当前高精度寻北仪转位机构小型化、轻量化技术空白。
【IPC分类】G01C19/72
【公开号】CN204679081
【申请号】CN201520275334
【发明人】王映宇, 周一览, 陈杏藩, 舒晓武, 刘承
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年4月29日

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