本发明涉及转台技术领域，具体的说，是一种刚柔耦合超精双轴转台。
背景技术：
双轴转台在光电雷达、激光武器、激光卫星通讯中广泛用作跟踪或者瞄准装置。双轴转台中运动副之间表面粗糙度的不确定变化会导致摩擦阻力的幅值不确定变化。在双轴转台的启动、停止和微旋转过程中，双轴转台的速度相对较低，上述摩擦阻力的幅值波动容易导致双轴转台出现“爬行”现象。在闭环控制系统作用下，驱动器将会通过增大驱动力的方式来克服摩擦阻力，补偿双轴转台定位误差。在上述补偿过程中，双轴转台将经历频繁的“静止→运动”状态切换。在“静止→运动”过程中，运动副之间的摩擦阻力会经历“静摩擦力→动摩擦力”的状态切换，而静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异会导致上述状态切换瞬间的加速度突变，造成双轴转台在最终定位位置附近的“抖动”，从而影响角定位精度。
在光电雷达、激光武器、激光卫星通讯应用领域，由于距离遥远，双轴转台的角定位误差会被无限放大，失之毫厘，谬之千里。现有双轴转台普遍定位精度在5角秒，20km就出现1m误差。因此，如何降低在启动、停止和微旋转过程中由于摩擦状态切换造成的角定位误差影响是影响双轴转台执行精度的重要问题。
目前现有技术主要依靠两方面来降低其对角定位精度的影响：一方面建立精确的摩擦力模型，用于旋转控制驱动力补偿；另一方面采用无摩擦或低摩擦的运动副设计。然而，由于运动副之间的接触面微观特性差异与制造误差等因素，很难建立高度精确的摩擦力模型，导致旋转控制系统中需要采用复杂的补偿控制方法。另一方面，气浮轴承或磁悬浮轴承等低摩擦运动副的实施成本较高，限制了其使用范围。目前国外高精度转台(如aerotech)占高精度转台的绝大部分市场，定位精度2arcsec左右，采用的大多是无机械接触的气浮轴承，价格十分昂贵，且大多高精度转台无法售往国内。
技术实现要素：
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为了更好的克服背景技术所指出的至少一个缺陷，本发明提供一种刚柔耦合超精双轴转台。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案是：
刚柔耦合超精双轴转台，主体包括由u型连接架或y型连接架连接的第一刚柔耦合旋转平台、第二刚柔耦合旋转平台、第三刚柔耦合轴和载物台；
所述第一刚柔耦合旋转平台包括第一支架、第一转轴、第一柔性铰链和第一工作台，所述第一转轴通过轴承设置在第一支架上，所述第一工作台通过第一柔性铰链连接到第一转轴上，以构成刚柔耦合超精双轴转台旋转的第一轴。
所述第二刚柔耦合旋转平台包括第二支架、第二转轴、第二柔性铰链、和第二工作台；所述第二支架设置在u型连接架或y型连接架的一侧，第二转轴通过轴承设置在第二支架上，所述第二工作台通过第二柔性铰链设置在第二转轴上；
所述第三刚柔耦合轴包含第三支架、第三转轴、第三柔性铰链和第三工作台；所述第三支架设置于u型连接架或y型连接架的另一侧，第三转轴通过轴承设置在第三支架上，第三工作台通过第三柔性铰链设置在第三转轴上；所述载物台与第二工作台和第三工作台之间以任意方式组合连接。通过第二刚柔耦合旋转平台、第三刚柔耦耦合轴以及载物台，整体构成刚柔耦合超精双轴转台旋转的第二轴。
进一步的，所述载物台取消设置，第二工作台与第三工作台直接一体化成。
进一步的，所述第二支架和第三支架与u型连接架或y型连接架为一体化成型结构。
进一步的，所述第二工作台和第三工作台与载物台为一体化成型结构。
进一步的，所述第一工作台与第一柔性铰链直接在u型连接架或y型连接架的底座加工成型。
作为优选的，还包括由第一主编码盘和第一主读数头构成，用于实时测量第一转轴在任意情况下的旋转角度的第一主检测元件，及包括由第一副编码盘和第一副读数头构成，用于间接测出第一柔性铰链弹性变形量的第一副检测元件。
作为优选的，所述第一主编码盘设置在第一转轴上；所述第一主读数头设置在第一支架上；
所述第一副编码盘与第一工作台相连接，所述第一副读数头通过一第一副读数头支架固定设置在所述第一支架上。
作为优选的，还包括由第二主读数头和第二主编码盘构成，用于实时测量第二转轴在任意情况下的旋转角度的第二主检测元件，及包括由第二副编码盘和第二副读数头构成，用于间接测出第二柔性铰链弹性变形量的第二副检测元件。
作为优选的，所述第二主编码盘固定在第二转轴上，所述第二主读数头安装设置在第二支架上；
所述第二副编码盘与第二工作台或载物台相连接，所述第二副读数头通过一第二副读数头支架固定设置在第二支架上。
作为优选的，所述的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链均为辐射对称布置的柔性铰链片。
作为向第二刚柔耦合旋转平台2和第一刚柔耦合旋转平台1提供旋转驱动力的一种实施例：作为公知的，可以通过设置在第一工作台上的和第二工作台的驱动件来实现，即驱动件可分为第一驱动元件和第二驱动元件，其中第一驱动元件作用在第一工作台上；第二驱动元件作用在第二工作台上；驱动件的具体结构可以采用电磁力原理的电机驱动结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用无摩擦的柔性铰链结构运动副来实现高精度连续变化旋转，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变导致的旋转“抖动”。
2.采用了刚柔耦合的双轴转台设计，所使用的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链可以依靠自身弹性变形主动适应运动副的摩擦力变化，避免了运动副摩擦状态切换导致的“爬行”对连续旋转定位的影响，有利于实现更高的定位精度。
3.双轴都采用双检测元件的设计，将无法测量的摩擦力转化为可测的第一刚柔耦合旋转平台和第二刚柔耦合旋转平台中第一柔性铰链和第二柔性铰链的弹性变形量，得到的数据反馈可实现更精准的控制补偿。
4.巧妙地将第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链与作为旋转部件的第一刚柔耦合旋转平台、第二刚柔耦合旋转平台以及第三刚柔耦合轴设计为一体，使核心旋转部件本身就存在柔性铰链片结构，利用柔性铰链的弹性变形对旋转进行补偿，从而降低双轴转台启动、停止和微旋转过程中摩擦力变化导致的“爬行”对旋转和角定位精度的影响。
附图说明
图1是刚柔耦合超精双轴转台的整体结构示意图；
图2是刚柔耦合超精双轴转台的的正视图；
图3是刚柔耦合超精双轴转台的前剖视图；
图4是第一刚柔耦合旋转平台的整体示意图；
图5是第一刚柔耦合旋转平台的前剖视图；
图6是第二刚柔耦合旋转平台的整体示意图；
图7是第二刚柔耦合旋转平台的俯视图；
图8是第二刚柔耦合旋转平台的前剖视图；
图9是第三刚柔耦合旋转平台部分的结构剖视图；
图10是第一柔性铰链部分的结构示意图；
图11是第二柔性铰链部分的结构示意图；
图12是第三柔性铰链部分的结构示意图。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-12所示，刚柔耦合超精双轴转台，包括由u型连接架5或y型连接架连接的第一刚柔耦合旋转平台1、第二刚柔耦合旋转平台2、第三刚柔耦合轴3和载物台4；
第一刚柔耦合旋转平台1包括第一支架101、第一转轴102、第一柔性铰链103和第一工作台104，第一转轴102通过轴承设置在第一支架101上，第一工作台通过第一柔性铰链103连接到第一转轴102上，以构成刚柔耦合超精双轴转台旋转的第一轴。
第二刚柔耦合旋转平台2包括第二支架201、第二转轴202、第二柔性铰链203、和第二工作台204；第二支架201设置在u型连接架5或y型连接架的一侧，第二转轴202通过轴承设置在第二支架201上，第二工作台204通过第二柔性铰链203设置在第二转轴202上；
所述第三刚柔耦合轴3包含第三支架301、第三转轴302、第三柔性铰链303和第三工作台304；第三支架301设置于u型连接架5或y型连接架的另一侧，第三转轴302通过轴承设置在第三支架301上，第三工作台304通过第三柔性铰链303设置在第三转轴302上；载物台4与第二工作台204和第三工作台304之间以任意方式组合连接，包括外挂等活动连接方式。或者，载物台取消设置，第二工作台与第三工作台直接一体化成型。
通过第二刚柔耦合旋转平台2、第三刚柔耦耦合轴3以及载物台4，整体构成刚柔耦合超精双轴转台旋转的第二轴。
本方案中，第一柔性铰链103的弹性变形反作用力可以用于克服第一刚柔耦合旋转平台1所连接的运动副间的摩擦力，当第一柔性铰链103的弹性变形反作用力大于第一刚柔耦合旋转平台1所连接的运动副之间的静摩擦力等阻力时，第一刚柔耦合旋转平台1将由静止状态转为运动状态。第一刚柔耦合旋转平台1的旋转可以分为两种情况：
a.当第一柔性铰链103的弹性变形力小于运动副的静摩擦力等阻力时，第一刚柔耦合旋转平台1的旋转量为第一柔性铰链103的弹性变形量；
b.当第一柔性铰链103的弹性变形力大于运动副的静摩擦力等阻力时，第一刚柔耦合旋转平台1的旋转量为第一柔性铰链103的弹性变形量与第一转轴102旋转量的叠加。当第一刚柔耦合旋转平台1所连接的运动副的运动状态在上述情况a与b之间切换时，第一刚柔耦合旋转平台1所连接的运动副静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异导致阻力突变，产生对双轴转台的刚性冲击，并导致运动副的摩擦“爬行”。双轴转台可以依靠第一柔性铰链103的弹性变形主动适应由运动副摩擦状态切换导致的摩擦阻力突变，缓解摩擦阻力突变对第一刚柔耦合旋转平台1的刚性冲击。在上述任意情况下，第一刚柔耦合旋转平台1都可以依靠第一柔性铰链103的弹性变形来实现连续旋转变化，规避摩擦“爬行”情况对旋转定位精度的影响。
类似的，第二刚柔耦合旋转平台2的旋转可以分为两种情况：
a.当第二刚柔耦合旋转平台2的第二柔性铰链203的弹性变形力小于运动副的静摩擦力等阻力时，第二刚柔耦合旋转平台2的旋转量为第二柔性铰链203的弹性变形量；
b.当第二刚柔耦合旋转平台2中第二柔性铰链203的弹性变形力大于运动副的静摩擦力等阻力时，第二刚柔耦合旋转平台2的旋转量为第二柔性铰链203的弹性变形量与第二转轴202旋转量的叠加。当第二刚柔耦合旋转平台2所连接的运动副的运动状态在上述情况a与b之间切换时，第二刚柔耦合旋转平台2所连接的运动副静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异导致阻力突变，产生对旋转平台的刚性冲击，并导致运动副的摩擦“爬行”。第二刚柔耦合旋转平台2可以依靠自身的第二柔性铰链203的弹性变形主动适应上述由运动副摩擦状态切换导致的摩擦阻力突变，缓解摩擦阻力突变对第二刚柔耦合旋转平台2的刚性冲击。在上述任意情况下，第二刚柔耦合旋转平台2都可以依靠自身的第二柔性铰链203的弹性变形来实现连续旋转变化，规避摩擦“爬行”情况对旋转定位精度的影响。
作为向第二刚柔耦合旋转平台2和第一刚柔耦合旋转平台1提供旋转驱动力的一种实施例：作为公知的，可以通过设置在第一工作台104上的和第二工作台204的驱动件来实现，即驱动件可分为第一驱动元件和第二驱动元件，其中第一驱动元件作用在第一工作台104上；第二驱动元件作用在第二工作台204上；驱动件的具体结构可以采用电磁力原理的电机驱动结构。
作为一种实施例，载物台4与第二工作台204和第三工作台304之间以任意方式组合连接，包括外挂等活动连接方式。或载物台4取消设置，第二工作台204与第三工作台304直接一体化成型。
作为一种实施例，第二支架201和第三支架301与u型连接架为一体化成型结构。
作为一种实施例，第二工作台204和第三工作台304与载物台4为一体化成型结构。
作为一种实施例，第一工作台与第一柔性铰链103直接在u型连接架5或y型连接架的底座加工成型。
作为一种实施例，还包括由第一主检测元件602和第一主读数头601构成，用于实时测量第一转轴102在任意情况下的旋转角度的第一主检测元件6(光栅)，及包括由第一副编码盘702和第一副读数头701构成，用于间接测出第一柔性铰链103弹性变形量的第一副检测元件7(光栅)。
第一主检测元件602设置在第一转轴102上；第一主读数头601设置在第一支架101上；
第一副编码盘702与第一工作台104相连接，第一副读数头701通过一第一副读数头支架703固定设置在第一支架101上。
通过第一主检测元件6和第一副检测元件7的设置，可以测量第一刚柔耦合旋转平台1在任意情况下的旋转角度。间接测出由于第一柔性铰链103的弹性变形量，将无法测量的摩擦力转化为可测的第一柔性铰链103的弹性变形量。第一主检测元件6和第一副检测元件7的旋转角度测量的旋转角度数据可以作为反馈环节与旋转驱动器等形成闭环控制系统，实现第一刚柔耦合旋转平台1的高精度旋转定位。
作为一种实施例，还包括由第二主读数头802和第二主编码盘801构成，用于实时测量第二转轴202在任意情况下的旋转角度的第二主检测元件8，及包括由第二副编码盘902和第二副读数头901构成，用于间接测出第二柔性铰链203弹性变形量的第二副检测元件9。
第二主编码盘801固定在第二转轴202上，第二主读数头802安装设置在第二支架201上；
所述第二主编码盘固定在第二转轴上，所述第二主读数头安装设置在第二支架上；
第二副编码盘902与第二工作台204或载物台4相连接，第二副读数头901通过一第二副读数头支架903固定设置在第二支架21上。
通过第二主检测元件8和第二副检测元件9的设置，可以测量第二刚柔耦合旋转平台2在任意情况下的旋转角度。间接测出由于第二柔性铰链203的弹性变形量，将无法测量的摩擦力转化为可测的第二柔性铰链203的弹性变形量。第二主检测元件8和第二副检测元件9的旋转角度测量的旋转角度数据可以作为反馈环节与旋转驱动器等形成闭环控制系统，实现第二刚柔耦合旋转平台2的高精度旋转定位。
载物台4可随着第三刚柔耦合轴3的旋转和形成运动副。特别地，第三刚柔耦合轴3也可以依靠第三柔性铰链303的弹性变形来实现连续旋转变化，规避摩擦“爬行”情况对旋转定位精度的影响。
作为一种实施例，第一柔性铰链103、第二柔性铰链203和第三柔性铰链303均为辐射对称布置的柔性铰链片。
本发明的主要原理和步骤如下：
1.在驱动力未能克服第一刚柔耦合旋转平台1和第二刚柔耦合旋转平台2的静摩擦时，第一刚柔耦合旋转平台1和第二刚柔耦合旋转平台2分别通过自身的第一柔性铰链103和第二柔性铰链203的弹性变形产生微小旋转变形，实现精密微旋转。
2、当驱动力加大时，克服了摩擦力，带动第一刚柔耦合旋转平台1的第一转轴102和第二刚柔耦合旋转平台2的第二转轴202运动，而此时对应的柔性铰链的弹性变形增大到一定程度，进入限位状态，所有的驱动力传递到第一转轴102进行高速运动。
3、当停止时，第一刚柔耦合旋转平台1和第二刚柔耦合旋转平台2先制动并通过自身的第一柔性铰链103和第二柔性铰链203带动第一转轴102制动，衰减振动能量。
本发明的的主要优点包括：
1.采用无摩擦的柔性铰链结构运动副来实现高精度连续变化旋转，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变导致的旋转“抖动”。
2.采用了刚柔耦合的双轴转台设计，所使用的第一柔性铰链103、第二柔性铰链203和第三柔性铰链303可以依靠自身弹性变形主动适应运动副的摩擦力变化，避免了运动副摩擦状态切换导致的“爬行”对连续旋转定位的影响，有利于实现更高的定位精度。
3.双轴都采用双检测元件的设计，将无法测量的摩擦力转化为可测的第一刚柔耦合旋转平台1和第二刚柔耦合旋转平台2中第一柔性铰链103和第二柔性铰链203的弹性变形量，得到的数据反馈可实现更精准的控制补偿。
4.双轴都采用单驱动闭环控制系统，且所采用的驱动结构和检测元件结构都连接在第一刚柔耦合旋转平台1和第二刚柔耦合旋转平台2上，控制系统设计简单，可靠性更高。
5.巧妙地将第一柔性铰链103、第二柔性铰链203和第三柔性铰链303与作为旋转部件的第一刚柔耦合旋转平台1、第二刚柔耦合旋转平台2以及第三刚柔耦合轴3设计为一体，使核心旋转部件本身就存在柔性铰链片结构，利用柔性铰链的弹性变形对旋转进行补偿，从而降低双轴转台启动、停止和微旋转过程中摩擦力变化导致的“爬行”对旋转和角定位精度的影响。
柔性铰链(或称柔性枢轴，柔性轴承、十字弹簧轴承)是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心，依靠在圆周径向均布的弹性薄片的有限变形进行工作。在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回转运动。
通过第一柔性铰链103、第二柔性铰链203和第三柔性铰链303构成的一种无外摩擦运动副，能够依靠弹性变形来实现连续高精度的旋转。该柔性铰链的结构往往与摩擦运动副(包含了转子和定子)配合使用，通过对旋转进行补偿来实现高精度的旋转。利用柔性铰链的弹性变形来克服摩擦死区，无须利用高度精确的摩擦力模型；利用柔性铰链片的弹性变形来对旋转进行补偿，简化了补偿控制方法，结构设计简单，使用成本较低；刚柔耦合超精度双轴转台的定位精度更高。
本说明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。
1.刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：包括由u型连接架或y型连接架连接的第一刚柔耦合旋转平台、第二刚柔耦合旋转平台、第三刚柔耦合轴和载物台；
所述第一刚柔耦合旋转平台包括第一支架、第一转轴、第一柔性铰链和第一工作台，所述第一转轴通过轴承设置在第一支架上，所述第一工作台通过第一柔性铰链连接到第一转轴上；
所述第二刚柔耦合旋转平台包括第二支架、第二转轴、第二柔性铰链、和第二工作台；所述第二支架设置在u型连接架或y型连接架的一侧，第二转轴通过轴承设置在第二支架上，所述第二工作台通过第二柔性铰链设置在第二转轴上；
所述第三刚柔耦合轴包含第三支架、第三转轴、第三柔性铰链和第三工作台；所述第三支架设置于u型连接架或y型连接架的另一侧，第三转轴通过轴承设置在第三支架上，第三工作台通过第三柔性铰链设置在第三转轴上；所述载物台与第二工作台和第三工作台之间以任意方式组合连接。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述载物台取消设置，第二工作台与第三工作台直接一体化成型。
3.根据权利要求1所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述第二支架和第三支架与u型连接架为一体化成型结构。
4.根据权利要求1所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述第二工作台和第三工作台与载物台为一体化成型结构。
5.根据权利要求1所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述第一工作台与第一柔性铰链直接在u型连接架或y型连接架的底座加工成型。
6.根据权利要求1所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：还包括由第一主编码盘和第一主读数头构成，用于实时测量第一转轴在任意情况下的旋转角度的第一主检测元件，及包括由第一副编码盘和第一副读数头构成，用于间接测出第一柔性铰链弹性变形量的第一副检测元件。
7.根据权利要求6所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述第一主编码盘设置在第一转轴上；所述第一主读数头设置在第一支架上；
所述第一副编码盘与第一工作台相连接，所述第一副读数头通过一第一副读数头支架固定设置在所述第一支架上。
8.根据权利要求1所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：还包括由第二主读数头和第二主编码盘构成，用于实时测量第二转轴在任意情况下的旋转角度的第二主检测元件，及包括由第二副编码盘和第二副读数头构成，用于间接测出第二柔性铰链弹性变形量的第二副检测元件。
9.根据权利要求8所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述第二主编码盘固定在第二转轴上，所述第二主读数头安装设置在第二支架上；
所述第二副编码盘与第二工作台或载物台相连接，所述第二副读数头通过一第二副读数头支架固定设置在第二支架上。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的刚柔耦合超精双轴转台，其特征在于：所述的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链均为辐射对称布置的柔性铰链片。
技术总结