一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床誤差檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球 桿儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)床是機(jī)械制造業(yè)中的工作母機(jī)，其精度直接影響著制造業(yè)的水平。隨著數(shù)控設(shè) 備的普及應(yīng)用，各種數(shù)控機(jī)床的精度提高方法與技術(shù)也成為科研工作者們研究的熱點(diǎn)。
[0003] 目前數(shù)控機(jī)床誤差的檢測(cè)方式主要有直接測(cè)量法、間接測(cè)量法和綜合誤差測(cè)量 法?；谇驐U儀的測(cè)量法是一種典型的綜合誤差測(cè)量方法，具有檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)單、攜帶 方便等優(yōu)點(diǎn)，常用于評(píng)價(jià)和診斷數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度。
[0004] 球桿儀最初是由美國(guó)勞倫斯?利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL)的James B. Bryan提 出，后來(lái)一些企業(yè)和學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了深入的研究，研制出了幾種不同類型的球桿儀，如：美 國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)械工程系John C. Ziegert教授發(fā)明了激光球桿儀，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)馬 錫琪提出雙球規(guī)測(cè)量?jī)x等。有的也已形成商業(yè)化產(chǎn)品，如：雷尼紹公司的QClO球桿儀等。 但是，目前這些球桿儀的桿長(zhǎng)雖然可以伸縮，但是變化范圍很小。為了滿足不同測(cè)量空間范 圍的需求，這些球桿儀通常會(huì)同時(shí)配備幾根長(zhǎng)度不一的桿。此外，現(xiàn)有的球桿儀測(cè)量空間的 圓軌跡半徑基本不變（變化量取決定于桿長(zhǎng)的Imm左右的伸縮量），無(wú)法覆蓋（或遍歷）機(jī) 床工作行程范圍內(nèi)的所有空間區(qū)域。日本學(xué)者發(fā)明了二連桿式球桿儀，其中兩根連桿是由 普通的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連并由旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量?jī)蓷U間的夾角，有效地增大球桿儀的測(cè)量范圍， 然而由于結(jié)構(gòu)限制，儀器只能在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如果需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行XY，YZ，ZX三個(gè)平面 的測(cè)試時(shí)，則需要對(duì)球桿儀進(jìn)行多次安裝和測(cè)試，因此測(cè)量效率較低，難以保證較高的測(cè)量 精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有球桿儀的不足，提出一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球 桿儀，利用球鉸鏈實(shí)現(xiàn)球桿儀在空間范圍內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)，同時(shí)用球面電容傳感器的原理檢 測(cè)兩連桿軸線間的空間夾角，根據(jù)測(cè)量的角度值和球鉸鏈相連的兩根連桿長(zhǎng)度，通過(guò)簡(jiǎn)單 的幾何方法計(jì)算出主軸在做空間圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓軌跡，得出機(jī)床的幾何運(yùn)動(dòng)精度。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明主要由第一連桿、第二連桿、精密球鉸鏈、第一精密磁力碗座、第二精密磁 力碗座、球面電容傳感器、第一精密小球和第二精密小球組成；所述的第一精密小球固定 在第一連桿的外端，并以三點(diǎn)機(jī)械定位的方式固定在第一精密磁力碗座上；所述的第二精 密小球固定在第二連桿的外端，并以三點(diǎn)機(jī)械定位的方式固定在第二精密磁力碗座上；所 述精密球鉸鏈的球頭固定在第二連桿的內(nèi)端，精密球鉸鏈的支撐球窩固定在第一連桿的內(nèi) 端；所述的球面電容傳感器包括第一球冠形電容電極和第二球冠形電容電極；所述的第一 球冠形電容電極設(shè)置在精密球鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極設(shè)置在支撐球窩的底 部。
[0008] 所述精密球鉸鏈的球頭半徑和支撐球窩的內(nèi)半徑均為R2，球頭和支撐球窩的球心 重合，記為點(diǎn)C。第一精密小球的球心到C的距離記為L(zhǎng) 1，第二精密小球的球心到C的距離 記為L(zhǎng)2。將第一精密小球與第二精密小球的球心距離等效為一根連桿，因此等效桿長(zhǎng)L可 表示為：
[0009] L2= L ^+L22Hj1L2Cos ( π - Θ )
[0010] 其中，θ為球面電容傳感器檢測(cè)得到的第一連桿與第二連桿軸線間的夾角。當(dāng)θ =〇時(shí)，對(duì)應(yīng)的等效桿長(zhǎng)1^取得最大值1^!￡=1^1+1^;當(dāng)0 = 0_時(shí)，對(duì)應(yīng)的等效桿長(zhǎng)1^取 得最小值Lmin;0 max=90° -arcsin(h/R2)-arcsin(r/R2)為精密球鉸鏈的極限擺角，其中， r為第二連桿的外圓面半徑，h為采用橫向剖分式結(jié)構(gòu)的支撐球窩端蓋高度。因此，等效桿 長(zhǎng)的變化范圍是Lmax-L min。
[0011] 所述第一球冠形電容電極、第二球冠形電容電極的球冠中心與邊緣間對(duì)應(yīng)的圓心 角相等，均為10~60°。
[0012] 所述的第一球冠形電容電極和第二球冠形電容電極構(gòu)成球面電容傳感器的兩個(gè) 檢測(cè)極板。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 1、由于球鉸鏈具有結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，使其用于兩連桿的連接，易于實(shí) 現(xiàn)儀器在全部空間范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和測(cè)量范圍的連續(xù)性（全覆蓋）。
[0015] 2、本發(fā)明采用球面電容傳感器的原理檢測(cè)兩連桿軸線之間的夾角，可以保證較高 的測(cè)量精度。
[0016] 3、本發(fā)明通過(guò)兩根連桿和一個(gè)球鉸鏈實(shí)現(xiàn)球桿儀的測(cè)量功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法簡(jiǎn) 易。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明中第一連桿與第二連桿的裝配示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明中兩個(gè)球冠形電容電極的布置示意圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明中第一球冠形電容電極在精密球鉸鏈的球頭上的位置示意圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明中第二球冠形電容電極在精密球鉸鏈的支撐球窩內(nèi)的位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023] 如圖1和2所示，一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，主要由第一連桿1-1、 第二連桿2-1、精密球鉸鏈3、第一精密磁力碗座4、第二精密磁力碗座5、球面電容傳感器、 第一精密小球1-2和第二精密小球2-2組成；球面電容傳感器包括第一球冠形電容電極Dl 和第二球冠形電容電極D2。第一精密小球1-2固定在第一連桿1-1的外端，第二精密小球 2-2固定在第二連桿2-1的外端；精密球鉸鏈3的球頭3-1固定在第二連桿2-1的內(nèi)端，精 密球鉸鏈3的支撐球窩3-2固定在第一連桿1-1的內(nèi)端。第一精密小球1-2和第二精密小 球2-2的半徑均為R 1，其球心分別記為點(diǎn)A和點(diǎn)B ;精密球鉸鏈3的球頭半徑和支撐球窩的 內(nèi)半徑均為R2，球頭和支撐球窩的球心重合，記為點(diǎn)C。AC的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)pBC的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)2。
[0024] 如圖3、4和5所示，精密球鉸鏈3的球頭底部設(shè)置第一球冠形電容電極D1，支撐球 窩的底部設(shè)置第二球冠形電容電極D 2;第一球冠形電容電極D1、第二球冠形電容電極D 2的 球冠中心與邊緣間對(duì)應(yīng)的圓心角均為α =60°。第一球冠形電容電極Dl和第二球冠形電 容電極仏構(gòu)成球面電容傳感器的兩個(gè)檢測(cè)極板，用于檢測(cè)第一連桿1-1和第二連桿2-1軸 線間的夾角。第一精密磁力碗座4可通過(guò)T型槽固定到機(jī)床工作臺(tái)上，第二精密磁力碗座 5安裝于機(jī)床主軸上。第一精密小球1-2和第二精密小球2-2以三點(diǎn)機(jī)械定位的方式分別 固定在第一精密磁力碗座4和第二精密磁力碗座5上。
[0025] 工作過(guò)程中，精密球鉸鏈3的球頭3-1相對(duì)于支撐球窩3-2發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，第一球冠形 電容電極Dl和第二球冠形電容電極0 2間的有效重疊面積改變，導(dǎo)致球面電容傳感器的輸 出電容值變化，根據(jù)輸出電容值可計(jì)算兩連桿軸線間的夾角Θ。
[0026] 對(duì)于面積相等的兩個(gè)球冠形電容電極，即兩個(gè)球冠形電容電極的球冠中心與邊緣 間對(duì)應(yīng)的圓心角均為α?xí)r，兩個(gè)球冠形電容電極的有效重疊面積S與兩連桿軸線間的夾角 Θ的關(guān)系可表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，主要由第一連桿、第二連桿、精密球鉸鏈、 第一精密磁力碗座、第二精密磁力碗座、球面電容傳感器、第一精密小球和第二精密小球組 成，其特征在于 ： 所述的第一精密小球固定在第一連桿的外端，并以三點(diǎn)機(jī)械定位的方式固定在第一精 密磁力碗座上；所述的第二精密小球固定在第二連桿的外端，并以三點(diǎn)機(jī)械定位的方式固 定在第二精密磁力碗座上；所述精密球鉸鏈的球頭固定在第二連桿的內(nèi)端，精密球鉸鏈的 支撐球窩固定在第一連桿的內(nèi)端；所述的球面電容傳感器包括第一球冠形電容電極和第二 球冠形電容電極；所述的第一球冠形電容電極設(shè)置在精密球鉸鏈的球頭底部，第二球冠形 電容電極設(shè)置在支撐球窩的底部； 所述精密球鉸鏈的球頭半徑和支撐球窩的內(nèi)半徑均為R2，球頭和支撐球窩的球心重 合，記為點(diǎn)C;第一精密小球的球心到C的距離記為L(zhǎng)1，第二精密小球的球心到C的距離記 為L(zhǎng)2;將第一精密小球與第二精密小球的球心距離等效為一根連桿，因此等效桿長(zhǎng)L可表 示為：
其中，e為球面電容傳感器檢測(cè)得到的第一連桿與第二連桿軸線間的夾角；當(dāng)&=O時(shí)，對(duì)應(yīng)的等效桿長(zhǎng)L取得最大值Lims=L1+L2 ;當(dāng)0=0_時(shí)，對(duì)應(yīng)的等效桿長(zhǎng)L取得最小
為精密球鉸鏈的極限擺角，其中，r為第二 連桿的外圓面半徑，h為采用橫向剖分式結(jié)構(gòu)的支撐球窩端蓋高度；因此，等效桿長(zhǎng)的變化 范圍是-Lmn。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，其特征在于：所述 第一球冠形電容電極、第二球冠形電容電極的球冠中心與邊緣間對(duì)應(yīng)的圓心角相等，均為 10 ~60°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，其特征在于：所述 的第一球冠形電容電極和第二球冠形電容電極構(gòu)成球面電容傳感器的兩個(gè)檢測(cè)極板。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀?，F(xiàn)有球桿儀測(cè)量時(shí)桿長(zhǎng)變化范圍很小，無(wú)法覆蓋機(jī)床工作行程內(nèi)的所有區(qū)域。本發(fā)明的第一精密小球固定在第一連桿的外端，并以三點(diǎn)機(jī)械定位方式固定在第一精密磁力碗座上；第二精密小球固定在第二連桿的外端，并以三點(diǎn)機(jī)械定位方式固定在第二精密磁力碗座上；精密球鉸鏈的球頭和支撐球窩分別固定在第二連桿和第一連桿的內(nèi)端；第一球冠形電容電極設(shè)在精密球鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極設(shè)在支撐球窩的底部。本發(fā)明用球鉸鏈實(shí)現(xiàn)球桿儀的三維運(yùn)動(dòng)，并用球面電容傳感器檢測(cè)兩連桿軸線間夾角，根據(jù)角度值和兩連桿長(zhǎng)度，計(jì)算主軸做空間圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓軌跡，評(píng)定數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度。
【IPC分類】B23Q17-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104708495
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510060537
【發(fā)明人】王文, 朱曄文, 盧科青, 范宗尉, 張敏, 趙鼎成, 程林
【申請(qǐng)人】杭州電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2015年2月5日