CN107504052B - 一种精密回转俯仰关节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种精密回转俯仰关节机构，以静外壳作为关节俯仰运动时的静止部件，以动外壳作为动力及精密转角输出部件，静外壳和动外壳的壳体内部相连通形成容纳腔室，在容纳腔室内设有精密回转机构，精密回转机构是在容纳腔室内设置由电机、减速器构成的驱动装置，并设置误差补偿装置，减速器的输出端通过误差补偿装置将动力传递至主轴，用于补偿减速器及主轴之间的径向、轴向安装制造误差，避免了主轴因径向及轴向载荷所造成的形变，保证了机构中主轴的回转精度。本发明的精密回转俯仰关节机构主要构成关节臂坐标测量机的俯仰关节，能够为关节臂坐标测量机实现自动高精度测量提供基础。

Description

一种精密回转俯仰关节机构
技术领域
本发明涉及坐标测量技术领域，更具体地说是一种精密回转俯仰关节机构。
背景技术
在坐标测量技术领域，关节臂坐标测量机是一类应用广泛的测量机，其中的俯仰关节主要用于实现关节输出部分相对于关节输入部分的俯仰运动，同时用于限制输出部分在其余方向的自由度。传统的关节臂坐标测量机的关节不包含驱动部件，其采用的人工拖拽手动测量的方式所造成的测量力不同、运动轨迹的不确定性以及运动速度加速度的差异对测量结果带来不确定性，并导致测量误差；并且，在手动拖曳的情况下测量机也无法实现大批量自动测量。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种精密回转俯仰关节机构，该机构主要构成关节臂坐标测量机的俯仰关节，为关节臂坐标测量机能够实现自动高精度测量提供基础。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种精密回转俯仰关节机构，以静外壳作为关节俯仰运动时的静止部件，以动外壳作为动力及精密转角输出部件，所述静外壳和动外壳的壳体内部相连通形成容纳腔室，在所述容纳腔室内设有精密回转机构，所述精密回转机构是：
在所述容纳腔室内设置驱动装置，所述驱动装置由内置于所述静外壳内部的电机经减速器输出动力，所述减速器的输出端通过误差补偿装置将动力传递至主轴；
在所述容纳腔室内设有与所述静外壳固连的前后两端开口且内部为空腔结构的轴系固定支座，所述轴系固定支座的前端向前悬伸至所述动外壳壳体内，所述误差补偿装置及主轴位于所述轴系固定支座内部；
所述误差补偿装置是沿动力传递方向依次设置十字联轴法兰与十字联轴滑块，所述十字联轴法兰的输入端与所述减速器输出端法兰连接，所述十字联轴滑块的输入端与所述十字联轴法兰的输出端之间、所述十字联轴滑块的输出端与所述主轴的输入端之间分别通过一一对应设置的一字型凹槽与凸牙相啮合形成的一字连接结构相连以传递扭矩，两组一字连接结构呈十字交叉设置，所述十字联轴滑块为聚氨酯材质，实现可径向滑动、轴向变形以补偿减速器输出端法兰与主轴的轴向、径向和角向误差；
所述主轴由所述轴系固定支座内的一对轴承支撑，主轴的输出端延伸至所述动外壳壳体内与输出连接法兰相连，并经所述输出连接法兰连接至所述动外壳，将精密转角及动力传递至所述俯仰关节机构的下一级。
本发明的结构特点也在于：
所述主轴与所述输出连接法兰之间设有锁紧螺母，通过所述锁紧螺母实现对位于前端的轴承预紧以提高主轴回转精度；所述锁紧螺母的外环面上设有沿径向向内延伸的横断槽，在所述横断槽处形成分层结构并设有沿轴向设置的螺纹孔，通过在所述螺纹孔中拧入螺钉以消除螺纹间隙，进而实现所述锁紧螺母与所述主轴之间的锁紧。
所述轴系固定支座内部对应于一对轴承设有内孔台阶，用于固定轴承外圈，所述减速器外壳与轴系固定支座后端法兰之间通过螺钉连接，通过调节螺钉实现对位于后端的轴承的预紧。
所述精密回转机构还包括测量装置，所述测量装置由光栅盘及固设在所述轴系固定支座前端的光栅读数头构成，所述主轴上位于所述锁紧螺母与前端的轴承之间套设有光栅主轴转接座，所述光栅主轴转接座的输入端端面与位于前端的轴承端面相接触，所述光栅盘套设于所述光栅主轴转接座的输出端外环表面上，实现所述主轴与所述光栅盘同心，所述光栅主轴转接座的输出端端面与所述锁紧螺母端面相接触。
与已有技术相比，本发明通过增加驱动装置使关节自动转动的方式，解决了现有关节臂坐标测量机由于手动拖曳测量所造成的随机误差大、无法进行大批量自动测量的问题，其有益效果体现在：
1、针对现有俯仰关节机构在手动拖曳运动下测量随机误差大的问题，本发明采用由电机、减速器构成关节的驱动装置；该驱动装置采用一致性较好的机械结构替代现行手工拖曳的方式，实现俯仰关节机构的运动，并使得俯仰关节机构运动的重复性得以保证，即减小了随机误差；具备了驱动装置部分的俯仰关节机构为关机臂坐标测量机的自动测量提供基础；
2、本发明同时还采用十字联轴法兰、十字联轴滑块构成了误差补偿装置，驱动装置与主轴通过误差补偿装置实现动力连接，该误差补偿装置对减速器及主轴之间的径向、轴向安装制造误差实现了补偿，使得主轴主要传递来自减速器的扭矩而不传递径向载荷，避免了主轴因径向载荷所造成的形变，保证了机构中主轴的回转精度；
3、本发明由一对轴承、主轴及轴系固定支座构成精密轴系，位于后端的轴承通过轴系固定支座与减速器螺钉连接实现预紧、位于前端的轴承通过锁紧螺母实现预紧。精密轴系中对于一对轴承的上述预紧方式保证了主轴不会产生径向或轴向窜动，进一步保证了机构中主轴的回转精度。
附图说明
图1为本发明关节机构的剖视结构示意图；
图2为本发明关节机构的爆炸结构示意图。
图中，1静外壳端盖；2静外壳；3电机；4电机减速器连接法兰；5减速器；6十字联轴法兰；7十字联轴滑块；8主轴；9轴承A；10轴承套筒；11轴系固定支座；12轴承B；13光栅主轴转接座；14光栅读数头；15光栅盘；16锁紧螺母；17输出连接法兰；18动外壳。
具体实施方式
参见图1及图2，本实施例的精密回转俯仰关节机构是以静外壳2作为关节俯仰运动时的静止部件，以动外壳18作为动力及精密转角输出部件，静外壳2和动外壳18的壳体内部相连通形成容纳腔室，在容纳腔室内设有精密回转机构。
其中，静外壳2的后端设有静外壳端盖1，静外壳2及动外壳18的材料为铝合金。
具体的，上述精密回转机构是：
在容纳腔室内设置驱动装置，驱动装置由内置于静外壳2内部的电机3经减速器5输出动力，减速器5外壳与电机3外壳之间通过电机减速器连接法兰4固定相连，减速器5的输出端通过误差补偿装置将动力传递至主轴8，实现关节机构的自驱动，电机3可采用有刷或无刷直流电机通过外接线缆进行控制，以保证机构可根据用户设定旋转至任意角度；减速器5采用大速比、厚度小的谐波减速器5，可实现电机3输出力矩的提升，提高机构总体的带载能力、对电机3旋转角度进行细分，有利于保障机构自驱动时旋转角度的精度；
在容纳腔室内设有与静外壳2固连的前后两端开口且内部为空腔结构的轴系固定支座11，轴系固定支座11的材料为铝，且其前端向前悬伸至动外壳18壳体内，误差补偿装置及主轴8位于轴系固定支座11内部；
误差补偿装置是沿动力传递方向依次布置的十字联轴法兰6与十字联轴滑块7，十字联轴法兰6的输入端与减速器5输出端法兰连接，十字联轴滑块7的输入端与十字联轴法兰6的输出端之间、十字联轴滑块7的输出端与主轴8的输入端之间分别通过一一对应设置的一字型凹槽与凸牙相啮合形成的一字连接结构相连以传递扭矩，两组一字连接结构呈十字交叉设置，十字联轴滑块7为聚氨酯材质，实现可径向滑动、轴向变形以补偿减速器5输出端法兰与主轴8的轴向、径向和角向误差，并吸收来自减速器5输出端的振动，使得主轴8主要传递来自减速器5的扭矩而不传递径向载荷，在存在制造或装配误差的情况下减速器5与主轴8运动不发生干涉；
主轴8由轴系固定支座11内的一对轴承支撑，主轴8的材料为45钢，其输出端穿过轴承套筒10，延伸至动外壳18壳体内与输出连接法兰17相连，并经输出连接法兰17连接至动外壳18，将精密转角及动力传递至俯仰关节机构的下一级。
此外，主轴8与输出连接法兰17之间设有锁紧螺母16，其材料为铝，通过锁紧螺母16实现对位于前端的轴承B 12预紧；轴系固定支座11内部对应于一对轴承设有内孔台阶，用于固定轴承外圈，减速器5外壳与轴系固定支座11后端法兰之间通过螺钉连接，通过调节螺钉实现对位于后端的轴承A 9的预紧。
上述轴承A 9及轴承B 12采用角接触轴承，其预紧后可限制主轴8的径向及轴向窜动，提高主轴8回转精度。
作为一个优选的方式，本实施例在锁紧螺母16的外环面上设有沿径向向内延伸的横断槽，在横断槽处形成分层结构并设有沿轴向设置的螺纹孔，通过在螺纹孔中拧入螺钉以消除锁紧螺母16与主轴8的螺纹间隙，进而实现锁紧螺母16与主轴8之间的锁紧。
本实施例的精密回转机构还包括测量装置，测量装置由光栅盘15及固设在轴系固定支座11前端的光栅读数头14构成，主轴8上位于锁紧螺母16与前端的轴承之间套设有光栅主轴8转接座，其输入端端面与位于前端的轴承端面相接触，光栅盘15套设于光栅主轴8转接座的输出端外环表面上，在安装光栅时通过调节光栅盘15与光栅主轴8转接座之间的螺丝可实现主轴8与光栅盘15同心，确保光栅读数的精度，光栅主轴8转接座的输出端端面与锁紧螺母16端面相接触，由锁紧螺母16限制其轴向的自由度。光栅读数头14可将读取的主轴8转角增量信号经线缆传递至外部控制器中，供电机3实现反馈控制以及机构旋转角度的读取与测量。

Claims (4)

1.一种精密回转俯仰关节机构，其特征是：以静外壳(2)作为关节俯仰运动时的静止部件，以动外壳(18)作为动力及精密转角输出部件，所述静外壳(2)和动外壳(18)的壳体内部相连通形成容纳腔室，在所述容纳腔室内设有精密回转机构，所述精密回转机构是：
在所述容纳腔室内设置驱动装置，所述驱动装置由内置于所述静外壳(2)内部的电机(3)经减速器(5)输出动力，所述减速器(5)的输出端通过误差补偿装置将动力传递至主轴(8)；
在所述容纳腔室内设有与所述静外壳(2)固连的前后两端开口且内部为空腔结构的轴系固定支座(11)，所述轴系固定支座(11)的前端向前悬伸至所述动外壳(18)壳体内，所述误差补偿装置及主轴(8)位于所述轴系固定支座(11)内部；
所述误差补偿装置是沿动力传递方向依次设置的十字联轴法兰(6)与十字联轴滑块(7)，所述十字联轴法兰(6)的输入端与所述减速器(5)输出端法兰连接，所述十字联轴滑块(7)的输入端与所述十字联轴法兰(6)的输出端之间、所述十字联轴滑块(7)的输出端与所述主轴(8)的输入端之间分别通过一一对应设置的一字型凹槽与凸牙相啮合形成的一字连接结构相连以传递扭矩，两组一字连接结构呈十字交叉设置，所述十字联轴滑块(7)为聚氨酯材质，实现可径向滑动、轴向变形以补偿减速器(5)输出端法兰与主轴(8)的轴向、径向和角向误差；
所述主轴(8)由所述轴系固定支座(11)内的一对轴承支撑，主轴(8)的输出端延伸至所述动外壳(18)壳体内与输出连接法兰(17)相连，并经所述输出连接法兰(17)连接至所述动外壳(18)，将精密转角及动力传递至所述俯仰关节机构的下一级。
2.根据权利要求1所述的精密回转俯仰关节机构，其特征是：所述主轴(8)与所述输出连接法兰(17)之间设有锁紧螺母(16)，通过所述锁紧螺母(16)实现对位于前端的轴承预紧以提高主轴(8)回转精度；所述锁紧螺母(16)的外环面上设有沿径向向内延伸的横断槽，在所述横断槽处形成分层结构并设有沿轴向设置的螺纹孔，通过在所述螺纹孔中拧入螺钉以消除螺纹间隙，进而实现所述锁紧螺母(16)与所述主轴(8)之间的锁紧。
3.根据权利要求1所述的精密回转俯仰关节机构，其特征是：所述轴系固定支座(11)内部对应于一对轴承设有内孔台阶，用于固定轴承外圈，所述减速器(5)外壳与轴系固定支座(11)后端法兰之间通过螺钉连接，通过调节螺钉实现对位于后端的轴承的预紧。
4.根据权利要求2所述的精密回转俯仰关节机构，其特征是：所述精密回转机构还包括测量装置，所述测量装置由光栅盘(15)及固设在所述轴系固定支座(11)前端的光栅读数头(14)构成，所述主轴(8)上位于所述锁紧螺母(16)与前端的轴承之间套设有光栅主轴转接座(13)，所述光栅主轴转接座(13)的输入端端面与位于前端的轴承端面相接触，所述光栅盘(15)套设于所述光栅主轴转接座(13)的输出端外环表面上，实现所述主轴(8)与所述光栅盘(15)同心，所述光栅主轴转接座(13)的输出端端面与所述锁紧螺母(16)端面相接触。
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