CN102607400B - 精密球铰链间隙测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密球铰链间隙测量仪及其测量方法，其特征是设置：呈水平的底座平台、矩形外框、倒“U”形内框、加载气缸、转接盘和电感位移传感器。本发明在呈相互垂直交叉配置、并可转动的矩形外框和倒“U”形内框的运动配合下获取球铰链装配间隙的原始空间误差测量数据，通过后续相应的数据处理可以得出球铰链间隙误差的模型和规律；实现球铰链在三维空间内间隙误差的高效、自动和准确的检测，促进并联机构误差建模和修正技术的进步。

Description

精密球铰链间隙测量仪及测量方法

技术领域

本发明是涉及一种测量装置及测量方法，更具体地说是用于测量精密球铰链、万向铰链或虎克铰链装配后所形成的装配间隙，用于获知球铰链的球杆在空间不同位姿时，其间隙变化的规律。

背景技术

因为并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等优点，近二十年来在机床、机器人、微动工作台、坐标测量机等领域得到了广泛的应用。但一直以来并联机构的运动误差严重制约了并联机构在高精度场合的应用和推广。影响并联机构误差的因素很多，主要包括并联机构结构参数误差，安装位置误差，使用过程中的力、热变形等。理论和实践已经证明，在结构参数误差中，杆件的制造误差和球铰链的间隙误差对精度影响最大。通过运动学建模和误差标定，杆件制造误差和部件的安装位置误差已可以很好地予以补偿和修正，但在并联机构中普遍使用的精密球铰链的配合间隙所产生的误差至今没有得到很好的解决，也成为提高并联机构或并联机床精度的主要障碍之一，主要原因是：

1、铰链间隙误差虽然属于结构参数误差，但它是独立作用误差，在并联机构正反解中没有办法表达和呈现，因而通过常规的微分建模是不能实现误差修正和消除的；

2、球铰链误差本质上与球铰杆工作空间角度和位姿相关，且与工作载荷大小和方向相关，呈现出一定的空间随机误差的特点。因此若不通过测试，不获取全面的实验数据，很难单纯通过理论计算来建立其误差模型；

3、一般在并联机构上都是同时使用多个精密球铰链，理论和实践已经证明多个精密球铰链间隙误差之间会产生相互耦合和误差平均效应，使得球铰链间隙误差对最终执行机构的运动精度影响更为复杂。

因此，彻底探求影响单个球铰链间隙误差的规律，建立单铰链随机误差模型，在此基础上运用误差独立作用原理建立多铰链共同作用的误差模型，才能全面揭示铰链间隙误差的特点和规律，这对于提高并联机构的工作精度丰富和发展并联机构理论有重要的意义。

但是迄今还没有相关专用设备能够用于准确测量精密球铰链、万向铰链或虎克铰链装配后所形成的装配间隙，

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种精密球铰链间隙测量仪及测量方法，以实现球铰链在三维空间内间隙误差的高效、自动和准确的检测，促进并联机构误差修正技术的进步。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明精密球铰链间隙测量仪的结构特点是设置：

一呈水平的底座平台，在所述底座平台上固定设置卡盘夹具，被测球铰链的球铰座固定设置在所述卡盘夹具中，被测球铰链的球铰杆呈竖向；在所述底座平台上、位于所述卡盘夹具的两侧对称设置竖向外框支架；

一矩形外框，在所述矩形外框上，处在位置相对的一对侧框上沿X轴方向分别设置有外框半轴，处在位置相对的另外一对侧框分别设置为内框轴承座，所述内框轴承座的轴线沿Y轴方向设置；所述矩形外框是由外框半轴通过外框轴承支承在所述竖向外框支架上；以所述外框半轴的轴心线为X轴，以所述内框轴承座的轴心线为Y轴；所述卡盘夹具的轴心线穿过X轴和Y轴的交点O；

一倒“U”形内框，所述倒“U”形内框的两端在沿Y轴方向上分别设置有内框半轴，所述倒“U”形内框是以内框半轴通过内框轴承支承在所述矩形外框上的内框轴承座中；所述倒“U”形内框的框顶板呈水平位于被测球铰链的球铰杆的上方；

一加载气缸，固定设置在所述倒“U”形内框的框顶板上，所述加载气缸的活塞杆竖直向下，并与所述被测球铰链的球铰杆处在同一直线上；

一转接盘，呈水平设置，被测球铰链的球铰杆的顶端和所述加载气缸的活塞杆的底端分别连接在转接盘的底面中心和顶面中心位置处；

一电感位移传感器，固定设置在所述倒“U”形内框的框顶板上、位于所述加载气缸的一旁，所述电感位移传感器的测头垂直抵于所述转接盘的盘面。

本发明精密球铰链间隙测量仪的结构特点也在于：

所述外框轴承和内框轴承均为两只背靠背配置的角接触球轴承。

本发明精密球铰链间隙测量仪的结构特点还在于：

在所述一对竖向外框支架上，位于一侧竖向外框支架上设置有外框驱动电机，位于另一侧竖向外框支架上设置有外框角度检测圆光栅，以所述外框驱动电机驱动对应位置处的外框半轴的转动；以所述外框角度检测圆光栅检测矩形外框相对于竖向外框支架的转动角度；

在所述矩形外框上，位于一侧内框半轴所在侧框上设置内框驱动电机，位于另一内框半轴所在侧框上设置有内框角度检测圆光栅，以所述内框驱动电机驱动对应位置上的内框半轴的转动，以所述内框角度检测圆光栅检测倒“U”形内框相对于矩形外框的转动角度。

在所述外框驱动电机的输出轴与外框半轴之间设置外框半轴柔性联轴器；在所述内框驱动电机的输出轴与内框半轴之间设置内框半轴柔性联轴器。

本发明精密球铰链间隙测量仪的测量方法的特点是按以下步骤进行：

a、将被测球铰链的球铰座夹持在卡盘夹具中，球铰杆与转接盘固定连接，矩形外框呈水平、加载气缸的活塞杆呈竖直，电感传感器的测头抵于转接盘的盘面，电感传感器读数为零；

b、设定球铰链的第1位姿为矩形外框与水平面呈夹角θ_x1，倒“U”形内框与竖直平面呈夹角θ_y1，保持球铰链在第1位姿处，加载气缸向下顶推被测球铰杆，记录加载气缸的加载压力达到-F₀时电感位移传感器的第一次读数；随后加载气缸向上提拉球铰杆，记录加载气缸的加载压力达到+F₀时电感传感器的第二次读数，球铰链在第1位姿下的间隙即为第一次读数与第二次读数的差值Δ₁₁，以数组(Δ₁₁，θ_x1，θ_y1)表征球铰链位姿与间隙的对应关系；

c、保持矩形外框与水平面呈夹角θ_x1；转动倒“U”形内框使其与竖直平面分别呈夹角θ_y2...θ_yn，按照步骤b相同的方式获得数组(Δ₁₂，θ_x1，θ_y2)......(Δ_1n，θ_x1，θ_yn)；

d、转动矩形外框使其与水平面分别呈夹角θ_x2...θ_xn，按步骤c相同的方式获得数组：

(Δ₂₁，θ_x2，θ_y1)、(Δ₂₂，θ_x2，θ_y2)...(Δ_2n，θ_x2，θ_yn)；

(Δ₃₁，θ_x3，θ_y1)、(Δ₃₂，θ_x3，θ_y2)...(Δ_3n，θ_x3，θ_yn)；

(Δ_n1，θ_xn，θ_y1)、(Δ_n2，θ_xn，θ_y2)...(Δ_nn，θ_xn，θ_yn)；

其中θ_x1-θ_xn为所述矩形外框的可转动范围；θ_y1-θ_yn为所述倒“U”形内框的可转动范围。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在呈相互垂直交叉配置、并可转动的矩形外框和倒“U”形内框的运动配合下获取球铰链装配间隙的原始空间误差测量数据，通过后续相应的数据处理和计算算法可以得出球铰链间隙误差的模型和规律。

2、本发明采用相互垂直的“十”字框架回转轴系，实现了球铰杆三维空间内任意角度的转动。

3、本发明中采用两只背靠背配置的角接触球轴承配置在单侧半轴上，这种单轴承座内双轴承组合预紧的结构能有效地提高刚度和回转精度。

4、本发明中通过气缸实现推、拉加载，结构简单、加压载荷易于控制；并从结构上保证了加压载荷和电感位移传感器方向一致，测量误差小。

5、本发明中采用角度检测圆光栅，配合位移传感器直接测量间隙大小，将球铰链间隙误差Δ表征和归结为其与两个空间角度(θ_x，θ_y)之间的函数关系问题，即：Δ＝f(θ_x，θ_y)，这种数学表达便于后续的并联机构建模和应用。

6、本发明通过在驱动电机与被驱动的外框半轴和内框半轴之间设置柔性联轴器，可以自动补偿电机回转轴线与框架回转轴线的不一致，使得电机轴线装配误差不影响轴系的回转精度。

7、本发明可以用于万向铰链、虎克铰链等各种铰链的配合间隙的自动测量，配备适当的工装和夹具，也可应用在球面轴承、孔轴偶件和一般滚动轴承轴向游隙的测量中，其检测重复性好、精度高、检测效率高。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明测量原理示意图；

图3为本发明主视结构示意图；

图4为本发明俯视结构示意图；

图5为本发明中矩形外框上外框驱动电机所在一侧结构示意图；

图6为本发明中矩形外框上外框角度检测圆光栅结构示意图；

图7为本发明中矩形外框回转状态示意图；

图8为本发明中倒“U”形内框回转状态示意图。

图中标号：1底座平台；2卡盘夹具；3球铰座；4球铰杆；5竖向外框支架；6矩形外框；7外框半轴；8外框轴承；8a轴承端盖；8b压紧螺母；9倒“U”形内框；10内框半轴；11内框轴承；12加载气缸；13转接盘；14电感位移传感器；14a异形螺栓；14b异形螺母；15外框驱动电机；16外框角度检测圆光栅；16a轴承端盖；17内框驱动电机；18内框角度检测圆光栅；18a轴承端盖；19外框半轴柔性联轴器；20内框半轴柔性联轴器；

具体实施方式

本实施例中精密球铰链间隙测量仪的结构设置为：

如图1和图3所示，在呈水平的底座平台1上固定设置卡盘夹具2，被测球铰链的球铰座3固定设置在卡盘夹具2中，被测球铰链的球铰杆4呈竖向；在底座平台1上、位于卡盘夹具2的两侧对称设置竖向外框支架5。

在矩形外框6上，处在位置相对的一对侧框上沿X轴方向分别设置有外框半轴7，处在位置相对的另外一对侧框分别设置为内框轴承座，内框轴承座的轴线沿Y轴方向设置；矩形外框6是由外框半轴7通过外框轴承8支承在竖向外框支架5上。以外框半轴7的轴心线为X轴，以内框轴承座的轴心线为Y轴；卡盘夹具2的轴心线穿过X轴和Y轴的交点O；

倒“U”形内框9的两端在沿Y轴方向上分别设置有内框半轴10，倒“U”形内框9是以内框半轴10通过内框轴承11支承在矩形外框6上的内框轴承座中；倒“U”形内框9的框顶板呈水平位于被测球铰链的球铰杆4的上方；

呈水平设置转接盘13，被测球铰链的球铰杆4的顶端和加载气缸12的活塞杆的底端分别连接在转接盘13的底面中心和顶面中心位置处，加载气缸12通过转接盘13与被测球铰链的球杆固联，通过改变气缸进气方向实现对球杆4的拉或压，同时通过调整进气压力可以获得额定大小的加载力，结构紧凑。

电感位移传感器14固定设置在倒“U”形内框9的框顶板上、位于加载气缸12的一旁，电感位移传感器14的测头垂直抵于转接盘13的盘面，当气缸12提拉或下压球铰杆时，电感位移传感器将测出间隙Δ的变化，电感传感器14设置在中空的异形螺栓14a中并被夹持锁紧，旋转异形中空螺栓14a，将带动电感上下微动实现电感调零，零位调整后旋转异形螺母14b锁定电感的位置。

本实施例中，相应的结构设置也包括：

如图4、图5和图6所示，外框轴承8和内框轴承11均为两只背靠背配置的角接触球轴承。在单个半轴内采用双角接触球轴承背靠背安装，这样单个半轴自身即可实现预紧，若采用常规的单轴承配置方式，单半轴无法预紧，预紧力会作用在框架上带来额外的变形。采用双轴承配置杜绝了框架变形，提高了系统刚度和轴系回转精度。矩形外框6的两个半轴7上配置两只角接触球轴承8，两只角接触球轴承背靠背安装在竖向外框支架5的壳体孔中。轴承端盖8a压紧后，两角轴承的外圈相抵并且其轴向位置被固定，此时两只轴承的内圈没有接触，通过旋转压紧螺母8b预紧轴承内圈。倒“U”形内框9上的两个内框半轴10的轴承配置与矩形外框半轴6的配置相同。

如图1、图4、图5和图6所示，在一对竖向外框支架5上，位于一侧竖向外框支架上设置有外框驱动电机15，位于另一侧竖向外框支架上设置有外框角度检测圆光栅传感器16，以外框驱动电机15驱动对应位置处的外框半轴的转动，带动矩形外框6俯仰回转(如图7所示)；以外框角度检测圆光栅传感器16检测矩形外框6相对于竖向外框支架5的转动角度，外框角度检测圆光栅传感器16的外壳同心安装在轴承端盖16a上的定位孔肩中，圆光栅中空的轴套接在半轴7的输出端上并保持同心；

如图1、图3和图4所示，在矩形外框6上，位于一侧内框半轴所在侧框上设置内框驱动电机17，位于另一内框半轴所在侧框上设置有内框角度检测圆光栅传感器18，以内框驱动电机17驱动对应位置上的内框半轴的转动，带动倒“U”形内框9摇摆转动(如图8所示)；以内框角度检测圆光栅传感器检测倒“U”形内框9相对于矩形外框7的转动角度，内框角度检测圆光栅传感器18外壳同心安装在轴承端盖18a上，圆光栅中空的轴套接在内框半轴10的输出端上。

内框角度检测圆光栅传感器和外框角度检测圆光栅传感器采用市售的标准件，可根据精度要求选配，外框驱动电机和内框驱动电机都采用步进电机。

如图4所示，在外框驱动电机15的输出轴与外框半轴之间设置外框半轴柔性联轴器19；在内框驱动电机17的输出轴与内框半轴之间设置内框半轴柔性联轴器20。电机安装时其轴线与半轴轴线之间有偏离误差，采用柔性联轴器将能弥补这种偏差所带来的缺陷，保证电机轴的偏离不影响半轴的回转精度而同时又能可靠传递运动和扭矩。

测量方法：

本实施例是通过矩形内框6和倒“U”型内框9组成“十字”型旋转框架结构，通过两只步进电机的配合驱动实现球铰杆4相对于球座3在空间任意方位上停留，并由角度传感器记录该方位角。然后在此方位上通过加载，由位移传感器获取球铰链在此方位上的间隙量。其思想是将球铰链在空间不同方位上的间隙误差表征为两个角度参数的函数，便于球铰链误差的建模。

测量过程：

1、将被测球铰链的球铰座3夹持在卡盘夹具2中，球铰杆4与转接盘13固定连接，矩形外框6呈水平、加载气缸12的活塞杆呈竖直，电感传感器14的测头抵于转接盘13的盘面，电感传感器读数为零；

2、设定球铰链的第1位姿为矩形外框6与水平面呈夹角θ_x1，倒“U”形内框9与竖直平面呈夹角θ_y1，保持球铰链在第1位姿处，加载气缸12向下顶推被测球铰杆4，记录加载气缸12的加载压力达到-F₀时电感位移传感器14的第一次读数；随后加载气缸12向上提拉球铰杆4，记录加载气缸12的加载压力达到+F₀时电感传感器14的第二次读数，球铰链在第1位姿下的间隙即为第一次读数与第二次读数的差值Δ₁₁，以数组(Δ₁₁，θ_x1，θ_y1)表征球铰链位姿与间隙的对应关系；

3、保持矩形外框6与水平面呈夹角θ_x1；转动倒“U”形内框9使其与竖直平面分别呈夹角θ_y2...θ_yn，按照步骤2相同的方式获得数组(Δ₁₂，θ_x1，θ_y2)......(Δ_1n，θ_x1，θ_yn)；

4、转动矩形外框5使其与水平面分别呈夹角θ_x2...θ_xn，按步骤3相同的方式获得数组：

(Δ₂₁，θ_x2，θ_y1)、(Δ₂₂，θ_x2，θ_y2)...(Δ_2n，θ_x2，θ_yn)；

(Δ₃₁，θ_x3，θ_y1)、(Δ₃₂，θ_x3，θ_y2)...(Δ_3n，θ_x3，θ_yn)；

(Δ_n1，θ_xn，θ_y1)、(Δ_n2，θ_xn，θ_y2)...(Δ_nn，θ_xn，θ_yn)；

其中θ_x1-θ_xn为矩形外框的可转动范围；θ_y1-θ_yn为倒“U”形内框的可转动范围。

在以上测量过程中，作为外框驱动电机和内框驱动电机的步进电机是以设定的步距进行驱动，比如设置步距为5°，利用步进电机中减速机构的机械锁紧功能，使矩形外框和倒“U”形内框转过的夹角位置能够得到保持，以便加载气缸12能够在矩形外框和倒“U”形内框处于静止状态下进行加载。

在完成以上测试之后，利用计算机对所测得的数据进行间隙误差的分析和理论建模。

Claims (5)

1.一种精密球铰链间隙测量仪，其特征是设置：

一呈水平的底座平台(1)，在所述底座平台(1)上固定设置卡盘夹具(2)，被测球铰链的球铰座(3)固定设置在所述卡盘夹具(2)中，被测球铰链的球铰杆(4)呈竖向；在所述底座平台(1)上、位于所述卡盘夹具(2)的两侧对称设置竖向外框支架(5)；

一矩形外框(6)，在所述矩形外框(6)上，处在位置相对的一对侧框上沿X轴方向分别设置有外框半轴(7)，处在位置相对的另外一对侧框分别设置为内框轴承座，所述内框轴承座的轴线沿Y轴方向设置；所述矩形外框(6)是由外框半轴(7)通过外框轴承(8)支承在所述竖向外框支架(5)上；以所述外框半轴(7)的轴心线为X轴，以所述内框轴承座的轴心线为Y轴；所述卡盘夹具(2)的轴心线穿过X轴和Y轴的交点O；

一倒“U”形内框(9)，所述倒“U”形内框(9)的两端在沿Y轴方向上分别设置有内框半轴(10)，所述倒“U”形内框(9)是以内框半轴(10)通过内框轴承(11)支承在所述矩形外框(6)上的内框轴承座中；所述倒“U”形内框(9)的框顶板呈水平位于被测球铰链的球铰杆(4)的上方；

一加载气缸(12)，固定设置在所述倒“U”形内框(9)的框顶板上，所述加载气缸(12)的活塞杆竖直向下，并与所述被测球铰链的球铰杆(4)处在同一直线上；

一转接盘(13)，呈水平设置，被测球铰链的球铰杆(4)的顶端和所述加载气缸(12)的活塞杆的底端分别连接在转接盘(13)的底面中心和顶面中心位置处；

一电感位移传感器(14)，固定设置在所述倒“U”形内框(9)的框顶板上、位于所述加载气缸(12)的一旁，所述电感位移传感器(14)的测头垂直抵于所述转接盘(13)的盘面。

2.根据权利要求1所述的精密球铰链间隙测量仪，其特征是：所述外框轴承(8)和内框轴承(11)均为两只背靠背配置的角接触球轴承。

3.根据权利要求1所述的精密球铰链间隙测量仪，其特征是：

在所述一对竖向外框支架(5)上，位于一侧竖向外框支架上设置有外框驱动电机(15)，位于另一侧竖向外框支架上设置有外框角度检测圆光栅(16)，以所述外框驱动电机(15)驱动对应位置处的外框半轴的转动；以所述外框角度检测圆光栅(16)检测矩形外框(6)相对于竖向外框支架(5)的转动角度；

在所述矩形外框(6)上，位于一侧内框半轴所在侧框上设置内框驱动电机(17)，位于另一内框半轴所在侧框上设置有内框角度检测圆光栅(18)，以所述内框驱动电机(17)驱动对应位置上的内框半轴的转动，以所述内框角度检测圆光栅(18)检测倒“U”形内框(9)相对于矩形外框(7)的转动角度。

4.根据权利要求3所述的精密球铰链间隙测量仪，其特征是：在所述外框驱动电机(15)的输出轴与外框半轴之间设置外框半轴柔性联轴器(19)；在所述内框驱动电机(17)的输出轴与内框半轴之间设置内框半轴柔性联轴器(20)。

5.一种权利要求1所述的精密球铰链间隙测量仪的测量方法，其特征在于按以下步骤进行：

a、将被测球铰链的球铰座(3)夹持在卡盘夹具(2)中，球铰杆(4)与转接盘(13)固定连接，矩形外框(6)呈水平、加载气缸(12)的活塞杆呈竖直，电感位移传感器(14)的测头抵于转接盘(13)的盘面，电感位移传感器读数为零；

b、设定球铰链的第1位姿为矩形外框(6)与水平面呈夹角θ_x1，倒“U”形内框(9)与竖直平面呈夹角θ_y1，保持球铰链在第1位姿处，加载气缸(12)向下顶推被测球铰杆(4)，记录加载气缸(12)的加载压力达到-F₀时电感位移传感器(14)的第一次读数；随后加载气缸(12)向上提拉球铰杆(4)，记录加载气缸(12)的加载压力达到+F₀时电感位移传感器(14)的第二次读数，球铰链在第1位姿下的间隙即为第一次读数与第二次读数的差值Δ₁₁，以数组(Δ₁₁,θ_x1,θ_y1)表征球铰链位姿与间隙的对应关系；

c、保持矩形外框(6)与水平面呈夹角θ_x1；转动倒“U”形内框(9)使其与竖直平面分别呈夹角θ_y2...θ_yn，按照步骤b相同的方式获得数组(Δ₁₂,θ_x1,θ_y2)......(Δ_1n,θ_x1,θ_yn)；

d、转动矩形外框(5)使其与水平面分别呈夹角θ_x2...θ_xn，按步骤c相同的方式获得数组：

(Δ₂₁,θ_x2,θ_y1)、(Δ₂₂,θ_x2,θ_y2)...(Δ_2n,θ_x2,θ_yn)；

(Δ₃₁,θ_x3,θ_y1)、(Δ₃₂,θ_x3,θ_y2)...(Δ_3n,θ_x3,θ_yn)；

(Δ_n1,θ_xn,θ_y1)、(Δ_n2,θ_xn,θ_y2)...(Δ_nn,θ_xn,θ_yn)；

其中θ_x1-θ_xn为所述矩形外框的可转动范围；θ_y1-θ_yn为所述倒“U”形内框的可转动范围。

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