CN104454962A - 一种可检测空间回转角的球铰链 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可检测空间回转角的球铰链。传统的球铰链角度测量方式复杂，难以保证高测量精度。本发明的球窝开设有球窝环形槽；球头开设有两个球头环形槽；球窝与球头之间设有四个滑块组件，滑块组件包括销轴和通过轴承支承在销轴两端的两个弧形滑块；每个滑块组件外端的弧形滑块均与球窝环形槽滑动连接，每个滑块组件内端的弧形滑块与对应的球头环形槽滑动连接；球窝环形槽和球头环形槽的底部均设有第一栅状柱面电容电极，与球窝环形槽相对的弧形滑块外端、与球头环形槽相对的弧形滑块内端均设有第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极；第一栅状柱面电容电极加载电压。本发明能够实现球铰链三个自由度空间角度的在线测量。

Description

一种可检测空间回转角的球铰链

技术领域

本发明属于机械领域，涉及球铰链，具体涉及一种可检测空间回转角的球铰链。

背景技术

球铰链是一种普遍采用的三自由度机械关节，具有结构紧凑、运动灵活和承载力强等优点，成为并联机构、工业机器人（机械臂）和汽车零部件等机械设备中的关键构件。例如，并联机床作为新型的数控加工装备，其中每一个支链均通过铰链与动、静平台相连，系统的准静态误差对机床精度的影响约占70％，而球铰链误差对准静态误差有着重要影响。由于球铰链的运动受制于铰链的关节间隙和结构刚性等，引起的运动误差影响系统的传动精度，因此球铰空间回转角度的检测对系统误差预测分析、反馈和补偿十分必要，有利于运动机构控制的优化。

传统的角度测量以单自由度运动对象为主，通常有机械式测角、电磁式测角和光学测角等方法。球铰链位姿的测量对象是在约束球窝中绕球心进行三自由度转动的球形转子，传统的单自由度角位移检测方法难以直接应用，许多研究者针对相关问题提出一些新的机构和方法。当前，球形转子的运动位姿测量按照测量方式可分为接触式和非接触式。其中，接触式测量主要代表有采用滑道支架机构和三个旋转编码器实现测量结构上解耦，转化为单自由度测量问题；非接触式测量结构主要是基于光学传感器、视觉传感器和霍尔传感器等原理进行设计，从数据处理上实现多自由度角位移的解耦。

然而基于上述位姿检测方法构建的球铰链比较复杂，测量数据处理难度较大，难以保证较高的测量精度，经济成本较高，同时在实际应用中受到安装空间和工作环境的限制，研究方案有明显的局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可检测空间回转角的球铰链，能够实现球铰链三个自由度空间角度的在线测量。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括球窝、球头、第一栅状柱面电容电极、第二栅状柱面电容电极、第三栅状柱面电容电极和滑块组件；所述球窝的内壁开设有球窝环形槽，球窝环形槽的两侧均开设有环形的球窝滑道；所述的球头开设有交角为90°的两个球头环形槽；球头环形槽的两侧均开设有环形的球头滑道；球窝与球头之间设有四个滑块组件，所述的滑块组件包括销轴和通过轴承支承在销轴两端的两个弧形滑块；每个滑块组件外端的弧形滑块两侧的滑动杆分别与球窝环形槽对应一侧的球窝滑道通过滑动副连接，每个滑块组件内端的弧形滑块两侧的滑动杆分别与一个球头环形槽对应一侧的球头滑道通过滑动副连接。

所述球窝环形槽和球头环形槽的底部均设有第一栅状柱面电容电极，与球窝环形槽相对的弧形滑块外端、与球头环形槽相对的弧形滑块内端均设有第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极；所述的第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极均与第一栅状柱面电容电极相对设置；第一栅状柱面电容电极、第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极展开后栅条的宽度及相邻栅条的间距均为L；展开后第二栅状柱面电容电极与第三栅状柱面电容电极的间距为4.5L；第一栅状柱面电容电极加载电压。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以在线检测出球铰链的三个自由度空间角度，实现了智能化。

2、本发明采用内嵌栅状柱面电容电极测量，没有占用球铰链以外的空间，结构紧凑，使用方便，测量准确。

附图说明

图1为本发明的整体结构装配立体图；

图2为本发明中各个零件的结构立体图；

图3为本发明的整体结构剖视图；

图4为图3中A部分的局部放大图；

图5为本发明中弧形滑块与球窝的装配剖视图；

图6为图5中B部分的局部放大图；

图7为本发明中第一栅状柱面电容电极、第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极的相对位置展开示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、3、4、5和6所示，一种可检测空间回转角的球铰链，包括球窝1、球头2、第一栅状柱面电容电极42、第二栅状柱面电容电极41、第三栅状柱面电容电极43和滑块组件；球窝1的内壁开设有球窝环形槽11，球窝环形槽11的两侧均开设有环形的球窝滑道111；球头2开设有交角为90°的两个球头环形槽21；球头环形槽21的两侧均开设有环形的球头滑道211；球窝1与球头2之间设有四个滑块组件，滑块组件包括销轴5和通过轴承支承在销轴5两端的两个弧形滑块3；每个滑块组件外端的弧形滑块3两侧的滑动杆301分别与球窝环形槽11对应一侧的球窝滑道111通过滑动副连接，每个滑块组件内端的弧形滑块3两侧的滑动杆301分别与一个球头环形槽21对应一侧的球头滑道211通过滑动副连接，保证弧形滑块3与球窝环形槽11及球头环形槽21底部的相对距离不变；球头2可在球窝1内自由转动。

如图4、6和7所示，球窝环形槽11和球头环形槽21的底部均设有第一栅状柱面电容电极42，与球窝环形槽11相对的弧形滑块3外端、与球头环形槽21相对的弧形滑块3内端均设有第二栅状柱面电容电极41和第三栅状柱面电容电极43；第二栅状柱面电容电极41和第三栅状柱面电容电极43均与第一栅状柱面电容电极42相对设置；第一栅状柱面电容电极42、第二栅状柱面电容电极41和第三栅状柱面电容电极43展开后栅条的宽度及相邻栅条的间距均为L；展开后第二栅状柱面电容电极41与第三栅状柱面电容电极43的间距为4.5L，以保证第二栅状柱面电容电极41与第一栅状柱面电容电极42的栅条完全重叠时，第三栅状柱面电容电极43与第一栅状柱面电容电极42的栅条重叠宽度为0.5L；第一栅状柱面电容电极42加载电压                                               。

该可检测空间回转角的球铰链，工作原理：

当球头2在球窝1内转动时，弧形滑块3在球窝环形槽11和球头环形槽21内滑动，第二栅状柱面电容电极41和第三栅状柱面电容电极43相对第一栅状柱面电容电极42运动，第二栅状柱面电容电极41和第三栅状柱面电容电极43的每一条栅条相对第一栅状柱面电容电极41的栅条重叠面积就会发生交替性变化，从而输出变化的电信号，可以解算出每一个弧形滑块3相对球窝环形槽11或球头环形槽21滑动的角度。

绕V轴滑动的两个弧形滑块3，可测出两个角度值α1和α2，取平均值即为球头2绕V轴的转角α；绕U轴滑动的两个弧形滑块3，可测出两个角度值β1和β2，取平均值即为球头2绕U轴的转角β；在球窝的球窝环形槽11内滑动的四个弧形滑块3，可测出四个角度值θ1、θ2、θ3和θ4，这里θ1和θ3、θ2和θ4分别是两对相同数学意义的角度值，取θ1和θ3的平均值，即为球头2绕W轴的转角θ，最终得到球头2在三个自由方向相对球窝1转动的角度。

Claims (1)

1. 一种可检测空间回转角的球铰链，包括球窝、球头、第一栅状柱面电容电极、第二栅状柱面电容电极、第三栅状柱面电容电极和滑块组件，其特征在于：

所述球窝的内壁开设有球窝环形槽，球窝环形槽的两侧均开设有环形的球窝滑道；所述的球头开设有交角为90°的两个球头环形槽；球头环形槽的两侧均开设有环形的球头滑道；球窝与球头之间设有四个滑块组件，所述的滑块组件包括销轴和通过轴承支承在销轴两端的两个弧形滑块；每个滑块组件外端的弧形滑块两侧的滑动杆分别与球窝环形槽对应一侧的球窝滑道通过滑动副连接，每个滑块组件内端的弧形滑块两侧的滑动杆分别与一个球头环形槽对应一侧的球头滑道通过滑动副连接；

所述球窝环形槽和球头环形槽的底部均设有第一栅状柱面电容电极，与球窝环形槽相对的弧形滑块外端、与球头环形槽相对的弧形滑块内端均设有第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极；所述的第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极均与第一栅状柱面电容电极相对设置；第一栅状柱面电容电极、第二栅状柱面电容电极和第三栅状柱面电容电极展开后栅条的宽度及相邻栅条的间距均为L；展开后第二栅状柱面电容电极与第三栅状柱面电容电极的间距为4.5L；第一栅状柱面电容电极加载电压。