CN109210073B - 气磁混合球铰关节及其使用时的装配方法 - Google Patents

气磁混合球铰关节及其使用时的装配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了气磁混合球铰关节及其使用时的装配方法。现有气浮球铰关节难以实现多位姿工作。本发明气磁混合球铰关节包括球头、球窝、支撑杆、基座、主励磁线圈、辅助励磁线圈和位移传感器。本发明进行球头的零点调整时，位移检测系统根据四个位移传感器检测到的球头与球窝间隙大小来确定球头的偏心量，从而根据球头的偏心量来调整六个辅助磁线圈中电流的大小，使球头的球心与球窝的球心重合。本发明通过磁力的预紧与气膜支撑力相平衡，从而实现球铰关节安装在空间不同位置下运动，扩大气浮球铰的应用场合，且利用电磁铁磁力预紧，容易控制。

Description

气磁混合球铰关节及其使用时的装配方法
技术领域
本发明属于球铰关节领域，具体涉及一种气磁混合球铰关节及其使用时的装配方法，将磁浮技术应用于气浮球铰上，从而扩大气浮球铰的应用场合。
背景技术
球铰关节是一种结构紧凑、运动灵活的三自由度机械关节，正逐步广泛应用于机器人、并联机构、汽车、电机等多个领域。
常规的气浮球铰关节主要考虑气膜支撑力与重力相平衡，这使得气浮球铰关节仅能水平安置，难以实现气浮球铰关节的多位姿工作，同时关节刚度和支承力都不大，负载变化时适应性较差，且在非工作状态下易造成支承面损伤，应用场合受到大大限制，目前主要应用于小负载场合(如气浮平台)的支承。目前针对这一问题有学者提出采用永磁体进行预紧，但永磁体通常只能提供单方向的作用力，且力的大小恒定，并不能有效地改善气浮球铰关节在不同位置的运动。同时，由于永磁体安装固定后，产生的磁力会对球头的安装带来一定的干扰，甚至使球头与球窝直接发生碰撞，对工作表面造成损伤，影响气浮球铰关节的工作性能。
上述方式未能有效解决气浮球铰关节的多位姿工作问题，使气浮球铰关节应用难以推广。
发明内容
本发明的目的是为了解决气浮球铰关节主要依赖重力预紧的问题，提供一种利用磁力预紧的气磁混合球铰关节及其使用时的装配方法，通过磁力的预紧与气膜支撑力相平衡，从而实现球铰关节安装在空间不同位置下运动，同时提高关节的刚度、支承力和负载变化适应性，扩大气浮球铰的应用场合。
本发明气磁混合球铰关节，包括球头、球窝、支撑杆、基座、主励磁线圈、辅助励磁线圈和位移传感器。所述球窝的球面中心开有一个供气孔，球窝底部开有气腔，供气孔的底端与气腔顶端连通；球窝球面上设有沿纬向圆周均布的四个位移传感器；位移传感器的安装孔中心轴线与垂直于支撑杆中心轴线的平面呈35.28°夹角；球窝底部开有沿纬向圆周均布的六个辅助励磁线圈安装槽，辅助励磁线圈安装槽顶部封闭设置，每个辅助励磁线圈安装槽内均固定有辅助励磁线圈，且其中一个辅助励磁线圈安装槽内固定有位移监测系统；位移传感器将检测到的球头与球窝间隙大小通过无线传输给位移检测系统；所述的球窝底部位于气腔外沿开设有密封槽，密封槽内设有密封圈；球窝底部还开设有沿周向均布的k个螺纹孔一，k≥3；支撑杆顶部开设有进气孔和沿周向均布的k个连接孔一，底部开设有沿周向均布的n个螺纹孔二，n≥3；支撑杆的每个连接孔一与球窝对应的一个螺纹孔一通过螺钉二连接，支撑杆的顶部覆盖气腔并压紧密封圈；支撑杆的进气孔与球窝的气腔连通；主励磁线圈固定套置在支撑杆上；基座开设有沿周向均布的n个连接孔二；基座的每个连接孔二与支撑杆对应的一个螺纹孔二通过螺钉一连接。
所述的位移检测系统采用esp8266ex无线通讯芯片。
球窝球面存在一个内接正方体，该正方体的体心与球窝的球心重合，正方体的顶点与球窝内表面交于四个点，这四个点的位置即为位移传感器的安装位置，这四个点与正方体体心的连线都是沿着正方体的对角线方向指向球心的，从而得出位移传感器的安装孔中心轴线与垂直于支撑杆中心轴线的平面的夹角为35.28°。
位移检测系统根据四个位移传感器检测到的间隙值调整纬向圆周上各位置辅助励磁线圈中的电流来调整各辅助励磁线圈磁力的大小，当四个传感器检测到球头与球窝间隙均为球头与球窝的半径差r时，判定球头的球心与球窝的球心重合。
位移检测系统根据四个位移传感器检测到的间隙值得到球头球心的当前坐标，具体如下：
四个位移传感器所形成的四轴坐标系以球窝球心为原点O，四个位移传感器的安装孔中心轴线方向分别为l1、l2、l3、l4四轴，当球头的球心没有发生偏移时，各位移传感器检测到的间隙值均为球头与球窝的半径差r，当球头受外力干扰发生偏移时，四个位移传感器检测到的间隙值分别为L1、L2、L3、L4，此时球头球心在l1、l2、l3、l4轴的偏心量分别为：
δl1＝L1-r，δl2＝L2-r，δl3＝L3-r，δl4＝L4-r，
球头球心在四轴坐标系下的坐标为(δl1，δl2，δl3，δl4)，球头球心在四轴坐标系下的坐标由公式(1)转换成笛卡尔坐标系xyz下的坐标，其中笛卡尔坐标系的原点也为点O；公式(1)如下：
将球头球心在四轴坐标系下的坐标(δl1，δl2，δl3，δl4)代入公式(1)，求得笛卡尔坐标系下球头的球心坐标；当笛卡尔坐标系下球头的球心坐标为(0，0，0)时，判定球头的球心与球窝的球心重合。
该气磁混合球铰关节使用时的装配方法，具体步骤如下：
步骤一、机械安装。将主励磁线圈固定套在支撑杆上，然后将支撑杆与基座通过螺钉一连接；沿纬向圆周均布的六个辅助励磁线圈安装槽中分别装入辅助励磁线圈，其中一个辅助励磁线圈安装槽中装入位移监测系统，球窝球面上装入沿纬向圆周均布的四个位移传感器；密封圈装入球窝底部的密封槽中，然后将球窝与支撑杆通过螺钉二连接，支撑杆的顶部覆盖球窝底部的气腔并压紧密封圈；最后将球头置于球窝中。
步骤二、球头的零点调整。给主励磁线圈和辅助励磁线圈通电，使主励磁线圈和辅助励磁线圈产生的磁吸引力将球头吸在球窝上；然后将高压气体从进气孔通入气腔中并充满气腔。接着，位移检测系统根据四个位移传感器检测到的球头与球窝间隙大小来确定球头的偏心量，从而根据球头的偏心量来调整六个辅助磁线圈中电流的大小，使球头的球心与球窝的球心重合，从而控制球头悬浮于平衡位置。其中，当四个传感器检测到球头与球窝间隙均为r时，即认为球头的球心与球窝的球心重合。
本发明的有益效果是：
1.本发明基于气浮球铰关节的结构原型，结构简单，加工技术成熟，制造方便。
2.本发明利用电磁铁对球头进行磁力预紧，不仅实现气浮球铰关节的多位姿工作，采用电磁力预紧代替传统气浮球铰关节的重力预紧，提高了关节的刚度、支承力和负载变化适应性，扩大了气浮球铰关节的应用范围。
3.本发明中利用四个位移传感器可以检测气浮球铰在工作过程中的偏心，并反馈到球窝内的辅助励磁线圈中，使辅助励磁线圈可以根据球头的偏心情况调整磁力，保证球头稳定运作。
附图说明
图1为本发明气磁混合球铰关节的结构剖视图；
图2为本发明中球窝的顶部结构示意图；
图3为本发明中球窝的底部结构示意图；
图4为本发明中支撑杆的结构立体图；
图5为本发明中球头的结构立体图；
图6为本发明中位移传感器的安装位置示意图；
图7为四轴坐标系示意图。
图中：1-球头，2-气膜，3-供气孔，4-位移传感器，5-辅助励磁线圈，6-球窝，7-气腔，8-支撑杆，9-主励磁线圈，10-基座，11-螺钉一，12-螺钉二，13-密封圈，14-位移检测系统，15-辅助励磁线圈安装槽，16-螺纹孔一，17-进气口，18-连接孔一，19-螺纹孔二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3、4、5和6所示，气磁混合球铰关节，包括球头1、球窝6、支撑杆8、基座10、主励磁线圈9、辅助励磁线圈5和位移传感器4。球窝6球面中心开有一个供气孔3，球窝6底部开有气腔7，供气孔3的底端与气腔7顶端连通；球窝6球面上设有沿纬向圆周均布的四个位移传感器4；本实施例中，位移传感器4的安装孔中心轴线与垂直于支撑杆8中心轴线的平面呈35.28°夹角；球窝6底部开有沿纬向圆周均布的六个辅助励磁线圈安装槽15，辅助励磁线圈安装槽15顶部封闭设置，每个辅助励磁线圈安装槽15内均固定有辅助励磁线圈5，且其中一个辅助励磁线圈安装槽15内固定有位移监测系统14；位移传感器将检测到的球头1与球窝6间隙大小通过无线传输给位移检测系统14；球窝6底部位于气腔7外沿开设有密封槽，密封槽内设有密封圈13；球窝6底部还开设有沿周向均布的四个螺纹孔一16；支撑杆8顶部开设有进气孔17和沿周向均布的四个连接孔一18，底部开设有沿周向均布的四个螺纹孔二19；支撑杆8的每个连接孔一18与球窝6对应的一个螺纹孔一16通过螺钉二12连接，支撑杆8的顶部覆盖气腔7并压紧密封圈13；支撑杆8的进气孔17与球窝6的气腔7连通；主励磁线圈9固定套置在支撑杆8上；主励磁线圈能产生较大的吸引磁力；由于内部空间有限，辅助励磁线圈产生较小吸引磁力；辅助励磁线圈5与主励磁线圈9共同提供磁预紧力。基座10开设有沿周向均布的四个连接孔二；基座10的每个连接孔二与支撑杆8对应的一个螺纹孔二19通过螺钉一11连接；高压气体从进气孔17通入气腔7中，再通过供气孔3进入球窝6形成稳定的有较大承载力的气膜2，供气孔3的孔径大小影响气膜的承载力。当球头工作受到干扰力时，球头会发生偏转，位移传感器将检测到的球头1与球窝6间隙大小传输给位移检测系统14。
球窝球面存在一个内接正方体，该正方体的体心与球窝的球心重合，正方体的顶点与球窝内表面交于四个点，这四个点的位置即为位移传感器的安装位置，位移传感器的安装方向是沿着正方体的对角线方向指向球心的，通过计算得出位移传感器的安装孔中心轴线与垂直于支撑杆8中心轴线的平面的夹角为35.28°。
位移检测系统14根据四个位移传感器检测到的间隙值调整纬向圆周上各位置辅助励磁线圈中的电流来调整各辅助励磁线圈磁力的大小，使球头1的球心与球窝6的球心重合(当四个传感器4检测到球头1与球窝6间隙均为球头与球窝6的半径差r时)时球头受到的合力处于平衡状态，保证球头的稳定运转。位移检测系统14也可以根据四个位移传感器检测到的间隙值得到球头球心的当前坐标，具体如下：
四个位移传感器所形成的四轴坐标系以球窝球心(正方体体心)为原点O，四个位移传感器4的安装孔中心轴线方向分别为l1、l2、l3、l4四轴，l1、l2、l3、l4四轴方向如图7所示，当球头的球心没有发生偏移时，各位移传感器检测到的间隙值均为r＝20μm，当球头1受外力干扰发生偏移时，四个位移传感器4检测到的间隙值分别为L1、L2、L3、L4，此时球头球心在l1、l2、l3、l4轴的偏心量分别为(此处取的是近似值，但误差可以忽略不计)：
δl1＝L1-r，δl2＝L2-r，δl3＝L3-r，δl4＝L4-r，
即球头球心在四轴坐标系下的坐标为(δl1，δl2，δl3，δl4)，球头球心在四轴坐标系下的坐标由公式(1)转换成笛卡尔坐标系xyz下的坐标，其中笛卡尔坐标系的原点也为点O；公式(1)如下：
将球头球心在四轴坐标系下的坐标(δl1，δl2，δl3，δl4)代入公式(1)，即求得笛卡尔坐标系下球头的球心坐标；当笛卡尔坐标系下球头的球心坐标为(0，0，0)时，判定球头的球心与球窝的球心重合。
气磁混合球铰关节可有效解决普通气浮球铰应用场合受限问题，并且能提高球铰的承载能力和刚度，承载适应性增强，应用范围广。
该气磁混合球铰关节使用时的装配方法，具体步骤如下：
步骤一、机械安装。将主励磁线圈9固定套在支撑杆8上，然后将支撑杆8与基座10通过螺钉一11连接；沿纬向圆周均布的六个辅助励磁线圈安装槽15中分别装入辅助励磁线圈5，其中一个辅助励磁线圈安装槽15中装入位移监测系统14，球窝6球面上装入沿纬向圆周均布的四个位移传感器4；密封圈13装入球窝6底部的密封槽中，然后将球窝6与支撑杆8通过螺钉二12连接，支撑杆8的顶部覆盖球窝6底部的气腔7并压紧密封圈13；最后将球头1置于球窝6中。
步骤二、球头1的零点调整。给主励磁线圈9和辅助励磁线圈5通电，使主励磁线圈9和辅助励磁线圈5产生的磁吸引力将球头1吸在球窝6上；然后将高压气体从进气孔17通入气腔7中并充满气腔7。因球窝6底部安装有密封圈13，气腔中的气体不会从球窝6与支撑杆8连接处泄露出去，保证了气腔7中气压的稳定，从而保证了球窝6内气膜2的稳定。接着，位移检测系统14根据四个位移传感器4检测到的球头1与球窝6间隙大小来确定球头1的偏心量，从而根据球头1的偏心量来调整六个辅助磁线圈5中电流的大小，使球头1的球心与球窝6的球心重合，从而控制球头1稳定悬浮于平衡位置。由于本实施例中，球头1的半径比球窝6的半径小r＝20μm，故当四个传感器4检测到球头1与球窝6间隙均为20μm时，即认为球头1与球窝6的间隙处处为r，此时球头1的球心与球窝6的球心重合，球头1处于平衡位置。其中位移检测系统14采用esp8266ex无线通讯芯片，该芯片高度集成了无线开关、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，可以接收、处理位移传感器4发送的位移信号，再输出控制信号控制辅助励磁线圈5的磁力大小。

Claims (5)

1.气磁混合球铰关节，包括球头、球窝、支撑杆、基座和位移传感器，其特征在于：还包括主励磁线圈和辅助励磁线圈；所述球窝的球面中心开有一个供气孔，球窝底部开有气腔，供气孔的底端与气腔顶端连通；球窝球面上设有沿纬向圆周均布的四个位移传感器；位移传感器的安装孔中心轴线与垂直于支撑杆中心轴线的平面呈35.28°夹角；球窝底部开有沿纬向圆周均布的六个辅助励磁线圈安装槽，辅助励磁线圈安装槽顶部封闭设置，每个辅助励磁线圈安装槽内均固定有辅助励磁线圈，且其中一个辅助励磁线圈安装槽内固定有位移监测系统；位移传感器将检测到的球头与球窝间隙大小通过无线传输给位移检测系统；所述的球窝底部位于气腔外沿开设有密封槽，密封槽内设有密封圈；球窝底部还开设有沿周向均布的k个螺纹孔一，k≥3；支撑杆顶部开设有进气孔和沿周向均布的k个连接孔一，底部开设有沿周向均布的n个螺纹孔二，n≥3；支撑杆的每个连接孔一与球窝对应的一个螺纹孔一通过螺钉二连接，支撑杆的顶部覆盖气腔并压紧密封圈；支撑杆的进气孔与球窝的气腔连通；主励磁线圈固定套置在支撑杆上；基座开设有沿周向均布的n个连接孔二；基座的每个连接孔二与支撑杆对应的一个螺纹孔二通过螺钉一连接；
位移检测系统根据四个位移传感器检测到的间隙值调整纬向圆周上各位置辅助励磁线圈中的电流来调整各辅助励磁线圈磁力的大小，当四个传感器检测到球头与球窝间隙均为球头与球窝的半径差r时，判定球头的球心与球窝的球心重合。
2.根据权利要求1所述的气磁混合球铰关节，其特征在于：所述的位移检测系统采用esp8266ex无线通讯芯片。
3.根据权利要求1或2所述的气磁混合球铰关节，其特征在于：球窝球面存在一个内接正方体，该正方体的体心与球窝的球心重合，正方体的顶点与球窝内表面交于四个点，这四个点的位置即为位移传感器的安装位置，这四个点与正方体体心的连线都是沿着正方体的对角线方向指向球心的，从而得出位移传感器的安装孔中心轴线与垂直于支撑杆中心轴线的平面的夹角为35.28°。
4.根据权利要求1或2所述的气磁混合球铰关节，其特征在于：位移检测系统根据四个位移传感器检测到的间隙值得到球头球心的当前坐标，具体如下：
四个位移传感器所形成的四轴坐标系以球窝球心为原点O，四个位移传感器的安装孔中心轴线方向分别为l1、l2、l3、l4四轴，当球头的球心没有发生偏移时，各位移传感器检测到的间隙值均为球头与球窝的半径差r，当球头受外力干扰发生偏移时，四个位移传感器检测到的间隙值分别为L1、L2、L3、L4，此时球头球心在l1、l2、l3、l4轴的偏心量分别为：
δl1＝L1-r，δl2＝L2-r，δl3＝L3-r，δl4＝L4-r，
球头球心在四轴坐标系下的坐标为(δl1，δl2，δl3，δl4)，球头球心在四轴坐标系下的坐标由公式(1)转换成笛卡尔坐标系xyz下的坐标，其中笛卡尔坐标系的原点也为点O；公式(1)如下：
将球头球心在四轴坐标系下的坐标(δl1，δl2，δl3，δl4)代入公式(1)，求得笛卡尔坐标系下球头的球心坐标；当笛卡尔坐标系下球头的球心坐标为(0，0，0)时，判定球头的球心与球窝的球心重合。
5.根据权利要求1或2所述的气磁混合球铰关节使用时的装配方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一、机械安装：将主励磁线圈固定套在支撑杆上，然后将支撑杆与基座通过螺钉一连接；沿纬向圆周均布的六个辅助励磁线圈安装槽中分别装入辅助励磁线圈，其中一个辅助励磁线圈安装槽中装入位移监测系统，球窝球面上装入沿纬向圆周均布的四个位移传感器；密封圈装入球窝底部的密封槽中，然后将球窝与支撑杆通过螺钉二连接，支撑杆的顶部覆盖球窝底部的气腔并压紧密封圈；最后将球头置于球窝中；
步骤二、球头的零点调整：给主励磁线圈和辅助励磁线圈通电，使主励磁线圈和辅助励磁线圈产生的磁吸引力将球头吸在球窝上；然后将高压气体从进气孔通入气腔中并充满气腔；接着，位移检测系统根据四个位移传感器检测到的球头与球窝间隙大小来确定球头的偏心量，从而根据球头的偏心量来调整六个辅助磁线圈中电流的大小，使球头的球心与球窝的球心重合，从而控制球头悬浮于平衡位置；其中，当四个传感器检测到球头与球窝间隙均为r时，即认为球头的球心与球窝的球心重合。
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