[發明專利]一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀

有效

• 申請號: 201510060537.1
• 申請日: 2015-02-05
• 公開（公告）號: CN104708495B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 王文;朱曄文;盧科青;范宗尉;張敏;趙鼎成;程林
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: B23Q17/00
• 分類號: B23Q17/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙)33240
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于數控機床誤差檢測領域，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

機床是機械制造業中的工作母機，其精度直接影響著制造業的水平。隨著數控設備的普及應用，各種數控機床的精度提高方法與技術也成為科研工作者們研究的熱點。

目前數控機床誤差的檢測方式主要有直接測量法、間接測量法和綜合誤差測量法。基于球桿儀的測量法是一種典型的綜合誤差測量方法，具有檢測快速、操作簡單、攜帶方便等優點，常用于評價和診斷數控機床動態精度。

球桿儀最初是由美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的James?B.Bryan提出，后來一些企業和學者對此開展了深入的研究，研制出了幾種不同類型的球桿儀，如：美國佛羅里達大學機械工程系John?C.Ziegert教授發明了激光球桿儀，國內西北工業大學馬錫琪提出雙球規測量儀等。有的也已形成商業化產品，如：雷尼紹公司的QC10球桿儀等。但是，目前這些球桿儀的桿長雖然可以伸縮，但是變化范圍很小。為了滿足不同測量空間范圍的需求，這些球桿儀通常會同時配備幾根長度不一的桿。此外，現有的球桿儀測量空間的圓軌跡半徑基本不變(變化量取決定于桿長的1mm左右的伸縮量)，無法覆蓋(或遍歷)機床工作行程范圍內的所有空間區域。日本學者發明了二連桿式球桿儀，其中兩根連桿是由普通的旋轉關節相連并由旋轉編碼器測量兩桿間的夾角，有效地增大球桿儀的測量范圍，然而由于結構限制，儀器只能在一個平面內運動，如果需要對機床進行XY,YZ,ZX三個平面的測試時，則需要對球桿儀進行多次安裝和測試，因此測量效率較低，難以保證較高的測量精度。

發明內容

本發明的目的是針對現有球桿儀的不足，提出一種基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，利用球鉸鏈實現球桿儀在空間范圍內的三維運動，同時用球面電容傳感器的原理檢測兩連桿軸線間的空間夾角，根據測量的角度值和球鉸鏈相連的兩根連桿長度，通過簡單的幾何方法計算出主軸在做空間圓弧運動時的圓軌跡，得出機床的幾何運動精度。

本發明所采用的技術方案是：

本發明主要由第一連桿、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，并以三點機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，并以三點機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端，精密球鉸鏈的支撐球窩固定在第一連桿的內端；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置在精密球鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極設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半徑均為R₂，球頭和支撐球窩的球心重合，記為點C。第一精密小球的球心到C的距離記為L₁，第二精密小球的球心到C的距離記為L₂。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L可表示為：

L²＝L₁²+L₂²-2L₁L₂cos(π-θ)

其中，θ為球面電容傳感器檢測得到的第一連桿與第二連桿軸線間的夾角。當θ＝0時，對應的等效桿長L取得最大值L_max＝L₁+L₂；當θ＝θ_max時，對應的等效桿長L取得最小值L_min；θ_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構的支撐球窩端蓋高度。因此，等效桿長的變化范圍是L_max-L_min。

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應的圓心角相等，均為10～60°。

所述的第一球冠形電容電極和第二球冠形電容電極構成球面電容傳感器的兩個檢測極板。

本發明的有益效果是：

1、由于球鉸鏈具有結構緊湊和運動靈活等優點，使其用于兩連桿的連接，易于實現儀器在全部空間范圍內的運動和測量范圍的連續性(全覆蓋)。