基于球铰链的空间二连杆式球杆仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于数控机床误差检测领域，具体涉及一种基于球铰链的空间二连杆 式球杆仪。
【背景技术】
[0002] 机床是机械制造业中的工作母机，其精度直接影响着制造业的水平。随着数控设 备的普及应用，各种数控机床的精度提高方法与技术也成为科研工作者们研宄的热点。
[0003] 目前数控机床误差的检测方式主要有直接测量法、间接测量法和综合误差测量 法。基于球杆仪的测量法是一种典型的综合误差测量方法，具有检测快速、操作简单、携带 方便等优点，常用于评价和诊断数控机床动态精度。
[0004] 球杆仪最初是由美国劳伦斯?利弗莫尔国家实验室（LLNL)的James B. Bryan提 出，后来一些企业和学者对此开展了深入的研宄，研制出了几种不同类型的球杆仪，如：美 国佛罗里达大学机械工程系John C. Ziegert教授发明了激光球杆仪，国内西北工业大学马 锡琪提出双球规测量仪等。有的也已形成商业化产品，如：雷尼绍公司的QClO球杆仪等。 但是，目前这些球杆仪的杆长虽然可以伸缩，但是变化范围很小。为了满足不同测量空间范 围的需求，这些球杆仪通常会同时配备几根长度不一的杆。此外，现有的球杆仪测量空间的 圆轨迹半径基本不变（变化量取决定于杆长的Imm左右的伸缩量），无法覆盖（或遍历）机 床工作行程范围内的所有空间区域。日本学者发明了二连杆式球杆仪，其中两根连杆是由 普通的旋转关节相连并由旋转编码器测量两杆间的夹角，有效地增大球杆仪的测量范围， 然而由于结构限制，仪器只能在一个平面内运动，如果需要对机床进行XY，YZ，ZX三个平面 的测试时，则需要对球杆仪进行多次安装和测试，因此测量效率较低，难以保证较高的测量 精度。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是针对现有球杆仪的不足，提出一种基于球铰链的空间二连杆 式球杆仪，利用球铰链实现球杆仪在空间范围内的三维运动，同时用球面电容传感器的原 理检测两连杆轴线间的空间夹角，根据测量的角度值和球铰链相连的两根连杆长度，通过 简单的几何方法计算出主轴在做空间圆弧运动时的圆轨迹，得出机床的几何运动精度。
[0006] 本实用新型所采用的技术方案是：
[0007] 本实用新型主要由第一连杆、第二连杆、精密球铰链、第一精密磁力碗座、第二精 密磁力碗座、球面电容传感器、第一精密小球和第二精密小球组成；所述的第一精密小球固 定在第一连杆的外端，并以三点机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连杆的外端，并以三点机械定位的方式固定在第二精密磁力碗座上； 所述精密球铰链的球头固定在第二连杆的内端，精密球铰链的支撑球窝固定在第一连杆的 内端；所述的球面电容传感器包括第一球冠形电容电极和第二球冠形电容电极；所述的第 一球冠形电容电极设置在精密球铰链的球头底部，第二球冠形电容电极设置在支撑球窝的 底部。
[0008] 所述精密球铰链的球头和支撑球窝的球心重合。
[0009] 所述第一球冠形电容电极、第二球冠形电容电极的球冠中心与边缘间对应的圆心 角相等，均为10~60°。
[0010] 所述的第一球冠形电容电极和第二球冠形电容电极构成球面电容传感器的两个 检测极板。
[0011] 本实用新型的有益效果是：
[0012] 1、由于球铰链具有结构紧凑和运动灵活等优点，使其用于两连杆的连接，易于实 现仪器在全部空间范围内的运动和测量范围的连续性（全覆盖）。
[0013] 2、本实用新型采用球面电容传感器的原理检测两连杆轴线之间的夹角，可以保证 较高的测量精度。
[0014] 3、本实用新型通过两根连杆和一个球铰链实现球杆仪的测量功能，结构简单，算 法简易。
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型的总体结构图；
[0016] 图2为本实用新型中第一连杆与第二连杆的装配示意图；
[0017] 图3为本实用新型中两个球冠形电容电极的布置示意图；
[0018] 图4为本实用新型中第一球冠形电容电极在精密球铰链的球头上的位置示意图；
[0019] 图5为本实用新型中第二球冠形电容电极在精密球铰链的支撑球窝内的位置示 意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
[0021] 如图1和2所示，基于球铰链的空间二连杆式球杆仪，主要由第一连杆1-1、第二连 杆2-1、精密球铰链3、第一精密磁力碗座4、第二精密磁力碗座5、球面电容传感器、第一精 密小球1-2和第二精密小球2-2组成；球面电容传感器包括第一球冠形电容电极Dl和第二 球冠形电容电极D 2。第一精密小球1-2固定在第一连杆1-1的外端，第二精密小球2-2固 定在第二连杆2-1的外端；精密球铰链3的球头3-1固定在第二连杆2-1的内端，精密球铰 链3的支撑球窝3-2固定在第一连杆1-1的内端。第一精密小球1-2和第二精密小球2-2 的半径均为R 1，其球心分别记为点A和点B ;精密球铰链3的球头半径和支撑球窝的内半径 均为R2，球头和支撑球窝的球心重合，记为点C。AC的长度记为L 1, BC的长度记为L2。
[0022] 如图3、4和5所示，精密球铰链3的球头底部设置第一球冠形电容电极Dl，支撑球 窝的底部设置第二球冠形电容电极D 2;第一球冠形电容电极Dl、第二球冠形电容电极D 2的 球冠中心与边缘间对应的圆心角均为α =60°。第一球冠形电容电极Dl和第二球冠形电 容电极仏构成球面电容传感器的两个检测极板，用于检测第一连杆1-1和第二连杆2-1轴 线间的夹角。第一精密磁力碗座4可通过T型槽固定到机床工作台上，第二精密磁力碗座 5安装于机床主轴上。第一精密小球1-2和第二精密小球2-2以三点机械定位的方式分别 固定在第一精密磁力碗座4和第二精密磁力碗座5上。
[0023] 工作过程中，精密球铰链3的球头3-1相对于支撑球窝3-2发生转动，第一球冠形 电容电极Dl和第二球冠形电容电极0 2间的有效重叠面积改变，导致球面电容传感器的输 出电容值变化，根据输出电容值可计算两连杆轴线间的夹角Θ。
[0024] 对于面积相等的两个球冠形电容电极，即两个球冠形电容电极的球冠中心与边缘 间对应的圆心角均为α时，两个球冠形电容电极的有效重叠面积S与两连杆轴线间的夹角 Θ的关系可表示为：
【主权项】
1. 基于球铰链的空间二连杆式球杆仪，主要由第一连杆、第二连杆、精密球铰链、第一 精密磁力碗座、第二精密磁力碗座、球面电容传感器、第一精密小球和第二精密小球组成， 其特征在于： 所述的第一精密小球固定在第一连杆的外端，并以三点机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连杆的外端，并以三点机械定位的方式固 定在第二精密磁力碗座上；所述精密球铰链的球头固定在第二连杆的内端，精密球铰链的 支撑球窝固定在第一连杆的内端；所述的球面电容传感器包括第一球冠形电容电极和第二 球冠形电容电极；所述的第一球冠形电容电极设置在精密球铰链的球头底部，第二球冠形 电容电极设置在支撑球窝的底部。
2. 根据权利要求1所述的基于球铰链的空间二连杆式球杆仪，其特征在于：所述精密 球铰链的球头和支撑球窝的球心重合。
3. 根据权利要求1所述的基于球铰链的空间二连杆式球杆仪，其特征在于：所述第一 球冠形电容电极、第二球冠形电容电极的球冠中心与边缘间对应的圆心角相等，均为10~ 60。。
4. 根据权利要求1所述的基于球铰链的空间二连杆式球杆仪，其特征在于：所述的第 一球冠形电容电极和第二球冠形电容电极构成球面电容传感器的两个检测极板。
【专利摘要】本实用新型公开了基于球铰链的空间二连杆式球杆仪。现有球杆仪测量时杆长变化范围很小，无法覆盖机床工作行程内的所有区域。本实用新型的第一精密小球固定在第一连杆的外端，并以三点机械定位方式固定在第一精密磁力碗座上；第二精密小球固定在第二连杆的外端，并以三点机械定位方式固定在第二精密磁力碗座上；精密球铰链的球头和支撑球窝分别固定在第二连杆和第一连杆的内端；第一球冠形电容电极设在精密球铰链的球头底部，第二球冠形电容电极设在支撑球窝的底部。本实用新型用球铰链实现球杆仪的三维运动，并用球面电容传感器检测两连杆轴线间夹角，根据角度值和两连杆长度，计算主轴做空间圆弧运动时的圆轨迹，评定数控机床的动态精度。
【IPC分类】B23Q17-00
【公开号】CN204487282
【申请号】CN201520082805
【发明人】朱晔文, 王文, 张敏, 赵鼎成, 程林, 卢科青, 范宗尉
【申请人】杭州电子科技大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年2月5日