[0001]
本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统。
背景技术：
[0002]
高精度正交回转轴系统是精密测量仪器的重要组成部分，尤其是在以激光跟踪仪为代表的大尺寸空间测量仪器设备。国外正交回转轴系统研究已经很成熟，在api、leica、faro以及etalon激光跟踪仪中有着典型应用，而国内在此方面起步较晚。限制高精度正交回转轴系统发展的关键在于高精度正交回转轴系的设计与制造。当前测量仪器中正交回转轴系统多采用普通轴系或圆柱轴系，轴系回转精度较低，严重影响精密测量仪器的测量精度，很大程度上制约了精密测量仪器的发展。在轴系使用过程中由于温度的影响，使正交回转轴系产生较大的热变形，降低了轴系使用寿命和精度。此外，国内研制的正交回转轴系统多用于惯性技术测试设备，轴系结构设计复杂，整体笨重，不利于实现测量仪器的小型化、便携化发展。
技术实现要素：
[0003]
本发明为解决上述问题，提供了一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统，采用本方案，很大程度增加了轴系回转的精度和精密测量仪器的测量精度，还有利于降低热变形对于轴系精度的影响。
[0004]
本发明采用的技术方案为：一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统，包括水平左密珠轴系、水平右密珠轴系和垂直密珠轴系；
[0005]
所述水平左密珠轴系、水平右密珠轴系和垂直密珠轴系均包括有轴承座、轴承、第一滚动支撑部、第二滚动支撑部和第三滚动支撑部，所述轴承安装于轴承座的轴承孔内，所述轴承呈台阶型，所述轴承侧面中部设有环形凸肩，所述环形凸肩一侧设有第一滚动支撑部，所述环形凸肩另一侧设有第二滚动支撑部，所述轴承的小轴径和/或大轴径侧面设有第三滚动支撑部，所述轴承可绕自身轴线旋转，所述轴承各轴端和轴承之间均形成t型结构；
[0006]
所述水平左密珠轴系和水平右密珠轴系对称设置，且之间留有空隙，所述水平左密珠轴系和水平右密珠轴系均设在垂直密珠轴系顶部，所述垂直密珠轴系的轴承轴线位于水平左密珠轴系和水平右密珠轴系之间，且和水平左密珠轴系的轴承轴线相互垂直；所述水平左密珠轴系与水平右密珠轴系的轴承小径端部之间用于夹持测量模块。
[0007]
本方案具体运作时，水平左密珠轴系和水平右密珠轴系镜像对称设置，且水平左密珠轴系和水平右密珠轴系之间留有空隙，空隙处用于放置测量模块，此时两个轴承均镜像对称，并同轴转动，两个轴承之间夹持测量模块，当两个轴承同轴旋转时，可带动测量模块转动，使测量模块测量数据，其中测量模块可选择激光测量模块等；其中垂直密珠轴系的轴承轴线、水平左密珠轴系和水平右密珠轴的轴承轴线的交点设为原点，此点作为正交回转轴系统使用的基准原点，此基准原点也是测量模块的光轴轴线、水平轴系轴线和垂直轴
系轴线的交点，以此原点来建立球坐标系。本方案中的3个轴承均采用台阶形状，且轴承中各轴和轴承布置方式均为t形结构，通过与第一滚动支撑部、第二滚动支撑部和第三滚动支撑部相互配合运动，进而提高轴系回转的精度和精密测量仪器的测量精度；且由第三滚动支撑部实现径向固定，第一滚动支撑部和第二滚动支撑部实现轴向固定，当回转轴系统运动时，由于温度的影响使垂直密珠轴系发生热伸长，由于垂直密珠轴系上部固定，能够避免温度对于水平左密珠轴系和水平右密珠轴系的影响；而水平左密珠轴系左端固定，水平右密珠轴系右端固定，因此温度影响水平左密珠轴系仅能向右端伸长，而水平右密珠轴系仅能向左端伸长，水平左密珠轴系和水平右密珠轴系结构对称，热变形能够相互抵消，因此，该结构还有利于降低热变形对于轴系精度的影响。
[0008]
进一步优化,所述第一滚动支撑部、第二滚动支撑部和第三滚动支撑部均为密珠轴承。
[0009]
本方案具体运作时，使第一滚动支撑部、第二滚动支撑部和第三滚动支撑部均为密珠轴承，并在装配过程中使密珠轴承有一定的过盈量，利用密珠轴承的误差均化效应来提高轴系精度，降低整体制造难度。
[0010]
进一步优化，所述水平左密珠轴系的轴承大轴径端部设有第一编码器，所述垂直密珠轴系的轴承底部设有第二编码器，所述第一编码器和第二编码器均用于在旋转过程中测量角度。
[0011]
本方案具体运作时，在水平左密珠轴系的轴承大轴径端部设有第一编码器，在垂直密珠轴系的轴承底部设有第二编码器，其中第一编码器在旋转过程中用于测量俯仰的角度，而第二编码器用于测量在旋转过程中的方位角度，第一编码器和第二编码器将侧得数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式。
[0012]
进一步优化，所述水平左密珠轴系还包括有第一安装板，所述第一编码器通过第一安装板和轴承大轴径端部的轴颈连接，所述第一安装板上设有内孔，所述第一安装板的内孔和轴承大轴径端部的轴颈之间间隙配合；
[0013]
所述垂直密珠轴系还包括第二安装板，所述第二编码器通过第二安装板和轴承底部的轴颈连接，所述第二安装板上设有内孔，所述第二安装板的内孔和轴承底部的轴颈之间间隙配合。
[0014]
进一步优化，所述水平右密珠轴系上设有第一电机，所述垂直密珠轴系上设有第二电机，所述第一电机用于驱动水平左密珠轴系与水平右密珠轴系的轴承旋转，所述第二电机用于驱动垂直密珠轴系的轴承旋转。
[0015]
进一步优化，所述水平右密珠轴系还包括第三安装板，所述第一电机通过第三安装板和轴承连接，所述第三安装板上设有内孔，所述第三安装板和轴承大轴径端部的轴颈之间间隙配合；
[0016]
所述垂直密珠轴系还包括第四安装板，所述第二电机通过第四安装板和轴承连接，所述第四安装板位于第二电机下端，所述第四安装板和轴承底部轴颈之间过盈配合。
[0017]
进一步优化，所述水平左密珠轴系、水平右密珠轴系和垂直密珠轴系均还包括压板和轴承隔板，所述环形凸肩两侧均设有压板，所述环形凸肩顶部设有轴承隔板，两个所述压板之间通过螺钉连接，所述螺钉贯穿轴承隔板，两个所述压板作用于第一滚动支撑部、第二滚动支撑部和第三滚动支撑部用于实现轴承的轴向锁紧。
[0018]
进一步优化，所述垂直密珠轴系还包括轴承挡圈，所述垂直密珠轴系环形凸肩下侧的轴承隔板为轴套，所述轴承挡圈位于垂直密珠轴系第三滚动支撑部和轴套的底部，所述轴承挡圈用于防止第三滚动支撑部脱落。
[0019]
进一步优化，包括连接板，所述水平左密珠轴系与水平右密珠轴系均通过连接板和垂直密珠轴系顶部，所述连接板上设有内孔，所述连接板的内孔和垂直密珠轴系的轴承顶部轴颈过盈配合。
[0020]
进一步优化，为大幅降低本装置的整体重量，便于实现其小型化、便携化发展，设置为：除轴承、第一滚动支撑部、第二滚动支撑部和第三滚动支撑部外，其余材料均采用铝合金。
[0021]
本发明具有以下有益效果：
[0022]
本方案提供了一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统，基于密珠轴承误差均化效应和轴承的台阶形状，可以提高轴系精度，并降低轴系的加工制造难度。此外，轴承采用台阶状，有利于降低热变形对于轴系精度的影响。同时，高精度正交回转轴系统整体结构紧凑，且采用铝合金材料，有利于实现精密测量仪器的小型化、便携化发展。
附图说明
[0023]
图1为本发明提供的一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统的立体图；
[0024]
图2为本发明提供的一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统的结构示意图；
[0025]
图3为本发明提供的一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统的另一实施例的立体图
[0026]
图中附图标记为：1-水平左密珠轴系，2-水平右密珠轴系，3-垂直密珠轴系，4-轴承座，5-第一编码器，6-第一安装板，7-轴承，8-第二编码器，9-第一滚动支撑部，10-第二滚动支撑部，11-第三滚动支撑部，12-第二安装板，13-第三安装板，14-第四安装板，15-第一电机，16-第二电机，17-压板，18-轴承隔板，19-轴承挡圈，20-连接板，21-激光测量模块，22-激光跟踪仪，23-靶球。
具体实施方式
[0027]
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0028]
实施例1：图1为本发明提供的一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统的立体图；图2为本发明提供的一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统的结构示意图；如图1和图2所示，水平左密珠轴系1包括轴承座4、第一编码器5、第一安装板6、轴承7、压板17、第一滚动支撑部9、轴承隔板18、第二滚动支撑部10、第三滚动支撑部11。其中第一滚动支撑部9、第二滚动支撑部10和第三滚动支撑部11均采用密珠轴承7，其中环形凸肩的右侧压板17通过间隙配合和轴肩定位安装于轴承座4孔内，并通过四个螺钉固定在轴承座4上，轴承7通过第一滚动支撑部9、轴承隔板18、第二滚动支撑部10、第三滚动支撑部11安装在右侧压板17上，并通过环形凸肩的右侧的压板17实现轴承7的轴向锁紧。轴承隔板18用于环形凸肩两侧压板17间的支撑和密珠轴承7安装时的过盈量调节。环形凸肩的左侧压板17通过四个螺钉贯穿于轴承隔板18并连接到环形凸肩的右侧压板17上。而第一安装板6设有内孔，第一安装板6的内孔通过间隙配合安装于轴承7的轴颈上，并通过轴肩实现轴向锁紧，并通过四个
螺钉安装于轴承7上。所述第一编码器5通过四个螺钉安装于第一安装板6上，用于旋转过程中俯仰角度的测量。轴承座4通过2个销孔进行定位，并利用四个螺钉安装于连接板20左侧。连接板20内孔与垂直密珠轴系3中轴承7的轴颈为过盈配合，并通过螺钉实现与垂直密珠轴系33的连接。
[0029]
本实施例中，所述水平右密珠轴系2包括轴承座4、轴承7、压板17、第一滚动支撑部9、轴承隔板18、第二滚动支撑部10、第三滚动支撑部11、第一电机15、第三安装板13。其中第一滚动支撑部9、第二滚动支撑部10和第三滚动支撑部11均采用密珠轴承7，其中环形凸肩的左侧压板17通过间隙配合和轴肩定位安装于轴承座4孔内，并通过四个螺钉固定在轴承座4上。轴承7通过第一滚动支撑部9、轴承隔板18、第二滚动支撑部10、第三滚动支撑部11安装在右侧压板17上，并通过环形凸肩的左侧的压板17实现轴承7的轴向锁紧。轴承隔板18用于环形凸肩两侧压板17间的支撑和密珠轴承7安装时的过盈量调节。环形凸肩的右侧压板17通过四个螺钉贯穿于轴承隔板18并连接到环形凸肩的左侧压板17上。而第一安装板6设有内孔，第一安装板6的内孔通过间隙配合安装于轴承7的轴颈上，并通过轴肩实现轴向锁紧，并通过四个螺钉安装于轴承7上。第一电机15通过四个螺钉安装于第三安装板13上，实现轴承7绕自身的旋转。轴承座4通过2个销孔进行定位，并利用四个螺钉安装于连接板20右侧。连接板20内孔与垂直密珠轴系3中轴承7的轴颈为过盈配合，并通过螺钉实现与垂直密珠轴系3的连接。
[0030]
本实施例中，所述垂直密珠轴系3包括轴承座4、轴承7、压板17、第一滚动支撑部9、轴承隔板18、第二滚动支撑部10、第三滚动支撑部11、轴承挡圈19、第二电机16、第四安装板14、第二编码器8和第二安装板12。其中第一滚动支撑部9、第二滚动支撑部10和第三滚动支撑部11均采用密珠轴承7，其中环形凸肩的下侧压板17采用轴套；轴承7的轴颈与轴承座4的内孔过盈配合，并通过螺钉固定安装于轴承座4上。轴承7通过第一滚动支撑部9、第二滚动支撑部10、第三滚动支撑部11和轴承隔板18安装于轴套，并通过上轴承7压板17实现垂直密珠轴系3的轴向锁紧。轴承隔板18用于上轴承7压板17和轴套间的支撑和轴向密珠轴承7安装时的过盈量调节。上轴承7压板17通过四个螺钉贯穿于轴承隔板18并连接到轴套上。轴承挡圈19通过四个螺钉安装于轴承座4上，防止旋转过程中密珠轴承7脱落。第二电机16通过过盈配合安装于轴承7底部的轴颈上，接触垂直密珠轴系3的端面，通过第四安装板14实现第二电机16轴向锁紧，并实现轴承7绕自身的旋转。第三安装板13的内孔和轴承7的轴颈配合，通过四个螺钉安装于垂直密珠轴系3上。第二编码器8通过螺钉安装于第三安装板13和轴承座4上，用于测量旋转过程中方位角度。
[0031]
本实施例中，水平左密珠轴系1、水平右密珠轴系2轴线同轴，且与垂直密珠轴系3轴线垂直，并相交于一点，此点作为正交回转轴系统的原点。
[0032]
本实施例中，水平左密珠轴系1、水平右密珠轴系2和垂直密珠轴系3均使用高精度密珠轴承7，所选用密珠轴承7滚珠直径为6mm和4mm，粒间差小于0.1μm，圆度误差小于0.05μm，在装配过程中使密珠轴承7有一定的过盈量，过盈量采用3-6μm，利用误差均化效应提高轴系精度，制造、装配完成后轴系回转精度优于1μm。同时，密珠轴承7内各滚珠交错排列，滚道不重叠，降低了轴系的磨损程度，提高了轴系的刚度。
[0033]
本实施例中，水平左密珠轴系1、水平右密珠轴系2和垂直密珠轴系3中的轴承7均为台阶状，由一个径向密珠轴承7实现径向固定，一对轴向密珠轴承7实现轴向固定。当回转
轴系统运动时，由于温度的影响使垂直轴系发生热伸长，由于垂直密珠轴系3上部固定，能够避免温度对于水平密珠轴系的影响。水平左密珠轴系1左端固定，水平右密珠轴系2右端固定，因此温度影响水平左密珠轴系1仅能向右端伸长，而水平右密珠轴系2仅能向左端伸长。水平左密珠轴系1和水平右密珠轴系2结构对称，热变形能够相互抵消。因此，该结构有利于降低热变形对于轴系精度的影响。
[0034]
实施例2:图3为本发明提供的一种基于密珠轴承的高精度正交回转轴系统的另一实施例的立体图；如图3所示，由高精度正交回转轴系统和激光测量模块21构成的激光跟踪仪22，通过水平轴旋转记录俯仰角度，通过垂直轴旋转记录方位角度，并根据激光跟踪仪22激光测量模块21测量得到距目标靶球23之间的距离，以测量模块光轴轴线、水平轴系轴线和垂直轴系轴线的交点为原点，建立球坐标系，通过与笛卡尔坐标系的转换可以准确地得到测量目标靶球23的空间位置坐标。所述激光跟踪仪22设计尺寸为450mm
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φ280mm，总体尺寸是目前激光跟踪仪22结构中较小的一款。除高精度密珠轴承7、主轴部件使用轴承7钢材料外，其余部件均使用高强度铝合金，能够大幅降低跟踪仪的整体重量，便于实现其小型化、便携化发展。
[0035]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。