专利名称：精密球铰链间隙测量仪及测量方法
技术领域：
本发明是涉及一种测量装置及测量方法，更具体地说是用于测量精密球铰链、万向铰链或虎克铰链装配后所形成的装配间隙，用于获知球铰链的球杆在空间不同位姿时， 其间隙变化的规律。
背景技术：
因为并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等优点，近二十年来在机床、机器人、微动工作台、坐标测量机等领域得到了广泛的应用。但一直以来并联机构的运动误差严重制约了并联机构在高精度场合的应用和推广。影响并联机构误差的因素很多，主要包括并联机构结构参数误差，安装位置误差，使用过程中的力、热变形等。理论和实践已经证明，在结构参数误差中，杆件的制造误差和球铰链的间隙误差对精度影响最大。通过运动学建模和误差标定，杆件制造误差和部件的安装位置误差已可以很好地予以补偿和修正，但在并联机构中普遍使用的精密球铰链的配合间隙所产生的误差至今没有得到很好的解决，也成为提高并联机构或并联机床精度的主要障碍之一，主要原因是I、铰链间隙误差虽然属于结构参数误差，但它是独立作用误差，在并联机构正反解中没有办法表达和呈现，因而通过常规的微分建模是不能实现误差修正和消除的；2、球铰链误差本质上与球铰杆工作空间角度和位姿相关，且与工作载荷大小和方向相关，呈现出一定的空间随机误差的特点。因此若不通过测试，不获取全面的实验数据， 很难单纯通过理论计算来建立其误差模型；3、一般在并联机构上都是同时使用多个精密球铰链，理论和实践已经证明多个精密球铰链间隙误差之间会产生相互耦合和误差平均效应，使得球铰链间隙误差对最终执行机构的运动精度影响更为复杂。因此，彻底探求影响单个球铰链间隙误差的规律，建立单铰链随机误差模型，在此基础上运用误差独立作用原理建立多铰链共同作用的误差模型，才能全面揭示铰链间隙误差的特点和规律，这对于提高并联机构的工作精度丰富和发展并联机构理论有重要的意义。但是迄今还没有相关专用设备能够用于准确测量精密球铰链、万向铰链或虎克铰链装配后所形成的装配间隙，
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种精密球铰链间隙测量仪及测量方法，以实现球铰链在三维空间内间隙误差的高效、自动和准确的检测，促进并联机构误差修正技术的进步。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明精密球铰链间隙测量仪的结构特点是设置一呈水平的底座平台，在所述底座平台上固定设置卡盘夹具，被测球铰链的球铰座固定设置在所述卡盘夹具中，被测球铰链的球铰杆呈竖向；在所述底座平台上、位于所述卡盘夹具的两侧对称设置竖向外框支架；一矩形外框，在所述矩形外框上，处在位置相对的一对侧框上沿X轴方向分别设置有外框半轴，处在位置相对的另外一对侧框分别设置为内框轴承座，所述内框轴承座的轴线沿Y轴方向设置；所述矩形外框是由外框半轴通过外框轴承支承在所述竖向外框支架上；以所述外框半轴的轴心线为X轴，以所述内框轴承座的轴心线为Y轴；所述卡盘夹具的轴心线穿过X轴和Y轴的交点O ;一倒“U”形内框，所述倒“U”形内框的两端在沿Y轴方向上分别设置有内框半轴， 所述倒“U”形内框是以内框半轴通过内框轴承支承在所述矩形外框上的内框轴承座中；所述倒“U”形内框的框顶板呈水平位于被测球铰链的球铰杆的上方；一加载气缸，固定设置在所述倒“U”形内框的框顶板上，所述加载气缸的活塞杆竖直向下，并与所述被测球铰链的球铰杆处在同一直线上；一转接盘，呈水平设置，被测球铰链的球铰杆的顶端和所述加载气缸的活塞杆的底端分别连接在转接盘的底面中心和顶面中心位置处；一电感位移传感器，固定设置在所述倒“U”形内框的框顶板上、位于所述加载气缸的一旁，所述电感位移传感器的测头垂直抵于所述转接盘的盘面。本发明精密球铰链间隙测量仪的结构特点也在于所述外框轴承和内框轴承均为两只背靠背配置的角接触球轴承。本发明精密球铰链间隙测量仪的结构特点还在于在所述一对竖向外框支架上，位于一侧竖向外框支架上设置有外框驱动电机，位于另一侧竖向外框支架上设置有外框角度检测圆光栅，以所述外框驱动电机驱动对应位置处的外框半轴的转动；以所述外框角度检测圆光栅检测矩形外框相对于竖向外框支架的转动角度；在所述矩形外框上，位于一侧内框半轴所在侧框上设置内框驱动电机，位于另一内框半轴所在侧框上设置有内框角度检测圆光栅，以所述内框驱动电机驱动对应位置上的内框半轴的转动，以所述内框角度检测圆光栅检测倒“U”形内框相对于矩形外框的转动角度。在所述外框驱动电机的输出轴与外框半轴之间设置外框半轴柔性联轴器；在所述内框驱动电机的输出轴与内框半轴之间设置内框半轴柔性联轴器。本发明精密球铰链间隙测量仪的测量方法的特点是按以下步骤进行a、将被测球铰链的球铰座夹持在卡盘夹具中，球铰杆与转接盘固定连接，矩形外框呈水平、加载气缸的活塞杆呈竖直，电感传感器的测头抵于转接盘的盘面，电感传感器读数为零；b、设定球铰链的第I位姿为矩形外框与水平面呈夹角Θχ1，倒“U”形内框与竖直平面呈夹角eyl，保持球铰链在第I位姿处，加载气缸向下顶推被测球铰杆，记录加载气缸的加载压力达到-Ftl时电感位移传感器的第一次读数；随后加载气缸向上提拉球铰杆，记录加载气缸的加载压力达到+Ftl时电感传感器的第二次读数，球铰链在第I位姿下的间隙即为第一次读数与第二次读数的差值A11，以数组(Λη，ΘΧ1，eyl)表征球铰链位姿与间隙的对应关系；
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C、保持矩形外框与水平面呈夹角θχ1;转动倒“U’形内框使其与竖直平面分别呈夹角ΘQ y2* * * )n，按照步骤b相同的方式获得数组(Λ12，ΘXI，9 y2)......(Δ1η，9 xl，9 yj ；
d、转动矩形外框使其与水平面分别呈夹角θχ2..θχη，按步骤C相同的方式获得数组
权利要求
1.一种精密球铰链间隙测量仪，其特征是设置一呈水平的底座平台(I)，在所述底座平台(I)上固定设置卡盘夹具(2)，被测球铰链的球铰座(3)固定设置在所述卡盘夹具(2)中，被测球铰链的球铰杆(4)呈竖向；在所述底座平台(I)上、位于所述卡盘夹具(2)的两侧对称设置竖向外框支架(5)；一矩形外框￠)，在所述矩形外框(6)上，处在位置相对的一对侧框上沿X轴方向分别设置有外框半轴(7)，处在位置相对的另外一对侧框分别设置为内框轴承座，所述内框轴承座的轴线沿Y轴方向设置；所述矩形外框(6)是由外框半轴(7)通过外框轴承(8)支承在所述竖向外框支架(5)上；以所述外框半轴(7)的轴心线为X轴，以所述内框轴承座的轴心线为Y轴；所述卡盘夹具(2)的轴心线穿过X轴和Y轴的交点O ;一倒“U”形内框(9)，所述倒“U”形内框(9)的两端在沿Y轴方向上分别设置有内框半轴(10)，所述倒“U”形内框(9)是以内框半轴(10)通过内框轴承(11)支承在所述矩形外框(6)上的内框轴承座中；所述倒“U”形内框(9)的框顶板呈水平位于被测球铰链的球铰杆⑷的上方；一加载气缸(12)，固定设置在所述倒“U”形内框(9)的框顶板上，所述加载气缸(12) 的活塞杆竖直向下，并与所述被测球铰链的球铰杆(4)处在同一直线上；一转接盘(13)，呈水平设置，被测球铰链的球铰杆(4)的顶端和所述加载气缸(12)的活塞杆的底端分别连接在转接盘(13)的底面中心和顶面中心位置处；一电感位移传感器(14)，固定设置在所述倒“U”形内框(9)的框顶板上、位于所述加载气缸(12)的一旁，所述电感位移传感器(14)的测头垂直抵于所述转接盘(13)的盘面。
2.根据权利要求I所述的精密球铰链间隙测量仪，其特征是所述外框轴承(8)和内框轴承(11)均为两只背靠背配置的角接触球轴承。
3.根据权利要求I所述的精密球铰链间隙测量仪，其特征是在所述一对竖向外框支架(5)上,位于一侧竖向外框支架上设置有外框驱动电机(15)，位于另一侧竖向外框支架上设置有外框角度检测圆光栅(16)，以所述外框驱动电机(15)驱动对应位置处的外框半轴的转动；以所述外框角度检测圆光栅(16)检测矩形外框(6)相对于竖向外框支架(5)的转动角度；在所述矩形外框(6)上，位于一侧内框半轴所在侧框上设置内框驱动电机(17)，位于另一内框半轴所在侧框上设置有内框角度检测圆光栅(18)，以所述内框驱动电机(17)驱动对应位置上的内框半轴的转动，以所述内框角度检测圆光栅(18)检测倒“U”形内框(9) 相对于矩形外框(7)的转动角度。
4.根据权利要求3所述的精密球铰链间隙测量仪，其特征是在所述外框驱动电机(15)的输出轴与外框半轴之间设置外框半轴柔性联轴器(19);在所述内框驱动电机(17) 的输出轴与内框半轴之间设置内框半轴柔性联轴器(20)。
5.一种权利要求I所述的精密球铰链间隙测量仪的测量方法，其特征在于按以下步骤进行a、将被测球铰链的球铰座(3)夹持在卡盘夹具(2)中，球铰杆(4)与转接盘(13)固定连接，矩形外框(6)呈水平、加载气缸(12)的活塞杆呈竖直，电感传感器(14)的测头抵于转接盘(13)的盘面，电感传感器读数为零；b、设定球铰链的第I位姿为矩形外框(6)与水平面呈夹角Θχ1，倒“U”形内框(9)与竖直平面呈夹角Gyl，保持球铰链在第I位姿处，加载气缸(12)向下顶推被测球铰杆(4)， 记录加载气缸(12)的加载压力达到-Ftl时电感位移传感器(14)的第一次读数；随后加载气缸(12)向上提拉球铰杆(4)，记录加载气缸(12)的加载压力达到+Ftl时电感传感器(14) 的第二次读数，球铰链在第I位姿下的间隙即为第一次读数与第二次读数的差值Λη，以数组(Λη，θχ1，0yl)表征球铰链位姿与间隙的对应关系；C、保持矩形外框￠)与水平面呈夹角Θχ1 ;转动倒“U”形内框(9)使其与竖直平面分别呈夹角ey2... eyn，按照步骤b相同的方式获得数组(λ12，θχ1，0y2)......(Δ1η, ΘΧ1，d、转动矩形外框(5)使其与水平面分别呈夹角ΘΧ2... θχη，按步骤C相同的方式获得数组(Δ 21，θ Χ2，θ yi)、( Δ 22，θ Χ2，θ y2)…(Δ 2η，θ Χ2，θ yn)；(A 31，9 χ3，9 yi)、( A 32，^ χ3 ^ y2) · · · ( ^ 3η ^ χ3 ^ γη);(A nl，9 χη，9 yi)、( A η2，9 χη，θ y2) · · · (^nn, θ χη, θ yn)；其中所述矩形外框的可转动范围；eyl_eynS所述倒“U”形内框的可转动范围。
全文摘要
本发明公开了一种精密球铰链间隙测量仪及其测量方法，其特征是设置呈水平的底座平台、矩形外框、倒“U”形内框、加载气缸、转接盘和电感位移传感器。本发明在呈相互垂直交叉配置、并可转动的矩形外框和倒“U”形内框的运动配合下获取球铰链装配间隙的原始空间误差测量数据，通过后续相应的数据处理可以得出球铰链间隙误差的模型和规律；实现球铰链在三维空间内间隙误差的高效、自动和准确的检测，促进并联机构误差建模和修正技术的进步。
文档编号G01B7/14GK102607400SQ20121008129
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者刘善林, 胡鹏浩 申请人:合肥工业大学