基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型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】
[0002] 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宄的熱點。
[0003] 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。
[0004] 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宄，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QClO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Imm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】
[0005] 本實用新型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。
[0006] 本實用新型所采用的技術方案是：
[0007] 本實用新型主要由第一連桿、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。
[0008] 所述精密球鉸鏈的球頭和支撐球窩的球心重合。
[0009] 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°。
[0010] 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。
[0011] 本實用新型的有益效果是：
[0012] 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）。
[0013] 2、本實用新型采用球面電容傳感器的原理檢測兩連桿軸線之間的夾角，可以保證 較高的測量精度。
[0014] 3、本實用新型通過兩根連桿和一個球鉸鏈實現球桿儀的測量功能，結構簡單，算 法簡易。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型的總體結構圖；
[0016] 圖2為本實用新型中第一連桿與第二連桿的裝配示意圖；
[0017] 圖3為本實用新型中兩個球冠形電容電極的布置示意圖；
[0018] 圖4為本實用新型中第一球冠形電容電極在精密球鉸鏈的球頭上的位置示意圖；
[0019] 圖5為本實用新型中第二球冠形電容電極在精密球鉸鏈的支撐球窩內的位置示 意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。
[0021] 如圖1和2所示，基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，主要由第一連桿1-1、第二連 桿2-1、精密球鉸鏈3、第一精密磁力碗座4、第二精密磁力碗座5、球面電容傳感器、第一精 密小球1-2和第二精密小球2-2組成；球面電容傳感器包括第一球冠形電容電極Dl和第二 球冠形電容電極D 2。第一精密小球1-2固定在第一連桿1-1的外端，第二精密小球2-2固 定在第二連桿2-1的外端；精密球鉸鏈3的球頭3-1固定在第二連桿2-1的內端，精密球鉸 鏈3的支撐球窩3-2固定在第一連桿1-1的內端。第一精密小球1-2和第二精密小球2-2 的半徑均為R 1，其球心分別記為點A和點B ;精密球鉸鏈3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。AC的長度記為L 1, BC的長度記為L2。
[0022] 如圖3、4和5所示，精密球鉸鏈3的球頭底部設置第一球冠形電容電極Dl，支撐球 窩的底部設置第二球冠形電容電極D 2;第一球冠形電容電極Dl、第二球冠形電容電極D 2的 球冠中心與邊緣間對應的圓心角均為α =60°。第一球冠形電容電極Dl和第二球冠形電 容電極仏構成球面電容傳感器的兩個檢測極板，用于檢測第一連桿1-1和第二連桿2-1軸 線間的夾角。第一精密磁力碗座4可通過T型槽固定到機床工作臺上，第二精密磁力碗座 5安裝于機床主軸上。第一精密小球1-2和第二精密小球2-2以三點機械定位的方式分別 固定在第一精密磁力碗座4和第二精密磁力碗座5上。
[0023] 工作過程中，精密球鉸鏈3的球頭3-1相對于支撐球窩3-2發生轉動，第一球冠形 電容電極Dl和第二球冠形電容電極0 2間的有效重疊面積改變，導致球面電容傳感器的輸 出電容值變化，根據輸出電容值可計算兩連桿軸線間的夾角Θ。
[0024] 對于面積相等的兩個球冠形電容電極，即兩個球冠形電容電極的球冠中心與邊緣 間對應的圓心角均為α時，兩個球冠形電容電極的有效重疊面積S與兩連桿軸線間的夾角 Θ的關系可表示為：
【主權項】
1. 基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，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， 其特征在于： 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。
2. 根據權利要求1所述的基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，其特征在于：所述精密 球鉸鏈的球頭和支撐球窩的球心重合。
3. 根據權利要求1所述的基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，其特征在于：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。。
4. 根據權利要求1所述的基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀，其特征在于：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。
【專利摘要】本實用新型公開了基于球鉸鏈的空間二連桿式球桿儀。現有球桿儀測量時桿長變化范圍很小，無法覆蓋機床工作行程內的所有區域。本實用新型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連桿的外端，并以三點機械定位方式固定在第二精密磁力碗座上；精密球鉸鏈的球頭和支撐球窩分別固定在第二連桿和第一連桿的內端；第一球冠形電容電極設在精密球鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極設在支撐球窩的底部。本實用新型用球鉸鏈實現球桿儀的三維運動，并用球面電容傳感器檢測兩連桿軸線間夾角，根據角度值和兩連桿長度，計算主軸做空間圓弧運動時的圓軌跡，評定數控機床的動態精度。
【IPC分類】B23Q17-00
【公開號】CN204487282
【申請號】CN201520082805
【發明人】朱曄文, 王文, 張敏, 趙鼎成, 程林, 盧科青, 范宗尉
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年2月5日