[实用新型]可测空间三自由度回转角及偏移量的球铰链

说明书

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，具体涉及一种可测空间三自由度回转角及偏移量的球铰链。

背景技术

球铰链是一种普遍采用的三自由度机械关节，具有结构紧凑、运动灵活和承载力强等优点，成为并联机构、工业机器人(机械臂)和汽车零部件等机械设备中的关键构件?例如，并联机床作为新型的数控加工装备，其中每一个支链均通过铰链与动、静平台相连，系统的准静态误差对机床精度的影响约占70%，而球铰链误差对准静态误差有着重要影响?由于球铰链的运动受制于铰链的关节间隙和结构刚性等，引起的运动误差影响系统的传动精度，因此球铰空间回转角度的检测对系统误差预测分析、反馈和补偿十分必要，有利于运动机构控制的优化?

传统的角度测量由以单自由度运动对象为主，通常有机械式测角、电磁式测角和光学测角等方法?球铰链空间回转角度的测量对象是在约束球窝中绕球心进行三自由度转动的球形转子，传统的单自由度角位移检测方法难以直接应用，许多研究者针对相关问题提出一些新的方法和机构?当前，球形转子的运动方位测量按测量方式可分为接触式和非接触式?其中，接触式测量方案的主要代表有采用滑轨支架机构和三个旋转编码器实现测量结构上解耦，转化为单自由度测量问题；非接触式测量结构主要是基于光学传感器、视觉传感器和霍尔传感器等原理进行设计，从数据处理上实现多自由度角位移的解耦测量?

然而上述检测方法所要构建系统比较复杂，测量数据的处理难度较大，难以保证较高的测量精度，且在实际应用中对于安装空间和工作环境等有较高的要求，要投入较大的成本，研究方案有明显的局限性。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种可测空间三自由度回转角及偏移量的球铰链，基于柱面形电容极板间的面积变化引起输出电容变化的原理，以实现球铰链运动角度测量为目标，在普通球铰链的基础上布置柱面电容电极，从结构上实现对球铰链三自由度回转角度的解耦和测量?

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括球窝底座、球头、球头连接杆、输出杆、弧形滑块、销轴和空间回转角测量装置；所述的空间回转角测量装置包括电容电极阵列、第二电容电极组、第三电容电极组、第一电容传感电极对、第二电容传感电极对、第三电容传感电极对、第四电容传感电极对、第五电容传感电极对、第六电容传感电极对、第七电容传感电极对、第八电容传感电极对、第九电容传感电极对、第十电容传感电极对、第十一电容传感电极对和第十二电容传感电极对。

所述球窝底座的球窝两侧对称开设有销轴孔；所述球头的顶部与球头连接杆固定，侧部开设有圆弧形的滑槽；两块弧形滑块设置在滑槽的两端，且均与滑槽的两侧壁通过滚动副连接；所述弧形滑块的外侧固定有销轴；球头嵌入球窝内，两根销轴通过轴承支承在两个销轴孔内；所述输出杆的支承孔通过轴承支承在球头连接杆上。

所述滑槽的底部设有对称布置的两个电容电极阵列；电容电极阵列包括沿滑槽的槽宽方向等距布置的四个第一电容电极组，每个第一电容电极组包括沿滑槽的槽长方向等距布置的10～12个第一电容电极；所述弧形滑块的内侧设置有第一电容传感电极对、第二电容传感电极对、第三电容传感电极对和第四电容传感电极对；第一电容传感电极对包括沿滑槽的槽宽方向对齐设置且并联连接的第一电容传感电极Cθx11和第二电容传感电极Cθx12；第二电容传感电极对包括沿滑槽的槽宽方向对齐设置且并联连接的第三电容传感电极Cθx21和第四电容传感电极Cθx22；第三电容传感电极对包括沿滑槽的槽长方向对齐设置且并联连接的第五电容传感电极Cδx11和第六电容传感电极Cδx12；第四电容传感电极对包括沿滑槽的槽长方向对齐设置且并联连接的第七电容传感电极Cδx21和第八电容传感电极Cδx22。

所述的销轴上设有沿销轴轴向等距布置的四个第二电容电极组，每个第二电容电极组包括沿销轴周向均布的5～7个第二电容电极；球窝的销轴孔孔壁设有第五电容传感电极对、第六电容传感电极对、第七电容传感电极对和第八电容传感电极对；第五电容传感电极对包括沿销轴孔轴向对齐设置且并联连接的第九电容传感电极Cθy11和第十电容传感电极Cθy12；第六电容传感电极对包括沿销轴孔轴向对齐设置且并联连接的第十一电容传感电极Cθy21和第十二电容传感电极Cθy22；第七电容传感电极对包括沿销轴孔周向对齐设置且并联连接的第十三电容传感电极Cδy11和第十四电容传感电极Cδy12；第八电容传感电极对包括沿销轴孔周向对齐设置且并联连接的第十五电容传感电极Cδy21和第十六电容传感电极Cδy22。