[发明专利]一种基于球铰链的空间二连杆式球杆仪

说明书

技术领域

本发明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

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究的热点。

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。

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究，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QC10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1mm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

本发明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。

本发明所采用的技术方案是：

本发明主要由第一连杆、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。

所述精密球铰链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。第一精密小球的球心到C的距离记为L₁，第二精密小球的球心到C的距离记为L₂。将第一精密小球与第二精密小球的球心距离等效为一根连杆，因此等效杆长L可表示为：

L²＝L₁²+L₂²-2L₁L₂cos(π-θ)

其中，θ为球面电容传感器检测得到的第一连杆与第二连杆轴线间的夹角。当θ＝0时，对应的等效杆长L取得最大值L_max＝L₁+L₂；当θ＝θ_max时，对应的等效杆长L取得最小值L_min；θ_max＝90°-arcsin(h/R₂)-arcsin(r/R₂)为精密球铰链的极限摆角，其中，r为第二连杆的外圆面半径，h为采用横向剖分式结构的支撑球窝端盖高度。因此，等效杆长的变化范围是L_max-L_min。

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°。

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。

本发明的有益效果是：

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)。