[发明专利]基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法。

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、工业机器人和汽车零部件等机械设备中的关键构件。

由于制造、安装误差等原因，在实际应用中球铰链的球头和球窝之间必然有间隙存在，在球铰链传递运动和力的过程中不可避免地造成输出杆相对于理想位置产生偏移，从而影响了系统的传动精度。目前关于球铰链间隙误差对并联机构中末端执行器精度影响的理论研究较多，但是其间隙的检测技术还不成熟。合肥工业大学胡鹏浩等在研究中发现球铰链间隙误差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；并且在专利CN102607400A中提出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自动检测。清华大学丁天怀等在专利CN101458076A中基于电涡流传感器检测位移的原理，提出传感器测点位置布置的选择方法，可实现球面间隙测量数据的简单快速处理。中国工程物理研究院丁利华等设计了一种用于球面间隙测量的布喇格(Bragg)光纤光栅传感器，通过将两光纤光栅粘贴在金属弹片两面制作成薄片式结构的传感探头形式，用于球面层间狭小间隙测量。

此外，静电陀螺技术在国内外发展较为成熟，其支承系统是靠静电力将转子稳定悬浮在高真空球腔中，具有无机械接触、干扰小、精度高等优点，采用电极—转子间隙电容的变化来测量转子相对电极球腔的位移，实现静电力反馈控制。然而，该方法难以直接用于精密球铰链的关节间隙检测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法，借鉴静电陀螺技术中电极-转子间隙电容的变化来测量转子相对电极球腔位移的研究思路，对球面电极的结构和布置进行设计，并且建立检测的差动电容值与球头偏心位移之间的计算模型，从而得出精密球铰链的间隙误差。

本发明的具体步骤如下：

步骤一、将静极板CJ_i固定在球窝内，其中，i＝1,2…8，并分布在三维坐标系的八个象限中合围成球面；静极板CJ_i均为大小相等且与球窝同心的球面电极；球头作为动极板，并与静极板CJ_i构成八个球面电容；所述的静极板CJ_i与球窝的接触面均涂有绝缘材料，如环氧树脂。

步骤二、静极板CJ₁、CJ₄、CJ₅和CJ₈及其相对的静极板CJ₂、CJ₃、CJ₆和CJ₇与球头构成第一差动电容组，可检测出球头相对于球窝在X轴方向上的偏心量δ_X。静极板CJ₁、CJ₂、CJ₅和CJ₆及其相对的静极板CJ₄、CJ₃、CJ₈和CJ₇与球头构成第二差动电容组，可检测出球头相对于球窝在Y轴方向上的偏心量δ_Y。静极板CJ₁、CJ₂、CJ₃和CJ₄及其相对的静极板CJ₅、CJ₆、CJ₇和CJ₈与球头构成第三差动电容组，可检测出球头相对于球窝在Z轴方向上的偏心量δ_Z。偏心量的理论计算公式可表示为：

式中，f_X,f_Y,f_Z分别表示球头沿X、Y和Z轴位移变化与电容值变化的函数，其值与电容的结构参数以及测量处理电路的放大系数相关；C_i表示静极板CJ_i与球头之间构成的球面电容的电容值，其中i＝1,2…8。

所述的球窝采用横向剖分式结构，包括球铰座和球铰端盖。球铰链输出杆与球头固定。

所述的球头选用导电性良好的材料，如铝合金；静极板、球窝与球头相对的表面均涂有自润滑特性的耐磨材料，如环氧树脂或聚四氟乙烯。

本发明的有益效果是：