专利名称：一种球体位置精密控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及精密测量工具辅助测量装置技术领域，具体地说是一 种球体位置精密控制装置的技术。
背景技术：
精密基准球可作为静电陀螺仪转子、精密轴承的滚动体、圆度仪的 测量基准等，在飞机、舰艇、航天飞机和导弹等的惯性导航系统和惯性 制导系统、精密加工中的高准确度定位、精密测量及轴系动态回转测量 中的消偏判别等系统中得到了广泛应用。此外精密单晶硅球作为固体密 度基准或用于阿伏加德罗常数研究已成为国内外的热门研究课题。精密 基准球的精度指标有"三度之称"，即尺寸精度、圆度和表面粗糙度，其 中最为重要的是保证圆度精度，例如，导弹陀螺仪的圆度直接影响其命
中率，lkg的陀螺转子，其质心偏离对称轴0.0005um ，就会引起100m 的射程误差和50 m的轨道误差。在宇航技术中，卫星的姿态轴承为真空 无润滑轴承，其孔和外圆的圆度及圆柱圆度均为纳米级。这不仅要求超 精密车、磨、研、抛等超精密加工，而且要求高精密的测量。几何测量 技术中，对于"三度"无论是对圆度测量的回转轴法、三点法、两点法、 投影法或是坐标法，还是实现尺寸或表面粗糙度测量的各种方法均要求 测量球体的不同方位或不同直径，这就要求实现在测量过程中球体的位 置转换。目前的实现方法中，国内以手动方法最为普遍，其特点包括 只适用于一般的准确度测量场合；较为严重的人为干扰因素、较低的工作效率和无法自动化测量。其次，国外有如下图所示的球位置转换方式。 图1是一种半自动位置控制装置。图中上部为测量系统31，下部为基座
29。框架30与标准球28之间通过真空吸附实现对球体的支撑并可通过 转动现实球体的纬向位置控制，从而完成纬向一圈连续自动测量。该方 法通过人工方式转换真空吸附点完成经向位置扫描。图2是一种全自动 位置控制装置，图中下部为筒状支座32，筒内顶部装有四个转轮，两个 为主动轮，两个为从动轮。标准球28置于转轮之上，通过转轮转动控制 控制球的纬向运动，通过筒状支座的转动控制实现标准球的经向控制。 该方法的特点是能实现球体方位全自动控制，但缺点在于对于高准确度 测量，要求旋转装置必须具有极高，甚至纳米级的位置重复性，这就为 旋转装置的加工提出了极其苛刻的要求，很多时候甚至是难以实现的。
发明内容
本实用新型的目的是提供了一种控位准确，而且避免了超精密加工 的技术困难的球体位置精密控制装置。
进一步的目的是有效解决测量过程中位置偏离的问题。 本实用新型的目的通过以下技术方案来实现。
一种球体位置精密控制装置，包括固定座、支承结构体、固定平台、 支撑球体的4个滚轮，4个滚轮安装在固定平台上，其中两个为主动滚轮， 两个为从动滚轮，其特征在于所述控制装置还包括驱动固定平台转动 的齿轮传动机构、驱动两个主动滚轮转动的齿轮传动机构、套筒、固定 在固定座上的支架，支架的上部设有一圆形通孔，所述两齿轮传动机构 内分别设有一离合器与固定平台一起安装在支承结构体上且均设于支架 内，固定平台正对着圆形通孔，齿轮传动机构分别由一步进电机驱动，通过两离合器控制固定平台和两个主动轮的转动。
所述驱动固定平台转动的齿轮传动机构包括一从动齿轮、与其啮合 的主动齿轮，主动齿轮通过一齿轮轴经一固定支座固定在固定座上，固 定平台通过一固定支架与从动齿轮构成一刚性连接结构体，设于该齿轮 传动机构内的离合器的内圈与套筒固定，外圈与从动齿轮的内圈固定连接。
所述驱动两个主动滚轮转动的齿轮传动机构包括上部齿轮传动机构 与下部齿轮传动机构，上部齿轮传动机构包括与主动滚轮相连的滚轮齿 轮、固定在固定支架上的与滚轮齿轮啮合的中间齿轮、与中间齿轮啮合 的连轴齿轮、固定在套筒上刚性连接的套筒齿轮、固定在固定支架上的 与套筒齿轮啮合的中间齿轮，下部齿轮传动机构包括一从动齿轮、与其 啮合的主动齿轮，主动齿轮通过一齿轮轴经固定支座固定在固定座上， 设于该齿轮传动机构内的离合器的内圈与套筒固定，外圈与从动齿轮的 内圈固定连接。
所述两从动齿轮一上一下同轴安装，在两从动齿轮之间设有一穿过 垂直两从动齿轮轴线的固定支杆，固定支杆通过深沟轴承固定在套筒上， 两主动齿轮的齿轮轴通过深沟轴承分别固定在固定支杆的两端。
所述支承结构体为一丝杠支承结构体，包括滚珠丝杠、滚珠丝杠丝 帽，滚珠丝杠经一深沟轴承固定在固定平台的转轴中心位置上，滚珠丝 杠安装在套筒内，上半部分为光杠，可与套筒作滚动、滑动运动，滚珠 丝杠丝帽固定在固定座上，滚珠丝杠通过键槽连接到一步进电机上，通 过电机的转动，借助于固定座的作用可控制所述两齿轮传动机构、固定平台的上下运动。
所述支架的上部的圆形通孔的侧壁上设有3个半球体状的支撑体，
支撑体沿圆形通孔均匀分布。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点
1、 通过本实用新型的结构，可实现在测量过程中球体的位置转换即 可独立完成球体的升降、球体的经向旋转、球体的讳向旋转，也就是说 既可实现球体位置的全自动控制、被控球体位置在转动过程中状态完全 重合，而且所建立的控制装置又不需要精密加工。
2、 在测量过程中，球体位置的控制主要是经向、纬向的改变，但是
无论是经向或者是纬向运动都将导致球体状态改变，对于高准确度测量，
即使是纳米级位置偏离都将导致严重的测量误差，本实用新型通过设置 球体升降功能和三角固定支撑点解决了测量过程中位置偏离的问题。在
测量状态下，球体是放在三个支撑点上面的，只有在需要调整球体方向 的情况下，才让控制装置上升后滚轮顶起球体，通过控制步进电机实现 径向或纬向位置调控，完成调控之后，再将升降系统下降，使球体仍被 支撑在三个半圆体支撑点上，因而在不考虑由于球体形状不规则所致的 位置改变，经过调控的球体位置是完全不变的，由此可见本装置不仅控 位准确，而且避免了超精密加工的技术困难。
图1为现有技术中一种半自动位置控制装置结构示意图； 图2为现有技术中一种全自动位置控制装置结构示意图； 图3为本实用新型球体位置精密控制装置的结构示意图； 图4为本实用新型球体位置精密控制装置核心部分的剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型球体位置精密控制装置作进一步详细描述。
如图3-图4所示，本实用新型球体位置精密控制装置，包括固定座 21、支承结构体、固定平台13、支撑球体的4个滚轮12， 4个滚轮12安 装在固定平台13上，其中两个为主动滚轮，两个为从动滚轮，该控制装 置还包括驱动固定平台13转动的齿轮传动机构、驱动两个主动滚轮转动 的齿轮传动机构、套筒4、固定在固定座21上的支架27，支架27的上 部设有一圆形通孔271，两齿轮传动机构内分别设有离合器8、离合器7 与固定平台13 —起安装在支承结构体上且均设于支架27内，固定平台 13正对着圆形通孔271，齿轮传动机构分别由一步进电机驱动(未示意 出)，通过两离合器控制固定平台和两个主动轮的转动。驱动固定平台转 动的齿轮传动机构包括从动齿轮17、与其啮合的主动齿轮6，主动齿轮6 通过齿轮轴5经固定支座25固定在固定座21上，固定平台13通过固定 支架22、 24与从动齿轮17构成一刚性连接结构体，其中固定平台13固 定支架22、 24之间设有连接键11。设于该齿轮传动机构内的离合器8的 内圈与套筒4固定，外圈与从动齿轮17的内圈固定连接。离合器8、离 合器7实际上是一单向轴承结构。驱动两个主动滚轮转动的齿轮传动机 构包括上部齿轮传动机构与下部齿轮传动机构，上部齿轮传动机构包括 与主动滚轮相连的滚轮齿轮(未示意出)、固定在固定支架24上部的与 滚轮齿轮啮合的中间齿轮14、与中间齿轮14啮合的连轴齿轮16、固定 在套筒4上与套筒刚性连接的套筒齿轮9、固定在固定支架24下部的与 套筒齿轮9啮合的中间齿轮15;下部齿轮传动机构包括一从动齿轮23、 与其啮合的主动齿轮19，主动齿轮19通过一齿轮轴20经固定支座25固 定在固定座21上，设于该齿轮传动机构内的离合器7的内圈与套筒4固 定，外圈与从动齿轮23的内圈固定连接。其中从动齿轮17与从动齿轮23 —上一下同轴安装，在两从动齿轮之间设有一垂直穿过两从动齿轮轴
线的固定支杆18，固定支杆18通过深沟轴承固定在套筒4上，两主动齿 轮6、 19的齿轮轴5、 20通过深沟轴承分别固定在固定支杆18的两端。 支承结构体为一丝杠支承结构体，包括滚珠丝杠l、滚珠丝杠丝帽3，滚 珠丝杠1经一深沟轴承10固定在固定平台13的转轴中心位置上，滚珠 丝杠1安装在套筒4内，上半部分为光杠，可与套筒4作滚动、滑动运 动，滚珠丝杠丝帽3固定在固定座21上，滚珠丝杠1通过键槽2连接到 一步进电机上(未示意出)，通过电机的转动，借助于固定座21的作用 可控制所述两齿轮传动机构、固定平台的上下运动。在支架27的上部的 圆形通孔271的侧壁上设有3个半球体状的支撑体26，支撑体26均匀分 布。
更具体地说，本实用新型球体位置精密控制装置核心部分如图4，共 完成了 3个独立动作.-球体升降，经向旋转，纬向旋转。控制过程中， 球体由4个滚轮12支撑，滚轮通过固定平台13固定，固定平台13与固 定支架22、从动齿轮17构成一体刚性结构，离合器8的内圈与套筒4固 定，外圈与从动齿轮17的内圈固定成一体。从动齿轮17与主动齿轮6 啮合，主动齿轮6通过齿轮轴5连接到步进电机上。当该步进电机沿着 离合器8的正向即滑动方向转动时，此时离合器7正好截止，因而不会 引起相关的其它运动，由于刚性结构的带动，即实现了球体的经向转动。 离合器7的内圈与套筒'4固定，外圈与从动齿轮23内圈固定成一体。套 筒齿轮9固定在套筒上，离合器7的内圈与套筒齿轮9为一体刚性结构， 中间齿轮15与套筒齿轮9啮合且被固定在支架24上，其连轴齿轮16与 固定在支座24上的中间齿轮14啮合，中间齿轮14直接啮合至与主动滚轮相连的齿轮。从动齿轮23与主动齿轮19啮合，主动齿轮19通过齿轮 轴20连接到另一步进电机上。当该步进电机沿着离合器7的逆向即截止 方向转动时，电机将带动套筒4进而带动套筒齿轮9转动，此时离合器8 正好处于滑动状态，由于与之相连的另一电机维持力矩的作用，因而不 会引起径向运动，根据图4中所示齿轮力矩传递关系，必然导致主动滚 轮滚动，从而带动其上球体做纬向运动。滚珠丝杠1经深沟轴承固定在 固定平台13上，齿轮轴5、 20通过深沟轴承分别固定到固定支杆18两 端，固定支杆18通过深沟轴承固定在套筒4上。显然，滚珠丝杠l相对 于固定平台13可以转动并通过滚珠丝杠1的升降可带动球体及除固定座 21之外的整个装置上下运动。此外，由图4中可见，滚珠丝杠l上半部 分为光杠，与套筒4可作滚动、滑动运动，滚珠丝杠丝帽3被固定在固 定座21上，滚珠丝杠通过键槽2连接到另一步进电机上，通过电机的转 动，借助于固定座21的作用控制整套装置及球体的上下运动。由于固定 座21及步进电机维持力的限位作用，装置的上下运动不会影响球体径向、 纬向状态。图3中3个半球体状的支撑体26均通过支架27固定在固定 座21上，故三点的位置保持不变。在测量状态下，球体是放在三个支撑 体26上面的，只有在需要调整球体方向的情况下，才让控制装置上升后 滚轮顶起球体，通过控制步进电机实现径向或纬向位置调控，完成调控 之后，再将升降系统下降，使球体仍被支撑在三个支撑体26上，在不考 虑球体形状不规则所致的位置改变下，经过调控的球体位置是完全不变 的。
权利要求1、一种球体位置精密控制装置，包括固定座、支承结构体、固定平台、支撑球体的4个滚轮，4个滚轮安装在固定平台上，其中两个为主动滚轮，两个为从动滚轮，其特征在于所述控制装置还包括驱动固定平台转动的齿轮传动机构、驱动两个主动滚轮转动的齿轮传动机构、套筒、固定在固定座上的支架，支架的上部设有一圆形通孔，所述两齿轮传动机构内分别设有一离合器与固定平台一起安装在支承结构体上且均设于支架内，固定平台正对着圆形通孔，齿轮传动机构分别由一步进电机驱动，通过两离合器控制固定平台和两个主动轮的转动。
2、 根据权利要求l所述的球体位置精密控制装置，其特征在于所 述驱动固定平台转动的齿轮传动机构包括一从动齿轮、与其啮合的主动 齿轮，主动齿轮通过一齿轮轴经一固定支座固定在固定座上，固定平台 通过一固定支架与从动齿轮构成一刚性连接结构体，设于该齿轮传动机 构内的离合器的内圈与套筒固定，外圈与从动齿轮的内圈固定连接。
3、 根据权利要求2所述的球体位置精密控制装置，其特征在于所述驱动两个主动滚轮转动的齿轮传动机构包括上部齿轮传动机构与下部 齿轮传动机构，上部齿轮传动机构包括与主动滚轮相连的滚轮齿轮、固 定在固定支架上的与滚轮齿轮啮合的中间齿轮、与中间齿轮啮合的连轴 齿轮、固定在套筒上刚性连接的套筒齿轮、固定在固定支架上的与套筒 齿轮啮合的中间齿轮，下部齿轮传动机构包括一从动齿轮、与其啮合的 主动齿轮，主动齿轮通过一齿轮轴经固定支座固定在固定座上，设于该 齿轮传动机构内的离合器的内圈与套筒固定，外圈与从动齿轮的内圈固 定连接。
4、 根据权利要求3所述的球体位置精密控制装置，其特征在于所 述两从动齿轮一上一下同轴安装，在两从动齿轮之间设有一垂直穿过两 从动齿轮轴线的固定支杆，固定支杆通过深沟轴承固定在套筒上，两主 动齿轮的齿轮轴通过深沟轴承分别固定在固定支杆的两端。
5、 根据权利要求l所述的球体位置精密控制装置，其特征在于所 述支承结构体为一丝杠支承结构体，包括滚珠丝杠、滚珠丝杠丝帽，滚 珠丝杠经一深沟轴承固定在固定平台的转轴中心位置上，滚珠丝杠安装 在套筒内，上半部分为光杠，可与套筒作滚动、滑动运动，滚珠丝杠丝 帽固定在固定座上，滚珠丝杠通过键槽连接到一步进电机上，通过电机 的转动，借助于固定座的作用可控制所述两齿轮传动机构、固定平台的 上下运动。
6、 根据权利要求5所述的球体位置精密控制装置，其特征在于所述支架的上部的圆形通孔的侧壁上设有3个半球体状的支撑体，支撑体均匀分布。
专利摘要本实用新型公开了一种球体位置精密控制装置，包括固定座、支承结构体、固定平台、支撑球体的4个滚轮，4个滚轮安装在固定平台上，其特征在于所述控制装置还包括驱动固定平台转动的齿轮传动机构、驱动滚轮转动的齿轮传动机构、套筒、固定在固定座上的支架，支架的上部设有一圆形通孔，所述两齿轮传动机构内分别设有一离合器与固定平台一起安装在支承结构体上且均设于支架内，固定平台正对着圆形通孔，齿轮传动机构分别由一步进电机驱动。所述支承结构体为一丝杠支承结构体。所述支架的上部的圆形通孔的侧壁上设有3个半球体状的支撑体，支撑体均匀分布。本实用新型具有控位准确，而且避免了超精密加工的技术困难且可有效解决测量过程中位置偏离的问题的优点。
文档编号G01B21/02GK201242430SQ20082012616
公开日2009年5月20日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者罗志勇 申请人:中国计量科学研究院