基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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 的理论研宄较多，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宄中发现 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。中国工程物理研宄院丁利华等设计了 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。
[0004] 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，采用电极一转子间隙电容 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】
[0005] 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 球腔位移的研宄思路，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。
[0006] 本发明的具体步骤如下：
[0007] 步骤一、将静极板CJi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CJi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CJi与球窝的接触面均涂有绝缘材料， 如环氧树脂。
[0008] 步骤二、静极板CJ1XJ4XJjP CJ 8及其相对的静极板CJ 2、CJ3、CJdP CJ 7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Sx。静极板CJi、CJ 2、 CJjP CJ 6及其相对的静极板CJ 4、CJ3、CJjP CJ 7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S γ。静极板CJ1XJ2XJjP CJ 4及其相对的静极板CJ 5、 CJ6、CJdP CJ 8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不为：
【主权项】
1. 基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法，其特征在于：该方法的具体步 骤如下： 步骤一、将静极板CJi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CJi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CJ1XJ4XJjP CJ 8及其相对的静极板CJ 2、CJ3、CJjP CJ 7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S x;静极板CJ PCJ2XJjP CJ6及其相对的静极板CJ4、CJ 3、CJjP CJ 7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S γ;静极板CJ nCJ2、CJ#P CJ 4及其相对的静极板CJ 5、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，fx，fY，&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；(；表示静极板CJ 1与球头之间构成的球面 电容的电容值，其中i = 1，2··· 8。
2. 根据权利要求1所述的基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法，其特征 在于：所述的球窝米用横向剖分式结构，包括球铰座和球铰端盖；球铰链输出杆与球头固 定。
3. 根据权利要求1所述的基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法，其特征 在于：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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于球面电容原理的精密球铰链关节间隙检测方法。球铰链间隙的检测技术还不成熟；静电陀螺技术中检测转子偏心位移的方法难以直接用于精密球铰链的关节间隙检测。本发明的步骤如下：将静极板CJi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；球头作为动极板，并与静极板CJi构成八个球面电容；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。本发明根据球面电容极板间的间隙变化引起输出电容变化的原理，实现了球铰链三自由度偏心位移的实时非接触式检测。
【IPC分类】G01B7-14, G01B7-02
【公开号】CN104677257
【申请号】CN201510060963
【发明人】王文, 张敏, 卢科青, 范宗尉, 袁科杰, 诸丽燕, 赵鼎成
【申请人】杭州电子科技大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月5日