[发明专利]可实现回转角度测量的球铰链及测量方法

说明书

技术领域

本发明是涉及一种球铰链，更具体地说是可实现空间回转角度测量的球铰链及测量方法。

背景技术

角度测量是最基本的测量，现有技术中已有各种角度传感器广泛应用，包括：光栅、磁栅、感应同步器等，但这类传感器都只能进行一维回转角度的测量。在科学研究和工业生产中，当需要测量多个方向的回转角度时只能采用多个角度传感器组合使用的办法。比如在精密测量仪器中，关节臂测量机、激光跟踪仪和精密数字转台等。这些组合角度测量部件的结构复杂、成本高，设备体积大、后续电路及数据采集工作量大，应用受到极大的限制；传统的角度传感器均是采用在一定回转半径的圆盘或圆柱面上等间距刻线来实现测量，其测量精度本质上依赖刻线精度，当精度不足时只能采用细分技术来予以补偿，这从根本上限制了传感器精度的进一步提升，也降低了稳定性。

近二十年来由于并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等优点在机床、机器人、微动工作台、坐标测量机等领域得到了广泛的应用。但一直以来并联机构中大量使用的球铰链和球关节的运动间隙误差严重制约了并联机构在高精度场合的应用和推广，而且球铰链在并联机构上使用时是由别的运动机构和动力源驱动其运动，球铰杆的在空间的回转角度无法实时获晓。

日本多摩川提出在球铰链球体上印刷类似二维码的图案，用CCD摄像机进行图像识别，然后根据与球体的三个坐标轴上的绝对角度相关的标准图案进行比对和计算，得出角度信息(ZL200780043541.0)。该技术本质上是基于机器视觉的光学测量方法，球铰链实际运动工作时需要加入润滑酯以减轻球铰杆和球窝之间的摩擦，润滑脂的存在严重影响光学成像质量，而且在结构尺寸上难以缩小无法嵌入到球铰链内部。

德国ZF腓特烈港股份公司提出了带有摆动角传感器的球型万向节，研发的目的是用在汽车底盘上用于检测底盘的变形及运动中的变形，基本原理是在铰链球体的底端嵌入一个永磁体磁铁，在球窝上嵌入一只磁阻传感器用来感知球杆和球体的摆动，该磁阻传感器可以直接获得穿过传感器的磁力线的角度的直接值，该方法是用磁效应进行传感，克服了润滑脂的影响，对使用环境要求也不苛刻，但仅用一只传感器和一只永磁体实现组合，因而不可避免地产生测量角度范围小，测量精度比较低的缺陷，无法满足并联机构在高精度场合应用时的精度要求和量程。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可实现大量程、高精度的回转角度测量的球铰链及测量方法，在不影响球关节运动精度、力学性能，不破坏其结构的前提下，实现三维角度测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明可实现回转角度测量的球铰链的结构特点是：

由底座和端盖构成内部具有球窝的球座，所述球窝的球冠部在端盖上形成为开口；球头置入在所述球窝中，并在端盖的开口处露出球冠，在所述球头的球冠顶面连接球铰杆；所述球头与球窝为同心，并且球头可相对于球窝同心转动；

在所述球头的下半球表面嵌装有永磁体，并有m只永磁体均匀分布在所述球头的下半球表面；在所述球窝的表面嵌装有磁效应传感器，并有n只磁效应传感器均匀分布在球窝的表面；其中，n和m均不为零；利用所述磁效应传感器的感应输出信号判断所述球头与球窝之间的相对角度位置及相对运动的方向。

本发明可实现回转角度测量的球铰链的结构特点也在于：所述永磁体圆柱体，并套装在由非磁性材料制成的隔套中，所述隔套连带永磁体嵌入在球头表面设置的各圆柱形盲孔中；所述各永磁体的轴线均穿过球头的球心。

所述球头和球铰杆是以铁磁材料为材质。

所述各磁效应传感器嵌入在所述球窝表面设置的各传感器孔中，各磁效应传感器同处在以球窝中心为中心、半径为R的球面上，各磁效应传感器的轴线穿过球窝中心；设置各传感器孔为台阶孔，磁效应传感器胶接在非磁材料制成的传感器座上，所述传感器座连带磁效应传感器嵌装在所述台阶孔中。

利用本发明中球铰链实现回转角度测量的方法的特点是：对于球铰链绕球心O在任意方向上的回转，永磁体产生的磁场随之转动，根据等效磁荷模型计算磁效应传感器所在空间位置的磁感应强度，得出磁效应传感器轴线方向的磁感应强度分量与球铰链回转角度之间的关系；根据磁效应传感器的输入输出特性，建立每个磁效应传感器的电压输出信号与球铰链回转角度的函数关系；联立各个磁效应传感器的函数关系建立方程组，利用最小二乘法实现方程组的求解，得出球铰链回转角度。