[发明专利]一种球铰链空间转角检测方法

说明书

本发明公开了一种球铰链空间转角检测方法。目前，光学测角方式有限。本发明通过布置一个激光发射器和若干四象限光电探测器，根据四象限光电探测器的原理以及简单的三角关系，即可解算出球头的空间二维转角，即偏转角和方位角。本发明对激光发射器的安装位置要求不高，实现方式较为简单，可实现非接触测量，获得较高的分辨率和测量精度。

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于四象限光电探测器的球铰链空间转角检测方法。

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(机械臂)和汽车零部件等机械设备中的关键构件。例如，并联机床作为新型的数控加工装备，其中每一个支链均通过铰链与动、静平台相连，系统的准静态误差对机床精度的影响约占70％，而球铰链误差对准静态误差有着重要影响。由于球铰链的运动受制于铰链的关节间隙和结构刚性等，引起的运动误差影响系统的传动精度，因此球铰空间回转角度的检测对系统误差预测分析、反馈和补偿十分必要，有利于运动机构控制的优化。

传统的角度测量以单自由度运动对象为主，通常有机械式测角、电磁式测角和光学测角等方法。其中，光学测量技术的研究与应用得到较快发展，由于测角方法不同导致检测仪器种类多样，如光电编码器法、圆光栅法、激光干涉法、环形激光法等，大多数应用于小角度的精密测量中，可以获得较高的分辨率和测量精度，然而对于360°整周角度测量还需作适当的改进。例如，日本多摩川精机株式会社滨信治提出球体绝对角度的测量方法，其中球体由透明材料或能够透射可被图像识别装置识别的电磁波材料制成，可在球体表面上喷涂图案为QR二维或一维条形码，在编码中记录位置等信息。通过球体外部设置图像识别装置，对于检测到的图案进行处理后获得球体角度信息，然而该测量方法在实际应用场合中尚未发现，其实际效果还有待商榷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于四象限光电探测器的球铰链空间转角检测方法，实现球铰链偏转角和方位角的测量。

本发明的具体步骤如下：

1)将半球形壳体固定在球头输出杆上，使得半球形壳体与球头同心，且半球形壳体朝向球头。

2)在球窝处固定设置一个激光发射器。

3)在半球形壳体内球面布置沿经线方向排布的n个四象限光电探测器组，四象限光电探测器组由沿纬线方向均布固定在半球形壳体内球面的N个四象限光电探测器组成；相邻四象限光电探测器组的四象限光电探测器沿经线方向一一对齐；各个四象限光电探测器组中沿同一经线对齐的相邻两个四象限光电探测器的重合边边长相等；在一根经线上对齐的所有四象限光电探测器的经线方向对称中心线均为该经线的内切正多边形的边；然后对布置的四象限光电探测器进行顺序编排，具体如下：纬度最低的四象限光电探测器组中各四象限光电探测器从1至N依次顺序编号，n个四象限光电探测器组根据纬度由低到高依次编号，第i个四象限光电探测器组中与纬度最低的第一个四象限光电探测器组中第j个四象限光电探测器沿经线方向对齐的四象限光电探测器编号为j+(i-1)N，1≤j≤N，2≤i≤n；N≥20，n≥8；

4)建立笛卡尔坐标系O-XYZ，坐标系原点O设置在球头中心处，X轴和Y轴构成的平面XY与纬线所在平面平行，纬线所在平面平行于球窝底面；Z轴垂直于平面XY。