[发明专利]一种球铰链空间转角检测方法

摘要

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。

主权项

1.一种球铰链空间转角检测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：/n1)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；/n2)在球窝处固定设置一个激光发射器；/n3)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；/n4)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；/n5)球头输出杆中心轴线上的点M转到点M′时，球头转动前和转过方位角后激光发射器发射的激光打在两个四象限光电探测器上，根据四象限光电探测器测量原理，测出激光发射器出射光在其中一个四象限光电探测器上的成像光斑能量中心P₁距离该四象限光电探测器几何中心的纬向偏置d_x1和经向偏置d_y1，以及激光发射器出射光在另一个四象限光电探测器上的成像光斑能量中心P₂距离该四象限光电探测器几何中心的纬向偏置d_x2和经向偏置d_y2；四象限光电探测器的第一象限、第二象限、第三象限和第四象限与平面坐标系中的四个象限划分方式一致，设定P₁在第一、第四象限时d_x1为正，在第二、第三象限时d_x1为负，P₁在第一、第二象限时d_y1为正，在第三、第四象限时d_y1为负；设定P₂在第一、第四象限时d_x2为正，在第二、第三象限时d_x2为负，P₂在第一、第二象限时d_y2为正，在第三、第四象限时d_y2为负；/n6)同一个四象限光电探测器组中各四象限光电探测器沿纬向的边合围成的正N边形的内角ω求解如下：/n /n7)当P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器处于相邻经线时，转过的方位角按照公式(2)计算，当P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器处于不相邻经线时，转过的方位角按照公式(3)计算；/n /n /n公式(3)中，m₁为P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器之间沿纬线方向相距的四象限光电探测器个数；设定P₁所在四象限光电探测器的纬向边长度为k，P₂所在四象限光电探测器的纬向边长度v＝k±c₁×p，P₂所在四象限光电探测器位于P₁所在四象限光电探测器上方时，取正号，否则取负号，c₁在0.02～0.05中取值，纬向边长度的单位为mm，p为P₁和P₂所在四象限光电探测器组的编号差值；P₁所在四象限光电探测器靠近P₂所在四象限光电探测器的纬向边设为E₁，P₂所在四象限光电探测器靠近P₁所在四象限光电探测器纬向边设为E2，则P₁到E₁的距离a＝0.5k-d_x1，P₂到E₂的距离b＝0.5v-d_x2；P₁与纬向边E₁的交点、P₁以及坐标系原点O组成的三角形中，长度为a的边长对应的角为P₂与纬向边E₂的交点、P₂以及坐标系原点O组成的三角形中，长度为b的边长对应的角为/n不管P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器是否处于相邻经线，和均按照如下过程求解：/n根据余弦定理按照公式(4)求解坐标系原点O到P₁的距离L₁，根据余弦定理按照公式(5)求解坐标系原点O到P₂的距离L₂；然后，根据正弦定理按照公式(6)求解根据正弦定理按照公式(7)求解/n /n /n /n /n公式(4)和(5)中，r为半球形壳体的内球面半径；/n8)设定所有四象限光电探测器的经向边长度都为t，则沿经线方向相邻的两个四象限光电探测器的夹角为180°-α，角度α根据公式(8)求解：/n /n9)当P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器在相邻的两个四象限光电探测器组内时，转过的偏摆角θ按照公式(9)计算，当P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器在不相邻的两个四象限光电探测器组内时，转过的偏摆角θ按照公式(10)计算；/nθ＝θ₁+θ₂ (9)/n /n公式(10)中，m₂为P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器之间沿经线方向相距的四象限光电探测器个数，T为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所在正多边形的边数，T的求解如下：/n由/n /n推出/n /nP₁所在四象限光电探测器靠近P₂所在四象限光电探测器的经向边设为E₃，P₂所在四象限光电探测器靠近P₁所在四象限光电探测器经向边设为E₄，则P₁到E₃的距离c＝0.5t-d_x2，P₂到E₂的距离d＝0.5t-d_y2；P₁与纬向边E₃的交点、P₁以及坐标系原点O组成的三角形中，长度为c的边长对应的角为θ₁；P₂与纬向边E₄的交点、P₂以及坐标系原点O组成的三角形中，长度为d的边长对应的角为θ₂；/n不管P₁和P₂所在的两个四象限光电探测器在相邻的两个四象限光电探测器组内，θ₁和θ₂均按照如下过程求解：/n根据余弦定理按照公式(11)求解坐标系原点O到P₁的距离L₃，根据余弦定理按照公式(12)求解坐标系原点O到P₂的距离L₄；然后，根据正弦定理按照公式(13)求解θ₁，根据正弦定理按照公式(14)求解θ₂；/n /n /n /n /n