CN113865539B - 一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，包括测量原理和测量方法，测量原理包括偏角测量原理和转动副间隙测量原理，偏角测量原理是通过对固定在转动体适当位置的测靶空间位置的精确测量，再用空间坐标系变换，求得转动或摆动体在转动副旋转轴正交面上转角的变化，从而得到偏角。转动副间隙测量原理是由转动副孔轴配合几何形状围成的空间，通过转动体驱动作加减速运动及物体惯性运动特点，采用驱动运动结构，从而通过转动体的精确位姿测量，从而取得转动副间隙的空间几何边界尺寸，从而实现对转动副间隙的测量。

Description

一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法。

背景技术

偏角是机构围绕转轴旋转运动形成的，在工程结构中有一些需要精密测量机构偏转角度的地方，如流体机械的控制舵面、蝶阀的开度、雷达天线的指向、经纬仪的方向角等；此外，在旋转和摆动机构中，由于孔轴的配合、使用磨损等原因，旋转轴和孔出现间隙，这种转动副间隙也需要进行测量以确定其在许用的范围内。

角度测量的手段比较多，有圆编码器、机械角度千分尺、激光测角仪、陀螺倾角仪、MEMS倾角仪、磁倾角仪等，以上测量方法各有其适应的场合。对于流体机械舵面、蝶阀等不能变更结构的产品，以及一些需要较大角度范围、高精度角度测量的场合，以上方法可能不便实现测量。

由于转动副间隙尺度小，并在间隙范围内存在自由度，转动副间隙免拆测量比较困难。间隙受力、结构姿态等因素影响，受力平衡时，转动副结构相对位置保持稳定，但保持相对稳定的位置不一定是间隙边界，所以需要对转动副结构进行加载后再测量。以往实施过程麻烦，测量系统笨重，同时还可能存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、制造成本较低、使用方便、测量精度较高的用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，包括测量原理和测量方法。测量原理包括偏角测量原理和转动副间隙测量原理；根据刚体运动原理，与刚体相连的点可以完全反映刚体上任一点的运动状态。偏角测量原理是首先对固定在转动体上测靶的空间位置的变化进行精确测量，然后通过空间坐标系变换，求得旋转体或摆动体在转动副旋转轴正交面上转角的变化，从而得到偏角；当转动副运动时，孔轴配合几何形状围成的空间是转动副旋转运动的几何边界。由于转动副轴孔相对位置在间隙范围内存在自由度，因此精确位姿不能确定。转动副间隙测量原理是通过驱动系统驱动旋转或摆动机构做变速运动，根据牛顿第二定律，利用物体惯性运动的特点，在围绕转动副360°的各个方向上，使转动体能达到转动副孔轴接触的各个位置，从而通过转动体的精确位姿测量，得到转动副间隙的空间几何边界尺寸，最终实现对转动副间隙的测量；利用上述偏角测量原理，通过设计的测量方法对转动体位置进行精确测量，从而实现对旋转或摆动机构的偏角以及转动副间隙的测量。

进一步地，所述测量方法包括以下步骤：

S1、将测量装置底座固定在合适的固定体平面上；

S2、将测量装置的测头与固定在转动副适当位置的测靶上的测点连接，并调整测量装置底座位置，保证在测量范围内运动的要求；

S3、对摆动机构按设定的控制率施加位移、速度及加速度载荷，在运动过程中，几条测杆的长度随测点位置改变而同步变化，同步记录下测量数据；

S4、对步骤S3所测量的数据进行计算分析，通过解析计算得到测点运动的空间轨迹，通过对空间轨迹的变换得到旋转角或摆动部件的摆动角，或通过与无间隙转动副理论曲线的比对，可以得到的转动副的间隙。

进一步地，所述步骤S1中的测量装置底座是由三条边的三个端点组成的平面。该三条边长度可变，另一端约束在一起，形成空间三角锥体形状的装置。

进一步地，所述步骤S2中的测量装置测头为上述三条边约束在一起的端点，能够测量到底座上三个端点的距离。

进一步地，所述步骤S2中的转动副包括转动轴和转动面，转动面通过转动轴与固定体相连，转动轴转动时带动转动面同步运动，偏角测量装置位于转动面上。

进一步地，所述步骤S3中偏角测量装置上的测量点的运动轨迹在测量偏角测量装置的工作范围内。

进一步地，所述步骤S3中偏角测量装置与转动副同步运动，偏角测量装置的运动阻力显著小于驱动转动副运动的驱动力，对驱动装置运动影响可以忽略。

进一步地，所述三边装置和偏角测量装置构成一个偏角测量组，偏角测量组的数量为二，偏角测量组呈线性的分布在固定体和转动副上。

进一步地，所述步骤S4还包括以下子步骤：

S41、给转动副施加加速度载荷，使转动副运动；

S42、转动副的运动端克服重力和位姿的影响，转动副上的接触点接触到间隙空间的边界；

S43、在转轴不同的角度位置施加不同的加速度载荷，转动副在间隙空间多个角度的边界形成接触，将不同边界接触点轨迹构成的空间包络线进行拟合得到包络线；

S44、通过多个连续经过步骤S43后得到的包络线，测量出转动副运动形成的转动副间隙曲线。

进一步地，所述步骤S44中的转动副的数量为两个，且为同轴结构，将两个转动副得到的转动副间隙曲线分为测量主值和加权修正值，从而得到更高的测量精度。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法。通过对转动体的运动驱动，采用对转动体位置的精确测量，实现旋转或摆动机构偏角以及转动副间隙的测量。

2、本发明提出的测量方法不需要使用额外的加载机构，可以实现测量装置小型化，一次测量就可以得到偏角以及转动副间隙的数值，甚至可以测量出间隙的形状，加载采用了可用程序定义的“驱动——惯性”方法。

3、本发明的测量方法采用了虚拟轴校准，不需要额外进行方向标定和找正。在测量装置允许的运动空间内，只要能在运动机构上安装测靶，有适合安装测量装置底座的位置，就能对机械运动空间位姿进行测量，所以可以显著提高作业效率。

4、本发明的测量方法采用了精确的三边测量方法，可以通过调整三测边的基本长度变化调控测量精度。角度值利用余弦定理计算求得，较现有采用的角规、MEMS倾角仪、陀螺倾斜仪等方法测量精度大幅度提高。

附图说明

图1是本发明一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法的步骤图；

图2是本发明转动副的间隙进行测量的步骤原理图；

图3是本发明偏角测量方法的原理示意图；

图4是本发明偏角测量装置空间位姿数据示意图；

图5是本发明两套偏角测量方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图5所示，本发明的技术方案是一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，包括测量原理和测量方法。测量原理包括偏角测量原理和转动副间隙测量原理。

偏角测量原理是首先对固定在转动体上测靶的空间位置的变化进行精确测量，然后通过空间坐标系变换，求得旋转体或摆动体在转动副旋转轴正交面上转角的变化，从而得到偏角。

当转动副运动时，孔轴配合几何形状围成的空间是转动副旋转运动的几何边界，转动副轴孔相对位置在间隙内的精确位置没有约束不能确定。转动副间隙测量原理是通过驱动系统驱动旋转或摆动机构做加速度运动，利用物体惯性运动的特点，在围绕转动副360°的各个方向上，使转动体能达到转动副孔轴接触的各个位置，从而通过转动体的精确位姿测量，得到转动副间隙的空间几何边界尺寸，最终实现对转动副间隙的测量。

利用测量原理，通过设计的测量方法对转动体位置进行精确测量，从而实现对旋转或摆动机构的偏角以及转动副间隙的测量。

所述测量方法包括以下步骤：

S1、将测量装置底座固定在合适的固定体平面上。

在步骤S1中的测量装置底座是由三条边的三个端点组成的平面。该三条边长度可变，另一端约束在一起，形成空间三角锥体形状的装置。

S2、将测量装置的测头与固定在转动副适当位置的测靶上的测点连接，并调整测量装置底座位置，保证在测量范围内运动的要求。

在步骤S2中的测量装置测头为上述三条边约束在一起的端点，能够测量到底座上三个端点的距离。转动副包括转动轴和转动面，转动面通过转动轴与固定体相连，转动轴转动时带动转动面同步运动，偏角测量装置位于转动面上。

S3、对被测选装及摆动机构按设定的控制率施加位移、速度及加速度载荷，在运动过程中，几条测杆的长度随测点位置改变而同步变化，同步记录下测量数据。

步骤S3中偏角测量装置上的测量点的运动轨迹在测量偏角测量装置的工作范围内。步骤S3中偏角测量装置与转动副同步运动，偏角测量装置的运动阻力显著小于驱动转动副运动的驱动力，对驱动装置运动影响可以忽略。

三边装置和偏角测量装置构成一个偏角测量组，偏角测量组的数量为二，偏角测量组呈线性的分布在固定体和转动副上。

S4、对步骤S3所测量的数据进行计算分析，通过解析计算得到测点运动的空间轨迹，通过对空间轨迹的变换得到旋转角或摆动部件的摆动角，或通过与无间隙转动副理论曲线的比对，可以得到的转动副的间隙。

步骤S4还包括以下子步骤：

S41、给转动副施加加速度载荷，使转动副运动。

S42、转动副的运动端克服重力和位姿的影响，转动副上的接触点接触到间隙空间的边界。

S43、在转轴不同的角度位置施加不同的加速度载荷，转动副在间隙空间多个角度的边界形成接触，将不同边界接触点轨迹构成的空间包络线进行拟合得到包络线。

S44、通过多个连续经过步骤S43后得到的包络线，测量出转动副运动形成的转动副间隙曲线。

步骤S44中的转动副的数量为两个，且为同轴结构，将两个转动副得到的转动副间隙曲线分为测量主值和加权修正值，从而得到更高的测量精度。

本发明的测量方法是基于精密空间轨迹测量和惯性加载技术的原理。刚体在运动过程中，运动副机械结构上的任意质点的轨迹信息既包含有转动副偏转角度的信息，也包含有运动副在其间隙空间内的相对位置信息。运动副间隙空间对偏转角影响相对测量精度要求来说较小，即使测量精度需要，也可以布置两组以上的测量装置，通过三角测量方法对轨迹进行测量，并对测量数据进行分析，得出精确的运动副空间位置信息。本发明中的三角测量方法采用的办法是三边测量法，角度测量精度取决于边长的测量精度。当需要提高角度测量精度时，三边测量法则可以用相似三角形原理放大边长从而实现对精密角度测量的增益，而无需要对边长测量精度提出过度要求，这就对工程测量装置的实现提供了帮助，具有较强的实用性。

在本实施例中测量装置为现有成熟测量设备或装置，测量装置包括测量装置底座、三边结构、测量装置测头，测量装置底座固定不动，而测量装置测头与转动副一起运动。

当测量边长200mm，测量精度达到0.01mm时，角度测量精度小于±2”。当延长边长，或提高长度测量精度到0.005mm时，角度测量精度小于±1”。本发明中的方法在角度测量精度的上限取决于边长的长度和边长测量精度。

本发明可以实现对偏角的测量。在使用时，固定测量装置固定在相对大地不动的可靠固定体上，运动测量装置与被测转动副的运动部件连接。调整合适的安装位置，直至运动测量装置上连接点的运动轨迹在偏角测量装置工作范围内(连接点越接近旋转中心，其空间位移范围越小，直到其小于测量装置的允许运动空间)。偏角测量装置是随动的，其运动阻力相对转动副的驱动力来说较小，保证了偏角测量装置的随动运动不影响转动副的运动规律及控制。转动副只需要进行转动操作，测量装置就可以取得转动副的空间位姿数据，经过数学处理后，即得出转动角度数据。

在进行双转动副的间隙测量时，转动副可以简化为空间共轴的两个转动副。出于结构强度的考虑，采用两个以上圆柱副时，属于过定位。工程测量中可以把其中任意两个转动副看做一组转动副，然后按照其组合两两分组，分成多次完成测量。

当测量同一转轴上的两个转动副时，由于两个转动副间隙各自独立，转轴在转动副间隙空间内运动。因此，转动结构上质点的运动反映出的是转轴的旋转运动和两个转动副间隙内的自由运动。但是按照相似原理，越接近转动副的位置，另一个转动副的间隙影响就越小。因此，当采用一套测量装置，并将其测量点分别布置在转动副附近时，可以近似认为该套测量装置测量的数值就是被测点附近转动副的数值。

当采用两套及以上测量装置时，将测量点分别布置在转动副附近，可以近似认为每套测量装置测量的数值就是被测点附近转动副的数值。同时，根据相似原理，用接近的一套装置测量值为主值，用另一套测量的结果作为加权修正值，这样就可以获得更高的测量精度。

当测量装置不便于布置在转动副附近，或有其他高精度三维测量要求时，采用两组以上的测量装置联合测量，此时测点布置在转动副运动结构上，不在转动轴线上的任意两个以上不同点上，测量装置取得几个点的空间轨迹，同步数据确定出转动体的空间位置定位，这样通过数学处理，能够得到转动轴的运动近似包络曲面，结合转动副设计位置信息，就可以得出转动副的间隙。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，其特征在于，包括测量原理和测量方法，测量原理包括偏角测量原理和转动副间隙测量原理；根据刚体运动原理，与刚体相连的点可以完全反映刚体上任一点的运动状态；偏角测量原理是首先对固定在转动体上测靶的空间位置的变化进行精确测量，然后通过空间坐标系变换，求得旋转体或摆动体在转动副旋转轴正交面上转角的变化，从而得到偏角；当转动副运动时，孔轴配合几何形状围成的空间是转动副旋转运动的几何边界；由于转动副轴孔相对位置在间隙范围内存在自由度，因此精确位姿不能确定；转动副间隙测量原理是通过驱动系统驱动旋转或摆动机构做变速运动，根据牛顿第二定律，利用物体惯性运动的特点，在围绕转动副360°的各个方向上，使转动体能达到转动副孔轴接触的各个位置，从而通过转动体的精确位姿测量，得到转动副间隙的空间几何边界尺寸，最终实现对转动副间隙的测量；利用上述偏角测量原理，通过设计的测量方法对转动体位置进行精确测量，从而实现对旋转或摆动机构的偏角以及转动副间隙的测量；所述测量方法包括以下步骤：

S1、将测量装置底座固定在合适的固定体平面上；

S2、将测量装置的测头与固定在转动副适当位置的测靶上的测点连接，并调整测量装置底座位置，保证在测量范围内运动的要求；

S3、对被测选装及摆动机构按设定的控制率施加位移、速度及加速度载荷，在运动过程中，几条测杆的长度随测点位置改变而同步变化，同步记录下测量数据；

S4、对步骤S3所测量的数据进行计算分析，通过解析计算得到测点运动的空间轨迹，通过对空间轨迹的变换得到旋转角或摆动部件的摆动角，或通过将空间轨迹与无间隙转动副理论曲线的比对，得到转动副的间隙；

所述步骤S1中的测量装置底座是由三条边的三个端点组成的平面；该三条边长度可变，另一端约束在一起，形成空间三角锥体形状的装置；

所述步骤S2中的测量装置测头为上述三条边约束在一起的端点，能够测量到底座上三个端点的距离；

所述步骤S2中的转动副包括转动轴和转动面，转动面通过转动轴与固定体相连，转动轴转动时带动转动面同步运动，偏角测量装置位于转动面上。

2.根据权利要求1所述的一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，其特征在于：所述步骤S3中偏角测量装置上的测量点的运动轨迹在测量偏角测量装置的工作范围内。

3.根据权利要求1所述的一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，其特征在于：所述步骤S3中偏角测量装置与转动副同步运动，偏角测量装置的运动阻力显著小于驱动转动副运动的驱动力，对驱动装置运动影响可以忽略。

4.根据权利要求1所述的一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，其特征在于：所述测量装置底座由三条边的三个端点组成三边装置，三边装置和偏角测量装置构成一个偏角测量组，偏角测量组的数量为二，偏角测量组呈线性的分布在固定体和转动副上。

5.根据权利要求1所述的一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，其特征在于：所述步骤S4还包括以下子步骤：

S41、给转动副施加加速度载荷，使转动副运动；

S42、转动副的运动端克服重力和位姿的影响，转动副上的接触点接触到间隙空间的边界；

S43、在转轴不同的角度位置施加不同的加速度载荷，转动副在间隙空间多个角度的边界形成接触，将不同边界接触点轨迹构成的空间包络线进行拟合得到包络线；

S44、通过多个连续经过步骤S43后得到的包络线，测量出转动副运动形成的转动副间隙曲线。

6.根据权利要求5所述的一种用于机构偏角及转动副间隙免拆测量的测量方法，其特征在于：所述步骤S44中的转动副的数量为两个，且为同轴结构，将两个转动副得到的转动副间隙曲线分为测量主值和加权修正值，从而得到更高的测量精度。