CN111927886A - 基于静压气浮轴承的aacmm高精度关节及其支承方法 - Google Patents

基于静压气浮轴承的aacmm高精度关节及其支承方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节及其支承方法。关节误差影响关节式坐标测量机的测量精度。本发明的止推轴承一有两处间距排布的径向通气孔组对关节臂机芯主轴进行径向支承，且止推轴承一的止推孔一和止推轴承二的止推孔二相对设置，对关节臂机芯主轴两端进行轴向支承；圆光栅盘随关节臂机芯主轴转动，读数头读取圆光栅盘的读数。本发明利用气浮轴承可以减小运动过程中产生的径向和轴向误差、减小摩擦力的特性，将气浮轴承用到关节式坐标测量机关节上，通过合理的结构设计来减小关节式坐标测量机测量过程中的关节误差，提高关节式坐标测量机的测量精度。

Description

基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节及其支承方法
技术领域
本发明涉及关节式坐标测量机领域，具体涉及一种基于静压气浮轴承的AACMM(articulated arm coordinate measuring machines，关节式坐标测量机)高精度关节设计。
背景技术
关节式坐标测量机是一种非正交系坐标测量机，它仿照人体关节结构，将多个杆件和一个测头通过旋转关节和俯仰关节串联，以角度测量基准取代长度测量基准，从而具有结构简单、体积小、量程大、便于现场使用等优点，广泛应用于汽车整车及零部件、模具、航空航天、造船以及其它机械加工行业。精度是关节式坐标测量机最重要的性能指标之一，但与正交式三坐标测量机相比，关节式坐标测量机是多级开链式结构。在误差源较多的时候，测量误差会逐级增大，进而影响其测量精度。所以，分析并控制测量机误差从而提高关节式坐标测量机测量精度是非常有意义的。
由国内外学者对关节式坐标测量机的研究中，目前关节式坐标测量机的误差主要有以下几种：(1)角度编码器测量误差；(2)测量环境温度及操作人员使用产生的结构热变形误差；(3)运动学参数误差；(4)关节运动误差等。其中误差项(1)～(3)中***误差占比较大，可以通过关节式坐标测量机成熟的标定和误差补偿的方法来减小或消除这些误差源的影响，但误差项(4)关节运动误差主要由回转轴的轴承旋转跳动引起，是一种随机误差因素占主要地位的误差，这也就意味着无法通过标定消除该误差，关节运动误差的存在使得关节旋转轴产生晃动影响关节式坐标测量机的测量精度提高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种静压气浮轴承的AACMM高精度关节及其支承方法，通过关节结构设计减小由于轴承径向跳动和轴向窜动以及轴承摩擦造成的关节运动误差，提高关节式坐标测量机的测量精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节，包括止推轴承套、间隙调节板、止推轴承一、圆光栅盘、止推轴承二、关节臂机芯主轴、关节外壳和读数头。所述的关节臂机芯主轴中空且中部设有一体成型的止推盘，关节臂机芯主轴被止推盘分隔的长端开设有泄压槽；所述止推轴承一的中心处开设有关节臂机芯主轴安装孔一，外侧壁开设有环形的均压带；止推轴承一在均压带位置开设有沿轴向间距排布的两个径向通气孔组；所述的径向通气孔组由沿周向均布的n个径向通气孔组成，n≥6；所述径向通气孔的内端与关节臂机芯主轴安装孔一连通；止推轴承一一端端面开设有沿周向均布的n个止推孔一和沿周向均布的m个通孔一，m≥3；靠近止推孔一的那个径向通气孔组中的每个径向通气孔与对应一个止推孔一内端连通；径向通气孔内端和止推孔一外端均固定有节流器；所述止推轴承二的中心处开设有关节臂机芯主轴安装孔二，外壁开设有环形的均压槽；止推轴承二在均压槽的底部开设有周向均布的n个均压后通气孔；止推轴承二一端端面开设有沿周向均布的n个止推孔二，每个止推孔二内端与对应一个均压后通气孔连通；止推孔二外端固定有节流器。间隙调节板套置在止推盘外；所述间隙调节板的端面开设有沿周向均布的m个通孔二；止推轴承一的关节臂机芯主轴安装孔一和止推轴承二的关节臂机芯主轴安装孔二均套置在关节臂机芯主轴上，分设在止推盘两侧，且止推轴承一的止推孔一和止推轴承二的止推孔二均朝向止推盘；关节臂机芯主轴的泄压槽位于止推轴承一内；所述的止推轴承套套置在止推轴承二外；止推轴承套的端面位于内圈位置和位于外圈位置均开设有沿周向分布的m个通孔三；止推轴承套开设有进气孔一，进气孔一内端与止推轴承二的均压槽连通；止推轴承二位于均压槽两侧的密封槽内均设有密封圈；止推轴承套位于内圈位置的每个通孔三与止推轴承二对应的一个螺纹孔通过短内六角螺栓连接；所述的关节外壳套置在止推轴承一的均压带外，止推轴承套端面位于外圈位置的每个通孔三与间隙调节板对应的一个通孔二、止推轴承一对应的一个通孔一和关节外壳对应的一个螺纹孔通过长内六角螺栓连接；所述的关节外壳开设有进气孔二和出气孔，进气孔二与止推轴承一的均压带连通；止推轴承一位于均压带两侧的密封槽内均设有密封圈；止推盘的两侧面与止推轴承一和止推轴承二之间均设有间隙；间隙调节板的侧面开设有调节孔，调节孔的内端与间隙调节板和止推盘之间的径向间隙连通，间隙调节板和止推盘之间的径向间隙与止推盘和止推轴承一及止推轴承二之间的间隙均连通；所述的圆光栅盘同轴固定在关节臂机芯主轴被止推盘分隔的长端端面上，且位于关节外壳的出气孔位置处；所述的读数头固定在关节外壳的端口位置，并正对圆光栅盘设置。
进一步，所述基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节设置在关节式坐标测量机的第一关节。
进一步，所述基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节的支承方法，具体如下：
给止推轴承套的进气孔一和关节外壳的进气孔二通入加压空气；进气孔二的加压气体经均压带分流至止推轴承一的各个径向通气孔和止推孔一中；各个径向通气孔中的加压气体经过节流器增压后喷至止推轴承一与关节臂机芯主轴的间隙中，形成压力气膜，从而实现止推轴承一对关节臂机芯主轴的径向支承；由于关节臂机芯主轴有两处间距排布的径向通气孔组同时作用，关节臂机芯主轴两个截面受径向力，不会发生偏转；每处径向通气孔组的径向通气孔沿圆周均布，使得每处压力气膜沿关节臂机芯主轴周向均匀分布；各个止推孔一中的加压气体经节流器增压后喷至止推盘，从而在止推盘与止推轴承一之间形成止推气膜，承受轴向载荷。进气孔一的加压气体经均压槽分流至止推轴承二的各个通气孔和止推孔二中；各个止推孔二中的加压气体经节流器增压后喷至止推盘，从而在止推盘与止推轴承二相对面形成止推气膜，承受轴向载荷；由于各个止推孔一和各个止推孔二均沿圆周均布，避免止推盘沿轴向受力不均匀，且止推孔一和止推孔二一一对齐设置，止推轴承一对止推盘的轴向止推力与止推轴承二对止推盘的轴向止推力相等，关节臂机芯主轴不会发生偏转。止推轴承一与关节臂机芯主轴间隙的加压气体以及止推轴承二与关节臂机芯主轴间隙的加压气体先经关节臂机芯主轴的泄压槽泄压，然后由出气孔排出；关节臂机芯主轴转动时，读数头读取圆光栅盘的读数。
进一步，所述的读数头外接数据采集卡存储和传输转角数据。
进一步，给调节孔通入加压气体，调节孔的加压气体经间隙调节板和止推盘之间的径向间隙进入止推盘与止推轴承一及止推轴承二之间的间隙，将止推盘与止推轴承一之间的间隙和止推盘与止推轴承二之间的间隙调节成相等。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明利用气浮轴承可以减小运动过程中产生的径向和轴向误差、减小摩擦力的特性，将气浮轴承用到关节式坐标测量机关节上，通过合理的结构设计来减小关节式坐标测量机测量过程中的关节运动误差，提高关节式坐标测量机的测量精度。
2、本发明通过设计一种新型的止推轴承一，将两种空气静压轴承(止推轴承一和止推轴承二)相结合，减小了装配误差，提高了关节臂机芯主轴的回转精度。
3、本发明通过设计均压槽和均压带保证静压气浮轴承中节流器的空气压力稳定，设计的泄压槽保证空气排出关节时，不会对圆光栅盘产生扰动。
附图说明
图1是本发明关节的装配剖视图；
图2是本发明关节的整体气路示意图；
图3是本发明中止推轴承套的结构立体图；
图4是本发明中止推轴承二的结构立体图；
图5是本发明中止推轴承一的结构立体图；
图6是本发明关节在关节式坐标测量机中的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2、3、4和5所示，基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节，包括止推轴承套1、间隙调节板3、止推轴承一4、圆光栅盘5、止推轴承二7、关节臂机芯主轴8、关节外壳9和读数头11。关节臂机芯主轴8中空且中部设有一体成型的止推盘8-1，关节臂机芯主轴被止推盘8-1分隔的长端开设有泄压槽8-2；止推轴承一4的中心处开设有关节臂机芯主轴安装孔一4-5，外侧壁开设有环形的均压带4-2；止推轴承一4在均压带4-2位置开设有沿轴向间距排布的两个径向通气孔组；径向通气孔组由沿周向均布的十二个径向通气孔4-3组成；径向通气孔4-3内端与关节臂机芯主轴安装孔一4-5连通；止推轴承一4一端端面开设有沿周向均布的十二个止推孔一4-1和沿周向均布的四个通孔一4-4；靠近止推孔一4-1的那个径向通气孔组中的每个径向通气孔与对应一个止推孔一4-1内端连通；径向通气孔4-3内端和止推孔一4-1外端均固定有节流器12；止推轴承二7的中心处开设有关节臂机芯主轴安装孔二7-5，外壁开设有环形的均压槽7-1；止推轴承二7在均压槽7-1的底部开设有周向均布的十二个均压后通气孔7-3；止推轴承二7一端端面开设有沿周向均布的十二个止推孔二7-2，每个止推孔二7-2内端与对应一个均压后通气孔7-3连通；止推孔二7-2外端固定有节流器12。间隙调节板3套置在止推盘8-1外；间隙调节板3的端面开设有沿周向均布的四个通孔二；止推轴承一4的关节臂机芯主轴安装孔一4-5和止推轴承二7的关节臂机芯主轴安装孔二7-5均套置在关节臂机芯主轴8上，分设在止推盘8-1两侧，且止推轴承一4的止推孔一4-1和止推轴承二7的止推孔二7-2均朝向止推盘8-1；关节臂机芯主轴的泄压槽8-2位于止推轴承一4内；止推轴承套1套置在止推轴承二7外；止推轴承套1的端面位于内圈位置和位于外圈位置均开设有沿周向分布的四个通孔三1-2；止推轴承套1开设有进气孔一1-1，进气孔一内端与止推轴承二7的均压槽7-1连通；止推轴承二7位于均压槽7-1两侧的密封槽内均设有密封圈10；止推轴承套1位于内圈位置的每个通孔三1-2与止推轴承二7对应的一个螺纹孔7-4通过短内六角螺栓6连接；关节外壳9套置在止推轴承一4的均压带4-2外，止推轴承套1端面位于外圈位置的每个通孔三1-2与间隙调节板3对应的一个通孔二、止推轴承一4对应的一个通孔一和关节外壳9对应的一个螺纹孔通过长内六角螺栓2连接；关节外壳9开设有进气孔二9-1和出气孔9-2，进气孔二9-1与止推轴承一4的均压带4-2连通；止推轴承一4位于均压带4-2两侧的密封槽内均设有密封圈10；止推盘8-1的两侧面与止推轴承一4和止推轴承二7之间均设有间隙；间隙调节板3的侧面开设有调节孔2-1，调节孔2-1的内端与间隙调节板3和止推盘8-1之间的径向间隙连通，间隙调节板3和止推盘8-1之间的径向间隙与止推盘8-1和止推轴承一4及止推轴承二7之间的间隙均连通；改变间隙调节板3的厚度，可以改变止推盘8-1与止推轴承一4及止推轴承二7之间的间隙，且通过调节孔2-1可以将止推盘8-1与止推轴承一4之间的间隙和止推盘8-1与止推轴承二7之间的间隙调节成相等。圆光栅盘5同轴固定在关节臂机芯主轴8被止推盘8-1分隔的长端端面上，且位于关节外壳9的出气孔9-2位置处；读数头11固定在关节外壳9的端口位置，并正对圆光栅盘5设置。
如图6所示，将本发明基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节设置在关节式坐标测量机的第一关节；关节式坐标测量机是多级串联式的测量***，在误差源比较多的情况下，测量误差会逐级增大，进而影响其测量精度，提高第一关节的精度将是高性价比的配置方式。
该基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节的支承方法，具体如下：
给止推轴承套1的进气孔一1-1和关节外壳9的进气孔二9-1通入加压空气；进气孔二9-1的加压气体经均压带4-2分流至止推轴承一4的各个径向通气孔4-3和止推孔一4-1中；各个径向通气孔4-3中的加压气体经过节流器12增压后喷至止推轴承一4与关节臂机芯主轴8的间隙中，形成具有支承能力的压力气膜，从而实现止推轴承一4对关节臂机芯主轴8的径向支承；由于关节臂机芯主轴8有两处间距排布的径向通气孔组同时作用，关节臂机芯主轴8两个截面受径向力，不会发生偏转；每处径向通气孔组的径向通气孔4-3沿圆周均布，使得每处压力气膜沿关节臂机芯主轴8周向均匀分布，压力气膜稳定；各个止推孔一4-1中的加压气体经节流器12增压后喷至止推盘8-1，从而在止推盘8-1与止推轴承一4之间形成止推气膜，可以承受轴向载荷，实现止推轴承一4的止推功能。进气孔一1-1的加压气体经均压槽7-1分流至止推轴承二7的各个通气孔7-3和止推孔二7-2中；各个止推孔二7-2中的加压气体经节流器12增压后喷至止推盘8-1，从而在止推盘8-1与止推轴承二7相对面形成止推气膜，可以承受轴向载荷，实现止推轴承二7的止推功能；由于各个止推孔一4-1和各个止推孔二7-2均沿圆周均布，避免止推盘8-1沿轴向受力不均匀，且止推孔二7-2和止推孔一4-1一一对齐设置，止推轴承一4对止推盘8-1的轴向止推力与止推轴承二7对止推盘8-1的轴向止推力相等，关节臂机芯主轴8不会发生偏转。可见，关节臂机芯主轴8通过止推轴承一4和止推轴承二7的静压支承，可以实现相对止推轴承一4和止推轴承二7的稳定转动。止推轴承一4与关节臂机芯主轴8间隙的加压气体以及止推轴承二7与关节臂机芯主轴8间隙的加压气体先经关节臂机芯主轴8的泄压槽8-2泄压，然后由出气孔9-2排出，避免对圆光栅盘产生扰动，也避免读数头11受气流影响读数或受损伤。关节臂机芯主轴8转动时，读数头11读取圆光栅盘5的读数，外接数据采集卡便能存储和传输转角数据。
其中，根据需要，可以给调节孔2-1通入加压气体，调节孔2-1的加压气体经间隙调节板3和止推盘8-1之间的径向间隙进入止推盘8-1与止推轴承一4及止推轴承二7之间的间隙，将止推盘8-1与止推轴承一4之间的间隙和止推盘8-1与止推轴承二7之间的间隙调节成相等。

Claims (5)

1.基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节，包括关节臂机芯主轴和关节外壳，其特征在于：还包括止推轴承套、间隙调节板、止推轴承一、圆光栅盘、止推轴承二和读数头；所述的关节臂机芯主轴中空且中部设有一体成型的止推盘，关节臂机芯主轴被止推盘分隔的长端开设有泄压槽；所述止推轴承一的中心处开设有关节臂机芯主轴安装孔一，外侧壁开设有环形的均压带；止推轴承一在均压带位置开设有沿轴向间距排布的两个径向通气孔组；所述的径向通气孔组由沿周向均布的n个径向通气孔组成，n≥6；所述径向通气孔的内端与关节臂机芯主轴安装孔一连通；止推轴承一一端端面开设有沿周向均布的n个止推孔一和沿周向均布的m个通孔一，m≥3；靠近止推孔一的那个径向通气孔组中的每个径向通气孔与对应一个止推孔一内端连通；径向通气孔内端和止推孔一外端均固定有节流器；所述止推轴承二的中心处开设有关节臂机芯主轴安装孔二，外壁开设有环形的均压槽；止推轴承二在均压槽的底部开设有周向均布的n个均压后通气孔；止推轴承二一端端面开设有沿周向均布的n个止推孔二，每个止推孔二内端与对应一个均压后通气孔连通；止推孔二外端固定有节流器；间隙调节板套置在止推盘外；所述间隙调节板的端面开设有沿周向均布的m个通孔二；止推轴承一的关节臂机芯主轴安装孔一和止推轴承二的关节臂机芯主轴安装孔二均套置在关节臂机芯主轴上，分设在止推盘两侧，且止推轴承一的止推孔一和止推轴承二的止推孔二均朝向止推盘；关节臂机芯主轴的泄压槽位于止推轴承一内；所述的止推轴承套套置在止推轴承二外；止推轴承套的端面位于内圈位置和位于外圈位置均开设有沿周向分布的m个通孔三；止推轴承套开设有进气孔一，进气孔一内端与止推轴承二的均压槽连通；止推轴承二位于均压槽两侧的密封槽内均设有密封圈；止推轴承套位于内圈位置的每个通孔三与止推轴承二对应的一个螺纹孔通过短内六角螺栓连接；所述的关节外壳套置在止推轴承一的均压带外，止推轴承套端面位于外圈位置的每个通孔三与间隙调节板对应的一个通孔二、止推轴承一对应的一个通孔一和关节外壳对应的一个螺纹孔通过长内六角螺栓连接；所述的关节外壳开设有进气孔二和出气孔，进气孔二与止推轴承一的均压带连通；止推轴承一位于均压带两侧的密封槽内均设有密封圈；止推盘的两侧面与止推轴承一和止推轴承二之间均设有间隙；间隙调节板的侧面开设有调节孔，调节孔的内端与间隙调节板和止推盘之间的径向间隙连通，间隙调节板和止推盘之间的径向间隙与止推盘和止推轴承一及止推轴承二之间的间隙均连通；所述的圆光栅盘同轴固定在关节臂机芯主轴被止推盘分隔的长端端面上，且位于关节外壳的出气孔位置处；所述的读数头固定在关节外壳的端口位置，并正对圆光栅盘设置。
2.根据权利要求1所述基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节，其特征在于：该基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节设置在关节式坐标测量机的第一关节。
3.根据权利要求1或2所述基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节的支承方法，其特征在于：该方法具体如下：
给止推轴承套的进气孔一和关节外壳的进气孔二通入加压空气；进气孔二的加压气体经均压带分流至止推轴承一的各个径向通气孔和止推孔一中；各个径向通气孔中的加压气体经过节流器增压后喷至止推轴承一与关节臂机芯主轴的间隙中，形成压力气膜，从而实现止推轴承一对关节臂机芯主轴的径向支承；由于关节臂机芯主轴有两处间距排布的径向通气孔组同时作用，关节臂机芯主轴两个截面受径向力，不会发生偏转；每处径向通气孔组的径向通气孔沿圆周均布，使得每处压力气膜沿关节臂机芯主轴周向均匀分布；各个止推孔一中的加压气体经节流器增压后喷至止推盘，从而在止推盘与止推轴承一之间形成止推气膜，承受轴向载荷；进气孔一的加压气体经均压槽分流至止推轴承二的各个通气孔和止推孔二中；各个止推孔二中的加压气体经节流器增压后喷至止推盘，从而在止推盘与止推轴承二相对面形成止推气膜，承受轴向载荷；由于各个止推孔一和各个止推孔二均沿圆周均布，避免止推盘沿轴向受力不均匀，且止推孔一和止推孔二一一对齐设置，止推轴承一对止推盘的轴向止推力与止推轴承二对止推盘的轴向止推力相等，关节臂机芯主轴不会发生偏转；止推轴承一与关节臂机芯主轴间隙的加压气体以及止推轴承二与关节臂机芯主轴间隙的加压气体先经关节臂机芯主轴的泄压槽泄压，然后由出气孔排出；关节臂机芯主轴转动时，读数头读取圆光栅盘的读数。
4.根据权利要求3所述基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节的支承方法，其特征在于：所述的读数头外接数据采集卡存储和传输转角数据。
5.根据权利要求3所述基于静压气浮轴承的AACMM高精度关节的支承方法，其特征在于：给调节孔通入加压气体，调节孔的加压气体经间隙调节板和止推盘之间的径向间隙进入止推盘与止推轴承一及止推轴承二之间的间隙，将止推盘与止推轴承一之间的间隙和止推盘与止推轴承二之间的间隙调节成相等。
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