基于電容測量原理的精密球鉸鏈多維運動位移測量方法研究.pdf

1、球鉸鏈是一種應(yīng)用較普遍的三自由度機械關(guān)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活等特點，已成為并聯(lián)機構(gòu)、工業(yè)機器人、汽車零部件和醫(yī)療器械等重要機械裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件。由于球鉸鏈的機構(gòu)結(jié)構(gòu)空間限制，合適的多維角度測量器件缺乏，目前的球鉸鏈一般沒有配置運動位移測量傳感器。但是，隨著機械裝備工作精度要求的不斷提高，對球鉸鏈運動精度的要求也越來越高，若能設(shè)計一種球鉸鏈的關(guān)節(jié)傳感器使之能夠?qū)崿F(xiàn)空間多維回轉(zhuǎn)角度的精密檢測，將有利于鉸鏈傳動的監(jiān)測與控制；開展球鉸鏈的

2、關(guān)節(jié)間隙測量方法研究，不僅可用于分析球鉸鏈間隙誤差的隨機性特點進而提高球鉸鏈傳動精度，而且可為系統(tǒng)誤差預(yù)測和反饋提供參考依據(jù)。因此，研究球鉸鏈多維運動位移檢測方法、研制多維位移測量傳感器裝置具有重要意義。
　　本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“基于柱狀電容傳感器的高精度主軸回轉(zhuǎn)誤差在線檢測方法研究（No.51275465）”和浙江省自然科學(xué)基金重點項目“基于球面電容傳感器的機器人精密球關(guān)節(jié)多維運動位移檢測研究（No.LZ16E050

3、001）”，以球鉸鏈空間多維運動位移測量為研究對象，基于電容測量原理，提出精密球鉸鏈的運動位移檢測方案，采用理論分析、計算機仿真和實驗研究相結(jié)合的方法，重點研究精密球鉸鏈二維回轉(zhuǎn)角度和關(guān)節(jié)間隙的檢測技術(shù)。
　　論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　第1章首先介紹論文的研究背景和意義，闡述了球鉸鏈的結(jié)構(gòu)和特點。然后綜述了球形轉(zhuǎn)子空間回轉(zhuǎn)角度和球面關(guān)節(jié)間隙檢測技術(shù)的國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，最后提出了論文研究的主要思路與框架結(jié)構(gòu)。
　　

4、第2章分析球鉸鏈的運動學(xué)原理，明確被測位移量，提出了基于球面電容傳感器的精密球鉸鏈多維運動位移檢測原理。介紹電容傳感器測量的基本原理和應(yīng)用，并且闡述了傳感器邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因和消減方法。
　　第3章基于變極板面積型的電容傳感器原理，提出一種球冠形電極結(jié)構(gòu)的球面電容傳感器用于精密球鉸鏈二維回轉(zhuǎn)角位移檢測的方法，建立球鉸鏈空間二維回轉(zhuǎn)角度與待測電容值關(guān)系的理論模型。分析了電容極板的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對傳感器的電容值影響，并通過 Ansoft

5、 Maxwell軟件仿真驗證了球鉸鏈二維回轉(zhuǎn)角度測量方案的可行性。
　　第4章基于變極板間隙型的電容傳感器原理，分別提出球冠形電極結(jié)構(gòu)和球面弧形電極結(jié)構(gòu)的球面電容傳感器用于精密球鉸鏈關(guān)節(jié)間隙測量的方法，建立測量電容值與球鉸鏈的球頭相對于球窩產(chǎn)生空間偏心位移關(guān)系的理論模型。分析了電容極板的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對傳感器的電容值影響，并通過Ansoft Maxwell軟件仿真驗證了球鉸鏈關(guān)節(jié)間隙測量方案的可行性。
　　第5章設(shè)計和搭建球鉸

6、鏈多維運動位移測量的模擬實驗平臺，主要對傳感器電極和實驗的部分輔助連接件等進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝調(diào)試等。然后分別對自制的、簡化結(jié)構(gòu)的球面電容傳感器原型開展球鉸鏈二維回轉(zhuǎn)角度測量和球鉸鏈單自由度偏心位移測量實驗研究，在靜態(tài)條件下對驅(qū)動電極和感應(yīng)電極之間的相對位移與傳感器電容值變化進行了檢測，通過商品化的精密電容測量儀測量極板間的電容值，將測量結(jié)果與理論電容值進行對比分析，驗證測量方案的可行性與正確性。
　　第6章對論文的研究工作進行總結(jié)