一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器
阅读说明：本技术 一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器 (Large-size hollow shaft integrated angle sensor with four uniformly distributed reading heads ) 是由 刘喜平 霍国亮 徐玮珩 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器,包括密珠轴套,所述密珠轴套内安装有密珠轴,密珠轴的上端安装有上止推板,上止推板的上端安装有圆光栅,所述密珠轴套的外圈上端均布安装有4个读数头,所述密珠轴套的内侧与密珠轴之间经中保持架安装有径向钢球,所述密珠轴套的下端与密珠轴之间经下保持架安装有下钢球,所述密珠轴套的上端与上止推板之间经上保持架安装有上钢球,所述密珠轴的下端安装有过渡轴。本发明依靠过渡轴在与密珠轴的联接可过滤微小的轴向跳动量,依靠4个均布的读数头,可以实时的消除圆光栅的径向跳动量,这样在轴向和径向两个方面对圆光栅均实现了补偿。(The utility model provides a four equipartition reading heads jumbo size quill shaft integral type angle sensor, includes the dense pearl axle sleeve, install the dense pearl axle in the dense pearl axle sleeve, the upper end push pedal is installed to the upper end of dense pearl axle, and the circular grating is installed to the upper end of going up the push pedal, 4 reading heads are installed to the outer lane upper end equipartition of dense pearl axle sleeve, radial steel ball is installed through well retainer between the inboard of dense pearl axle sleeve and the dense pearl axle, install down the steel ball through the lower retainer between the lower extreme of dense pearl axle sleeve and the dense pearl axle, install the steel ball through last retainer between the upper end of dense pearl axle sleeve and the upper end push pedal, the transition axle is installed to the lower extreme of dense pearl axle. The invention can filter small axial runout by connecting the transition shaft with the ball-sealing shaft, and can eliminate the radial runout of the circular grating in real time by 4 uniformly distributed reading heads, thereby realizing compensation on the circular grating in both axial and radial directions.)
技术领域
本发明属于角度传感器测试及应用领域，涉及一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器。
背景技术
常用角度传感器有圆光栅、同步器、时栅和旋转变压器等，其中圆光栅作为一种精密测量工具，已在精密仪器、精确定位和高精度精密加工等领域有广泛的应用。
按照圆光栅与读数头的配合方式角度传感器可以分为两种：（1）带内置轴承的一体式角度传感器；（2）不带内置轴承的分体式角度传感器。而最常见到的角度传感器大多数均为分体式的，即都是不带内置轴承的。
一体式角度传感器，生产厂家在出厂时已经将圆光栅和读数头之间的位置关系固定，外部机械接口只有两种，最外圈的定子法兰与用户基座联接，内圈的转子法兰与用户主轴联接，不需要调整圆光栅的径向和轴向跳动，也不需要调整读数头与圆光栅之间的位置关系，使用起来方便和高效；分体式角度传感器，在用户实际使用时，圆光栅和读数头是分体的，需要用户自己安装圆光栅，并调整径向和轴向的跳动，在两个方向的跳动误差调整完毕以后，再调整读数头与圆光栅之间的位置关系，在全部工作完成以后机械装配工作才算完成。
其现存的主要问题是：1）对于中空直径大于φ150mm的应用场合，现有的一体式角度传感器无法满足使用要求，只能选用分体式角度传感器圆光栅实现，圆光栅可选尺寸范围大，常见尺寸范围是φ30mm～φ400mm，因此对于φ150mm以上的中空应用中，可采用自制精密轴系配分体式圆光栅的方式，形成一体式角度传感器进行使用；2）由于制造和安装误差，导致圆光栅的实际输出精度与本身的系统精度之间存在偏离，圆光栅误差主要在两个方面：（1）内在原因，即圆光栅系统误差，包括圆光栅制造误差和信号处理电路误差；（2）外在原因，即安装轴系误差，包括使用轴系自身的跳动误差和圆光栅的安装误差。
在使用过程中由内在原因引起的误差无法改变，只能修正外在原因引起的误差，目前修正圆光栅误差的措施：（1）在外部轴系一定的情况下，用千分表修正圆光栅的偏心误差；（2）利用自准直仪和多面棱体测量圆光栅旋转一圈的读数，利用测得的数据修正圆光栅的系统误差。（3）由于圆光栅安装存在偏心误差，依靠单读数头很难消除系统误差，在高精度测角系统中经常使用多个读数头来实时的消除光栅径向跳动引入的系统误差。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器，以解决上述背景技术中的问题，本发明采用密珠轴承实现高精度轴系，减小主轴跳动，进而减小圆光栅跳动；采用4个均布的读数头实时修正圆光栅径向误差；同时采用过渡轴实现间接与外部主轴联接，可隔离轴向微小跳动量。
为实现上述目的而采取的技术方案是，一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器，包括密珠轴套，所述密珠轴套内安装有密珠轴，密珠轴的上端安装有上止推板，上止推板的上端安装有圆光栅，所述密珠轴套的外圈上端均布安装有4个读数头，所述密珠轴套的内侧与密珠轴之间经中保持架安装有径向钢球，所述密珠轴套的下端与密珠轴之间经下保持架安装有下钢球，所述密珠轴套的上端与上止推板之间经上保持架安装有上钢球，所述密珠轴的下端安装有过渡轴。
进一步，所述密珠轴套的外圈上端固定安装有4个读数头，4个所述的读数头均布在圆光栅的四周。
进一步，所述上止推板的下端面与密珠轴的上端面固联，上止推板的下端面与多个所述的上钢球点面接触，上止推板的上端面上固定安装圆光栅。
进一步，所述密珠轴的下端通过过渡轴与与外部输入轴的轴端联接。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
1.本发明安装使用方便，可以做到快速拆装，同时也有利于后期维修；
2.本发明采用自制的密珠轴系，结合圆光栅自身成本低和可选尺寸范围大的优点，可以降低使用成本，扩展一体化角度传感器的应用范围，有利于整体输出更加稳定精度。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的剖面图；
图2是本发明的结构俯视图；
图3是本发明的正面三维结构示意图；
图4是本发明的反面三维结构示意图；
图5是本发明中过渡轴的三维结构示意图；
图6是本发明中的中保持架的三维结构示意图；
图中所示：1.读数头，2.密珠轴套，3.下保持架，4.密珠轴，5.过渡轴，6.径向钢球，7.下钢球，8.上钢球，9.上保持架，10.中保持架，11.上止推板，12.圆光栅。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。
如图1-图6所示，一种四均布读数头大尺寸中空轴一体式角度传感器，包括密珠轴套2，所述密珠轴套2内安装有密珠轴4，密珠轴4的上端安装有上止推板11，上止推板11的上端安装有圆光栅12，所述密珠轴套2的外圈上端均布安装有4个读数头1，所述密珠轴套2的内侧与密珠轴4之间经中保持架10安装有径向钢球6，所述密珠轴套2的下端与密珠轴4之间经下保持架3安装有下钢球7，所述密珠轴套2的上端与上止推板11之间经上保持架9安装有上钢球8，所述密珠轴4的下端安装有过渡轴5。
所述密珠轴套2的外圈上端固定安装有4个读数头1，4个所述的读数头1均布在圆光栅12的四周。
所述上止推板11的下端面与密珠轴4的上端面固联，上止推板11的下端面与多个所述的上钢球8点面接触，上止推板11的上端面上固定安装圆光栅12。
所述密珠轴4的下端通过过渡轴5与主轴联接。
本发明以密珠轴套2为主支撑，密珠轴4布置在密珠轴套2的内孔内，上止推板11安装在密珠轴4的上端，在密珠轴套2和密珠轴4之间布置了径向钢球6和下钢球7，在密珠轴套2上端和上止推板11之间布置了上钢球8，在上钢球8、径向钢球6和下钢球7处对应安装了上保持架9、中保持架10和下保持架3限制钢球的运动轨迹，以上零件组成了密珠轴系，保证圆光栅12有稳定精度的外部轴系输入。
所述圆光栅12直接安装在上止推板11的上端，用千分表校准圆光栅12的偏心量，使圆光栅12的输出信号达到最优，由于省略了中间转接轴，可减小圆光栅12的径向跳动误差。
在密珠轴套外圈的上端安装4个均布的读数头1，调节读数头1和圆光栅12之间的径向距离使光栅信号最强，并拧紧固定螺钉，使2个读数头1间隔180゜为一组，共分2组。
为了过滤掉由外部轴沿轴向传入的微小窜动量，在密珠轴4下端面安装了有弹性的过渡轴5，该过渡轴5直接与外部输入轴的轴端联接，以便最大限度的隔离密珠轴4以及圆光栅12受外部轴输入干扰因素的影响。
本发明在具体实施时，首先安装密珠轴系，将下保持架3上的3组通孔塞满下钢球7，再整体套入密珠轴套2的底部，使下钢球7与密珠轴4下部的止推面点接触；在中保持架10的3组通孔塞满径向钢球6，再整体套入密珠轴4的轴径；将密珠轴套2整体从上而下套入径向钢球6的外侧，并使密珠轴套2的下端面与下钢球7点接触，密珠轴套4的内圆柱面与径向钢球6点接触；在上保持架10的2组通孔塞满上钢球8，再整体套入密珠轴4的外圆，并使上钢球8与密珠轴套2的上端面点接触，最后用螺钉将上止推板11固定在密珠轴4的上端面。
所述密珠轴4和上止推板11组成圆光栅轴系的转子，密珠轴套2为圆光栅轴系的定子并支撑整个组件，以密珠轴套2为参考，圆光栅轴系转子被约束到一个自由度，仅允许绕轴线旋转。
将圆光栅12用螺钉固定在上止推板11的上端面，在螺钉拧紧之前应使用千分表反复校准圆光栅的偏心量至±0.002mm；然后依次调整4个读数头1与圆光栅12的径向距离，使读数头1的信号强度为最优，至此可确保圆光栅12输出精度为最佳。
在密珠轴4的下端面安装一个过渡轴5，由过渡轴5与外部轴系刚性联接，通过过渡轴5将外部轴系微小的变形量隔离，密珠轴4及上止推板11的跳动量仅取决于密珠轴系的跳动，圆光栅12输出精度的稳定性将不再受外部轴系跳动的影响。
在工程实施过程中，将密珠轴套2的外法兰与外部轴系的框架或基座联接，密珠轴4下端面安装具有微小弹性的过渡轴5，通过过渡轴5与外部轴系的轴端联接，依靠过渡轴5自身的特性，在传递外部轴角度信息的同时，又能过滤掉外部轴轴向的微小变化量。
通过4个均布的读数头1，实时的修正圆光栅12径向跳动，4个读数头中2个相隔180゜的为一组，共分2组；其中一组中2个读数头的增量信号值相加后除以2得到值为A1，另一组2个读数头的增量信号值相加后除以2得到值A2，将A1和A2相加后再次除以2后得到值A3为最终需要的圆光栅输出数值。
本发明将轴向跳动和径向跳动两个外部干扰因素均已有效的过滤，可以保证圆光栅稳定的输出自身的系统精度。
本发明中轴承是非标轴承，轴承是大中空结构，也同样适用于盲孔结构。
本发明中的安装的测角传感器件是圆光栅，也适圆感应同步器和旋转变压器轴向补偿。
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