CN105823435B - 一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置及齿轮测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及齿轮测量技术领域，特别涉及一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置及齿轮测量方法，本发明的齿轮测量装置包括工作台,所述工作台上设有工件回转台和带有可旋转测量头的三坐标平移装置,所述工件回转台上垂直设有标零转轴，所述三坐标平移装置包括固定在工作台上的X轴导轨，所述X轴导轨上滑动设有Y轴导轨，所述Y轴导轨上滑动设有Z轴导轨，所述Z轴导轨上滑动设有滑架，所述滑架上设有可旋转的激光位移传感器。本发明的齿轮测量装置，采用激光位移传感器进行被测齿廓上各测量点坐标位置的采集，相比接触工件测量的触头测量，具有测量精度高，测量是无需进行测头运动路径的规划，简化测量过程的优点。

Description

一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置及齿轮测量方法

技术领域

本发明涉及齿轮的齿轮检测技术领域，特别涉及一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置及齿轮测量方法。

背景技术

齿轮测量技术可以分为接触式测量和非接触式测量两大类，目前广泛使用的是通过触发式或扫描式传感测头与几何形体表面接触而记录形体表面点的三维坐标位置的接触式测量方法，这种方法的测量速度慢、操作也比较繁琐。测量齿轮时测头与被测面接触，齿轮旋转时测头沿齿廓轨迹运动。此种方法有接触测头半径较大带来的横向分辨率问题，而且需要提前规划测头运动路径。广泛使用的接触式测量能够有效的对直齿轮，斜齿轮等进行测量，但是无法测量渐开线弧齿圆柱齿轮。接触式测量在应对一般齿轮时，接触的齿面是平面，法向量方向是固定的，因此较容易通过测头中心位置、半径与法向量计算出测点的实际位置。当接触式测头测量弧齿圆柱齿轮时，接触齿面是曲面，接触点的法向量是不断变化的，因为测头体积的存在使得理论接触点与实际接触点存在差异，要对测头位置进行补偿有一定的困难且耗费大量计算。由于以上不足使得现有的齿轮测量装置难以测量圆锥齿轮和弧齿圆柱齿轮等齿面形状复杂的零件。

激光位移传感器通常使用激光三角法测量位移数据，激光三角法在测量过程中采用激光光源作为测量的光源，激光器的轴线、成像物镜的光轴以及CCD线阵，三者位于同一个平面内，将一个理想的光斑投射在被测表面上。该光斑将随其投射点位置的深、高度坐标变化而沿着激光器的轴向作同样距离的位移。光斑同时又通过物镜成像在CCD线阵上，且成像位置与光斑的深度，位置有唯一的对应关系，如图。测出CCD线阵上所成实像的中心位置，即可通过光斑与其在CCD线阵上所成像点的位置几何光学关系求出光斑的高度坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数。

发明内容

本发明针对现有的齿轮测量技术存在的问题，提供一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置及齿轮测量方法，以避免接触式测量中触头形状影响而造成的测量不便和测量精度不高的问题。

本发明首先提供的一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置，包括工作台,所述工作台上设有工件回转台和带有可旋转测量头的三坐标平移装置,所述工件回转台上垂直设有标零转轴，所述三坐标平移装置包括固定在工作台上的X轴导轨，所述X轴导轨上滑动设有Y轴导轨，所述Y轴导轨上滑动设有Z轴导轨，所述Z轴导轨上滑动设有滑架，所述滑架上设有可旋转的激光位移传感器。

本发明的齿轮测量装置，采用激光位移传感器进行被测齿廓上各测量点坐标位置的采集，相比接触工测量的触头测量，具有测量精度高，测量是无需进行测头运动路径的规划，简化测量过程的优点。

作为本发明测量装置的进一步改进，所述滑架上设有分度盘，所述激光位移传感器设置在分度盘上随分度盘同步转动。本发明的测量装置，将激光位移传感器安装在分度盘，增加了激光位移传感器的调节角度的自由度，可以方便不同节锥角锥齿轮的测量。

为便于实现测量头位置的移动调节，所述三坐标平移装置通过伺服电机驱动并通过控制器控制激光位移传感器沿工作台的X轴导轨或Y轴导轨或Z轴导轨移动，所述回转工作台底部设有回转驱动装置。

本发明还提供一种采用上述基于激光位移传感器的齿轮测量装置的齿轮测量方法，包括如下步骤：

（1） 通过伺服电机驱动激光位移传感器沿X轴、Y轴导轨运动，并采集标零转轴外圆周的数据点，以标定被测齿轮坐标系中心轴的位置；

（2） 将被测齿轮平置在工件回转台上，并使被测齿轮的中心轴与标零转轴的中心重合，调节分度盘的角度，使激光位移传感器发射的激光束直射到被测齿轮的齿廓上，并沿激光束的投射方向驱动激光位移传感器的位置，使得被测齿轮的齿廓处于激光位移传感器量程内；

（3） 旋转工件回转台，激光位移传感器发射的激光束依次直射被测齿轮的齿廓上，采集激光束在被测齿廓上投射点相对被测量齿轮坐标系中心轴的位移数据并转化为极坐标；

（4） 将上步测得的齿廓的坐标点描述拟合，以判定被测齿廓的误差。

通过本发明的方法，可以实现包括直齿圆柱齿轮、锥齿轮及弧面齿轮的测量，测量过程中不需要提前规划测量头的运动路径，简单测量方法、并且提高齿轮测量精准度。

为进一步实现本发明的测量方法，所述步骤（1）中坐标系的标定方法为：将激光位移传感器移动到工件回转台外周侧向，旋转分度盘使激光位移传感器发射的激光水平直射在标零转轴圆周面上，然后保持Y，Z向导轨不动，同时沿X向导轨向圆周面另一侧开始间隔等距移动，并采集数据点P₁,P₂,P₃…P_n，P_n+1…，当被采集点逐渐靠近标零转轴的中心时，激光在标零转轴外周的入射点沿Y向位移值d_n逐渐减小再逐渐变大，当位移值第一次开始增大即d_n>d_n-1时，则减小采集点的间距反向移动并比较，并反复移动比较，直到相邻采集点的位移值大小无突变时，被测齿轮坐标系中心轴所在的Y坐标为（X₀，Y₀）， 此时激光束的发射方向正好通过标零转轴的中心轴线。

作为本发明方法优选，所述步骤（2），将被测齿轮置于工件回转台上，通过伺服电机调节Z向高度，使激光位移传感器发射的激光束投射方向正好通过被测量齿廓中心，同时测量过程中保持X坐标不变，通过控制器驱动伺服电机调节激光位移传感器沿Y向导轨运动至靠近齿轮表面，使被测齿轮的齿廓齿根圆处于激光位移传感器标准量程D处，此时，激光位移传感器的位移量示值为零。当被测点距离正好为激光位移传感器的标准量程D时, 则激光位移传感器位移值示值为零，当距离小于D时，示值为正；距离大于D时，示值为负。

作为本发明方法另一方面优选，所述步骤（3）中，具体为:回转驱动装置驱动工件回转台带动被测齿轮转动，同时激光位移传感器将激光束投射到被测齿轮的齿廓上，进行轮廓上被测点的坐标数据的采集，并以被测量齿轮坐标系中心轴为极点，以被测点距标零转轴中心点的距离为极径，以工件回转台旋转的角度为极角记录被测点的极坐标，相邻被测点的极角间隔相同，依次采集被测齿轮整个齿廓周上的各测量点,直至工件回转台回转360º，同时激光位移传感器将测得的各点的极坐标值反馈至计算机微处理器进行记录。

为便于实现直齿轮和弧面齿轮的测量，所述步骤(2)中被测齿轮为圆柱齿轮时（圆柱齿轮包括直齿圆柱齿轮和弧齿圆柱齿轮），被测齿轮坐标系中心轴的坐标为：（X₀，Y₀，Z），Y₀= Y’＋D＋R_f，其中，Y’为激光位移传感器中心点的Y坐标值通过Y导轨的位置坐标读出，D为激光位移传感器的标准量程， R_f为齿根圆到齿轮中心轴的距离；步骤（3）中，工件回转台带动被测齿轮绕被测量齿轮坐标系中心轴转动时，旋转角度为θ1时，激光束在齿廓上的投射点示值为D₁，齿廓投射点的坐标为（X₀，Y₁，），其中Y₁= Y’+D-D₁,则激光束在廓上的投射点极径即为齿廓相对被测量齿轮坐标系在θ₁处的极坐标为：（θ₁，ρ₁），其中，ρ₁= Y₀- Y₁；工件回转台继续回转下一θ₁角度，测得被测齿廓相对被测量齿轮坐标系在θ₂处的极坐标为（2θ₁，ρ₂），直至工件回转台回转360º，完成同一齿宽处的一周齿的测量。

为便于实现锥齿轮的测量，所述步骤(2)中被测齿轮为圆锥齿轮时，将齿轮大面朝下平置在工件回转台上后，并调整至与标零转轴同轴，将激光位移传感器沿Z轴移动Z₀至被测齿轮斜上方，分度盘旋转α角度，α为被测圆锥齿轮的节锥角，沿Y向导轨调节使激光束正好直射于被测齿轮的当量齿廓上，并使激光位移传感器的位移量示值为零，则被测当量齿廓的中心点O’的坐标为（X₀，Y₀），激光位移传感器中心点的Y作标为Y”，步骤（3）中，工件回转台带动被测齿轮转动，旋转角度为θ1时，激光束在齿廓上投射点的位移转化为当量齿廓所在的极坐标系中，激光束在齿廓上投射点的示值为D₁’,则θ1处齿廓上测量点在当量齿廓坐标系中的极坐标为(θ1,ρ₁’)， ρ₁’=｜Y_0- Y” ｜/cosα-（D-D₁’）；工件回转台继续回转下一θ1角度，继续测量2θ1角度处被测齿廓在被测量齿廓坐标系中的极坐标，直至工件回转台旋转360 º完成整个当量齿廓周上的齿廓测量。

附图说明

图1为本发明的基于激光位移传感器的齿轮测量装置结构示意图。

图2为本发明的直齿轮或弧面齿轮测量方法的示意图。

图3为本发明的锥齿轮测量方法的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1为本发明的基于激光位移传感器的齿轮测量装置，包括工作台8,工作台8上设有工件回转台1和带有可旋转测量头的三坐标平移装置,工件回转台1上垂直设有标零转轴2，三坐标平移装置包括固定在工作台8上的X轴导轨7，X轴导轨7上滑动设有Y轴导轨6，Y轴导轨6上滑动设有Z轴导轨5，Z轴导轨5上滑动设有滑架，滑架上设有可旋转的激光位移传感器4；为便于调节激光投射的角度，滑架上设有分度盘3，激光位移传感器3设置在分度盘上随分度盘同步转动；为便于沿XYZ向导轨调节激光位移传感器的位置，以适应不同规格类别的齿轮测量，三坐标平移装置通过伺服电机驱动并通过控制器控制激光位移传感器沿工作台的X轴导轨或Y轴导轨或Z轴导轨移动，回转工作台底部设有回转驱动装置以驱动回转工件台以设定的角速度转动。

本发明的齿轮测量装置，采用激光位移传感器4进行被测齿廓上各测量点坐标位置的采集，相比接触工测量的触头测量，具有测量精度高，测量是无需进行测头运动路径的规划，简化测量过程的优点。

实施例2

如图2所示，采用本发明的齿轮测量装置进行直齿轮或弧面齿轮的测量方法通过如下步骤实现。

第一步，通过伺服电机驱动激光位移传感器沿X轴、Y轴导轨运动，并采集标零转轴外圆周的数据点，以标定被测齿轮中心轴坐标系的位置。具体为将激光位移传感器4移动到工件回转台1外周侧向，旋转分度盘3使激光位移传感器4发射的激光水平直射在标零转轴2圆周面上，然后保持Y，Z向导轨不动，将激光位移传感器4沿X向导轨7向圆周面另一侧开始间隔等距移动，并采集间隔数据点P₁,P₂,P₃…P_n，P_n+1…，当被采集点逐渐靠近标零转轴2的中心时，激光束在标零转轴2外周的入射点沿Y向位移值d_n逐渐减小再逐渐变大，当位移值第一次开始增大即d_n>d_n-1时，则减小采集点的间距反向移动并比较，反复移动比较，直到相邻采集点的位移值大小无突变时，两相邻点的中心即为被测齿轮坐标系中心轴所在的坐标为（X_0，Y₀），此时激光束的发射方向正好通过标零转轴的中心轴线。

第二步，将被测齿轮平置在工件回转台上，并使被测齿轮的中心轴与标零转轴的中心重合，调节分度盘的角度和Z向的高度，使激光位移传感器4发射的激光束投射方向正好通过被测量齿廓中心，同时测量过程中保持X坐标不变，通过控制器驱动伺服电机调节激光位移传感器4沿Y向导轨运动至靠近齿轮表面，使被测齿廓齿根圆处于激光位移传感器4有效量程D处，此时，激光位移传感器4的位移量示值为零。作标Y₀= Y’＋D＋R_f，Y’为激光位移传感器中心点的Y坐标值通过Y导轨的位置坐标读出，D为激光位移传感器的标准量程，R_f为齿根圆到齿轮中心轴的距离。

第三步，开始齿轮测量，工件回转台1带动被测齿轮绕被测量齿轮坐标系中心轴转动，旋转角度为θ₁时，激光束在齿廓上的投射点位移示值为D₁，齿廓投射点的坐标为（X₀，Y₁），其中Y₁= Y’+D-D₁,则激光束在齿廓上的投射点极径即为齿廓相对被测量齿轮坐标系在θ1处的极坐标为：（θ₁，ρ₁），其中，ρ₁= Y₀- Y₁；当工件回转台继续回转下一θ₁角度，测得被测齿轮的齿廓相对被测齿轮坐标系在θ₂处的极坐标为（2θ₁，ρ₂），直至工件回转台回转360º，完成同一齿宽处的一周齿廓的测量。

第四步，将上步测得的各点以的极坐标值在极坐标系中进行描点拟合，分析判定被测廓的误差。完成本实施例中齿轮的测量。

实施例3

如图3所示，采用本发明的齿轮测量装置进行锥齿轮的测量方法通过如下步骤实现实施例2不同之处体现在如下几步。

第二步，将被测锥齿轮大面朝下平置在工件回转台上后，并调整至与标零转轴同轴，将激光位移传感器沿Z轴移动Z₀至被测齿轮斜上方，分度盘旋转α角度，α为被测圆锥齿轮的节锥角，沿Y向导轨调节使激光束正好直射于被测齿轮的当量齿廓上，并使激光位移传感器的位移量示值为零，则被测当量齿廓的中心点O’的坐标为（X₀，Y₀），激光位移传感器中心点的Y作标为Y”。第三步中，工件回转台1带动被测齿轮转动，旋转角度为θ₁时，激光束在齿廓上投射点的位移转化为当量齿廓所在的极坐标系的坐标，激光束在齿廓上投射点的位移为D₁’,则θ₁处齿廓上测量点在当量齿廓坐标系中的极坐标为(θ₁,ρ₁’)， ρ₁’=｜Y_0- Y” ｜/cosα-（D-D₁’）；工件回转台继续回转下一θ₁角度，继续测量2θ₁角度处被测齿廓在被测量齿廓坐标系中的极坐标，直至工件回转台旋转360 º完成整个当量齿廓周上的齿廓测量。通过本实施例的上述方法，通过激光位移传感器的调节Z向高度，可以实现不同锥面厚度处当量齿廓的测量。

Claims (5)

1.一种基于激光位移传感器的齿轮测量装置进行齿轮测量的方法，所述齿轮测量装置包括工作台,所述工作台上设有工件回转台和三坐标平移装置,所述工件回转台上垂直设有标零转轴，所述三坐标平移装置包括固定在工作台上的X轴导轨，所述X轴导轨上滑动设有Y轴导轨，所述Y轴导轨上滑动设有Z轴导轨，所述Z轴导轨上滑动设有滑架，所述滑架上设有可旋转的激光位移传感器；所述滑架上设有分度盘，所述激光位移传感器设置在分度盘上随分度盘同步转动；所述三坐标平移装置通过伺服电机驱动并通过控制器控制激光位移传感器沿工作台的X轴导轨或Y轴导轨或Z轴导轨移动，所述回转工作台底部设有回转驱动装置；其特征在于，齿轮测量方法包括如下步骤：

（1）通过伺服电机驱动激光位移传感器沿X轴、Y轴导轨运动，并采集标零转轴外圆周的数据点，以标定被测齿轮坐标系中心轴的位置；所述坐标系中心轴的标定方法为：将激光位移传感器移动到工件回转台外周侧向，旋转分度盘使激光位移传感器发射的激光水平直射在标零转轴圆周面上，然后保持Y向，Z向导轨不动，同时沿X向导轨向圆周面另一侧开始间隔等距移动，并采集数据点P₁,P₂,P₃…P_n，P_n+1…，当被采集点逐渐靠近标零转轴的中心时，激光在标零转轴外周的入射点沿Y向位移值d_n逐渐减小再逐渐变大，当位移值第一次开始增大即d_n>d_n-1时，则减小采集点的间距反向移动并比较，并反复移动比较，直到相邻采集点的位移值大小无突变时，被测齿轮坐标系中心轴所在的Y坐标为（X₀，Y₀），此时激光束的发射方向正好通过标零转轴的中心轴线；

（2）将被测齿轮平置在工件回转台上，并使被测齿轮的中心轴与标零转轴的中心重合，调节分度盘的角度，使激光位移传感器发射的激光束直射到被测齿轮的齿廓上，并沿激光束的投射方向驱动激光位移传感器的位置，使得被测齿轮的齿廓处于激光位移传感器量程内；

（3）旋转工件回转台，激光位移传感器发射的激光束依次直射被测齿轮的齿廓上，采集激光束在被测齿轮的齿廓上的投射点相对被测齿轮坐标系中心轴的位移数据并转化为极坐标；

（4）将上步测得的齿廓的坐标点描点拟合，以判定被测齿轮的齿廓误差。

2.根据权利要求1所述的齿轮测量方法，其特征在于，所述步骤（2），将被测齿轮置于工件回转台上，通过伺服电机调节Z向高度，使激光位移传感器发射的激光束投射方向正好通过被测齿轮的齿廓中心，同时测量过程中保持X坐标不变，通过控制器驱动伺服电机调节激光位移传感器沿Y向导轨运动至靠近齿轮表面，使被测齿轮的齿廓齿根圆处于激光位移传感器标准量程D处，此时，激光位移传感器的位移量示值为零。

3.根据权利要求2所述的齿轮测量方法，其特征在于，所述步骤（3）中，具体为:回转驱动装置驱动工件回转台带动被测齿轮转动，同时激光位移传感器将激光束投射到被测齿轮的齿廓上，进行轮廓上被测点的坐标数据的采集，并以被测齿轮坐标系中心轴为极点，以被测点距标零转轴中心点的距离为极径，以工件回转台旋转的角度为极角记录被测点的极坐标，相邻被测点的极角间隔相同，依次采集被测齿轮整个齿廓周上的各测量点,直至工件回转台回转360º，同时激光位移传感器将测得的各点的极坐标值反馈至计算机微处理器进行记录。

4.根据权利要求3所述的齿轮测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中被测齿轮为圆柱齿轮时，被测齿轮坐标系中心轴的坐标为：（X₀，Y₀，Z），Y₀= Y’＋D＋R_f，其中，Y’为激光位移传感器中心点的Y坐标值通过Y导轨的位置坐标读出，D为激光位移传感器的标准量程， R_f为齿根圆到齿轮中心轴的距离；步骤（3）中，工件回转台带动被测齿轮绕被测齿轮坐标系中心轴转动时，旋转角度为θ₁时，激光束在齿廓上的投射点示值为D₁，齿廓投射点的坐标为（X₀，Y₁，），其中Y₁= Y’+D-D₁，则激光束在廓上的投射点极径即为齿廓相对被测齿轮坐标系在θ₁处的极坐标为：（θ₁，ρ₁），其中，ρ₁= Y₀- Y₁；工件回转台继续回转下一θ₁角度，测得被测齿轮的齿廓相对被测齿轮坐标系在θ₂处的极坐标为（2θ₁，ρ₂），直至工件回转台回转360º，完成同一齿宽处的一周齿的测量。

5.根据权利要求3所述的齿轮测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中被测齿轮为圆锥齿轮时，将齿轮大面朝下平置在工件回转台上后，并调整至与标零转轴同轴，将激光位移传感器沿Z轴移动Z₀至被测齿轮的斜上方，分度盘旋转α角度，α为被测圆锥齿轮的节锥角，沿Y向导轨调节使激光束正好直射于被测齿轮的当量齿廓上，并使激光位移传感器的位移量示值为零，则被测齿轮的当量齿廓的中心点O’的坐标为（X₀，Y₀），激光位移传感器中心点的Y作标为Y”，步骤（3）中，工件回转台带动被测齿轮转动，旋转角度为θ₁时，激光束在齿廓上投射点的位移转化为被测齿轮的当量齿廓所在的极坐标系中，激光束在齿廓上投射点的示值为D₁’,则θ₁处齿廓上测量点在当量齿廓所在的坐标系中的极坐标为(θ₁,ρ₁’)，ρ₁’=｜Y₀- Y”｜/cosα-（D-D₁’）；工件回转台继续回转下一θ₁角度，继续测量2θ₁角度处被测齿轮的齿廓在被测量齿轮坐标系中的极坐标，直至工件回转台旋转360 º完成整个当量齿廓周上的齿廓测量。