CN107167078A - 一种多自由度激光位移传感器系统及弧齿锥齿轮测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及齿轮测量技术领域，特别涉及一种多自由度激光位移传感器系统的结构以及基于这种测量系统仪器的弧齿锥齿轮测量方法。本发明的多自由度激光位移传感器系统由激光位移传感器和具有空间正交轴向旋转自由度的支架组成。在测量弧齿锥齿轮时，可以调整传感器支架的旋转位姿使得激光位移传感器尽可能与被测量的弧形齿线保持相同的空间倾斜姿态，以保证传感器发射的激光照射在被测齿轮齿面上的光斑点光源可以反射到传感器的接收窗上，使得齿轮测量过程中，采集的数据完整有效。本发明具有测量仪器结构简单，容易操作，灵活性高的特点。

Description

一种多自由度激光位移传感器系统及弧齿锥齿轮测量方法

技术领域

本发明涉及齿轮检测技术领域，特别涉及一种具有多自由度的激光位移传感器系统及弧齿锥齿轮测量方法。

背景技术

齿轮测量技术可以分为接触式测量与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量头接触被测零件几何形体表面点的三维坐标位置的接触式测量法。这种方法需要保证测量过程中，测头始终与被测零件表面紧密接触，由于测头球形触头半径的存在，测量复杂曲面零件会出现测量横向分辨率低的问题，而且接触式测量的实际接触点与理论接触点存在差异，要花费大量的计算在被测零件表面的法向对球形触头的半径进行补偿，降低了测量的效率。

目前，在齿轮测量技术领域中，一种将激光位移传感器作为测量传感器的非接触式测量方法，在测量齿轮时解决了接触式测量的横向分辨率低、测头运动路径繁琐的问题，能快速有效的对直齿轮、斜齿轮，以及锥齿轮等传统测量仪难以有效测量的特殊齿轮进行齿距、齿廓、齿圈跳动等偏差的精确测量，并能够分辨出6-12级精度的偏差，具有具有操作简单，测量精确，测量效率高的特点。然而，对于弧齿锥齿轮这种具有复杂凹凸曲面的齿轮零件，用激光位移传感器测量其齿轮各项参数时，因为被测齿面上的光斑点光源的反射光被未测齿面挡住，无法反射到传感器接收窗，所以常会出现丢失一侧齿面采集点数据的问题。

发明内容

本发明针对现有的弧齿锥齿轮激光测量技术存在的问题，提供一种具有多自由度的激光位移传感器系统及弧齿锥齿轮测量方法，以解决因被测齿面上的光斑点光源的反射光被未测齿面挡住，无法反射到传感器接收窗，而出现的丢失一侧齿面采集点数据的问题。

本发明首先提供了一种多自由度激光位移传感器系统，包括底座、回转架、旋转平台、快装夹台、锁紧旋钮。底座上通过旋转机构设有与其同中心轴线Ⅰ轴的回转架，回转架可绕底座的中心轴线Ⅰ轴相对底座做360°自由旋转运动，回转架相对底座的位姿可通过底座的锁紧旋钮固定。所述回转架上通过旋转机构设有旋转平台，且旋转平台可相对回转架沿Ⅱ轴做180°的自由旋转运动，旋转平台上通过沉头锁紧螺丝安装有快装夹台。所述快装夹台通过压板与锁紧旋钮可以装夹激光位移传感器，其结构如图1所示。

为便于实现激光位移传感器空间位姿的准确调整，所述支架的底座与旋转平台上设有旋转分度刻线。

为便于支架的安装，底座底部设有螺纹孔，且支架底座与z向导轨的滑台通过螺纹连接。

为便于实现弧齿锥齿轮的测量，所述激光位移传感器系统安装在多坐标移动装置上，可通过控制系统驱动多坐标移动装置的测量回转台以及x、y、x三坐标移动装置的运动，以实现测量回转台的旋转与激光位移传感器位置的调整。所述多坐标移动装置包括具有光栅反馈的x、y、x三个直线运动轴的坐标移动导轨以及一个具有圆光栅反馈的回转装置，其结构如图2所示。

为便于实现弧齿锥齿轮的测量，本发明采用的测量装置以激光位移传感器为测量传感器，所述的激光位移传感器的读数H_i为被测工件表面上的光斑点在激光直线方向上偏离传感器零位的位移。所述激光位移传感器零位，位于沿激光射线方向距离光源发射点50mm的位置，且光斑点照射在零位时，激光位移传感器的读数为零，当被测点距离小于50mm时读数H_i为正，当被测点距离大于50mm时读数H_i为负。

本发明还提供一种采用上述具有多自由度的激光位移传感器系统的弧齿锥齿轮测量方法，包括如下过程步骤。

1）在测量控制系统中，通过伺服电机驱动激光位移传感器系统沿测量装置的x轴、y轴导轨运动，使得激光位移传感器的激光发射点运动到标定的测量回转台的中心位置。

2）如图3和4所示，将被测齿轮平置装夹在测量回转台上，使得被测零件的中心轴线与回转台中心轴线重合，使激光位移传感器发射的激光束在被测弧齿锥齿轮的轴截面内垂直于分锥线并照射到被测齿轮齿宽中点处的齿廓上，沿着激光束投射的方向驱动激光位移传感器的位置，使得被测齿廓处于激光位移传感器的量程内；调节支架的两个正交轴向旋转机构并用锁紧旋钮锁紧，使得激光位移传感器尽可能与被测量的弧形齿线保持相同的空间倾斜姿态，以保证激光位移传感器发射的激光照射在被测齿轮齿面上的光斑点光源可以反射到激光位移传感器的接收窗上，使得齿轮测量过程中，采集的数据完整有效。

3）在控制系统中驱动测量回转台旋转一周360°。随着测量回转台的旋转，激光位移传感器发射的激光束依次直射到被测齿轮齿宽中点处的所有齿廓上，在测量过程中，计算机控制激光位移传感器以一定的时间间隔对被测齿廓处的光斑点位置信息根据圆光栅及激光位移传感器读数的反馈值进行采样。

4）将激光位移传感器采集到的数据，进行坐标系转换，在直角坐标系中将离散的采集点拟合得到齿轮实际齿廓线并与理论的齿廓线进行比较，分析计算被测齿轮的齿廓、齿距、齿厚以及齿槽径向跳动误差。

为便于实现弧齿锥齿轮的各项参数误差分析，激光位移传感器在齿轮旋转一周后将齿宽中点处的锥齿轮轮廓转化成一系列离散数据点，每个数据点同时对映一个光栅位置。通过分析这些数据点的相对位置，可以计算出该齿轮的偏差数据。设所有采样数据点为R={N₁，N₂，N₃，……N_n},N_i=（H_i,P_i），。激光位移传感器获得的是齿廓上各点相对于中点分度圆的位移值H，对应的光栅位置为Y。将测量的圆锥面的齿廓在平面上展开成当量齿轮，利用如下公式(3)将测量数据转化为坐标量，根据齿廓在直角坐标系中的位置x_i，y_i拟合得到被测齿轮在齿宽中点处的实际齿廓，利用几何坐标法计算锥齿轮的单项几何偏差。

当量圆锥展开后对应的圆心角:

(1)

任意采样点对应的展开扇面上的位置角:

根据位移数据H_i与对应的位置角，任意采样点在平面坐标系XOY中的坐标为：

（3）

式中， H_i为激光位移传感器的读数，m_e为模数，R_e为外锥距，Z为齿数，b为齿宽，δ为分锥角，齿宽系数，常用0.3，且所有齿轮参数为待测锥齿轮的大端参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明多自由度激光位移传感器系统由激光位移传感器和具有空间正交轴向旋转自由度的支架组成。在测量弧齿锥齿轮时，可以调整传感器支架的旋转位姿使得激光位移传感器尽可能与被测量的弧形齿线保持相同的空间倾斜姿态，以保证传感器发射的激光照射在被测齿轮齿面上的光斑点光源可以反射到传感器的接收窗上，使得齿轮测量过程中，采集的数据完整有效。本发明有效的解决了使用激光位移传感器进行弧齿锥齿轮这类具有复杂凹凸齿面的零件测量时，因被测齿面上的光斑点光源的反射光被未测齿面挡住，无法反射到传感器接收窗，而出现的丢失一侧齿面采集点数据的问题，具有测量仪器结构简单，容易操作，灵活性高的特点。

附图说明

图1所示的是多自由度激光位移传感器系统的结构

图2所示的是多自由度激光位移传感测量装置结构

图3是弧齿锥齿轮测量方法正视平面示意图；

图4是弧齿锥齿轮测量方法空间示意图。

图中：底座1、回转架2、旋转平台3、快装夹台4、锁紧旋钮5、激光位移传感器6、工作台7、测量回转台8、尾顶机构9、z轴导轨10、y轴导轨11、x轴导轨12、弧齿锥齿轮13。

具体实施方式

如图1所示的为本发明提出的一种多自由度激光位移传感器系统，包括底座1、回转架2、旋转平台3、快装夹台4、锁紧旋钮5。底座1上通过旋转机构设有与其同中心轴线Ⅰ轴的回转架2，回转架2可绕底座1的中心轴线Ⅰ轴相对底座1做360°自由旋转运动，回转架2相对底座1的位姿可通过底座1的锁紧旋钮固5定。所述回转架2上通过旋转机构设有旋转平台3，且旋转平台3可相对回转架沿Ⅱ轴做180°的自由旋转运动，旋转平台3上通过沉头锁紧螺丝安装有快装夹台4。所述快装夹台4通过压板与锁紧旋钮5可以装夹激光位移传感器6。

如图2所示的为本发明采用的激光位移测量装置，包括工作台7，所述工作台7上设有带激光位移传感器系统的三坐标平移装置和测量回转台8及尾顶机构9。所述三坐标平移装置包括固定在工作台7上的x轴导轨12，所述x轴导轨12上设有滑动y轴导轨11，所述y轴导轨11上设有滑动z轴导轨10，所述z轴导轨10的滑台与支架底座1通过螺纹连接，所述支架的快装夹台4上装有激光位移传感器6。其中所述测量回转台8由带有圆光栅的精密伺服旋转力矩电机通过控制器直接驱动。所述三坐标平移装置10、11、12采用配有高精度光栅的精密滚珠丝杠导轨传动，并由伺服电机驱动丝杠转动。控制系统使用多轴控制卡通过自主编程实现对激光位移传感器的运动控制。

本发明提出的一种采用上述具有多自由度的激光位移传感器系统的弧齿锥齿轮测量方法，具体实施步骤如下。

1）在测量控制系统中，通过伺服电机驱动激光位移传感器系统沿测量装置的x轴、y轴导轨运动12、11，使得激光位移传感器6的激光发射点运动到标定的测量回转台8的中心位置。

2）如图3和4所示，将被测弧齿锥齿轮13平置装夹在测量回转台8上，使得被测零件13的中心轴线与回转台8中心轴线重合，使激光位移传感器6发射的激光束在被测弧齿锥齿轮13的轴截面内垂直于分锥线并照射到被测齿轮齿宽中点处的齿廓上，沿着激光束投射的方向驱动激光位移传感器6的位置，使得被测齿廓处于激光位移传感器6的量程内；调节支架的两个正交轴向旋转机构并用锁紧旋钮5锁紧，使得激光位移传感器6尽可能与被测量的弧形齿线保持相同的空间倾斜姿态，以保证激光位移传感器6发射的激光照射在被测弧齿锥齿轮13齿面上的光斑点光源可以反射到激光位移传感器6的接收窗上，使得齿轮测量过程中，采集的数据完整有效。

3）在控制系统中驱动测量回转台8旋转一周360°。随着测量回转台8的旋转，激光位移传感器6发射的激光束依次直射到被测齿轮齿宽中点处的所有齿廓上，在测量过程中，计算机控制激光位移传感器6以一定的时间间隔对被测齿廓处的光斑点位置信息根据圆光栅P_i及激光位移传感器读数H_i的反馈值进行采样。

4）将激光位移传感器采集到的数据，利用上述公式（1）-（3）进行坐标系转换，在直角坐标系中将离散的采集点利用三次牛顿插值法拟合得到齿轮实际齿廓线并与理论的齿廓线进行比较，分析计算被测齿轮的齿廓、齿距、齿厚以及齿槽径向跳动误差。

当量圆锥展开后对应的圆心角:

(1)

任意采样点对应的展开扇面上的位置角:

根据位移数据H_i与对应的位置角，任意采样点在平面坐标系XOY中的坐标为：

（3）

式中， H_i为激光位移传感器的读数，m_e为模数，R_e为外锥距，Z为齿数，b为齿宽，δ为分锥角，齿宽系数，常用0.3，且所有齿轮参数为待测锥齿轮的大端参数。

本发明多自由度激光位移传感器系统由激光位移传感器和具有空间正交轴向旋转自由度的支架组成。在测量弧齿锥齿轮时，可以调整激光位移传感器支架的旋转位姿使得激光位移传感器尽可能与被测量的弧形齿线保持相同的空间倾斜姿态，以保证激光位移传感器发射的激光照射在被测齿轮齿面上的光斑点光源可以反射到激光位移传感器的接收窗上，使得齿轮测量过程中，采集的数据完整有效。本发明有效的解决了使用激光位移传感器进行弧齿锥齿轮这类具有复杂凹凸齿面的零件测量时，因被测齿面上的光斑点光源的反射光被未测齿面挡住，无法反射到激光位移传感器接收窗，而出现的丢失一侧齿面采集点数据的问题，具有测量仪器结构简单，容易操作，灵活性高的特点。

Claims (10)

1.一种多自由度激光位移传感器系统，其特征是，设有具有空间正交轴向旋转自由度的支架、激光位移传感器（6）；

所述具有空间正交轴向旋转自由度的支架包括底座（1）、回转架（2）、旋转平台（3）、快装夹台（4）、锁紧旋钮（5）；底座（1）上设置回转架（2），回转架（2）可绕底座（1）的中心轴线相对底座（1）做360 °自由旋转运动，所述回转架（2）上通过旋转机构设置旋转平台（3），旋转平台（3）可相对回转架沿回转架中心轴线做180°自由旋转运动，旋转平台（3）上安装快装夹台（4），激光位移传感器（6）装夹在快装夹台（4）上，激光位移传感器（6）在三维空间内的位姿通过回转架（2）及其锁紧旋钮、旋转平台（3）及其锁紧旋钮实现调整。

2.根据权利要求1所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述旋转平台（3）上通过沉头锁紧螺丝安装有快装夹台（4）。

3.根据权利要求1所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述快装夹台（4）通过压板与锁紧旋钮（5）装夹激光位移传感器（6）。

4.根据权利要求1所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述底座（1）与旋转平台（3）上设有旋转分度刻线。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述系统还包括工作台（7）、以及工作台（7）上设置的三坐标平移装置、测量回转台（8）和尾顶机构（9）；所述三坐标平移装置包括x轴导轨（12）、滑动y轴导轨（11）、滑动z轴导轨（10）； x轴导轨（12）固定在工作台（7）上，x轴导轨（12）上设有滑动y轴导轨（11），所述滑动y轴导轨（11）上设置滑动z轴导轨（10），所述滑动z轴导轨（10）的滑台与所述具有空间正交轴向旋转自由度的支架的底座（1）相连接；测量回转台（8）设置在三坐标平移装置的x轴导轨（11）端部外侧；测量回转台（8）正上方设置所述尾顶机构（9）。

6.根据权利要求6所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述测量回转台（8）由带有圆光栅的精密伺服旋转力矩电机通过控制器直接驱动。

7.根据权利要求6所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述三坐标平移装置采用配有高精度光栅的精密滚珠丝杠导轨传动，并由伺服电机驱动丝杠转动。

8.根据权利要求1所述的多自由度激光位移传感器系统，其特征是，所述底座（1）底部设有螺纹孔，底座（1）与滑动z向导轨（11）的滑台螺纹连接。

9.一种基于多自由度激光位移传感器系统的弧齿锥齿轮测量方法，包括如下步骤：

1）利用权利要求4-6所述的激光位移测量装置，通过伺服电机驱动多自由度激光位移传感器系统沿激光位移测量装置的x轴导轨（12）、y轴导轨（11）运动，使得激光位移传感器（6）的激光发射点运动到标定的测量回转台（8）的中心位置；

2）将被测弧齿锥齿轮（13）平置装夹在测量回转台（8）上，使得被测弧齿锥齿轮（13）的中心轴线与测量回转台（8）中心轴线重合，使激光位移传感器（6）发射的激光束在被测弧齿锥齿轮（13）的轴截面内垂直于分锥线并照射到被测弧齿锥齿轮（13）齿宽中点处的齿廓上，沿着激光束投射的方向驱动激光位移传感器（6）的位置，使得被测齿廓处于激光位移传感器（6）的量程内；调节支架的两个正交轴向旋转机构回转架（2）、旋转平台（3）并用锁紧旋钮（5）锁紧，使得激光位移传感器（6）尽可能与被测量的弧形齿线保持相同的空间倾斜姿态，以保证激光位移传感器（6）发射的激光照射在被测齿轮（13）齿面上的光斑点光源反射到传感器的接收窗上；

3）驱动测量回转台（8）旋转一周360°，随着测量回转台（8）的旋转，激光位移传感器（6）发射的激光束依次直射到被测齿轮齿宽中点处的所有齿廓上，在测量过程中，控制传感器以一定的时间间隔对被测齿廓处的光斑点位置信息根据圆光栅及激光位移传感器读数的反馈值进行采样；

4）将激光位移传感器（6）采集到的数据，进行坐标系转换，在直角坐标系中将离散的采集点拟合得到齿轮实际齿廓线并与理论的齿廓线进行比较，分析计算被测齿轮的齿廓、齿距、齿厚以及齿槽径向跳动误差。

10.根据权利要求7所述的一种基于多自由度激光位移传感器系统的弧齿锥齿轮测量方法，其特征是，步骤4）所述坐标系转换具体为：

所述激光位移传感器（6）在被测弧齿锥齿轮（13）旋转一周后将齿宽中点处的锥齿轮轮廓转化成一系列离散数据点，每个数据点同时对映一个光栅位置；通过分析这些数据点的相对位置，计算出该齿轮的偏差数据；设所有采样数据点为R={N₁，N₂，N₃，……N_n},N_i=（H_i,P_i），激光位移传感器（6）获得的是齿廓上各点相对于中点分度圆的位移值H，对应的光栅位置为Y，将测量的圆锥面的齿廓在平面上展开成当量齿轮，利用如下公式（3）将测量数据转化为坐标量，根据齿廓在直角坐标系中的位置（x_i，y_i）拟合得到被测齿轮在齿宽中点处的实际齿廓，利用几何坐标法计算锥齿轮的单项几何偏差；

当量圆锥展开后对应的圆心角：

(1)

任意采样点对应的展开扇面上的位置角:

根据位移数据H_i与对应的位置角，任意采样点在平面坐标系XOY中的坐标为：

（3）

式中， H_i为激光位移传感器的读数，m_e为模数，R_e为外锥距，Z为齿数，b为齿宽，δ为分锥角，齿宽系数，常用0.3，且所有齿轮参数为待测锥齿轮的大端参数。