CN107726973B - 一种用于大型齿轮的旁置式测量机的测量坐标系建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于大型齿轮的旁置式测量机的测量坐标系建立方法。首先将激光头所形成激光平面照射在靶标上，根据靶标上的光斑位置，使测量机Z轴的指向与齿轮回转轴线的指向平行。然后将长度为L的长方体形量规横置于齿轮上端面，通过测量机测头触测其一端的端面中间位置及两侧面对称位置，获得三点坐标(x 1，y 1)，(x 2，y 2)，(x 3，y 3)；旋转齿轮180°，量规另一端位于测头可触测位置，以同样方式再次获得三点坐标(x 4，y 4)，(x 5，y 5)，(x 6，y 6)，从而可确定齿轮轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值(x 0，y 0)，x 0=(x 3+x 6‑L)/2,y 0=(y 1+y 2+y 4+y 5)/4，即可实现测量坐标系的建立。该方法不依赖齿轮的制造精度，提高了坐标系建立精度，更适合于大型齿轮的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及大型齿轮的测量技术领域，具体涉及一种旁置式齿轮测量机在进行大型齿轮测量时的测量坐标系建立方法。
背景技术
大型齿轮是大型装备的关键零部件，广泛应用于发电、建材、船舶、矿山机械等重要领域。由于大型齿轮特征参数、尺寸和重量的增加，对其进行精密测量比常规齿轮困难得多。
常规尺寸齿轮的重量和体积均比较小，其离线测量是比较易于实施的。其高精度测量通常可在齿轮测量中心上实现，齿轮测量中心实质上是一台具有一个回转工作台和三个直线轴的四坐标测量机，其三个直线轴互相正交构成笛卡尔坐标系，回转工作台的轴线则和其中两个坐标轴垂直而和另一个直线轴平行回转。在测量时，可通过芯轴将被测齿轮固定在回转工作台中心轴线上的两个顶尖之间，测量机通过测量芯轴或测量固定在齿轮上端面上的标准球即可计算出被测齿轮的回转中心，然后建立起测量坐标系。
然而对于大型齿轮而言，其离线测量的实用性和可行性大幅降低。这首先是大型齿轮测量中心的建造成本问题，按照上述测量思想，如果想进行大型齿轮测量，就需要更大的测量中心，这使得测量机的设计制造的成本和难度也大幅提升。其次，大型齿轮不但移动及装夹较为困难，同时在加工设备和测量设备上的多次装夹调整也会引入较大误差。因此，大型齿轮的在线式测量更值得进行深入研究。
大型齿轮在线式测量目前常用的方法有加工机床集成式测量系统、上置式测量和旁置式测量。
加工机床集成式测量系统将测量系统和机床数控系统集成为一体，测量信息处理后能反馈至机床，及时修正加工参数，是加工过程中质量监控的重要辅助手段。但是该测量方式不能反映机床系统误差的影响，测量精度严重依赖机床的原始精度，如想提高测量精度，还需采用有效手段进行机床系统误差的修正。此外，该测量方式的测量结果也不能作为质量报告的依据。
上置式测量装置体积小、成本低、实用性强，理论上对被测量齿轮直径尺寸没有上限要求，特别适合大型齿轮在位测量。但这种仪器一般以齿面或齿顶定位，测量基准与齿轮的设计、制造基准不一致，定位精度严重依赖于齿轮的制造精度，测量精度很难提高。
旁置式测量机通常具有三个相互正交的直线轴，测量时将其放置在齿轮旁边，相对于待测大型齿轮来说，其可以做得比较小巧，但是也正是因为测量机与被测齿轮所在的回转工作台相互分离，测量坐标系的建立问题就成为了该测量方式的关键技术之一。
目前解决该问题的方法之一是利用多个均匀分布轮齿的齿面实测数据来拟合齿轮回转轴线在测量机坐标系中的空间位置，详见赵军等人《大直齿圆柱齿轮几何中心确定方法及齿廓偏差计算》，《机械传动》，2016，VOL.40(7)。
专利【CN101551240A】所提出的另外一种方法是基于激光跟踪仪的坐标系建立技术，其首先利用激光跟踪仪建立被测齿轮坐标系，再利用激光跟踪仪建立测量机的坐标系，然后求出被测齿轮坐标系和测量机坐标系的坐标变换关系，最终可将测量机坐标系中的测量结果换算到被测齿轮坐标系中实现齿轮误差的评定。该方法具有较广的适用性，但是受制于跟踪仪的绝对测量精度低于相对测量精度和测角精度低于测长精度的固有特性，使其在两次坐标系建立过程中均会产生较大误差，从而使最终所得到的坐标转换关系误差更大，因此很难实现大型齿轮的高精度测量。
发明内容
本发明要提供一种用于大型齿轮测量的旁置式测量机的测量坐标系建立方法，以克服前述现有技术存在的精度低的问题。
为了达到本发明所说的目的，本发明提供一种用于大型齿轮的旁置式测量机的测量坐标系建立方法，首先借助于激光平面，调整测量机Z轴的指向与齿轮回转轴线的指向平行；然后再利用长方体形量规横置于齿轮上端面中间位置，通过测量机测头触测其两端的侧面及端面，从而确定齿轮回转轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值。
上述方法的具体步骤是：
第一步：设置一个扇形激光平面，该激光平面平行于测量机坐标系XOY平面；
第二步：将靶标安置于齿轮上端面并位于激光头正前方，设该位置为P1位置，转动靶标感光面正对着激光，调整测量机使激光与靶标平面垂直且通过靶标中心；
第三步：旋转齿轮带动靶标分别位于P2和P3位置，P1、P2和P3三个位置与齿轮回转中心连线之间互成120°夹角，如图4所示，且在三个位置均应转动靶标感光面正对着激光；
第四步：依据P1、P2和P3位置时激光照射在靶标上的位置进行测量机三个可调支撑的调整，三个可调支撑的位置如图1和图4所示，其中两个可调支撑分别位于测量机底座底面靠近齿轮一端的左右靠外位置，另一个可调支撑位于测量机底座底面远离齿轮一端，最终使靶标在位置P1、P2和P3处时，激光均照射在靶标中心，表明齿轮的回转轴线已经与测量机的Z轴指向平行；
第五步：将经过标定的量规横置于齿轮上端面中间位置，量规长度为L，放置时长度方向应与齿轮上端面平行，且保证其两个端面均可被旁置式测量机的测头触测到；
第六步：通过测量机测头沿Y方向扫描量规的一个端面，转动齿轮使量规该端面与测量机Y轴调平行；
第七步：测量机在量规一端的两侧面采样两点获得其坐标分别为A(x 1，y 1)和B(x 2，y 2)，在同一端的端面采样一点C(x 3，y 3)；
第八步：将齿轮旋转180°，置于齿轮上端面的量规也一起旋转了180°，使其另一端处于测量机测头可触测位置；
第九步：重复第六步和第七步，采样到另一端两侧面的点D(x 4，y 4)和E(x 5，y 5)，以及端面点F(x 6，y 6)；
第十步：利用第七步和第九步采样得到的六点即可计算得到齿轮轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值为G0(x 0，y 0)，计算公式为：x 0 = (x 3+x 6-L)/2，y 0 = (y 1+y 2+y 4+y 5)/4，至此即可实现测量坐标系的建立。
与现有技术相比，本发明的优点是：
① 相对于利用多个均匀分布轮齿的齿面实测数据，拟合齿轮回转轴线在测量机坐标系中的空间位置，来进行测量坐标系建立的方法，本技术不依赖齿轮的制造精度，提高了坐标系建立精度。
② 相对于基于激光跟踪仪的坐标系建立技术，本技术首先利用高精度激光平面，调整测量机Z轴的指向，再利用量规确定齿轮轴线在测量机坐标系XOY平面上位置的方法，使得测量机可以直接以被测齿轮坐标系作为测量坐标系，实现了测量基准和加工基准的统一，避免了以激光跟踪仪为基准建立坐标系时因跟踪仪自身精度制约，以及多次坐标转换所造成的精度损失，从而更适合于大型齿轮的高精度测量。
附图说明
图1 是公知的大齿轮旁置式在线测量的一种典型布局示意图；
图2 激光头安装座结构示意图；
图3 靶标安装座结构示意图；
图4 测量机Z轴指向调整示意图；
图5 齿轮轴线坐标值确定示意图；
附图标记如下：
1001-待测齿轮，1002-靶标安装座，1003-靶标，1004-测头，1005-激光头，1006-激光头安装座，1007-测头安装架，1008-Y向滑架，1009-Z向滑架，1010-后部可调支撑，1011-X向滑架，1012-左可调支撑，1013-右可调支撑，1014-回转工作台，5001-量规。
具体实施方式
本发明提供的一种用于大型齿轮的旁置式测量机的测量坐标系建立方法，首先借助于激光平面，调整测量机Z轴的指向与齿轮回转轴线的指向平行；然后再利用长方体形量规横置于齿轮上端面中间位置，通过测量机测头触测其两端的侧面及端面，从而确定齿轮回转轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值。
所述方法的具体步骤是：
第一步：设置一个扇形激光平面，该激光平面平行于测量机坐标系XOY平面；
第二步：将靶标安置于齿轮上端面并位于激光头正前方，设该位置为P1位置，转动靶标感光面正对着激光，调整测量机使激光与靶标平面垂直且通过靶标中心；
第三步：旋转齿轮带动靶标分别位于P2和P3位置，P1、P2和P3三个位置与齿轮回转中心连线之间互成120°夹角，如图4所示，且在三个位置均应转动靶标感光面正对着激光；
第四步：依据P1、P2和P3位置时激光照射在靶标上的位置进行测量机三个可调支撑的调整，三个可调支撑的位置如图1和图4所示，其中两个可调支撑分别位于测量机底座底面靠近齿轮一端的左右靠外位置，另一个可调支撑位于测量机底座底面远离齿轮一端，最终使靶标在位置P1、P2和P3处时，激光均照射在靶标中心，表明齿轮的回转轴线已经与测量机的Z轴指向平行；
第五步：将经过标定的量规横置于齿轮上端面中间位置，量规长度为L，放置时长度方向应与齿轮上端面平行，且保证其两个端面均可被旁置式测量机的测头触测到；
第六步：通过测量机测头沿Y方向扫描量规的一个端面，转动齿轮使量规该端面与测量机Y轴调平行；
第七步：测量机在量规一端的两侧面采样两点获得其坐标分别为A(x 1，y 1)和B(x 2，y 2)，在同一端的端面采样一点C(x 3，y 3)；
第八步：将齿轮旋转180°，置于齿轮上端面的量规也一起旋转了180°，使其另一端处于测量机测头可触测位置；
第九步：重复第六步和第七步，采样到另一端两侧面的点D(x 4，y 4)和E(x 5，y 5)，以及端面点F(x 6，y 6)；
第十步：利用第七步和第九步采样得到的六点即可计算得到齿轮轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值为G0(x 0，y 0)，计算公式为：x 0 = (x 3+x 6-L)/2，y 0 = (y 1+y 2+y 4+y 5)/4，至此即可实现测量坐标系的建立。
上述的方法中，所述激光平面的形成可使用通过安装座安置在测量机安装架上的激光头形成，激光头也可安置于加工机床和测量机之外的第三方平台上并先调整激光平面与齿轮回转轴线垂直，然后将靶标安置在测量机的测头安装架上并对测量机进行调整。具体方法既可采用公知的旋转激光束法，也可采用公知的环镜或柱面透镜法。
所述的靶标朝向可通过其安装座在水平面内作360°调整，靶标可以是PSD、CCD等传感器。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1：大型齿轮1001放置在齿轮加工机床的回转工作台1014上，旁置式测量机置于大型齿轮1001旁边。旁置式测量机通常具有三个互相垂直的直线轴，每轴均带有位置检测装置（通常为光栅），且三个直线轴之间可以有多种形式的布局结构。图1中所示的是典型布局结构中的一种，X向滑架1011带动Z轴和Y轴，Z向滑架1009带动Y轴，Y向滑架1008带动测头安装架1007和测头1004。放置测量机时，应使测量机的X轴指向在齿轮1001的径向方向。测量机带有三个可调整支撑，分别是后部可调支撑1010、左可调支撑1012和右可调支撑1013。激光源通过光纤将激光传导至激光头1005，激光头1005通过其安装座1006安置在测头安装架1007上。靶标1003通过其安装座1002安置于齿轮1001上端面靠近轮齿处。
参见图2：激光头1005出射光束方向可通过其安装座1006进行调整。
参见图3：靶标1003的朝向可通过其安装座1002在水平面内作360°调整。
参见图4：靶标1003通过其安装座1002安置于齿轮1001上端面靠近轮齿处，设该位置为P1位置。旋转齿轮1001带动靶标1003还可使其分别位于P2和P3位置，三个位置之间互成120°夹角。
实施例：
一种用于大型齿轮的旁置式测量机的测量坐标系建立方法，具体步骤是：
第一步：将激光头1005通过其安装座1006安置在测头安装架1007上，并保证激光头1005出射光束所形成的扇形激光平面平行于测量机坐标系XOY平面，激光平面的形成可采用公知的旋转激光束法形成，也可采用公知的环镜或柱面透镜等光学元件形成；
第二步：将靶标1003安置于齿轮1001上端面并位于激光头1005正前方，设该位置为P1位置，转动靶标1003感光面正对着激光，调整测量机使激光与靶标平面垂直且通过靶标中心。这里靶标为PSD（位置敏感器件），PSD上光斑位置的判断依据是PSD输出的电压值。
第二步：将靶标安置于齿轮上端面并位于激光头正前方，设该位置为P1位置，转动靶标感光面正对着激光，调整测量机使激光与靶标平面垂直且通过靶标中心；
第三步：旋转齿轮1001带动靶标分别位于P2和P3位置，且P1、P2和P3三个位置与齿轮1001回转中心连线之间互成120°夹角，如图4所示，在三个位置均应转动靶标1003感光面正对着激光；
第四步：依据P1、P2和P3位置时激光照射在靶标1003上的位置进行测量机三个可调支撑（1010，1012，1013）的调整，最终使靶标1003在位置P1、P2和P3处时，激光均照射在靶标1003中心，表明齿轮1001的回转轴线已经与测量机的Z轴指向平行；
第五步：将经过标定的量规5001横置于齿轮1001上端面中间位置，如图5所示，量规5001长度为L，放置时长度方向应与齿轮1001上端面平行，且保证其端面均可被旁置式测量机的测头1004触测到；
第六步：通过测量机测头1004沿Y方向扫描量规5001的一个端面，转动齿轮使量规5001该端面与测量机Y轴调平行；
第七步：测量机在量规5001一端的两侧面采样两点获得其坐标分别为A(x 1，y 1)和B(x 2，y 2)，在同一端的端面采样一点C(x 3，y 3)；
第八步：将齿轮1001旋转180°，置于齿轮1001上端面的量规5001也一起旋转了180°，使其另一端处于测量机测头1004可触测位置；
第九步：重复第六步和第七步，采样到量规5001另一端两侧面的点D(x 4，y 4)和E(x 5，y 5)，以及端面点F(x 6，y 6)；
第十步：利用第七步和第九步采样得到的六点即可计算得到齿轮1001轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值为G0(x 0，y 0)，计算公式为：x 0 = (x 3+x 6-L)/2，y 0 =(y 1+y 2+y 4+y 5)/4，至此即可实现测量坐标系的建立。
为了更清楚的说明，下面对坐标的取得参见图5进行进一步的说明。参见图5：量规5001横置于齿轮1001上端面中间位置。量规5001横断面为矩形，宽度为a，厚度为b，整体呈长方体形，长度为L。量规5001端面与测量机Y轴调平行。首先测量机在量规5001两侧面采样两点获得其坐标分别为A(x 1，y 1)和B(x 2，y 2)，在端面采样一点C(x 3，y 3)。然后将齿轮1001旋转180°，因量规5001置于齿轮1001上端面，所以也一起旋转了180°，因量规5001横置于齿轮1001上端面中间位置时，通常会与理想居中位置存在一定的偏移量，所以旋转了180°后量规5001的实际位置如图中虚线所示。采样到另一端两侧面的点D(x 4，y 4)和E(x 5，y 5)，以及端面的点F(x 6，y 6)。利用总共采样得到的六点，即可计算得到齿轮1001轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值为G0(x 0，y 0)，计算公式为：x 0 = (x 3+x 6-L)/2，y 0 = (y 1+y 2+y 4+y 5)/4。
Claims (1)
1.一种用于大型齿轮的旁置式测量机的测量坐标系建立方法，其特征在于：首先借助于激光平面，调整测量机Z轴的指向与齿轮回转轴线的指向平行；然后再利用长方体形量规横置于齿轮上端面居中位置，通过测量机测头触测其两端的侧面及端面，从而确定齿轮回转轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值；
所述方法的具体步骤是：
第一步：设置一个扇形激光平面，该激光平面平行于测量机坐标系XOY平面；
第二步：将靶标安置于齿轮上端面并位于激光头正前方，设该位置为P1位置，转动靶标感光面正对着激光，调整测量机使激光与靶标平面垂直且通过靶标中心；
第三步：旋转齿轮带动靶标分别位于P2和P3位置，P1、P2和P3三个位置与齿轮回转中心连线之间互成120°夹角，且在三个位置均应转动靶标感光面正对着激光；
第四步：依据P1、P2和P3位置时激光照射在靶标上的位置进行测量机三个可调支撑的调整，三个可调支撑其中的两个可调支撑分别位于测量机底座底面靠近齿轮一端的左右靠外位置，另一个可调支撑位于测量机底座底面远离齿轮一端，最终使靶标在位置P1、P2和P3处时，激光均照射在靶标中心，表明齿轮的回转轴线已经与测量机的Z轴指向平行；
第五步：将经过标定的量规横置于齿轮上端面并居中放置，量规长度为L，放置时长度方向应与齿轮上端面平行，且保证其两个端面均可被旁置式测量机的测头触测到；
第六步：通过测量机测头沿Y方向扫描量规的一个端面，转动齿轮使量规该端面与测量机Y轴调平行；
第七步：测量机在量规一端的两侧面采样两点获得其坐标分别为A(x 1，y 1)和B(x 2，y 2)，在同一端的端面采样一点C(x 3，y 3)；
第八步：将齿轮旋转180°，置于齿轮上端面的量规也一起旋转了180°，使其另一端处于测量机测头可触测位置；
第九步：重复第六步和第七步，采样到另一端两侧面的点D(x 4，y 4)和E(x 5，y 5)，以及端面点F(x 6，y 6)；
第十步：利用第七步和第九步采样得到的六点即可计算得到齿轮轴线在测量机坐标系XOY平面上投影点的具体坐标值为G0(x 0，y 0)，计算公式为：x 0 = (x 3+x 6-L)/2，y 0 = (y 1+y 2+y 4+y 5)/4，至此即可实现测量坐标系的建立。
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| An Principle and Technology of On-machine Measurement for Large Gear Hopping;JIN Jiaqi等;《Advanced Materials Research》;20100630;第118-120卷;第836-840页 * |
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