CN109661561B

CN109661561B - 利用多个传感器测量带齿的物品

Info

Publication number: CN109661561B
Application number: CN201780054118.4A
Authority: CN
Inventors: P·P·瓦伽; E·J·谢弗德; M·坦纳; J·舒尔茨; R·E·麦克; D·C·比勒克
Original assignee: Gleason Metrology Systems Corp
Current assignee: Gleason Metrology Systems Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2037-09-06
Also published as: EP3510351A1; JP2019532281A; WO2018048872A1; US20190249983A1; CN109661561A; JP7361603B2; JP7374271B2; JP2022172365A; CA3034633A1; EP3510351B1; US11092430B2

Abstract

利用触觉(46)传感器和非接触(50)传感器或探针用于工件(56)的检查和/或测量的方法和机器导致显著的循环时间节省，同时保持精度。

Description

利用多个传感器测量带齿的物品

技术领域

本发明涉及包括齿轮的工件和其他带齿的物品的测量，并且特别涉及利用多个探针或传感器的这种测量。

背景技术

多年来，触觉探针(也称为“接触”或“触摸”探针)已经用于两类测量仪器：坐标测量机(CMM)和齿轮测量机(GMM)，它们可以根据他们的运作方式被区分。在通过CMM测量齿轮期间，触觉探针接触选定位置(即点)处的对象表面，所述位置例如在齿尖、齿侧、齿根或它们某些组合上。在每次这样的接触时，仪器收集关于探针尖端的坐标位置的信息，并且通过进一步处理，可以推导出每个接触点的坐标。然后，将这种接触点数据与试件的理论模型进行比较，可以揭示实际测量表面与标称值的偏差。CMM可用于测量测试件的形式(形状)、位置，以及通过进一步处理，所选特征之间的线性和角度关系。

GMM方法通常限于渐开线螺旋齿轮齿面的测量，它由此可以检查形式(形状)、位置，以及通过进一步处理，所选择的齿侧特征之间的线性和角度关系。在通过GMM测量齿轮齿侧形式期间，根据由测试齿轮的标称几何形状确定的预定线性路径使触觉探针移动通过空间。对于大多数类型的测量，根据测试齿轮的标称几何形状，根据预定的相对速度同时旋转测试件。这些相对运动产生对象测试件的限定的标称几何形状。使用该仪器来产生标称几何形状后，触觉探针因此在测试件表面上移动的任何扰动将由仪器检测为与该标称值的偏差。这种用于测试齿侧表面的方法基于渐开线螺旋齿轮的众所周知的特殊几何特征的应用。

触觉探针还广泛地与各种测量仪器一起使用，以测试多种测试件特征(例如，轴颈)的形状、位置和关系。

在圆柱形(即，正齿轮和螺旋形)齿轮上测量的一些最常见的特征包括(但不限于)：

·分度(间距)误差

·导程(螺旋)误差

·轮廓(渐开线)误差

·齿厚度

·一个齿轮齿相对于另一个齿轮齿的到已知特征的角度位置，例如齿轮轴上的键槽

·齿分布

·波纹

在斜面(包括直的、螺旋的和准双曲面的)齿轮上测量的一些最常见的特征包括(但不限于)：

·分度(间距)误差

·齿轮表面上的限定点处偏离理论位置(例如预定位置处的45个点)。

·分布测量

·波纹

用于齿轮测量的行业标准通常推荐用于在齿表面上进行测量的位置。图1示出了正齿轮的单个齿2的一个齿面的实施例，其中点4、6和8在齿节直径12处沿齿的导程(或纵向)方向建立。点4位于齿的顶部边缘，点6位于面的一半处，以及点8位于齿的底部边缘。点4、6、8在导程方向上限定了线16(对于螺旋齿轮，它是曲线)。与线16平行的附加线(每个均具有附加点)也可以用于测量。可以在一些或所有建立的点处进行测量，并且可以沿着一条或多条导程(即齿痕迹)移动接触探针以测量齿。

以类似的方式，可以沿着在齿的轮廓(或渐开线)方向上建立的一条或多条线进行测量。图1中示出了这样的线18，其从测量开始齿轮直径10延伸到半宽度点6，在齿尖20的边缘处到达外径14。平行于线18的附加线(每个均具有附加点)也可以用于测量。可以在一些或所有建立的点处进行测量，并且可以沿着一条或多条轮廓线(即齿痕迹)移动接触探针，以测量齿。

应当理解，测量通常在齿的两侧进行，因此当测量齿的两侧时，上述(仅一侧)的导程和轮廓齿痕迹的数量实际上是翻倍。

当测量分度和齿厚度时，优选地在面宽度的中间以节圆直径进行测量。因此，找到齿轮表面并在齿轮表面上定位精确的检测位置是齿轮计量的重要要求之一。

为了测量上述特征，齿轮测量机(GMM)或CMM上的第一步涉及利用相对于相应机器的轴线的接触探针精确地定位齿轮的齿和表面。可能影响齿和齿轮表面的位置的一些因素包括：

·在齿轮测量机上，齿轮可能不安装在固定的径向位置。

·当用户将齿轮安装在测量机上时，齿的位置可以从一个设置到另一个设置径向地大量变化。

·基于用于部件安装的特定固定件，齿轮也可以安装在不同的高度位置处(通常在垂直方向上)。

在测量诸如齿轮的部件时，必须考虑上述部件移动以及诸如用户影响的其他外部因素。

为了精确定位安装在GMM或CMM上的齿轮的第一齿，触觉探针执行步骤，其包括(但不限于)：

·找到齿隙。这可以通过使用接触探针的多种方式实现。一种这样的方法涉及以下步骤：

1)沿X方向移动接触探针，直到其达到节点；

2)如果探针在其到达节点之前接触齿轮齿，则齿轮以小的增量旋转；

3)重复步骤1和2，直到探针离开齿，并到达所需齿隙中的节点。

·找到所需直径的齿轮的一个齿侧；

·找到齿轮齿的顶部和底部边缘(可选或不适用于某些斜齿轮)；

·在两个侧上找到齿轮表面上所需直径和高度处的参考点。

一旦完成上述步骤，就测量齿轮齿上的其他所需特征。然而，在使用若干个齿痕迹的情况下，这是常见的，需要相当长的时间来测量齿表面。当考虑到测量齿的两侧并且通常测量齿轮上的几个齿时，很明显用触觉探针测量齿轮可能非常耗时。

还已知通过非接触方法测量某些部件。在例如Pryor等人的US4,547,674中公开了工件的光学(例如激光)测量和/或检查，所述工件例如齿轮。然而，利用这种光学方法，寻找齿以及参考点(例如，节点和齿边缘)是非常耗时的，并且不像触摸探针那样可重复。而且，与触觉探针相比，非接触探针的某些特征的准确性受到限制。

发明内容

本发明涉及一种方法和机器，其中利用触觉和非接触传感器(探针)进行工件检查和/或测量导致显著的循环时间节省，同时保持精度。

附图说明

图1示出了正齿轮的单个齿的一个齿表面的实施例。

图2示出了用于齿轮、工具和其他类型的复杂形状工件的分析测量和检查机器。

图3示出了图2的机器，其中触觉探针放置在机器的探针支撑头上。

图4示出了图2的机器，其包括非接触探针，例如激光探针。

图5示出了图4的机器，其中非接触探针以角位置定向。

图6示出了邻近螺旋齿轮定位的非接触探针。

图7A示出了对于仅触觉探测、仅非接触探测以及触觉和非接触探测的组合中的每一个的齿轮探测循环时间的比较。

图7B示出了与仅触觉探测相比通过非接触探测以及触觉和非接触探测的组合的齿轮探测的循环时间的节省。

具体实施方式

本说明书中使用的术语“发明”、“所述发明”和“本发明”旨在广泛地指代本说明书的所有主题以及以下任何专利权利要求。含有这些术语的陈述不应被理解为限制本文所述的主题或限制以下任何专利权利要求的含义或范围。此外，本说明书不寻求描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题于本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中。应该通过参考整个说明书、所有附图和以下任何权利要求理解主题。本发明能够具有其它结构，并且能够以各种方式实践或实施。而且，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应视为限制。

现在将参考附图讨论本发明的细节，所述附图仅以实例的方式说明本发明。在附图中，类似的特征或组件将由相同的附图标记表示。为了更好地理解本发明和易于观察，从附图中省略了门和机器的任何内部或外部防护。

本文中“包含”、“具有”和“包括”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。尽管下文可以在描述附图时参考例如上部、下部、向上、向下、向后、底部、顶部、前部、后部等等的方向，但出于方便起见而相对于附图(如正常所观察)作出这些参考。这些方向并非字面意思或以任何形式限制本发明。

图2示出了齿轮测量机(GMM)22，其用于分析测量和检查齿轮、工具(例如，诸如滚刀的切削工具)和其他类型的复杂形状工件，特别是包括齿的工件。机器22包括底座24、工件主轴支撑底座26和工件主轴28。如本领域技术人员所理解的，通过合适的工件夹持设备(未示出)将诸如正齿轮或螺旋齿轮的工件定位在主轴28上。工件可沿着任何方向W绕工件轴线P旋转。如果需要，可包括尾架柱30和尾架32，尾架32的高度沿柱30的高度在垂直方向Z上可调节。

机器22还包括位于底座24上的探针柱34。探针柱34可在底座24上沿Y方向水平移动。支撑头36位于探针柱34上，并且可沿Z方向沿柱34移动。

支撑架38附接到支撑头36，并且探针壳体40附接到支撑架38。探针壳体40可沿探针轴线B在X方向上水平移动，并包括可转位探针支撑头42，探针定位在探针支撑头42上。探针支撑头42可围绕轴线B以及围绕轴线A(图5)转位，其中轴线A在Y方向上延伸并且垂直于轴线B取向。出于参考图2的目的，方向X、Y和Z优选地彼此相互垂直，工件轴线P在Z方向上延伸，并且探针轴线B在X方向上延伸。

机器22可以还包括探针存储和更换机构44，所述探针存储和更换机构44可以是静止的但是优选地可以在Y方向上在基座24上移动，以便在需要更换探针时可以定位在探针支撑头42附近。

机器部件在它们各自的X、Y和/或Z方向上的线性运动以及绕着和/或围绕A轴线、B线轴和P轴线的旋转和/或角运动由未示出的单独的相应驱动设备(例如，电动机)分开。机器部件能够相对于彼此独立运动或者可以彼此同时运动。每个驱动设备优选地与反馈装置(未示出)相关联，例如作为CNC系统的一部分的线性或旋转编码器，其根据输入到计算机控制器(即CNC)比如B&R型号X20CP1586(未显示)的指令来控制驱动装置的操作。

图3示出了与图2中相同的机器22，但是在探针支撑头42上放置了触觉探针46。触觉探针46通常包括由红宝石构成的球形尖端48。探针46可以用金刚石尖端探针52(图6)代替，该金刚石尖端探针52可以沿工件表面移动，以测量表面粗糙度(即表面光洁度)。可替代地，称为巴克豪森(Barkhausen)探针54(图6)的探针可以定位在探针支撑头42上，用于检测由研磨产生的工件表面上的烧伤。当不使用时，触觉探针46、金刚石尖端探针52和巴克豪森探针54优选地位于探针存储和更换机构44上。

先前关于图2和3的讨论描述了关于用于齿轮、工具和其他类型的复杂形状工件的分析测量和检查机器的现有技术。如上所述，在使用若干个齿痕迹的情况下(这是常见的)，需要相当长的时间来测量仅使用触觉探针的齿表面。

发明人已经发现，通过利用触觉和非接触传感器(探针)进行工件测量和/或检查，可以实现显著的循环时间节省。应当注意，在本说明书的上下文中，术语“探针”和“传感器”是可互换的，除非另外特别说明。

图4示出了如图2所示的机器22，但是包括非接触探针50，例如光学探针，特别是激光探针。与在机器22上使用的其他类型的探针一样，探针50可以在不使用时容纳在探针存储和更换机构44中。优选地，探针50使用3-D激光扫描仪，所述3-D激光扫描仪更优选地将激光线投射到部件的齿表面上。还考虑了其他类型的可应用的非接触探针(例如光学探针)。

图5示出了通过可转位探针支撑头42在角位置定向的探针50，所述可转位探针支撑头42使得探针能够围绕一个或多个轴线，特别是A轴线和/或B轴线进行角度定向，所述A轴线和/或B轴线优选地彼此垂直定向，并且位于在同一平面内，最好是水平面。

图6示出了与螺旋齿轮56相邻定位的非接触探针50，用于扫描齿58的表面，这是通过沿着齿的长度在Z方向上移动探针同时齿轮围绕P轴线旋转以便扫描所有齿的整个表面来实现的。

在优选实施例中，已经开发了一种方法，其中利用触觉探针来找到齿轮齿以及识别其上的期望(即预定)参考点的位置。如上所述，寻找第一齿的一系列步骤包括：

·找到齿隙；

·找到所需直径的齿轮齿的一个侧；

·找到齿轮齿的顶部和底部边缘；

·在两个齿侧上找到所需的直径和高度的齿轮表面上的参考点。

当然，如本领域技术人员可以理解的，可以执行其他步骤或一系列步骤以便在工件上找到第一齿。

一旦确定了参考点数据，就根据参考点数据调整非接触探针(例如激光探针)的位置和路径，以扫描齿表面。然后提取来自非接触探针收集的数据的期望特征。

由于使用触觉探针来寻找和定位第一齿，因此这具有若干优点，包括：

·用触觉探针更快地找到第一齿

·齿轮的位置可以参考沿Z方向延伸的P轴线沿着径向是随机的。

·使用触觉探针在给定节点处报告的齿厚度更准确。

在工件上使用两种探测技术提供了将触觉探针用于某些特性以及将非接触探针数据用于其他特性的灵活性。

本发明方法的另一个优点是减少了循环时间，同时保持了所需的精度。例如，使用触觉探针的分度测试和非接触探针用于导程和轮廓比使用非接触探针进行所有操作要快得多。这对于具有大量齿的齿轮非常有利。

图7A示出了具有3.7的正常模块的36齿螺旋齿轮的仅触觉探测、仅非接触探测以及触觉和非接触探测的组合的每一种的循环时间的比较。比较测试包括：

·分度测试-节点处36个齿中每个齿的两个侧；

·导程测试-每4个齿的每个上有3条痕迹(每个齿的两侧)；

·轮廓测试-相同4个齿上的3条痕迹(每个齿的两侧)。

仅使用触觉探针，所述测试的循环时间为约11分30秒。对于仅非接触探针，测试的循环时间约为9分30秒。然而，利用触觉和非接触探针的组合的测试导致约7分30秒的循环时间。

图7B示出了与仅触觉探测相比，仅非接触探测导致18％的循环时间节省。与仅触觉探测相比，本发明的组合探测导致循环时间节省35％。当然，可以理解的是，对于包括更多数量的导程痕迹和轮廓痕迹的循环和/或对于经受导程测试和轮廓测试的更多数量的齿，与仅触觉探测相比，本发明的循环时间节省将相当大。

另外，由于部件的几何形状，齿轮表面以及参考表面上的某些特征可能通过非接触探测不可用。例如，深内部齿条只能通过触觉探针进行检查。另一个实例是具有小直径的长内孔的轴颈测量。由于来自非接触探针的光可能无法到达内部轴颈表面，因此可能无法测量这些内孔。本发明使得能够使用触觉探针来测量这些表面。由于这些表面也可以用作建立部件轴线的参考，本发明允许在初始设置期间使用触觉探针，所述触觉探针涉及轴颈测量以及找到第一齿，然后切换到非接触探针以进行其他测量。由两个齿轮或内齿条和外齿轮组成的齿轮部件组件可需要在啮合时测量两个部件相对于彼此的正时(角度)关系。本发明允许通过使用两种探测技术来测量这种类型的关系，否则这种探测技术是仅非接触探测所不可能的。

虽然已参考优选实施例描述了本发明，但应理解，本发明并不限于其细节。本发明旨在包含对于主题所属领域的技术人员来说将显而易见的修改，而不偏离所附权利要求书的精神和范围。

Claims

1.一种在测量和检查机器上测量和/或检查具有齿的工件的方法，所述方法包括：

将所述工件定位在所述机器上，

使用位于所述机器上的触觉探针探测所述工件，其中使用触觉探针探测所述工件包括找出在所述工件上的齿，并识别所述齿上的期望的参考点的位置，以及

使用位于所述机器上的非接触探针探测所述工件，其中使用非接触探针探测所述工件包括扫描所述齿的表面，并且其中所述非接触探针定位成用于基于由所述触觉探针所建立的所述期望的参考点的位置进行扫描。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述非接触探针包括光学探针。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述光学探针包括激光探针。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述激光探针包括3-d激光扫描仪。

5.根据权利要求3所述的方法，其中激光探针投射激光线到所述工件上。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述非接触探针可围绕一个或多个轴线成角度运动。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述一个或多个轴线包括彼此垂直定向的两个轴线。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述垂直的轴线位于水平平面中。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述非接触探针在所述机器上可垂直移动。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述触觉探针和所述非接触探针当不使用时被容纳在所述机器上的探针存储和更换机构中。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括齿轮。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括具有两个带齿部件的齿轮部件组件。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括内齿条或内孔。

14.一种用于根据权利要求1-13中任一项所述的方法测量和/或检查具有齿的工件的测量和检查机器，所述机器包括：

触觉探针，所述触觉探针位于所述机器上，以及

非接触探针，所述非接触探针位于所述机器上。