CN110487155A - 线阵测头及接触式直齿圆柱齿轮齿面点云的获取方法 - Google Patents

线阵测头及接触式直齿圆柱齿轮齿面点云的获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种线阵测头及接触式直齿圆柱齿轮齿面点云的获取方法，以克服现有接触式方法采点效率低，光学式方法存在光路遮挡的问题。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：采用接触式测量和光学式测量相结合的方法，利用由接触式测针线阵、位移传递机构阵列以及线阵激光位移传感器构成的接触式线阵测头，将接触式测针线阵伸入齿槽中与齿面接触，接触式测针线阵中每个测针的位移通过与其相连接的位移传递机构传递至线阵激光位移传感器检测面中各自的单元平面，再通过线阵激光位移传感器对检测面中各单元平面的位移检测实现齿面点云的获取。可满足对齿面大量数据高效获取的需求，无需对不理想的待测表面进行预处理，并极大地简化了点云数据的处理过程。

Description

线阵测头及接触式直齿圆柱齿轮齿面点云的获取方法
技术领域
本发明涉及坐标测量机技术领域，具体涉及一种线阵测头及接触式直齿圆柱齿轮齿面点云的获取方法。
背景技术
在齿面测量数据的获取中，因为齿面位于齿槽这种半封闭区域中，其测量空间狭小，所以使用传统的扫描式或触发式测头逐点接触采集数据仍是高精度测量的主流方式。该测量方式的最大问题是数据采集速率较低，在基于少量特征点和特征线的测量方式中其测量效率尚可以接受，但是少量特征点和特征线属于整个齿面的小样本，无法客观全面的反映全齿面实际形貌，因此随着齿轮加工技术的发展，采用全齿面点云信息对齿轮进行测量评价的需求越来越迫切。但是在基于点云的测量方式中，传统单点逐点采集数据的方式无法适应齿面点云大量数据高效获取的要求，因此很多研究团队和学者为解决该问题都进行了大量的研究和探索，光三角法、阴影莫尔法、激光干涉法等各种典型的光学测量方法都可以见到应用于齿轮测量研究的文献。然而迄今为止，高效率高精度齿面点云获取问题仍未得到很好解决，这主要是因为轮齿与轮齿之间形成了半封闭空间，这种狭小的半封闭空间会对常用的光学测量方法的实施造成极大的困难，测量中的光路遮挡问题常常使测量过程无法正常进行，即使勉强完成测量过程，也会因光路角度不佳而无法达到测量精度要求。
发明内容
本发明要提供一种线阵测头及接触式直齿圆柱齿轮齿面点云的获取方法，以克服现有接触式方法采点效率低，光学式方法存在光路遮挡的问题。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
一种线阵测头，包括阵列组件和传感器，所述阵列组件由多个片状结构叠放组成，每个片状结构均由测针部和传递部组成，所述测针部由片状测针和其前端固连的测球组成，所述传递部由平动边、固定边和两条转动边组成一个中空的片状结构，所述平动边和固定边相对平行设置，平动边和固定边的两个端部分别通过柔性铰链与转动边联接；所述片状测针的后端与平动边的外侧固连，传递部上的一个转动边延伸出一个单元平面。
进一步的，将线阵测头伸入齿槽中，线阵测头前端的多个测球与齿面接触使测针发生位移，每个测针的位移传递至相连的传递部上的每个单元平面上，再通过线阵激光位移传感器对间隙叠置排列的单元平面端部共同构成的检测面的位移进行检测，实现齿面点云的获取。
进一步的，所述线阵测头通过测头基座安装于齿轮测量机直线轴滑架上实现测量运动，线阵测头从被测齿轮齿根到齿顶完成一次接触扫描定义为一个测量行程；在完成一个测量行程之后，如果一个测量行程之后采点密度未达到要求，沿齿面在垂直于扫描路径方向调整起始位置，重复执行该操作。
进一步的，所述线阵测头沿齿面在垂直于扫描路径方向进给相邻两个测针间距的二分之一，然后再次进行一个新的测量行程从而提高齿面点云的采集密度。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.统的单测针式测头相比数据采集速率大幅提高，本发明采用接触式测量和光学式测量相结合的方法实现直齿圆柱齿轮齿面点云的获取，可满足在利用全齿面点云信息对齿轮进行测量评价中对齿面大量数据高效获取的需求。
2.决了直接使用各种常用的光学测量方法时，因为轮齿之间互相遮挡光路从而使测量过程无法顺利实施的问题，或为规避遮挡而使测量角度不佳造成测量精度不理想的问题。因为本发明是将测针位移通过位移传递机构传递至专为线阵激光位移传感器设置的检测面，所以线阵激光位移传感器安装不再需要考虑轮齿之间对光路的相互遮挡问题，光线入射出射角度也不会随测量轮廓位置的变化而发生大幅变化，因此在事先调校好线阵激光位移传感器角度后，在所有测量任务中都能保证理想的光线入射和出射角度，从而使线阵激光位移传感器一直工作在其理想的光路角度。
3.方法中，不管检测的是什么工件，都是通过测针与被测表面接触，对于线阵激光位移传感器来说，总是检测的是由所有单元平面构成的检测面，能在测头制造过程中将专为线阵激光位移传感器设置的检测面加工成对线阵激光位移传感器检测最为理想的表面形貌，因此不再需要对不理想的待测表面和形貌进行喷涂等各种检测前表面预处理过程。
4.发明方法的优势还在于所有采集到的数据点都已经位于齿面特征线上，所以极大地简化了点云数据的处理过程。
附图说明
图1是本发明所使用的线阵测头的结构示意图；
图2是本发明所使用的线阵测头阵列组件的单层结构示意图；
图3是本发明所使用的线阵测头阵列组件的细节结构示意图；
图4是本发明接触式齿面点云获取过程示意图；
附图标记如下：
101-测针部阵列，102-传递部阵列，103-测头基座，104-支架，105-线阵激光位移传感器，106-线激光，107-检测面，201-测球，202-测针，203-平动边，204-单元平面，205-转动边，206-固定边，207-柔性铰链，401-被测齿轮，402-线阵测头，403-齿面点云。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中将接触式测量方法和光学式测量方法相结合，协同解决直齿圆柱齿轮齿面点云获取问题的方法进行详细地说明。
参见图1、图2和图3，一种线阵测头，包括阵列组件和传感器，所述阵列组件由多个片状结构叠放组成，每个片状结构均由测针部和传递部组成，所述测针部由片状测针202和其前端固连的测球201组成，所述传递部由平动边203、固定边206和两条转动边205组成一个中空的片状结构，所述平动边203和固定边206相对平行设置，平动边203和固定边206的两个端部分别通过柔性铰链207与转动边205联接；所述片状测针202的后端与平动边203的外侧固连，传递部上的一个转动边205延伸出一个单元平面204。
所说的测球可以为球形，也可以为圆盘形等其它形状，多个测针202间隙叠置，呈梳齿状均匀直列排列共同构成阵列组件测针部阵列101；传递部对应直列排列间隙叠置共同构成传递部阵列102；传递部的一个转动边205上的单元平面204均位于同侧，间隙叠置排列的端部共同构成线阵激光位移传感器的检测面107。为保证阵列组件相邻层之间不发生摩擦，阵列组件相邻层之间应留有间隙，但同时为保证阵列的密集度，间隙应尽可能小，以不超过阵列组件单层厚度为宜。
所说的每个片状结构的传递部由平动边203、固定边206和两条转动边205组成一个矩形结构，每层固定边206均固定于测头基座103上，线阵激光位移传感器105通过检测面107一侧设置的支架104与测头基座103联接，整个测头通过测头基座103安装于测量机直线轴滑架上。
为保证阵列组件的分布密度，测针部阵列101、传递部阵列102以及测头基座103，三者可以采用精密线切割技术一体化加工。
参见图3，本发明中的齿面点云的获取过程为，将线阵测头402通过测头基座安装于测量机滑架上，并将接触式线阵测头402的接触式测针线阵101伸入被测齿轮401的齿槽中与齿面接触，线阵中每个测针202的测球201因与齿面被测点接触而产生的位移将通过与其相连接的平行四边形位移传递机构传递至线阵激光位移传感器检测面107中各自的单元平面204，线阵激光位移传感器105通过对投射于检测面107上的线激光106的反射光进行检测可获得检测面107中各单元平面204的位移，当齿轮测量机带动接触式线阵测头402，使其接触式测针线阵101从被测齿轮401的齿根到齿顶完成一次接触扫描，即可实现与接触式测针线阵101测针排列方向等宽的齿面点云数据获取。将上述一次接触扫描定义为一个测量行程，则一个测量行程获得的点云按接触式测针线阵101中每个测针202的测球201在齿面上的扫描路径排列，单个测针202的测球201的扫描路径是齿面的一根特征线，一个测量行程所获得的特征线根数由测针线阵101中测针202的个数决定，特征线（齿面点云403）的分布密度则由测针202的排列密度决定。如果一个测量行程之后齿面点云403的密度未达到要求，调整起始位置，使齿轮测量机带动接触式线阵测头402沿齿面在垂直于扫描路径方向进给相邻两个测针202间距的二分之一，然后再次进行一个新的测量行程从而提高齿面点云403的采集密度。
如果对齿面点云403有更高密度的要求，还可以进给两个测针间距的三分之一。

Claims (4)

1.一种线阵测头，其特征在于：包括阵列组件和传感器，所述阵列组件由多个片状结构叠放组成，每个片状结构均由测针部和传递部组成，所述测针部由片状测针（202）和其前端固连的测球（201）组成，所述传递部由平动边（203）、固定边（206）和两条转动边（205）组成一个中空的片状结构，所述平动边（203）和固定边（206）相对平行设置，平动边（203）和固定边（206）的两个端部分别通过柔性铰链（207）与转动边（205）联接；所述片状测针（202）的后端与平动边（203）的外侧固连，传递部上的一个转动边（205）延伸出一个单元平面（204）。
2.根据权利要求1所述的线阵测头进行直齿圆柱齿轮齿面点云获取的方法，其特征在于：将线阵测头伸入齿槽中，线阵测头前端的多个测球（201）与齿面接触使测针（202）发生位移，每个测针（202）的位移传递至相连的传递部上的每个单元平面（204）上，再通过线阵激光位移传感器对间隙叠置排列的单元平面（204）端部共同构成的检测面（107）的位移进行检测，实现齿面点云的获取。
3.根据权利要求2所述的线阵测头进行直齿圆柱齿轮齿面点云获取的方法，其特征在于：所述线阵测头通过测头基座（103）安装于齿轮测量机直线轴滑架上实现测量运动，线阵测头从被测齿轮齿根到齿顶完成一次接触扫描定义为一个测量行程；在完成一个测量行程之后，如果一个测量行程之后采点密度未达到要求，沿齿面在垂直于扫描路径方向调整起始位置，重复执行该操作。
4.根据权利要求3所述的线阵测头进行直齿圆柱齿轮齿面点云获取的方法，其特征在于：所述线阵测头沿齿面在垂直于扫描路径方向进给相邻两个测针间距的二分之一，然后再次进行一个新的测量行程从而提高齿面点云的采集密度。
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