CN110779455A - 一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺，属于齿轮热处理技术领域，其装置包括数控操作台、蜗轮蜗杆旋转平台、双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构、回转式光路测量机构、底座、工作台；其工艺首先是根据计算机输入的齿轮基本参数所生成未加热的齿轮齿廓曲线和计算机扫描得到的加热后齿轮的齿廓曲线上的一点的位置，调节按钮控制测量钩与测量点的竖直、水平距离、转动、摆动角度，使得测量钩的顶尖位置接触到待测点、方向与待测点法线方向相同且接触压力大于220Pa，随着待测齿轮的冷却，实时记录待测齿轮热膨胀量曲线图，完成测量工作，本发明操作简单，实用性强，有效解决了齿轮热膨胀量的测量问题。

Description

一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺

技术领域

本发明涉及齿轮热处理技术领域，尤其是一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺。

背景技术

齿轮是现代机械中应用最为广泛的传动零件，其传动系统具有结构紧凑、传动效率高、功率大、运行平稳等优点。在工程机械领域，多数零部件是因表面过度磨损而失效，齿轮的耐磨性差，工作时其表面精度容易下降，进而影响整体设备正常运行。在对齿轮的热处理工艺中，存在着一个普遍而难以解决的问题，那就是齿轮淬火后的膨胀变形，在一些小型机器或者汽车中所使用的小型、中型齿轮中这种变形可能比较细小，不会出现淬火后无法配合的情况或者经过轻微的磨削加工即可完成对热膨胀量的调整。但在工程用车或者农用大型机器中所使用的重载齿轮、大型齿轮中，由于齿轮本身的体积巨大从而使得这种变形会放大的非常明显，变形量巨大以至于热处理后出现齿轮无法啮合的情况，因此需要进行磨齿等后续工艺，但磨削加工又会导致热处理的淬硬层变薄，从而使得淬火效果不明显。由于热处理所导致的齿轮膨胀变形无法避免，尽管现在国家的技术在不断优化对齿轮的热处理工艺，使得这种变形尽可能的减小，但是目前却没有一种测量齿轮热膨胀量的装置及工艺，可以有效的测量齿轮上某一点或者某一部分的热膨胀量。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺，通过对热处理后的齿轮进行一个直接的机械接触，在齿轮冷却过程中，通过这种直接的机械接触利用激光的反射从而传递出齿轮冷却过程中的变形量，来测量齿轮因热处理而产生的热膨胀量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，包括数控操作台、蜗轮蜗杆旋转平台、双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构、回转式光路测量机构、底座、工作台；其特征在于：蜗轮蜗杆旋转平台安装在工作台上，用于控制安装在蜗轮蜗杆旋转平台上的待测齿轮的旋转；双滑块升降板竖直传动机构竖直安装在底座上，左右各安装一个，用于控制双滚珠丝杠水平传动机构和回转式光路测量机构与安装在蜗轮蜗杆旋转平台上的待测齿轮之间的竖直距离；双滚珠丝杠水平传动机构安装在双滑块升降板竖直传动机构的升降板上，用于控制回转式光路测量机构与安装在蜗轮蜗杆旋转平台上的待测齿轮之间的水平距离；回转式光路测量机构安装在双滚珠丝杠水平传动机构上，用于控制安装在回转式光路测量机构上测量钩的转向和摆动角度；双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构和回转式光路测量机构三者通过完成各自的分运动以完成调整安装在回转式光路测量机构上的测量钩测量时的空间位置。

本发明技术方案的进一步改进在于：蜗轮蜗杆旋转平台包括变速箱、蜗杆、蜗轮、传动轴A、角度传感器A；待测齿轮通过键槽配合安装在传动轴A的上侧，变速箱安装在工作台的下侧，蜗轮通过键槽配合安装在传动轴A的下侧，蜗杆安装在变速箱的输出轴上，蜗杆与蜗轮啮合传动装配，角度传感器A安装在工作台上。

本发明技术方案的进一步改进在于：双滑块升降板竖直传动机构包括成组配合的竖直移动导轨A和竖直移动导轨B、成组配合的竖直移动导轨C和竖直移动导轨D、位于竖直移动导轨A和竖直移动导轨B之间且由电机A驱动转动的滚珠丝杠A、位于竖直移动导轨C和竖直移动导轨D之间且由电机B驱动转动的滚珠丝杠B、导轨滑块A、导轨滑块B、导轨滑块C、导轨滑块D、导轨驱动滑块A、导轨驱动滑块B、升降板A、升降板B、分别位于竖直移动导轨A顶端和底端的定位板A和定位板B，分别位于竖直移动导轨B顶端和底端的定位板C和定位板D、安装在定位板B上的位移传感器A；升降板A通过导轨驱动滑块A沿滚珠丝杠A做竖直移动，升降板B通过导轨驱动滑块B沿滚珠丝杠B做竖直移动；升降板A和升降板B保持水平同步移动；导轨驱动滑块A与滚珠丝杠A螺纹配合，导轨驱动滑块B与滚珠丝杠B螺纹配合；定位板A、定位板B、定位板C、定位板D对传动机构紧固装配。

本发明技术方案的进一步改进在于：双滚珠丝杠水平传动机构包括滚珠丝杠C、滚珠丝杠D、电机C、电机D、角度传感器B、固定支座A、固定支座B、导轨驱动滑块C、导轨驱动滑块D，固定板A、位移传感器B；固定板A通过导轨驱动滑块C和导轨驱动滑块D沿滚珠丝杠C和滚珠丝杠D做水平移动；且导轨驱动滑块C和导轨驱动滑块D运动保持一致；导轨驱动滑块C与滚珠丝杠C啮合配合传动，导轨驱动滑块D和滚珠丝杠D啮合配合传动；用于控制传动轴B的转动角度的角度传感器B安装在固定板A上；位移传感器B安装在升降板B上。

本发明技术方案的进一步改进在于：回转式光路测量机构包括固定板A、固定板B、固定板C、电机E、传动轴B、联轴器、固定框、二维转动器、气缸、推动杆、激光发射器、光点动态位移检测接收屏、压力传感器、反射镜、测量钩、固定支座C；固定板B通过电机E和传动轴B做定轴转动；激光发射器悬挂在固定板B的下方，光点动态位移检测接收屏固定在固定板B的下方；激光发射器发射的激光通过反射镜反射回光点动态位移检测接收屏；二维转动器固定在传动轴B的下端，测量钩铰接设置在二维转动器内，用于测量测量钩顶尖与待测点的接触压力的压力传感器安装在测量钩内部；对应测量钩上端设置并且固定在固定板B下端面的推动杆通过气缸推动测量钩上端，使得测量钩利用二维转动器做摆动运动。

一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1：启动数控操作台上的开关，输入待测齿轮基本参数，得到未加热待测齿轮的齿廓曲线；将热处理过后的待测齿轮放置在蜗轮蜗杆旋转平台上，扫描得出待测齿轮的端部齿廓曲线，选择要测量的端部齿廓曲线上的一点；

S2：调节数控操作台上的按钮，在待测齿轮端部齿廓曲线上选择的一点的基础上，在齿厚方向上选择一点，这一点即为待测点，计算生成蜗轮蜗杆旋转平台旋转角度和测量钩的旋转角度；

S3：需要在线实时测量待测齿轮上一点的膨胀量的变化时执行方案一，需要测量待测齿轮上多点的膨胀量变化时执行方案二。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中方案一包括以下步骤：

I：调节数控操作台上的按钮，根据待测齿轮齿廓曲线上的待测点的法线方向，通过蜗轮蜗杆旋转平台上的角度传感器A实时监测待测齿轮旋转，使待测点移动到适合测量的位置；

II：调节数控操作台上的按钮，通过控制双滑块升降板竖直传动机构的升降板的竖直距离来调整测量钩的竖直距离；

III：调节数控操作台上的按钮，通过控制双滚珠丝杠水平传动机构的固定板的水平距离来调整测量钩的水平距离；

IV：调节数控操作台上的按钮，通过安装在双滚珠丝杠水平传动机构上的角度传感器B实时监测测量钩的旋转角度，使测量钩与待测点法线方向平行，通过气缸和推动杆控制测量钩的摆动角度，使测量钩摆动到合适角度后进行下一步操作；

V：调节数控操作台上的按钮，通过测量钩内部的压力传感器测量此时测量钩顶尖与待测点的接触压力，如果压力大于等于220Pa，则准备下一步工艺，如果压力小于220Pa，则调节数控操作台继续调整测量钩的空间位置，直到测量钩顶尖与待测点的压力大于等于220Pa；

VI：调节数控操作台上的按钮，随着待测齿轮的冷却，实时记录激光偏移的位移，并绘制位移曲线图、测量钩偏转角度变化曲线图、待测齿轮热膨胀量曲线图，完成测量的工作。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中方案二包括以下步骤：

第一步：调节数控操作台上的按钮，在待测齿轮端部齿廓曲线上选择的一点的基础上，在齿厚方向上选择数个点，这些点即为待测点；

第二步：按照方案一中步骤I-V测量待测点中第一个点，并记录数据；

第三步：重复第二步步骤，直到待测点全部测完，根据记录的数据绘制待测点热膨胀量数据图，完成测量的工作。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、通过测量钩与待测点的机械接触，利用光学和几何学能够准确的计算出热处理后齿轮热膨胀量的大小。

2、通过单点接触的方式，可以测量齿轮齿廓上任意一点的热膨胀量，尤其容易测得易损坏的齿根处热膨胀量的大小。

3、通过双滚珠丝杠、驱动滑块、传感器、气缸和电机做同步运动，精确的控制了测量钩在测量时的空间位置。

4、通过对测量过程中激光光点偏移位移的持续测量，可以实时反映出待测齿轮在冷却过程中热膨胀量的变化。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图；

图2是本发明蜗轮蜗杆旋转平台结构示意图；

图3是本发明双滑块升降板竖直传动机构结构示意图；

图4是为本发明双滚珠丝杠水平传动机构结构示意图；

图5是为本发明回转式光路测量机构结构示意图；

图6是为本发明工艺流程图；

图7是本发明测量原理图。

其中，1、数控操作台，2、底座，3、工作台，4、待测齿轮，5、变速箱，6、蜗杆，7、蜗轮，8、传动轴A，9、角度传感器A，10、定位板A，11、竖直移动导轨A，12、电机A，13、竖直移动导轨B，14、导轨滑块A，15、导轨驱动滑块A，16、导轨滑块B，17、升降板A，18、滚珠丝杠A，19、定位板B，20、位移传感器A，21、电机B，22、定位板C，23、竖直移动导轨C，24、竖直移动导轨D，25、导轨滑块C，26、升降板B，27、导轨驱动滑块B，28、导轨滑块D，29、滚珠丝杠B，30、定位板D，31、固定支座A，32、固定支座B，33、导轨驱动滑块C，34、滚珠丝杠C，35、导轨驱动滑块D，36、滚珠丝杠D，37、固定板A，38、角度传感器B，39、电机C，40、电机D，41、位移传感器B，42、电机E，43、联轴器，44、传动轴B，45、固定框，46、固定板B，47、固定支座C，48、激光发射器，49、光电动态位移检测接收屏，50、反射镜，51、测量钩，52、压力传感器，53、二维转动器，54、推动杆，55、气缸，56、固定板C。

具体实施方式

本发明公开了一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺，具体的说是通过直接的机械接触，利用激光的反射从而传递出齿轮冷却过程中的变形量，来测量齿轮因热处理而产生的热膨胀量，结构简单，操作便捷。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1-5所示，本实施例的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，包括数控操作台1、蜗轮蜗杆旋转平台、双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构、回转式光路测量机构、底座2、工作台3；数控操作台1安装在底座2的右侧或左侧，放置在地面上，数控操作台内部装有计算机、控制芯片、扫描仪等设备，能够对整个设备进行程序控制。

如图1、图2所示，蜗轮蜗杆旋转平台包括变速箱5、蜗杆6、蜗轮7、传动轴A8、角度传感器A9，待测齿轮4通过键槽配合安装在传动轴A8的上侧，变速箱5安装在工作台3的下侧，蜗轮7通过键槽配合安装在传动轴A8的下侧，蜗杆安装在变速箱5的输出轴上，蜗杆6与蜗轮7啮合传动装配，角度传感器A9安装在工作台3上，角度传感器A9采用型号为SSH61XXH1-V005的传感器。

如图3所示，双滑块升降板竖直传动机构包括成组配合的竖直移动导轨A11和竖直移动导轨B13、成组配合的竖直移动导轨C23和竖直移动导轨D24、位于竖直移动导轨A11和竖直移动导轨B13之间且由电机A12驱动转动的滚珠丝杠A18、位于竖直移动导轨C23和竖直移动导轨D24之间且由电机B21驱动转动的滚珠丝杠B29、导轨滑块A14、导轨滑块B16、导轨滑块C25、导轨滑块D28、导轨驱动滑块A15、导轨驱动滑块B27、升降板A17、升降板B26、分别位于竖直移动导轨A11顶端和底端的定位板A10和定位板B19，分别位于竖直移动导轨B13顶端和底端的定位板C22和定位板D30、安装在定位板B19上的位移传感器A20；升降板A17通过导轨驱动滑块A15沿滚珠丝杠A18做竖直移动，升降板B26通过导轨驱动滑块B27沿滚珠丝杠B29做竖直移动；升降板A17和升降板B26保持水平同步移动；导轨驱动滑块A15与滚珠丝杠A18螺纹配合，导轨驱动滑块B27与滚珠丝杠B29螺纹配合；定位板A10、定位板B19、定位板C22、定位板D30对传动机构紧固装配。

具体的，竖直移动导轨A11与竖直移动导轨B13下端通过定位板B19安装在底座2右侧，竖直移动导轨C23与竖直移动导轨D24下端通过定位板D30安装在底座2左侧，滚珠丝杠A18下端安装在定位板B19上，上端连接电机A12，滚珠丝杆B29下端安装在定位板D30上，上端连接电机B21，电机A12安装在定位板A10上，位移传感器A20安装在定位板B19上，电机B21安装在定位板C22上，定位板A10安装在竖直移动导轨A11与竖直移动导轨B13上端，定位板C22安装在竖直移动导轨C23与竖直移动导轨D24上端，定位板A10和定位板C22起紧固装配作用，导轨滑块A14安装在竖直移动导轨A11上，导轨滑块B16安装在竖直移动导轨B13上，导轨滑块C25安装在竖直移动导轨C23上，导轨滑块D28安装在竖直移动导轨D24上，导轨驱动滑块A15安装在升降板A17上并与滚珠丝杠A18螺纹配合，导轨驱动滑块B27安装在升降板B26上并与滚珠丝杠B29螺纹配合，升降板A17安装在导轨滑块A14和导轨滑块B16上，升降板B26安装在导轨滑块C25和导轨滑块D28上，升降板A17和升降板B26可沿滚珠丝杠A18和滚珠丝杠B29竖直移动，位移传感器A20采用型号为ILD2300-2的传感器。

如图4所示，双滚珠丝杠水平传动机构包括滚珠丝杠C34、滚珠丝杠D36、电机C39、电机D40、角度传感器B38、固定支座A31、固定支座B32、导轨驱动滑块C33、导轨驱动滑块D35，固定板A37、位移传感器B41；固定板A37通过导轨驱动滑块C33和导轨驱动滑块D35沿滚珠丝杠C34和滚珠丝杠D36做水平移动；且导轨驱动滑块C33和导轨驱动滑块D35运动保持一致；导轨驱动滑块C33与滚珠丝杠C34啮合配合传动，导轨驱动滑块D35和滚珠丝杠D36啮合配合传动；用于控制传动轴B44的转动角度的角度传感器B38安装在固定板A37上；位移传感器B41安装在升降板B26上。

具体的，滚珠丝杠C34一端安装在电机D40上，另一端安装在固定支座A31上，滚珠丝杠D36一端安装在电机C39上，另一端安装在固定支座B32上，电机C39和电机D40安装在升降板B26上，固定支座A31和固定支座B32安装在升降板A17上，导轨驱动滑块C33与滚珠丝杠C34螺纹安装，导轨驱动滑块D35与滚珠丝杠D36螺纹安装，导轨驱动滑块C33和导轨驱动滑块D35安装在固定板A37上，且固定板A37可沿滚珠丝杠C34和滚珠丝杠D36水平移动，位移传感器B41安装在升降板B26上；角度传感器B38采用型号为SSH61XXH1-V005的传感器；位移传感器B41采用型号为ILD2300-2的传感器。

如图5所示，回转式光路测量机构包括固定板B46、固定板C56、电机E42、传动轴B44、联轴器43、固定框45、二维转动器53、气缸55、推动杆54、激光发射器48、光点动态位移检测接收屏49、压力传感器52、反射镜50、测量钩51、固定支座C47；固定板B46通过电机E42和传动轴B44做定轴转动；激光发射器48悬挂在固定板B46的下方，光点动态位移检测接收屏49固定在固定板B46的下方；激光发射器48发射的激光通过反射镜50反射回光点动态位移检测接收屏49；二维转动器53固定在传动轴B44的下端，测量钩51铰接设置在二维转动器53内，用于测量测量钩51顶尖与待测点的接触压力的压力传感器52安装在测量钩51内部；对应测量钩51上端设置并且固定在固定板B46下端面的推动杆54通过气缸55推动测量钩51上端，使得测量钩51利用二维转动器53做摆动运动。

具体的，电机E42安装在固定板A37上侧，激光发射器48通过固定支座C47安装在固定板B46的下侧，传动轴B44安装在联轴器43上，联轴器43安装在固定板A37，且安装在固定框45内部，固定框45安装在固定板A37的下侧，反射镜50安装在二维转动器53上，测量钩51安装在二维转动器53上，压力传感器52安装在测量钩51内部，二维转动器53安装在固定板B46下侧，推动杆54安装在气缸55上且通过固定板C56安装在固定板B46下侧，推动杆54一端与测量钩51上端接触，测量钩51通过推动杆54的推动可通过二维转动器53转动；压力传感器52采用型号为PT214G-111的传感器。

上述结构中，蜗轮蜗杆旋转平台用于控制待测齿轮4的转动，便于待测齿轮4测量位置的调整；双滑块升降板竖直传动机构用于控制回转式光路测量机构的竖直位移；双滚珠丝杠水平传动机构用于控制回转式光路测量机构的水平位移；回转式光路测量机构用于调整测量钩51的摆动角度和转动角度；双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构和回转式光路测量机构三者通过完成各自的分运动以完成调整测量钩51的测量时的空间位置。

测量钩51通过压力传感器52控制接触位置压力，保证测量钩51和待测齿轮4待测点有一定大小压力，用以确定测量钩51和待测点接触状况。

二维转动器53上固定安装的反射镜50，可以随安装在二维转动器53上的测量钩51一起转动，在测量过程中，激光发射器48发射的激光水平射入反射镜50，接触镜面发生反射，随着待测齿轮4端部的冷却收缩，测量钩51的偏移角度发生一定的减小，反射镜50与测量钩51偏移角度一致，镜面发生转动，反射角改变，反射光线在光点动态位移检测接收屏49上的轨迹产生位移，光点动态位移检测接收屏49通过测量激光的偏移位移，可以计算出待测齿轮4端部的冷却收缩量，也就是待测齿轮4的热膨胀量。

角度传感器A9、角度传感器B38、位移传感器A20、位移传感器B41、压力传感器52、光点动态位移检测接收屏49等测得的数据传回数控操作台1，通过控制芯片输入程序进行控制，指挥蜗轮蜗杆旋转平台、双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构、回转式光路测量机构协调动作，分析计算，并绘制位移曲线图、测量钩51偏转角度变化曲线图、待测齿轮4热膨胀量曲线图，保证测量工作的完成。

本发明还公开了一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置测量齿轮加热后热膨胀量的工艺，该工艺需要使用以上所记载的装置，具体步骤如下：

S1：启动数控操作台1上的开关，输入待测齿轮4基本参数，得到未加热待测齿轮4的齿廓曲线；将热处理过后的待测齿轮4放置在蜗轮蜗杆旋转平台上，扫描得出待测齿轮4的端部齿廓曲线，选择要测量的端部齿廓曲线上的一点；

S2：调节数控操作台1上的按钮，在待测齿轮4端部齿廓曲线上选择的一点的基础上，在齿厚方向上选择一点，这一点即为待测点，计算生成蜗轮蜗杆旋转平台旋转角度和测量钩51的旋转角度；

S3：需要在线实时测量待测齿轮4上一点的膨胀量的变化时执行方案一，包括以下步骤：

I：调节数控操作台1上的按钮，根据待测齿轮4齿廓曲线上的待测点的法线方向，通过蜗轮蜗杆旋转平台上的角度传感器A9实时监测待测齿轮4旋转，使待测点移动到适合测量的位置；

II：调节数控操作台1上的按钮，通过控制双滑块升降板竖直传动机构的升降板的竖直距离来调整测量钩51的竖直距离；

III：调节数控操作台1上的按钮，通过控制双滚珠丝杠水平传动机构的固定板A37的水平距离来调整测量钩51的水平距离；

IV：调节数控操作台1上的按钮，通过安装在双滚珠丝杠水平传动机构上的角度传感器B38实时监测测量钩51的旋转角度，使测量钩51与待测点法线方向平行，通过气缸55和推动杆54控制测量钩51的摆动角度，使测量钩51摆动到合适角度后进行下一步操作；

V：调节数控操作台1上的按钮，通过测量钩51内部的压力传感器52测量此时测量钩51顶尖与待测点的接触压力，如果压力大于等于220Pa，则准备下一步工艺，如果压力小于220Pa，则调节数控操作台1继续调整测量钩51的空间位置，直到测量钩51顶尖与待测点的压力大于等于220Pa；

VI：调节数控操作台1上的按钮，随着待测齿轮4的冷却，实时记录激光偏移的位移，并绘制位移曲线图、测量钩51偏转角度变化曲线图、待测齿轮4热膨胀量曲线图，完成测量的工作。

需要测量待测齿轮4上多点的膨胀量变化时执行方案二，包括以下步骤：

第一步：调节数控操作台1上的按钮，在待测齿轮4端部齿廓曲线上选择的一点的基础上，在齿厚方向上选择数个点，这些点即为待测点；

第二步：按照方案一中步骤I-V测量待测点中第一个点，并记录数据；

第三步：重复第二步的步骤，直到待测点全部测完，根据记录的数据绘制待测点热膨胀量数据图，完成测量的工作。

以下实施例为一个完整的测量过程：

(1)启动数控操作台1上的开关，输入齿轮基本参数，得到未加热待测齿轮4的齿廓曲线，将热处理过后的待测齿轮4放置在蜗轮蜗杆旋转平台上，扫描得出待测齿轮4的端部齿廓曲线，选择要测量的端部齿廓曲线上的一点。

(2)调节数控操作台1上的按钮，根据待测齿轮4端部齿廓曲线上的待测点的法线方向，通过蜗轮蜗杆旋转平台上的角度传感器A9控制待测齿轮4旋转，使待测点移动到适合测量的位置。

(3)调节数控操作台1上的按钮，通过控制双滑块升降板竖直传动机构的升降板17和升降板26的竖直距离来调整测量钩51的竖直距离。

(4)调节数控操作台上1的按钮，通过控制双滚珠丝杠水平传动机构的固定板37的水平距离来调整测量钩51的水平距离。

(5)调节数控操作台1上的按钮，通过回转式光路测量机构中角度传感器B38控制测量钩51的旋转角度，通过气缸55和推动杆54控制测量钩51的摆动角度。

(6)调节数控操作台1上的按钮，通过测量钩51内部的压力传感器52测量此时测量钩51顶尖与待测点的接触压力，如果压力大于等于220Pa，则准备下一步工艺，如果压力小于220Pa，则计算机继续调整测量钩51的空间位置，直到测量钩51顶尖与待测点的压力大于等于220Pa。

(7)调节数控操作台1上的按钮，随待测齿轮4的冷却，实时记录激光偏移的位移，并绘制位移曲线图、测量钩51偏转角度变化曲线图、待测齿轮4热膨胀量曲线图，完成测量的工作。

具体的流程计算过程，如图6所示，该发明的原理及计算示意图，如图7所示。

随着待测齿轮4的冷却，测量钩51的偏移角度发生一定的减小，通过测量激光的偏移位移，可以得到待测齿轮4热处理膨胀量的大小，在偏移过程中任取一个位置做如下分析，取某一时刻的激光偏移位置，通过传感器测得此时h₁、h₂的参数，已知：L₁、L₂、L₃、θ₀的参数。

以下式中：

L₁-光点动态位移检测接收屏到反射镜的距离；

L₂-测量钩杆长；

L₃-测量钩钩子长度；

h₁-初始激光反射时测的偏移位移；

h₂-偏移过程中某一时刻的偏移位移；

θ-指偏移过程中某一时刻反射镜位置和初始位置的夹角；

θ₀-指初始位置反射镜和竖直方向的夹角；

α₁-指初始位置激光在反射镜上的入射角；

α₂-指某一时刻激光在反射镜上的入射角；

x₁-指初始位置测量点与反射镜的水平距离；

x₂-指某一时刻测量点与反射镜的水平距离；

△x-指某一时刻齿轮热膨胀量的数值。

通过几何关系推导得式(1)、(2)：

化简得式(3)、(4)：

由图可得θ：

θ＝α₁-α₂ (5)

由几何关系得θ1：

由几何关系得x₁：

化简得：

同理可得x₂：

由x₁-x₂＝△x，最后得到Δx：

Δx即为这一时刻齿轮热膨胀量的数值，将这一数值记录，即可绘制激光偏离位移随时间变化曲线图、测量钩51偏转角度随时间变化曲线图、待测齿轮4热膨胀量随时间变化曲线图，完成测量的工作。

本发明是一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺，通过对热处理后的齿轮进行一个直接的机械接触，在齿轮冷却过程中，通过这种直接的机械接触利用激光的反射从而传递出齿轮冷却过程中的变形量，来测量齿轮因热处理而产生的热膨胀量，通过对测量过程中激光光点偏移位移的持续测量，可以实时反映出待测齿轮在冷却过程中热膨胀量的变化，实现了有效测量齿轮上某一点或者多点的热膨胀量，效果良好。

Claims (8)

1.一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，包括数控操作台（1）、蜗轮蜗杆旋转平台、双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构、回转式光路测量机构、底座（2）、工作台（3），其特征在于：蜗轮蜗杆旋转平台安装在工作台（3）上，用于控制安装在蜗轮蜗杆旋转平台上的待测齿轮（4）的旋转；双滑块升降板竖直传动机构竖直安装在底座（2）上，左右各安装一个，用于控制双滚珠丝杠水平传动机构和回转式光路测量机构与安装在蜗轮蜗杆旋转平台上的待测齿轮（4）之间的竖直距离；双滚珠丝杠水平传动机构安装在双滑块升降板竖直传动机构的升降板上，用于控制回转式光路测量机构与安装在蜗轮蜗杆旋转平台上的待测齿轮（4）之间的水平距离；回转式光路测量机构安装在双滚珠丝杠水平传动机构上，用于控制安装在回转式光路测量机构上测量钩（51）的转向和摆动角度；双滑块升降板竖直传动机构、双滚珠丝杠水平传动机构和回转式光路测量机构三者通过完成各自的分运动以完成调整安装在回转式光路测量机构上的测量钩（51）测量时的空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，其特征在于：蜗轮蜗杆旋转平台包括变速箱（5）、蜗杆（6）、蜗轮（7）、传动轴A（8）、角度传感器A（9）；待测齿轮（4）通过键槽配合安装在传动轴A（8）的上侧，变速箱（5）安装在工作台（3）的下侧；蜗轮（7）通过键槽配合安装在传动轴A（8）的下侧，蜗杆安装在变速箱（5）的输出轴上，蜗杆（6）与蜗轮（7）啮合传动装配，角度传感器A（9）安装在工作台（3）上。

3.根据权利要求1所述的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，其特征在于：双滑块升降板竖直传动机构包括成组配合的竖直移动导轨A（11）和竖直移动导轨B（13）、成组配合的竖直移动导轨C（23）和竖直移动导轨D（24）、位于竖直移动导轨A（11）和竖直移动导轨B（13）之间且由电机A（12）驱动转动的滚珠丝杠A（18）、位于竖直移动导轨C（23）和竖直移动导轨D（24）之间且由电机B（21）驱动转动的滚珠丝杠B（29）、导轨滑块A（14）、导轨滑块B（16）、导轨滑块C（25）、导轨滑块D（28）、导轨驱动滑块A（15）、导轨驱动滑块B（27）、升降板A（17）、升降板B（26）、分别位于竖直移动导轨A（11）顶端和底端的定位板A（10）和定位板B（19），分别位于竖直移动导轨B（13）顶端和底端的定位板C（22）和定位板D（30）、安装在定位板B（19）上的位移传感器A（20）；升降板A（17）通过导轨驱动滑块A（15）沿滚珠丝杠A（18）做竖直移动，升降板B（26）通过导轨驱动滑块B（27）沿滚珠丝杠B（29）做竖直移动；升降板A（17）和升降板B（26）保持水平同步移动；导轨驱动滑块A（15）与滚珠丝杠A（18）螺纹配合，导轨驱动滑块B（27）与滚珠丝杠B（29）螺纹配合；定位板A（10）、定位板B（19）、定位板C（22）、定位板D（30）对传动机构紧固装配。

4.根据权利要求1所述的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，其特征在于：双滚珠丝杠水平传动机构包括滚珠丝杠C（34）、滚珠丝杠D（36）、电机C（39）、电机D（40）、角度传感器B（38）、固定支座A（31）、固定支座B（32）、导轨驱动滑块C（33）、导轨驱动滑块D（35），固定板A（37）、位移传感器B（41）；固定板A（37）通过导轨驱动滑块C（33）和导轨驱动滑块D（35）沿滚珠丝杠C（34）和滚珠丝杠D（36）做水平移动；且导轨驱动滑块C（33）和导轨驱动滑块D（35）运动保持一致；导轨驱动滑块C（33）与滚珠丝杠C（34）啮合配合传动，导轨驱动滑块D（35）和滚珠丝杠D（36）啮合配合传动；用于控制传动轴B（44）的转动角度的角度传感器B（38）安装在固定板A（37）上；位移传感器B（41）安装在升降板B（26）上。

5.根据权利要求1所述的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置，其特征在于：回转式光路测量机构包括固定板B（46）、固定板C（56）、电机E（42）、传动轴B（44）、联轴器（43）、固定框（45）、二维转动器（53）、气缸（55）、推动杆（54）、激光发射器（48）、光点动态位移检测接收屏（49）、压力传感器（52）、反射镜（50）、测量钩（51）、固定支座C（47）；固定板B（46）通过电机E（42）和传动轴B（44）做定轴转动；激光发射器（48）悬挂在固定板B（46）的下方，光点动态位移检测接收屏（49）固定在固定板B（46）的下方；激光发射器（48）发射的激光通过反射镜（50）反射回光点动态位移检测接收屏（49）；二维转动器（53）固定在传动轴B（44）的下端，测量钩（51）铰接设置在二维转动器（53）内，用于测量测量钩（51）顶尖与待测点的接触压力的压力传感器（52）安装在测量钩（51）内部；对应测量钩（51）上端设置并且固定在固定板B（46）下端面的推动杆（54）通过气缸（55）推动测量钩（51）上端，使得测量钩（51）利用二维转动器（53）做摆动运动。

6.一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1：启动数控操作台（1）上的开关，输入待测齿轮（4）基本参数，得到未加热待测齿轮（4）的齿廓曲线；将热处理过后的待测齿轮（4）放置在蜗轮蜗杆旋转平台上，扫描得出待测齿轮（4）的端部齿廓曲线，选择要测量的端部齿廓曲线上的一点；

S2：调节数控操作台（1）上的按钮，在待测齿轮（4）端部齿廓曲线上选择的一点的基础上，在齿厚方向上选择一点，这一点即为待测点，计算生成蜗轮蜗杆旋转平台旋转角度和测量钩（51）的旋转角度；

S3：需要在线实时测量待测齿轮（4）上一点的膨胀量的变化时执行方案一，

需要测量待测齿轮（4）上多点的膨胀量变化时执行方案二。

7.根据权利要求6所述的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的工艺，其特征在于：S3中方案一包括以下步骤：

I：调节数控操作台（1）上的按钮，根据待测齿轮（4）齿廓曲线上的待测点的法线方向，通过蜗轮蜗杆旋转平台上的角度传感器A（9）实时监测待测齿轮（4）旋转，使待测点移动到适合测量的位置；

II：调节数控操作台（1）上的按钮，通过控制双滑块升降板竖直传动机构的升降板的竖直距离来调整测量钩（51）的竖直距离；

III：调节数控操作台（1）上的按钮，通过控制双滚珠丝杠水平传动机构的固定板（37）的水平距离来调整测量钩（51）的水平距离；

IV：调节数控操作台（1）上的按钮，通过安装在双滚珠丝杠水平传动机构上的角度传感器B（38）实时监测测量钩（51）的旋转角度，使测量钩（51）与待测点法线方向平行，通过气缸（55）和推动杆（54）控制测量钩（51）的摆动角度，使测量钩（51）摆动到合适角度后进行下一步操作；

V：调节数控操作台（1）上的按钮，通过测量钩（51）内部的压力传感器（52）测量此时测量钩（51）顶尖与待测点的接触压力，如果压力大于等于220Pa，则准备下一步工艺，如果压力小于220Pa，则调节数控操作台（1）继续调整测量钩（51）的空间位置，直到测量钩（51）顶尖与待测点的压力大于等于220Pa；

VI：调节数控操作台（1）上的按钮，随着待测齿轮（4）的冷却，实时记录激光偏移的位移，并绘制位移曲线图、测量钩（51）偏转角度变化曲线图、待测齿轮（4）热膨胀量曲线图，完成测量的工作。

8.根据权利要求6所述的一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的工艺，其特征在于：S3中方案二包括以下步骤：

第一步：调节数控操作台（1）上的按钮，在待测齿轮（4）端部齿廓曲线上选择的一点的基础上，在齿厚方向上选择数个点，这些点即为待测点；

第二步：按照方案一中的步骤I-V测量待测点中第一个点，并记录数据；

第三步：重复第二步的步骤，直到待测点全部测完，根据记录的数据绘制待测点热膨胀量数据图，完成测量的工作。

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