CN111226089A - 使用非接触式传感器在复合机器测试平台上测量带齿物品 - Google Patents

Abstract

一种方法和机器，其包括在功能性测试平台(50)上的至少一个非接触式传感器(52)，用于工件检查和/或测量。在功能性测试平台上包含至少一个非接触式传感器导致将两个机器平台组合成单台机器，并为用户提供功能和分析两种方法的测量特性，从而节省了大量的循环时间和显著的空间。

Description

使用非接触式传感器在复合机器测试平台上测量带齿物品

技术领域

本发明涉及包括齿轮和其他带齿物品的工件的测量，尤其涉及在功能测量平台上利用一个或多个非接触式传感器进行的这种测量，以及在单个平台上产生分析性以及功能性测试结果。分析性和功能性测量可以同时进行或彼此独立进行，从而使用户可以自由选择一种或两种测量方法。

背景技术

多年来，齿轮和齿轮状工件(例如圆柱齿轮和锥齿轮，蜗杆)的尺寸检查(即测量)主要通过两种不同的方法进行，即，(1)功能性测试，其包括将齿轮或其他带齿工件与已知主齿轮或配合齿轮啮合，以及(2)分析性测试，其使用坐标测量机(CMM)或齿轮测量机(GMM)，例如由申请人制造的齿轮测量机的GMS系列。

功能性测试将工件的测量值与主齿轮或配合齿轮进行比较。例如，在如图1所示的典型的双侧面齿轮滚动测试机上，将工件(例如圆柱齿轮)与已知的主零件(例如圆柱齿轮)啮合并旋转。齿轮之一安装在固定轴上，其他齿轮安装在浮动轴上。当两个齿轮旋转时，测量轴之间的线性位移。报告此功能性测试的复合误差，例如中心距变化，并与所需的公差进行比较。这种滚动测试仪还能够报告与齿轮齿尺寸有关的特性，例如齿厚和跨棒直径(DOP)。

用于齿轮的功能性测试平台(即，滚动测试仪)包括那些被称为双侧面测试仪和单侧面测试仪的测试仪。通过单侧面测试，配合齿轮以适当的(固定的)中心距滚动在一起，并带有游隙，并且只有一个侧面接触。齿轮可以成对或与主齿轮一起测试。通过双侧面测试，配合齿轮以紧密啮合滚动在一起，从而在两个侧面产生接触。工作齿轮与主齿轮啮合。通过在平台上提供各种编码器，可以捕获齿轮的相对运动(即中心距离变化)，其构成了齿轮误差的集合或汇总。下面提到使用双侧面测试仪测量的一些误差。

·Fi/Tcv(总复合变化或总中心距离变化)

·fi(齿间误差)

·平均DOP(平均跨棒直径)

·平均圆齿厚度(由中心距变化确定)

·最小和最大DOP

·最小和最大圆齿厚度

如上所述，齿轮的分析性测试通常由GMM或CMM进行。这些机器包括计算机控制的设备，该设备包括高分辨率触摸传感器(即触觉)探针，并且用于识别单个齿轮的制造误差与误差的集合，如功能性测试仪(如双侧面测试仪)中所示。图2显示了用于测量齿轮工件的分析机的实例。这种利用触觉探针的仪器通常用于确定例如多种试件特征(例如齿轮齿、零件基准、轴颈)的形状、位置和关系。

使用分析机在圆柱形齿轮(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到已知特征的角度位置，例如齿轮轴上的键槽

·齿形貌

·波纹

·尖端和/或根部直径

·倒角宽度

使用分析机在锥齿轮(包括直的、螺旋的和准双曲面齿轮)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)。

·形貌测量

·波纹

还已知通过非接触方法在CMM上测量某些部件。在例如Pryor等人的US 4,547,674中公开了工件例如齿轮的光学(例如激光)测量和/或检查。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。

最近，申请人引入了包括接触探针和光学探针结合的GMM，以测量先前仅使用光学探针确定的齿轮的那些特性。

发明内容

本发明涉及一种方法和机器，其包括在功能性测试平台上的至少一个非接触式传感器，用于工件检查和/或测量。在功能性测试平台上包含至少一个非接触式传感器导致将两个机器平台组合成单台机器，并为用户提供功能和分析两种方法的测量特性，从而节省了大量的循环时间和显著的空间。

附图说明

图1显示了标准的滚动测试机(功能性测试仪)。

图2示出了已知类型的齿轮测量机(分析仪)。

图3是本发明的机器的前视图，示出了两个齿轮处于滚动啮合中并且对其中一个齿轮进行非接触检查。

图4是图3的非接触式传感器检查部分的放大图。

图5是图3的机器的俯视图。

图6是图3-5的修改的俯视图，其中示出了多个非接触式传感器。

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构造，并且能够以各种方式实践或实施。另外，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应视为限制。

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，相似的特征或组件将由类似的附图标记指代。为了更好地理解本发明和易于观察，从附图中省略了门和任何内部或外部防护。

本文中“包括”、“具有”和“包含”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)进行这些参考。这些方向并不旨在被视为字面意思或以任何形式限制本发明。另外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语在本文中用于描述的目的，并且不旨在表示或暗示重要性或重大性。

图1示出了标准滚动测试机2，其是功能性测试仪。该机器包括基座4，在其上，滑动件6可在轨道8上沿X方向线性移动。将滑动板10固定在滑动件6上，并将合适的心轴12放置在板10上。主齿轮14安装到工件保持心轴12上，以绕着轴线T旋转，由于滑动件6和轨道8的布置，轴线T是浮动轴线。工件16被安装到合适的工件保持心轴18上以绕固定轴线W旋转。当两个齿轮14、16啮合时，测量轴线W和T之间的线性位移。主齿轮和被测齿轮通常会反转，但可以在任一方向上进行测量。

图2示出了计算机控制的齿轮测量机(GMM)22的实例，其用于分析测量和检查齿轮、工具和其他类型的复杂形状工件，特别是但不限于包括齿的工件。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上的垂直轴线柱34。垂直轴线柱34可在底座24上沿Y方向水平移动。垂直鞍座36位于垂直轴线柱34上，并且可沿Z方向沿柱34移动。水平滑动件38连接至垂直鞍座36，而探针臂40连接至水平滑动件38。探针臂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可绕轴线B以及绕轴线A分度，其中轴线A在Y方向上延伸并且垂直于轴线B定向。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。

图2进一步示出了将触觉探针46放置在探针支撑头42上。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代替，该金刚石尖端探针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，称为巴克豪森探针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。

本发明的方法和机器包括在功能性测试平台上的至少一个非接触式传感器，用于工件检查和/或测量。

图3、4和5示出了本发明的机器50，其包括生产齿轮16(即工件)和主齿轮14，主齿轮14安装在相应的工件保持心轴18和12上，例如机械的、液压的或气动的心轴，如技术人员已知的。生产齿轮16可以位于主齿轮14的左侧或右侧，但是在图3显示为在左侧。齿轮16在电动轴线W上旋转。主齿轮14安装在右手侧(轴线T)并且不是电动的。主齿轮14的旋转由驱动马达提供，用于轴线w以及与生产齿轮16的啮合。

主齿轮位于滑动件6(X轴)上，并且可以在X轴方向上移动，以允许齿轮的耦合和解耦。需要解耦，以便可以手动或通过自动化手段将生产齿轮16移除并替换为不同的工件。安装线性标尺7(图5)以捕获滑动件6在X轴方向上的运动。旋转编码器(未示出)安装在电动生产齿轮16(w轴)下方，以捕获工件齿轮的旋转运动。捕获旋转编码器和线性标尺的输入，使得在齿轮对旋转期间，相对于工件齿轮16的旋转位置测量齿轮的相对运动(沿X方向)。在某些情况下，可以使用LVDT(线性电压位移传感器)探头来测量工件心轴的任何跳动误差。

如图3所示，非接触式传感器(例如激光组件52)位于机器的左侧。单个激光器54安装在具有可调节安装机构58的线性可调节柱56上，其中激光器54可在多达三个线性方向X、Y、Z(优选相互垂直)和多达三个旋转方向上移动和定位，换句话说，激光器54优选地能够进行六个自由度的运动。这种可调节性是优选的，以便将激光线60定向到齿轮齿空间上，由此其可以从齿根到齿尖捕获相邻齿的两个齿侧面的齿渐开线的至少一部分(即轮廓方向)。

取决于特定的齿轮几何形状，激光还将在导程方向上测量齿轮的一部分。基于传感器视场的宽度和传感器围绕X轴的旋转位置，激光将能够看到几毫米的正面宽度(即纵向)，例如3-4毫米，可以确定其导程误差。在自由定向非接触传感器的情况下，本发明能够测量与工件的轮廓和分度特性有关的分析误差。

激光传感器54具有其自己的控制器(未示出)，该控制器由旋转编码器触发。激光控制器记录激光数据和相应的旋转编码器位置。该数据收集是在工作齿轮旋转期间完成的。还有其他方法可以读取旋转编码器和激光数据，并在测量周期内使它们同步，例如将两者的信号馈入连接到PC的硬件设备中。

当齿轮16和14旋转时，激光器54在工件齿轮16的整个旋转过程中收集点云数据。收集的数据被分类以捕获齿轮16每个齿隙的点数据。进一步分析数据以确定每个齿面的渐开线和分度误差。与CMM或GMM相比，此类分析测量的循环时间要快得多。例如，对于31齿的汽车小齿轮，所有齿的分度和渐开线测试在约10秒内进行测量。为了比较，在CMM或GMM上，相同小齿轮和测量的典型循环时间至少为130秒。

尽管已经针对双侧面测试讨论了本发明，但是本发明也同样适用于单侧面测试。另外，虽然已经讨论了一个非接触式传感器(例如激光器)，但是机器上可以包括一个以上非接触式传感器。例如，可以将两个激光器安装在同一机器平台上，以便可以将每个激光器定向在齿轮的单独侧面(即右侧和左侧)以收集分度和轮廓数据。当齿轮深度或间距增加到超过一个激光器的范围时，两个激光器的布置特别有利。

可以在不同的高度处安装两个以上的激光器，以便捕获齿轮齿两侧的部分齿面或整个齿面。两个激光器可以以不同的高度安装在同一柱56上。典型的汽车小齿轮通常最多需要四个激光器，但是根据齿轮的尺寸，激光器的数量可能会增加。例如，将两个激光器安装到两个柱中的每个柱通常就足够。在齿轮旋转过程中，所有激光器从齿轮齿的不同部分捕获数据。对合并的数据进行同步和分析以获得所有齿的点云，然后进一步分析以获得分度、导程和渐开线数据。

激光器也可以相对于工件移动，使得齿轮齿两侧的部分或整个齿表面可以被激光扫描和捕获。通过使用如上所述的多个激光器，或者通过在激光器和工件之间引入相对运动，可以在两个深度(轮廓)和面宽(导程)方向上捕获齿轮齿两侧的一部分(例如80-90％)或整个齿表面的点云。

图6示出了对图3-5进行修改的实施例，其中在机器51上包括两个柱56、57。两个非接触传感器54、55(例如激光器)经由各自的可调节安装机构58、59安装到各自的柱56、57，以利用它们各自的激光线60、61扫描工件16的齿表面。如上所述，可以在每个柱上安装两个激光器，因此，图6也可以看作代表包括指向工件16的四个激光器的机器。

非接触传感器54的取向和定位可以如图所示手动设置，或者可以在机器计算机控制的控制下设置。一个或多个非接触传感器可以在测量期间保持静止，或者可以设置为运动(例如，沿Z方向)，以便扫描工件的部分面宽(例如80-90％)或整个面宽(即齿长)。

可以固定一个或多个非接触传感器与工件之间的相对位置，以便扫描工件的部分齿轮廓或完整齿轮廓(即渐开线轮廓)。而且，可以利用在扫描期间在一个或多个传感器与工件之间在X方向和/或Y方向上的相对运动，以便修改部分轮廓的扫描区域或将工件的齿表面的完整轮廓的扫描改变为部分轮廓(即渐开线轮廓)。例如，可以在齿的末端和中心扫描完整轮廓，而在齿的中心和末端之间的区域扫描较少量的轮廓(例如70-80％)。

利用本发明，除了如上所述确定工件的分度、导程和轮廓测量值之外，用至少一个非接触式传感器扫描工件还可提供用于确定其他特性(例如齿厚度、齿轮齿的角位置、齿尖和/或齿根直径以及倒角宽度)的齿表面数据。

还应注意，滚动测试(单或双侧面测试)和非接触式测量均可以同时或分别进行。此外，对于仅非接触式分析测量，仅需要一个工件。在仅执行非接触式测量时，不需要配合齿轮(例如主齿轮)。

本发明还结合了分析性测试和功能性测试的测量。由于测量是在单个机器平台上进行的，因此可以将通过两种不同方法收集的测量数据进行组合。由于用户不必单独运行这些测试，因此可以节省循环时间。

本发明可以扩展到其他类型的非接触式传感器，例如摄像机或阴影图投影仪。

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。本发明旨在包括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 (21)

1.用于包括齿轮或其他带齿物品的带齿工件的测量机器，其中所述工件具有多个齿并且每个所述齿具有一对齿侧表面，所述机器包括：

功能性测量机构，其可操作以与主齿轮或配合齿轮啮合地滚动带齿工件，和

分析性测量机构，其包括至少一个非接触式传感器，所述非接触式传感器可操作以在轮廓方向和面宽方向中的至少一个方向上扫描所述带齿工件的齿表面的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的测量机器，其中所述至少一个非接触式传感器包括至少一个激光器。

3.根据权利要求1所述的测量机器，其中所述至少一个非接触式传感器在最多三个相互垂直的线性方向移动上可移动。

4.根据权利要求3所述的测量机器，其中所述至少一个非接触式传感器可围绕每个所述线性方向旋转地移动。

5.根据权利要求1所述的测量机器，其中所述分析性测量机构可操作以提供关于所述工件的齿的分度、轮廓和导程特性中的至少一个的工件测量。

6.根据权利要求5所述的测量机器，其中所述工件测量通过在所述轮廓方向上沿所述齿表面的一部分扫描所述齿获得。

7.根据权利要求5所述的测量机器，其中所述工件测量通过在所述面宽方向上沿所述齿表面的一部分扫描所述齿获得。

8.根据权利要求1所述的测量机器，其包括位于所述机器上的至少两个非接触式传感器，所述至少两个非接触式传感器定向在所述一对齿侧表面的一个上。

9.根据权利要求1所述的测量机器，其中所述功能性测量机构和所述分析性测量机构可彼此同时操作或彼此独立操作。

10.根据权利要求1所述的测量机器，其包括由所述功能性测定机构产生的功能性输出数据和由所述分析性测量机构产生的分析性输出数据，所述功能性输出数据和所述分析性输出数据被结合以提供单一平台测量数据。

11.根据权利要求1所述的测量机器，其中所述功能性测量机构包括可操作用于单侧面测试和双侧面测试中的至少一个的滚动测试仪。

12.一种在测量机器上测量带齿工件的方法，所述带齿工件包括齿轮或其他带齿物品，其中所述工件具有多个齿并且每个所述齿具有一对齿侧表面，所述方法包括：

提供测量机器，其具有功能性测量机构，所述功能性测量机构可操作以与主齿轮或配合齿轮啮合地滚动带齿工件，和分析性测量机构，所述分析性测量机构包括至少一个非接触式传感器，所述非接触式传感器可操作以在轮廓方向和面宽方向中的至少一个方向上扫描所述带齿工件的齿表面的至少一部分，

用所述分析性测量机构扫描所述工件，以提供关于所述工件的齿的特性的工件测量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述齿的特性包括分度、轮廓、导程、齿厚、齿轮齿的角度位置、齿尖和/或齿根直径和倒角宽度中的至少一个。

14.根据权利要求12所述的方法，包括：

提供单个非接触式传感器，

在旋转所述工件的同时，使所述单个传感器沿所述齿的面宽方向的一部分相对于所述工件运动，

从所述单个传感器生成输出，

从所述输出确定所述工件的导程特性。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括从所述输出确定所述工件的分度和轮廓特性。

16.根据权利要求12所述的方法，包括：

提供至少两个非接触式传感器，

定位所述至少两个非接触式传感器，从而能够扫描所述齿的面宽方向的一部分，

在旋转所述工件的同时扫描所述齿，

从所述至少两个非接触式传感器生成输出，

从所述输出确定所述工件的导程特性。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括从所述输出确定所述工件的分度和轮廓特性。

18.根据权利要求12所述的方法，包括：

提供至少一个非接触式传感器，

将所述至少一个非接触式传感器相对于所述工件定位，从而能够扫描所述齿的齿轮廓表面的一部分，

扫描所述齿，

从所述至少两个非接触式传感器生成输出，

从所述输出确定所述工件的分度和轮廓特性。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述非接触式传感器相对于所述工件之间的所述定位在所述扫描过程中发生变化。

20.根据权利要求12所述的方法，还包括：

以与主齿轮或配合齿轮啮合地滚动带齿工件，

通过所述功能性测量机构产生功能性输出数据，并通过所述分析性测量机构产生分析性输出数据，

组合所述功能性输出数据和所述分析性输出数据以提供单个平台测量数据。

21.根据权利要求12所述的方法，其中所述功能性测量机构和所述分析性测量机构可彼此同时操作或彼此独立操作。

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