CN112268520B - 一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，沿测量光路设置有前双光楔、后双光楔；沿扫描测量光路设置有结构光传感器，前双光楔与后双光楔之间放置被测齿轮。将双光楔引入到了测量光路，定量改变入射角照射到被测面的角度，从而调整干涉条纹的密度分布方便相位数据处理；将结构光传感器引入干涉测量装置中，投射的结构光通过在测量过程中与被测物表面的相对运动，结合干涉测量数据，使得在对大螺旋角复杂螺旋曲面进行测量时可以保证全场测量。本发明的测量方法将空间相移技术引入到干涉测量装置中，通过单次测量拍摄能够得到多张移相干涉图，简化了操作流程步骤，提升了装置的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，涉及一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法。
背景技术
精密齿轮作为先进轨道交通、矿山冶金、装备制造、石油化工等行业传动装置中的重要零件，由于具有高承载能力、高传动效率、长寿命和低噪声等优点，为传动装置的高性能提供了保证。为了满足传动装置高承载能力和高传动效率的需求，这就要求齿轮必须具有更高的加工制造精度。而在齿轮精度评价的诸多指标中，齿面形状误差对整个传动装置的传动效率、噪声以及使用寿命都有巨大的影响。因此，齿面形状误差的精密测量是提高其制造精度的前提和保证。
经文献搜索发现，已有的精密齿轮齿面形状误差的测量方法分为两类，第一种是接触式测量方法，如三坐标测量机或齿轮测量中心。这类测量是基于测量触头通过在被侧面上扫点实现的，采用坐标测量法对被测物理信息进行反算。但是，这类方法测量效率低，会划伤被测面，并且会受到测头半径误差和采样误差等因素影响测量精度。因此，这类方法的测量精度很难超过1微米。第二类是利用光学原理的非接触测量方法，如：影像测量法、光学探针法、光学三角法、激光干涉法等。这些方法能够避免对被测面形成接触性的损伤，同时克服传统接触式测量法效率低、精度差、测量信息密度低的不足。其中，基于激光干涉法实现的非接触测量方法，能实现高精度、高效率的测量。如王磊杰在《Optik》发表的论文“Design of laser interferometric system for measurement of gear tooth flank”采用的激光移相干涉测量方法。这种方法利用PZT调整反射镜的相位，得到一系列移相后的被测面干涉条纹图像，经过相位提取和解包后能够计算出齿轮齿面的形状误差。这种方法虽然能够实现齿轮齿面形状误差的高精度测量，但是对于螺旋角大的斜齿轮，测量光会被相邻面所遮挡导致测量信息不全，无法实现不同齿宽斜齿轮的全场测量。此外，该方法是基于压电陶瓷进行分步移相的，极易受到外界环境的干扰导致精度的降低，这也限制了其实际应用效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，解决了现有技术中存在的存在精度低、适应性差、无法实现全场测量的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将被测齿轮置于干涉测量光路中的前双光楔与后双光楔之间，并调整干涉测量光路，当干涉测量光路调整合适时，CCD相机拍摄得到被测齿面干涉条纹图像；
步骤2、通过对前双光楔和后前双光楔进行旋转，改变双光楔之间的相对角度，改变干涉测量光路照射被测齿轮的被测齿面的入射角度，根据实际被测面的情况设置干涉测量光路改变角度测量的次数，得到改变入射角度后被测面干涉条纹图像；
步骤3、根据步骤1得到的被测齿面干涉条纹图像与步骤2得到的改变入射角度后被测面干涉条纹图像提取被测齿面的包裹相位，并进行相位解包裹；
步骤4、根据光线追迹原理对被测齿轮的被测齿面干涉测量进行仿真，得到被测齿面的仿真干涉图；将实测的干涉测量数据与仿真干涉图进行配准计算各像素点对应的入射角度，并将被测面相位解包后的连续相位转换为被测面的高度信息，根据平行平板干涉模型，通过相位差Φ推导出高度差h；
步骤5、用相同大小的窗口计算多组多角度干涉图的相位倒数方差质量图V(m,n)，设定阈值后将被测齿面区域二值化，超过阈值的区域为可靠相位区域，将多角度测量计算的结果中可靠相位区域的结果进行像素级融合；
步骤6、利用结构光传感器沿被测齿轮轴向方向扫描被测齿面，得到被测齿面的表面高度信息，依据表面高度信息构建被测齿面的三维点云数据，将三维点云数据和理想齿面比较，计算出被测齿面的形状误差；
步骤7、借助多传感卡尔曼滤波的量测融合算法，对干涉光路测量多角度测量结果与扫描测量光路测量结果进行加权融合并进行信息滤波的处理，得到信息融合后的新的信息在像素点(x,y)处的结果Y(x,y)；
一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法使用的测量装置，包括有激光器，激光器发射出干涉测量光路，沿干涉测量光路设置有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将干涉测量光路分为互相垂直的测量光路与参考光路，沿测量光路设置有光强调节器a、扩束镜a、前双光楔、后双光楔，前双光楔与后双光楔之间放置被测齿轮，沿参考光路设置有反射镜a、光强调节器b、、扩束镜b、反射镜b、半反半透镜，干涉测量光路与参考光路汇聚至半反半透镜成像共光路，沿成像共光路的光路依次设置有二维光栅、透镜a、光阑、透镜b、相位延迟阵列、偏振片、CCD相机，CCD相机电性连接有计算机，计算机电性连接有结构光传感器，结构光传感器发射出线结构光照射到被测齿面上后反射回结构光传感器，结构光的光路为扫描测量光路，结构光传感器设置有运动控制机构。
本发明的特点还在于：
步骤1的被测齿面干涉条纹图像分别对应相移的角度0，π/2，π和3π/2。
步骤2的改变入射角度后被测面干涉条纹图像分别对应相移的角度0，π/2，π和3π/2。
步骤3的被测齿面的干涉条纹上目标像素点(x,y)处的包裹相位
可按下式计算：
式中：
N为移相的总步数，步骤3采用了空间四步相移，N＝4；
i为第i次移相；
Ii(x,y)为第i次移相时(x,y)处的光强；
δi为第i次移相时的相位调制量；
被测齿面的干涉条纹图像的二维相位街包裹数学模型可表示为：
式中：为解包后的连续相位值；k为包裹数。
步骤4的高度差h的公式为：
式中：λ为测量用的激光波长；α为被测对象上的光线入射角。
步骤5的相位导数方差质量图的计算公式为：
式中：
步骤6的表面高度信息y的计算采用的是三角法，计算方程如下：
式中：
y为激光照射点相对于参考平面的高度；
x为照射点和参考点在结构光传感器成像面上像点之间的位移；
a为参考点的成像物距；
b为照射点的成像像距；
α为激光照射的入射角；
β为反射光线与结构光传感器成像面的夹角。
步骤7的信息融合后的新的信息在像素点(x,y)处的结果Y(x,y)为：
Y(x,y)＝Z1(x,y)·ω1(x,y)+Z2(x,y)·ω2(x,y)
式中：
Z1(x,y)..干涉测量光路在点(x,y)处的测量结果；
Z2(x,y)..扫描测量光路在点(x,y)处的测量结果；
ω1(x,y)..干涉测量光路在点(x,y)处的加权系数；
ω2(x,y)..扫描测量光路在点(x,y)处的加权系数。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够通过单次拍摄得到多次移相的干涉图，减少了拍摄次数，简化了操作流程，同时增加了装置的抗干扰能力。
2、本发明能够对不同齿宽的大螺旋角斜齿轮齿面进行全场测量，与传统接触法测量相比具有更高精度，与其他干涉法相比具有更大的测量范围。
附图说明
图1是本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的测量装置结构示意图；
图2是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的被测齿面干涉条纹图像；
图3是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的改变入射角度后被测面干涉条纹图像；
图4a是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的改变角度的测量光线示意图a；
图4b是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的改变角度的测量光线示意图b；
图5是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的变角度测量后结果拼接图；
图6是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的结构光测量结果图；
图7是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的最终齿面形状误差测量结果图；
图8是本发明本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法的仿真干涉图；
图中，1.氦氖激光器，2.偏振分光棱镜，3.反射镜a，4.光强调节器b，5.光强调节器a，6.扩束镜b，7.扩束镜a，8.前双光楔，9.后双光楔，10.反射镜b，11.半反半透镜，12.二维光栅，13.透镜a，14.光阑，15.透镜b，16.相位延迟阵列，17.偏振片，18.CCD相机，19.计算机，20.结构光传感器，21.运动控制机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将被测齿轮置于干涉测量光路中的前双光楔8与后双光楔9之间，并调整干涉测量光路，当干涉测量光路调整合适时，CCD相机18拍摄得到被测齿面干涉条纹图像；
步骤2、通过对前双光楔8和后前双光楔9进行旋转，改变双光楔之间的相对角度，改变干涉测量光路照射被测齿轮的被测齿面的入射角度，根据实际被测面的情况设置干涉测量光路改变角度测量的次数，得到改变入射角度后被测面干涉条纹图像；
步骤3、根据步骤1得到的被测齿面干涉条纹图像与步骤2得到的改变入射角度后被测面干涉条纹图像提取被测齿面的包裹相位，并进行相位解包裹；
步骤3采用相位倒数方差质量图引导解包过程，得到每一个像素点的相位包裹数k，从而得到被测齿面的连续相位。
步骤4、根据光线追迹原理对被测齿轮的被测齿面干涉测量进行仿真，得到被测齿面的仿真干涉图，如图8所示。得到仿真干涉图；将实测干涉测量数据与仿真干涉图进行配准计算各像素点对应的入射角度，并将被测面相位解包后的连续相位转换为被测面的高度信息，根据平行平板干涉模型，通过相位差Φ推导出高度差h；
干涉测量数据包括有步骤3得到的被测齿面干涉条纹图像与改变入射角度后被测面干涉条纹图像的每一个像素点的相位包裹数k；
步骤5、用相同大小的窗口计算多组多角度干涉图的相位倒数方差质量图V(m,n)，设定阈值后将被测齿面区域二值化，超过阈值的区域为可靠相位区域，将多角度测量计算的结果中可靠相位区域的结果进行像素级融合；
步骤6、利用结构光传感器20沿被测齿轮轴向方向扫描被测齿面，得到被测齿面的表面高度信息，依据表面高度信息构建被测齿面的三维点云数据，将三维点云数据和理想齿面比较，计算出被测齿面的形状误差；
步骤7、借助多传感卡尔曼滤波的量测融合算法，对干涉光路测量多角度测量结果与扫描测量光路测量结果进行加权融合并进行信息滤波的处理，得到信息融合后的新的信息在像素点(x,y)处的结果Y(x,y)；干涉光路测量多角度测量结果包括有高度差，扫描测量光路测量结果包括有高度差。
一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法使用的测量装置，结构图1所示，包括有激光器1，激光器1发射出干涉测量光路，沿干涉测量光路设置有偏振分光棱镜2，偏振分光棱镜2将干涉测量光路分为互相垂直的测量光路与参考光路，沿测量光路设置有光强调节器a5、扩束镜a7、前双光楔8、后双光楔9，前双光楔8与后双光楔9之间放置被测齿轮，沿参考光路设置有反射镜a3、光强调节器b4、、扩束镜b6、反射镜b10、半反半透镜11，干涉测量光路与参考光路汇聚至半反半透镜11成成像共光路，沿成像共光路的光路依次设置有二维光栅12、透镜a13、光阑14、透镜b15、相位延迟阵列16、偏振片17、CCD相机18，CCD相机18电性连接有计算机19，计算机19电性连接有结构光传感器20，结构光传感器20发射出线结构光照射到被测齿面上后反射回结构光传感器20结构光的光路为扫描测量光路，结构光传感器设置有运动控制机构21。
步骤1的被测齿面干涉条纹图像分别对应相移的角度0，π/2，π和3π/2。
步骤2的改变入射角度后被测面干涉条纹图像分别对应相移的角度0，π/2，π和3π/2。
步骤3的被测齿面的干涉条纹上目标像素点(x,y)处的包裹相位
可按下式计算：
式中：
N为移相的总步数，步骤3采用了空间四步相移，N＝4；
i为第i次移相；
Ii(x,y)为第i次移相时(x,y)处的光强；
δi为第i次移相时的相位调制量；
被测齿面的干涉条纹图像的二维相位街包裹数学模型可表示为：
式中：为解包后的连续相位值；K为包裹数。
步骤4的高度差h的公式为：
式中：λ为测量用的激光波长；α为被测对象上的光线入射角。
步骤5的相位导数方差质量图的计算公式为：
式中：
式中：
W为将计算结果限制在[-π，π)的包裹算子。
步骤6的表面高度信息y的计算采用的是三角法，计算方程如下：
式中：
y为激光照射点相对于参考平面的高度；
x为照射点和参考点在结构光传感器20成像面上像点之间的位移；
a为参考点的成像物距；
b为照射点的成像像距；
α为激光照射的入射角；
β为反射光线与结构光传感器20成像面的夹角。
步骤7的信息融合后的新的信息在像素点(x,y)处的结果Y(x,y)为：
Y(x,y)＝Z1(x,y)·ω1(x,y)+Z2(x,y)·ω2(x,y)
式中：
Z1(x,y)为干涉测量光路在点(x,y)处的测量结果；
Z2(x,y)为扫描测量光路在点(x,y)处的测量结果；
ω1(x,y)为干涉测量光路在点(x,y)处的加权系数；
ω2(x,y)为扫描测量光路在点(x,y)处的加权系数。
本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其工作原理如下：实施例1被测表齿面为精密的斜齿轮齿面，氦氖激光器1发出的激光经过偏振分光棱镜2分为两路互相垂直的光，一路作为干涉测量光路，一路作为参考光路；干涉测量光路的光依次经过光强调节器a5、、扩束镜a7和前双光楔8后，以一定的角度倾斜照射到被测齿轮表面上，此时反射光经过后双光楔9偏转角度照射到半反半透镜11上，经反射后进入成像共光路。参考光路的光透射通过偏振分光棱镜2后照射到反射镜a3上，经过反射后依次通过第二个光强调节器b4、扩束镜b6后照射到反射镜b10上，反射后透射通过半反半透镜11与测量光相会聚经过二维光栅12衍射分光后经过第一块透镜a13，利用光阑14使得(±1，±1)级的衍射光通过，再次经过透镜b15转为平行光后，依次经过一组由波片组成的相位延迟阵列16和偏振片17后，测量光与参考光发生干涉并分别产生0，π/2，π和3π/2的相移，此时对应的四幅干涉条纹子图则被CCD相机18同时采集下来传输至计算机19。完成一次测量后调整前双光楔8和后双光楔9的相对角度实现变入射角的测量，如此多次改变入射角较量后，将多次测量得到的结果进行融合从而得到干涉光路测量结果。在干涉测量光路工作的同时，扫描测量光路中的结构光传感器20发出线结构光，在运动控制机构21的带动下，与被测齿面形成相对运动对整个被测面进行扫描测量。最终将扫描测量和干涉测量的结果进行数据融合得到最终齿轮齿面的形状误差测量结果。
装置中的光源为氦氖激光器1，在实际中可用其他不同波长的激光器取代作为光源；装置中的前双光楔8和后双光楔9为双光楔结构，可以替换为其他能够改变入射光角度的光学元件，如带有多自由度运动机构的反射镜等。扫描光路部分可以直接使用商用的结构光传感器20，也可以使用分立的线激光器结合CCD实现线结构光扫描测量。
根据实施例1，不同入射角的测量光照射到被测面的示意图如图4a、4b所示。入射角为α′和α时对齿面的可照射比不同，所以对应测量不同齿宽的齿轮齿面时，变角度测量更为灵活，测量范围更大。此外，由图4a、4b所示，由于倾斜成像的原因，调整角度改变了被测面干涉条纹的密度分布情况。密度分布的变化使得原有过密的条纹处无法处理的相位能够进行处理计算，提高的测量的精度。
根据实施例1得到不同角度的干涉测量结果如图2和图3所示，扫描测量数据结果如图6所示。其中图2和图3的测量结果经过数据融合后得到图5。扫描测量数据与多角度测量数据融合后还原到真实齿面后的最终测量结果如图7所示。
本发明一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其优点在于：
1、本发明将双光楔引入到了测量光路，定量改变入射角照射到被测面的角度，从而调整干涉条纹的密度分布方便相位数据处理；另一方面能够在对不同参数的齿轮齿面进行测量时可以保证全场测量。
2、本发明将结构光传感器引入干涉测量装置中，投射的结构光通过在测量过程中与被测物表面的相对运动，结合干涉测量数据，使得在对大螺旋角复杂螺旋曲面进行测量时可以保证全场测量。
3、本发明将空间相移技术引入到干涉测量装置中，通过单次测量拍摄能够得到多张移相干涉图，简化了操作流程步骤，提升了装置的抗干扰能力。
Claims (8)
1.一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将被测齿轮置于干涉测量光路中的前双光楔(8)与后双光楔(9)之间，并调整干涉测量光路，当干涉测量光路调整合适时，CCD相机(18)拍摄得到被测齿面干涉条纹图像；
步骤2、通过对前双光楔(8)和后双光楔(9)进行旋转，改变双光楔之间的相对角度，改变干涉测量光路照射被测齿轮的被测齿面的入射角度，根据实际被测面的情况设置干涉测量光路改变角度测量的次数，得到改变入射角度后被测面干涉条纹图像；
步骤3、根据步骤1得到的被测齿面干涉条纹图像与步骤2得到的改变入射角度后被测面干涉条纹图像提取被测齿面的包裹相位，并进行相位解包裹；
步骤4、根据光线追迹原理对被测齿轮的被测齿面干涉测量进行仿真，得到被测齿面的仿真干涉图；将实测的干涉测量数据与仿真干涉图进行配准计算各像素点对应的入射角度，并将被测面相位解包后的连续相位转换为被测面的高度信息，根据平行平板干涉模型，通过相位差Φ推导出高度差h；
步骤5、用相同大小的窗口计算多组多角度干涉图的相位倒数方差质量图V(m,n)，设定阈值后将被测齿面区域二值化，超过阈值的区域为可靠相位区域，将多角度测量计算的结果中可靠相位区域的结果进行像素级融合；
步骤6、利用结构光传感器(20)沿被测齿轮轴向方向扫描被测齿面，得到被测齿轮齿面的表面高度信息，依据所述表面高度信息构建被测齿面的三维点云数据，将所述三维点云数据和理想齿面比较，计算出被测齿面的形状误差；
步骤7、借助多传感卡尔曼滤波的量测融合算法，对干涉光路测量多角度测量结果与扫描测量光路测量结果进行加权融合并进行信息滤波的处理，得到信息融合后的新的信息在像素点(x,y)处的结果Y(x,y)；
所述一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法使用的测量装置，包括有激光器(1)，所述激光器(1)发射出干涉测量光路，沿所述干涉测量光路设置有偏振分光棱镜(2)，所述偏振分光棱镜(2)将干涉测量光路分为互相垂直的测量光路与参考光路，沿所述测量光路设置有光强调节器a(5)、扩束镜a(7)、前双光楔(8)、后双光楔(9)，所述前双光楔(8)与后双光楔(9)之间放置被测齿轮，沿所述参考光路设置有反射镜a(3)、光强调节器b(4)、扩束镜b(6)、反射镜b(10)、半反半透镜(11)，干涉测量光路与参考光路汇聚至半反半透镜(11)成成像共光路，沿所述成像共光路的光路依次设置有二维光栅(12)、透镜a(13)、光阑(14)、透镜b(15)、相位延迟阵列(16)、偏振片(17)、CCD相机(18)，所述CCD相机(18)电性连接有计算机(19)，所述计算机(19)电性连接有结构光传感器(20)，结构光传感器(20)发射出线结构光照射到被测齿面上后反射回结构光传感器(20)，所述结构光的光路为扫描测量光路，结构光传感器设置有运动控制机构(21)。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤1的被测齿面干涉条纹图像分别对应相移的角度0，π/2，π和3π/2。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤2的改变入射角度后被测面干涉条纹图像分别对应相移的角度0，π/2，π和3π/2。
4.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤3的被测齿面的干涉条纹上目标像素点(x,y)处的包裹相位
可按下式计算：
式中：
N为移相的总步数，步骤3采用了空间四步相移，N＝4；
i为第i次移相；
Ii(x,y)为第i次移相时(x,y)处的光强；
δi为第i次移相时的相位调制量；
被测齿面的干涉条纹图像的二维相位解包裹数学模型可表示为：
式中：Φ(x,y)为解包后的连续相位值；k为包裹数。
5.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤4的高度差h的公式为：
式中：λ为测量用的激光波长；α为被测对象上的光线入射角。
6.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤5的相位导数方差质量图的计算公式为：
式中：
7.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤6的表面高度信息y的计算采用的是三角法，计算方程如下：
式中：
y为激光照射点相对于参考平面的高度；
x为照射点和参考点在结构光传感器(20)成像面上像点之间的位移；
a为参考点的成像物距；
b为照射点的成像像距；
α为激光照射的入射角；
β为反射光线与结构光传感器(20)成像面的夹角。
8.根据权利要求1所述的一种齿轮齿面形状误差的非接触柔性化的测量方法，其特征在于，所述步骤7的信息融合后的新的信息在像素点(x,y)处的结果Y(x,y)为：
Y(x,y)＝Z1(x,y)·ω1(x,y)+Z2(x,y)·ω2(x,y)
式中：
Z1(x,y)为干涉测量光路在点(x,y)处的测量结果；
Z2(x,y)为扫描测量光路在点(x,y)处的测量结果；
ω1(x,y)为干涉测量光路在点(x,y)处的加权系数；
ω2(x,y)为扫描测量光路在点(x,y)处的加权系数。
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