CN112629466A - 基于线结构光的齿轮齿廓测量设备 - Google Patents

基于线结构光的齿轮齿廓测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，包括工作台、安装在工作台上的齿轮固定座以及环绕所述齿轮固定座设置的环形导轨；所述环形导轨上设有可沿环形导轨滑动且同时带动相机自转的两个相机安装台，所述相机安装台上设有相机，所述齿轮固定座的上方安装有环形激光器，所述环形激光器与齿轮固定座上固定的被测齿轮的中心轴线同心。本发明采用圆圈式激光器可避免被测轮齿上的投射光被前一轮齿面遮挡，采用周转自转一体化的图像采集装置，可完成对齿轮齿厚、基圆半径、渐开线齿形误差等多种参数的测量，具有测量效率高、精度高、体积小巧等特点，可满足不同尺寸和齿数的齿轮测量。

Description

基于线结构光的齿轮齿廓测量设备
技术领域
本发明涉及一种基于线结构光的齿轮齿廓测量设备。
背景技术
齿轮传动是机械传动的重要形式之一，具有平稳性好、传动比准确、效率高、寿命长等特点，齿轮在机械制造、航空航天、精密仪器中应用极为广泛，随着齿轮的设计与制造水平的要求越来越高，对齿轮的测量也提出了更为严格的要求。因此，研究设计更加精密、高效、实用的齿轮测量设备对于齿轮制造水准的提高有着重要意义和作用。
结构光视觉技术是非接触式测量技术的一种主要方式，其原理是向被测物投射结构光，通过结构光在物体表面形成的形变光路与图像处理技术结合来重构被测物体的三维信息，然而由于齿轮结构不同于其他轴类零件结构，因为有轮齿的存在导致常规的平行结构光在投射到齿轮表面时会产生前一轮齿遮挡被测轮齿的现象，故常规的结构光发射器应用在齿轮检测时会导致效率低下、准确性低、标定调试过程繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，以解决现有结构光发射器应用在齿轮检测时会导致效率低下、准确性低、标定调试过程繁琐的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，包括工作台、安装在工作台上的齿轮固定座以及环绕所述齿轮固定座设置的环形导轨，所述环形导轨上设有可沿环形导轨滑动的两个相机安装台，所述相机安装台上设有相机，所述齿轮固定座的上方安装有环形激光器，所述环形激光器与齿轮固定座上固定的被测齿轮的中心轴线同心。
进一步地，所述环形导轨为与齿轮固定座同圆心的圆周导轨；所述相机安装台包括安装在所述圆周导轨的周转平台以及固定在所述周转平台上的自转平台，所述相机安装在所述自传平台上。
进一步地，所述环形激光器通过支撑柱固定在工作台的上方。
进一步地，所述工作台上设有升降导轨，所述环形激光器通过激光器安装座安装在所述升降导轨上，激光器安装座可沿所述升降导轨上下滑动。
进一步地，所述升降导轨包括由电机驱动的丝杆，所述电机驱动丝杆旋转进而带动激光器安装座沿丝杆上下移动。
进一步地，所述齿轮固定座为内孔卡盘。
进一步地，检测时选择连续4个及以上的轮齿为检测范围，每个轮齿的测量都选取3个以上的均布截面测量。
本发明的有益效果为：通过采用可沿被测齿轮周转的同时带动相机自转的两个相机安装台，可实现围绕被测齿轮中心轴周转的同时使相机在当前位置调整与齿轮轮齿的相对角度，可完成对齿轮齿厚、基圆半径、渐开线齿形误差等多种参数的测量，使该检测设备适用于更多不同基圆直径和齿数齿轮的检测，使设备结构紧凑节省空间，具有测量效率高、精度高、体积小巧等特点，可满足不同尺寸和齿数的齿轮测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为设备结构示意图；
图2为测量基准和测量位置示意图；
图3为不同参数测量时角度示意图；
图4为两摄像头安装角度、位姿示意图；
图5为渐开线形成原理图；
图6为渐开线实际齿形图。
其中：1、工作台；2、内孔卡盘；3、环形导轨；4、相机安装台；5、相机；6、支撑柱；7、环形激光器；A、被测齿轮。
具体实施方式
如图1所示的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，包括工作台1、安装在工作台1上的齿轮固定座以及环绕所述齿轮固定座设置的环形导轨3，所述环形导轨3上设有可沿环形导轨3滑动的两个相机安装台4，所述相机安装台4上设有相机5，所述齿轮固定座的上方安装有环形激光器7，所述环形激光器7与齿轮固定座上固定的被测齿轮A的中心轴线同心。
本发明通过采用可沿被测齿轮A周转的同时带动相机5自转的两个相机安装台4，可实现围绕被测齿轮A中心轴周转的同时使相机5在当前位置调整与齿轮轮齿的相对角度，可完成对齿轮齿厚、基圆半径、渐开线齿形误差等多种参数的测量，使该检测设备适用于更多不同基圆直径和齿数齿轮的检测，使设备结构紧凑节省空间，具有测量效率高、精度高、体积小巧等特点，可满足不同尺寸和齿数的齿轮测量。
所述环形导轨3为与齿轮固定座同圆心的圆周导轨；所述相机安装台4包括安装在所述圆周导轨的周转平台以及固定在所述周转平台上的自转平台，所述相机5安装在所述自传平台上。自转平台下部与相机5导轨工作台1上的导轨拟合，实现围绕被测齿轮A中心轴周转；自转平台的目的是使相机5在当前位置调整与齿轮轮齿的相对角度，使该检测设备适用于更多不同基圆直径和齿数齿轮的检测，使设备结构紧凑节省空间。
所述齿轮固定座为内孔卡盘2，内孔卡盘2固定安装在工作台1上，以限制齿轮的六个自由度，使被测齿轮A与相机5导轨同心实现统一的测量基准。
所述环形激光器7通过支撑柱6固定在工作台1的上方，可供两相机5在导轨上进行周转运动以达到测量齿轮不同轮齿和齿轮上不同角度的数据；所述工作台1上设有升降导轨(图中未示出)，所述环形激光器7通过激光器安装座安装在所述升降导轨上，激光器安装座可沿所述升降导轨上下滑动。在放置被测齿轮A前，圆圈式激光器升高，方便齿轮安装在齿轮内控卡盘上；待齿轮安装完成，圆圈式激光器下降到指定高度，将线结构光投射在被测齿轮A上，以完成测量。
所述升降导轨包括由电机驱动的丝杆，所述电机驱动丝杆旋转进而带动激光器安装座沿丝杆上下平移。丝杠传动具有传动效率高、传动精度高、运动具有可逆性和高寿命的特点，在齿轮测量的过程中，能够很好地保证线结构光投射在齿轮表面形成的光路平行于齿轮横截面，即保证了摄像机捕捉光条的高精度。
测量时，将被测齿轮A装载在固定不可旋转的齿轮内孔卡盘2上，并对中校准，由可升降的圆圈式激光器将多线结构光投射在被测齿齿面上，选择被测齿轮A的设计基准作为测量基准，并根据被测齿轮A参数选择齿轮上连续的四个以上的齿校准两摄像头夹角。
由于本设备所设计的摄像机导轨与被测齿轮A的中心轴线同心，且齿轮安装在内孔卡盘2上的位置固定，所以对每个轮齿的测量时基准是一致的。测量基础在齿轮检测过程中，容易出现上一轮齿齿顶对被测轮齿的遮挡现象，导致检测失败，且为了降低随机误差对测量的影响，可根据被测齿轮A齿数选择连续4个及以上的轮齿为检测范围，如图2中的摄像机视线L1与L1’间的S1—S5共5个齿；同时，每个轮齿的测量都选取3个以上的均布截面测量，如图3中的s1—s4共4个截面。
如图4所示，在对不同齿数和基圆直径的齿轮进行测量时，摄像头不同的位姿可以通过两摄像头在摄像机导轨平台上围绕被测齿的周转运动与摄像机平台的自转运动相配合来得到(补充实现该功能的具体的相关机械结构)，这样灵活的位姿变换可避免摄像机视线被非被测轮齿遮挡的情况；这种周转与自转相配合的运动，还可以得到不同的如图所示的γ角，如此，不用改变摄像头与被测齿轮A的相对距离也能达到测量不同齿轮的目的，很大程度上提高了本设备的通用性。
下面例举本设备测量齿轮参数时的几种摄像头位姿变换和所用算法及原理：
(1)在测量齿轮齿厚时，两摄像头采用如图2(同图4)中摄像机视线L2、L2’位姿，齿厚测量时的空间参数如图3中θ1—θ4所示，这些参数可转换至齿轮坐标系中，从而完成齿厚测量的目的。
齿轮齿厚偏差模型(Δfs)为：
Δfs＝s测-s理
Figure BDA0002782311910000051
Figure BDA0002782311910000052
其中，s测为测得的实际齿厚，s理为理论齿厚，θx为被测齿齿厚的两侧评定点间夹角，α为分度圆压力角，αl为kx或lx点的压力角。
(2)在测量基圆半径时，两摄像头采用如图2(同图4)中摄像机视线L3、L3’位姿。如图rb为基圆半径，直线BC为发生线，θ为展开角，α为压力角，βi为起始角。
当起始角β的方差取最小值时对应的rb为基圆半径：
Figure BDA0002782311910000061
其中
Figure BDA0002782311910000062
(3)测量齿形误差时，如图6所示，只需通过算法：
取
βm＝min(βi|i＝1,2...,k)
βn＝max(βi|i＝1,2...,k)
将两值带入公式：CmCn＝BCm-BCn＝rb·(βn-βm)即可。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，包括工作台、安装在工作台上的齿轮固定座以及环绕所述齿轮固定座设置的环形导轨，所述环形导轨上设有可沿环形导轨滑动且同时带动相机自转的两个相机安装台，所述相机安装台上设有相机，所述齿轮固定座的上方安装有环形激光器，所述环形激光器与齿轮固定座上固定的被测齿轮的中心轴线同心。
2.根据权利要求1所述的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，所述环形导轨为与齿轮固定座同圆心的圆周导轨；所述相机安装台包括安装在所述圆周导轨的周转平台以及固定在所述周转平台上的自转平台，所述相机安装在所述自传平台上。
3.根据权利要求1所述的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，所述环形激光器通过支撑柱固定在工作台的上方。
4.根据权利要求3所述的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，所述工作台上设有升降导轨，所述环形激光器通过激光器安装座安装在所述升降导轨上，激光器安装座可沿所述升降导轨上下滑动。
5.根据权利要求4所述的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，所述升降导轨包括由电机驱动的丝杆，所述电机驱动丝杆旋转进而带动激光器安装座沿丝杆上下移动。
6.根据权利要求1所述的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，所述齿轮固定座为内孔卡盘。
7.根据权利要求1所述的基于线结构光的齿轮齿廓测量设备，其特征在于，检测时选择连续4个及以上的轮齿为检测范围，每个轮齿的测量都选取3个以上的均布截面测量。
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