CN113465535A - 一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测试技术领域，涉及一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，包括：底座、导轨定位板、基圆盘定位挡板、纯滚动组件、导轨、镜组、连接桥、微位移传递装置、测头夹具、侧板、铜垫片、激光干涉仪、云台、连接轴和紧定螺钉。本发明整合了双滚轮‑导轨式展成机构和任意表面形位误差的激光测量测头装置，提供了测点位置的精确调整方法，将测点偏移导轨工作面的距离控制在±2μm；测头与导轨刚性连接，消除了振动或两者相对运动误差对测量的影响；提高了基圆盘的圆度和导轨的平面度，保证展成精度。该装置具有结构及操作简单、尺寸链短、无阿贝误差等优点，测量精度达到亚微米级，实现了1级齿轮渐开线样板齿廓偏差的高精度测量。

Description

一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置

技术领域

本发明属于精密测试技术领域，涉及一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置。

背景技术

齿轮渐开线样板作为校准渐开线测量仪器的标准器具，对齿轮样板和测量仪器的精度要求都十分苛刻。齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010将齿轮渐开线样板分为两个等级：1级和2级。其中1级为最高精度等级，1级样板必须对称或左右平衡，2级样板可不对称。国外没有关于齿轮渐开线样板的标准，能提供齿廓形状偏差为1级精度(即1μm)的中小型齿轮渐开线样板，但其展长不满足国内1级齿轮渐开线样板的要求。大连理工大学已经成功开发出了1级齿轮渐开线样板，并攻克了1级齿轮渐开线样板的测试技术难题，但测量不确定度仍然不满足1级齿轮渐开线样板齿廓形状偏差最大允许公差的1/3的要求，1级齿轮渐开线样板的精密测量依然任重道远。

目前市面上最常用也最具权威性的齿轮测量仪主要有三坐标测量机和齿轮测量中心。三坐标测量机和齿轮测量中心的工作原理是基于坐标法或电子展成法，测量精度高、速度快、功能强大，但尺寸链长、结构复杂、制造成本高，精度提升困难。大连理工大学王立鼎院士团队研制了双滚轮-导轨式齿轮渐开线样板测量与磨削装置，基于机械展成法设计，严格遵循渐开线展成原理，无原理性误差，德国和日本也采用该展成机构实现了渐开线的高精度测量，是国内外普遍认为展成精度最高的机构，但存在电感位移传感器的测量精度有限、测点位置精确调整困难等问题，齿轮渐开线样板齿廓偏差的测量精度仍有较大的提升空间。

对于双滚轮-导轨式渐开线测量仪器，测头应位于导轨平面内，但实际操作过程中很难将测头调整到理论位置，仪器结构设计时必须考虑到此因素。发明专利【CN200910303302.5】公开了一种展成法渐开线齿廓测量仪测量点精确定位方法，采用齿形角比较法与测量点偏差试值补偿法用于展成法量仪中测量点位置的精密调整，测点位置调整精度为±10μm。

激光测量技术因其非接触性、快速性、自动化、测量精度高等优点近年来广泛应用于齿轮测量领域。发明专利【ZL201810704461.5】公开了基于激光外差干涉的双基圆盘式齿轮渐开线样板测量系统，将激光外差干涉技术应用在双基圆盘式齿轮渐开线样板的测量中，激光分三束直接照射到两个基圆盘和齿轮渐开线样板上，从而实现高分辨率和动态实时的测量。该专利提供了一种高精度非接触式测量方法，但是对基圆盘和样板被测表面精度要求苛刻，也没有涉及测量点位置调整问题，且未提及装置。发明专利【CN108204791A】公开了一种六轴线激光齿轮测量装置，使用线激光测头，可以在一次测量中获取齿面上一条线的数据点云，提高了数据获取的速度，可以很好的应对锥齿轮或曲线齿轮等测量较为困难的齿轮。发明专利【CN107388989A】公开了一种齿轮测量中心的非接触式测量装置，利用光感测量省去了齿轮工装的步骤，使得齿轮测量结果更为精确。以上公开的齿轮测量仪器都采用了非接触式激光测量方法，但没有提及渐开线测量精度问题。

考虑到非接触式激光测量方法不适用于非反光面和曲面的测量，有必要设计出一种使用接触式测头并结合激光测量法的渐开线测量装置。该装置需要一种微位移传递装置，将测头的微位移等比例传递给激光干涉仪。授权发明专利【ZL201711398299.0】公开了一种测量任意表面法向误差的激光测量装置与方法，将测点位置的微位移量法向等比例转换成反射镜光斑的微位移量，通过光斑位置的变动来表征零件表面测点位置的变动，该装置在使用过程中依然存在阿贝误差。授权发明专利【ZL201910749549.3】公开了一种测量任意表面形位误差的激光测量测头装置，将测头的微位移等比例传递给装置尾部的测量靶镜，由激光干涉仪实时采集靶镜的微位移。该装置可用于高精度齿轮渐开线样板齿廓偏差的测量，但没有提供该装置的安装定位、测点位置精确调整、镜组合理布置等问题需要解决。

发明内容

为实现1级齿轮渐开线样板的精密测量，本发明提供了一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，测量精度可达亚微米级。本发明整合双滚轮-导轨式展成机构和任意表面形位误差的激光测量测头装置，提供了测头和镜组的安装与定位装置及测点位置的精确调整方法，利用激光干涉原理实现了齿轮渐开线样板齿廓偏差的高精度测量。

具体技术方案如下：

一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，包括底座、导轨定位板、基圆盘定位挡板、纯滚动组件、导轨、镜组、连接桥、微位移传递装置、测头夹具、侧板、铜垫片、激光干涉仪、云台、连接轴和紧定螺钉；

所述基圆盘定位挡板安装于底座上，基圆盘定位挡板的基准面与导轨工作面垂直，起到限定纯滚动组件的滚动方向的作用；

测头夹具安装面与连接桥定位面A贴合装配，测头夹具内孔安装微位移传递装置；测头夹具中间设有一直径大于微位移传递装置外径的内孔，测头夹具外周沿轴线方向加工有一定位平面，便于测头夹具在连接桥上的安装与定位；测头夹具外圆柱面对称位置设有U型槽，测头夹具安装面的对侧设有一通槽，测头夹具通槽两侧分别设有沉头孔和螺纹孔，上述结构便于测头夹具的弹性变形，以适应同尺寸规格微位移传递装置的夹紧；测头夹具内孔轴线与测头夹具安装面之间的平行度误差不大于1μm；

连接桥通过两侧安装侧板固定到两个具有倒锥结构的导轨上，连接桥安装面与导轨工作面贴合；镜组中的缩光镜朝着激光干涉仪的方向，境组中的干涉镜安装面与连接桥定位面B贴合，通过紧定螺钉固定镜组到连接桥上；为了准确测量齿廓偏差，微位移传递装置的测量轴线位于导轨平面内；连接桥定位面B为镜组的安装定位面，连接桥定位面A为微位移传递装置的安装定位面，两者之间的平行度误差不大于1μm，以确保镜组和微位移传递装置的精确安装；

连接轴一端安装于底座上，另一端为带轴肩的圆柱，用于云台的安装，通过调整轴肩的厚度，以调整激光干涉仪出光孔相对于导轨工作面的距离。

进一步，所述通槽的宽度为2mm。

进一步，所述导轨外侧与侧板间放置铜垫片，防止紧定螺钉损伤导轨。

进一步，所述基圆盘定位挡板的基准面平面度为不大于2μm。

进一步，连接桥定位面A、连接桥定位面B与连接桥安装面两端面之间的距离尺寸预留0.005mm的余量，可根据实际安装情况采用研磨的工艺调节尺寸；

进一步，通过研磨测头夹具安装面、连接桥安装面、连接桥定位面A或连接桥定位面B，控制调整微位移传递装置的轴线与导轨工作面之间的位姿关系，实现微位移传递装置中测头测点位置的精确调整。

进一步，装置中光路覆盖的部分设置防尘盖，阻隔外界灰尘、噪声或空气波动对激光的影响，提高测量精度。

进一步，激光干涉仪安装时应使镜头中心线平行于测头夹具的轴线，且位于两个导轨的对称中心，确保激光干涉仪出光孔中心线与镜组中的缩光镜缩光口中心线重合，使激光顺利通过镜组照射到微位移传递装置中的靶镜和固定反射镜。

本发明的有益效果在于，整合了双滚轮-导轨式展成机构和任意表面形位误差的激光测量测头装置，提供了测头和镜组的安装与定位装置及测点位置的精确调整方法，通过研磨工艺将测点偏移导轨工作面的距离控制在±2μm；测头与导轨刚性连接，消除了振动或两者相对运动误差对测量的影响；装置各个零件都进行了精密研磨，并且提高了基圆盘的圆度和导轨的平面度，保证展成精度。该装置具有结构及操作简单、尺寸链短、无阿贝误差等优点，测量精度达到亚微米级，能够实现1级齿轮渐开线样板齿廓偏差的高精度测量。

附图说明

图1齿轮渐开线样板齿廓偏差测量总装置

图2测头测量系统

图3连接桥

图4测头夹具

图5镜组

图中：1底座；2导轨定位板；3基圆盘定位挡板；4纯滚动组件；5导轨；6镜组；6-1缩光镜；6-2配重；6-3干涉镜；6-4固定反射镜；7连接桥；7-1连接桥定位面A；7-2连接桥定位面B；7-3连接桥安装面；8微位移传递装置；9测头夹具；9-1测头夹具安装面；9-2 U型槽；9-3测头夹具内孔；9-4通槽；10侧板；11铜垫片；12激光干涉仪；13云台；14连接轴；15紧定螺钉。

具体实施方式

以激光展成法测量基圆半径为100mm的齿轮渐开线样板齿廓偏差为例，阐述本发明的具体实施方法。

一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，包括：大理石底座1、导轨定位板2、基圆盘定位挡板3、纯滚动组件4、两个导轨5、镜组6、连接桥7、微位移传递装置8、测头夹具9、侧板10、铜垫片11、激光干涉仪12、云台13、连接轴14和紧定螺钉15。

大理石底座1作为整个装置的安装基准，选用00级精度的大理石平台，上表面与底面的平行度误差不大于10μm。大理石底座1上合理布孔用以安装导轨定位板2，根据激光干涉仪12与导轨5之间的距离和位姿关系在大理石基座上加工四个螺纹孔用以安装和调整激光干涉仪12的位置；导轨5的材料为碳化硅，其表面精度是通过三块导轨5用w1.5金刚石研磨剂互研得到的，获得的平面度RMS值不大于0.1μm；单个导轨宽30mm，长300mm，两导轨最外侧之间的距离为200mm，根据这些参数设计测头夹具7的跨度为140mm，总长为202mm，总长比两个导轨5最外侧之间的距离长2mm是为了预留2mm的间隙使得安装夹具侧板10到测头夹具7时不会损坏碳化硅导轨5，提高了定位的刚度，同时可以横向调整微位移传递装置8的位置；微位移传递装置8外径为28mm，由此设计测头夹具内孔9-3的直径公差为+0.05～0.1mm，测头夹具9选用铝合金材料，采取圆环柱底部开槽以及外圆柱面开U型槽结构，可使套筒发生形变，起到固定微位移传递装置8的作用，测头夹具内孔9-3轴线到测头夹具安装面9-1的尺寸为18.4mm；据此设计连接桥7拱桥的高度，即连接桥安装面7-3到连接桥定位面A7-1的距离尺寸，并留有0.005mm的余量，采用研磨的工艺调整夹具9的综合位置公差，使微位移传递装置8轴线位于导轨5使用面内；连接桥7选用P20模具钢材料进行线切割而成，HRC不小于35，具有一定的强度和硬度，保证能承载安装在其上的微位移传递装置8和镜组6且不发生变形或微小变形在可控范围内；与镜组缩光镜6-1缩光口中心线重合后的激光干涉仪12出光孔中心线到大理石底座1的距离为122.75mm，连接轴14两端面的尺寸为26.8mm，根据云台13和激光干涉仪12的尺寸设计而成。

装配前，对导轨使用面、测头夹具安装面9-1、测头夹具内孔9-3、连接桥定位面A7-1、B7-2、连接桥安装面7-3进行精化；使用高精度研磨棒研磨测头夹具内孔9-3，测头夹具内孔与端面的垂直度误差不大于1μm；经精化后，测头夹具安装面9-1、连接桥定位面A7-1、B7-2、连接桥安装面7-3的平面度误差不大于1μm，测头夹具安装面9-1与测头夹具9端面之间的垂直度误差不大于1μm，连接桥定位面与安装面之间的平行度误差不大于1μm。

齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置的具体装配步骤如下：

(1)先将大理石底座1放置在试验台上，再将导轨定位板2用环氧树脂胶粘到大理石底座1上，注意粘的位置与大理石底座1上四个螺纹孔的位置关系，导轨定位板2应对称于四个螺纹孔，48小时后进行下一步安装；

(2)将基圆盘定位挡板3通过螺钉固定在导轨定位板2上，其次将两条导轨5平行放置在导轨定位板2上，将两条导轨5的侧面紧密贴合到基圆盘定位挡板3基准面，确保导轨的延伸方向与基准板垂直；

(3)放置纯滚动组件4到导轨5上，先使纯滚动组件4中的基圆盘紧密贴合于基准板3，目的在于矫正纯滚动组件4的位置，使纯滚动组件4滚动过程中始终平行于导轨5，不发生偏航；

(4)将测头夹具9套在微位移传递装置8的外壳上，用紧定螺钉15锁紧测头夹具9固定住微位移传递装置8；

(5)然后将装有微位移传递装置8的测头夹具9装配到连接桥定位面A7-1，测头朝着纯滚动组件4的方向，将镜组6装配到连接桥定位面B7-2上；

(6)根据纯滚动组件4的合理位置放置已经装配有微位移传递装置8、测头夹具9和镜组6的连接桥7到导轨5上，调整连接桥7的位置，使安装在连接桥上的测头正对着纯滚动组件中的样板；

(7)用紧定螺钉15将侧板10固定到连接桥7上，放置铜垫片11在导轨侧面再用螺钉固定侧板10到导轨5上，由此便将连接桥7固定在导轨5上；

(8)将连接轴14拧进大理石底座1上的螺纹孔，让连接轴14的端面接触到大理石底座1表面；

(9)将云台13装配到激光干涉仪12上；

(10)将装配有激光干涉仪12的云台安装到连接轴14。

安装时镜组与微位移传递装置以及激光干涉仪与镜组的距离尽可能小，减小光传播过程中能量的减弱，短距离光程方便准直光束，减小人工调节带来的阿贝、余弦误差(Δ＝x(1/cosδ-1)，其中x为被测对象沿运动方向移动距离；δ为测量轴线与被测对象运动轴线之间的夹角)。

齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置的测量步骤如下：

(1)调整好滚动组件4中两个基圆盘的位姿，确保两个基圆盘的滚动面紧密贴合于基圆盘定位挡板3，滚动方向平行于两个导轨5的延伸方向；

(2)打开计算机和激光干涉仪12，激光干涉仪稳频需要15分钟，15分钟后再进行下一步；

(3)接着对激光干涉仪12进行自准直，即调节云台13上的偏摆、平移、升降按钮以及激光干涉仪12上的俯仰按钮，使激光干涉仪12出光孔中心线与镜组缩光镜6-1缩光口中心线重合，并且发射出的激光与导轨5平行，确保激光干涉仪12会收到微位移传递装置8中的靶镜反射回去的测量光束和固定反射镜6-4反射回来的参考光束，从而通过干涉计算出微位移传递装置8中测头的微位移量，沿着导轨5延伸方向移动微位移传递装置8，重复上述操作；

(4)合理调整微位移传递装置8的安装位置，使测头接触被测样板齿廓面且处于微压力状态；

(5)启动驱动装置使纯滚动组件4沿着导轨5发生展成运动(测量方向为从齿顶到齿根)，同时点击采集按钮开始实时采集测头的微位移量；

(6)反方向再测量一次，即从齿根到齿顶；

(7)数据处理，计算出相应的齿廓总偏差、齿廓形状偏差和齿廓倾斜偏差；将齿顶到齿根和齿根到齿顶的对应点测量数据相加除以2，可以补偿弹性蠕滑带来的测量误差。

齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置测点位置的调整步骤和方法如下：

(1)将已经精密研磨后的连接桥7与测头夹具9装配到一起，然后安装上微位移传递装置8并固定到导轨5上；调整位姿，使微位移传递装置8的轴线与导轨5平行；

(2)将工业相机以垂直于微位移传递装置8轴线的方向安装于导轨5一侧，镜头对准测头；通过观察经工业相机放大后的测头与导轨5之间的相对位置，来判断测点位置；

(3)如果测点高于导轨5平面，通过研磨连接桥安装面7-3或在连接桥定位面A7-1加垫片来进行粗调；然后旋转微位移传递装置8中的测杆来进行微调，直至测点落于导轨5平面内；

(4)如果测点低于导轨5平面，通过研磨测头夹具安装面9-1或在连接桥安装面7-3加垫片来进行粗调；然后旋转微位移传递装置8中的测杆来进行微调，直至测点落于导轨5平面内；

(5)调整完后，采集五组齿轮渐开线样板齿廓面数据，将测量数据的平均值与真实数据进行比较，根据两者之间的差值推论出实际测量偏离理论位置的最大距离为2μm；

由于连接桥定位面A、B之间有严格的尺寸要求，在粗调时，不管是研磨连接桥定位面A7-1还是测头夹具安装面9-1，都需要以相同的量研磨连接桥定位面B7-2，以确保测量光束和参考光束能够重合。

Claims (8)

1.一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，包括底座(1)、导轨定位板(2)、基圆盘定位挡板(3)、纯滚动组件(4)、导轨(5)、镜组(6)、连接桥(7)、微位移传递装置(8)、测头夹具(9)、侧板(10)、铜垫片(11)、激光干涉仪(12)、云台(13)、连接轴(14)和紧定螺钉(15)；

所述基圆盘定位挡板(3)安装于底座(1)上，基圆盘定位挡板(3)的基准面与导轨工作面垂直，起到限定纯滚动组件的滚动方向的作用；

测头夹具安装面(9-1)与连接桥定位面A(7-1)贴合装配，测头夹具内孔(9-3)安装微位移传递装置(8)；测头夹具中间设有一直径大于微位移传递装置外径的内孔(9-3)，测头夹具外周沿轴线方向加工有一定位平面，便于测头夹具在连接桥(7)上的安装与定位；测头夹具外圆柱面对称位置设有U型槽(9-2)，测头夹具安装面的对侧设有一通槽(9-4)，测头夹具通槽两侧分别设有沉头孔和螺纹孔；测头夹具内孔(9-3)轴线与测头夹具安装面(9-1)之间的平行度误差不大于1μm；

连接桥(7)通过两侧安装侧板(10)固定到两个具有倒锥结构的导轨(5)上，连接桥安装面(7-3)与导轨工作面贴合；镜组中的缩光镜(6-1)朝着激光干涉仪(12)的方向，境组中的干涉镜(6-3)安装面与连接桥定位面B(7-2)贴合，通过紧定螺钉固定镜组到连接桥上；连接桥定位面B(7-2)为镜组的安装定位面，连接桥定位面A(7-1)为微位移传递装置(8)的安装定位面，两者之间的平行度误差不大于1μm，以确保镜组(6)和微位移传递装置(8)的精确安装；

连接轴(14)一端安装于底座(1)上，另一端为带轴肩的圆柱，用于云台(13)的安装，通过调整轴肩的厚度，以调整激光干涉仪(12)出光孔相对于导轨工作面的距离。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，连接桥定位面A(7-1)、连接桥定位面B(7-2)与连接桥安装面(7-3)两端面之间的尺寸预留0.005mm的余量，根据实际安装情况采用研磨的工艺调节尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，所述通槽(9-4)的宽度为2mm。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，所述导轨(5)外侧与侧板间放置铜垫片(11)，防止紧定螺钉(15)损伤导轨。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，所述基圆盘定位挡板(3)的基准面平面度为不大于2μm。

6.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，通过研磨测头夹具安装面(9-1)、连接桥安装面(7-3)、连接桥定位面A(7-1)或连接桥定位面B(7-2)，控制调整微位移传递装置(8)的轴线与导轨(5)工作面之间的位姿关系，实现微位移传递装置(8)中测头测点位置的精确调整。

7.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，装置中光路覆盖的部分设置防尘盖，阻隔外界灰尘、噪声或空气波动对激光的影响，提高测量精度。

8.根据权利要求1所述的一种齿轮渐开线样板齿廓偏差的激光测量装置，其特征在于，激光干涉仪(12)安装时，镜头中心线平行于测头夹具(9)的轴线，且位于两个导轨(5)的对称中心，确保激光干涉仪(12)出光孔中心线与镜组中的缩光镜(6-1)缩光口中心线重合，使激光顺利通过镜组(6)照射到微位移传递装置(8)中的靶镜和固定反射镜(6-4)。

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