CN85102882A - 计算机齿轮渐开线检查方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用计算机进行数据采集及处理的齿轮渐开线检测方法及其设备。其中，采用了一双坐标位移传感装置，将齿轮尺廓各点位置的数据传送给计算机，计算机根据本发明的方法进行处理，将处理结果打印输出。由于使用了计算机和新的测量方法，大大提高了测量精度。

Description

本发明涉及计算机技术和几何量精密测量技术，更具体地说，本发明涉及具有计算机直角双坐标位移数据采集处理系统的渐开线齿轮齿形误差测量方法及设备。

渐开线检查仪是齿轮精密加工过程的必备仪器。过去，此类仪器采用复杂的机械结构形成理论渐开线，作为测量比较的依据;近年来又发展到用计算机形成非实体理论渐开线作为测量比较的依据。

为了高速测量物体的轮廓，目前一些先进国家发展了配备计算机的三坐标测量机，这种测量机可以用直角坐标采集物体表面各点的位置数据。对于一个多坐标位检移测系统来说，随位移检测装置的量程增大，系统实现一定精度的代价会急剧增加，齿形误差的测量属于两坐标位移测量，对于整个零件来说，其本身的轮廓尺寸远大于需要测量的齿廓几何尺寸。所以，如果把一般的多坐标测量机用于齿形误差的测量，则不但成本太高，也难以满足测量精度的要求。此外，由于没有便于使用的计算处理直角坐标渐开线齿廓采样数据的计算方法及软件，故一些先进国家相继发展了采用极坐标采样的电脑齿轮测量机，以此测量齿形误差及其它误差，采用极坐标采样就意味着测量时被测齿轮必须转动，还必须精确记录旋转角度。这就决定了这类仪器的机械结构部分必须包括一个精密迴转付及其转角检测系统，故造价十分昂贵，例如最近进口价达百万元以上。

与本发明有关的参考资料为：《电动量仪》下册-机械工业出版社出版;西德卡尔玛，891EA齿轮测量中心使用说明书。

本发明的目的在于寻求一种新的测量方法，使用该方法检测齿轮渐开线可以使齿轮不必转动，齿轮的装卡定位十分方便，使用该方法的本发明的渐开线检查设备的造价可以大幅度下降。

下面是附图的简要说明

图1、是本发明的原理图，用来说明本发明的方法及装置。

图2、是有效测量区坐标系UGV与测量坐标系XOY的关系概要图。

图3、为在测量坐标系中计算机生成的理论渐开线与实测齿廓曲线的关系图。

图4、是本发明的一个实施例装置的结构图。

图5、是本发明中的一个实施例所用到的双坐标传感部分结构详图。

图6、是用来确定XO、YO值的方法的示意图。

下面参照附图对本发明进行详细说明。

本发明根据被测齿廓尺寸远小于齿轮整体尺寸的情况，采用造价较低的小量程直角双坐标位移传感器，该传感器的量程能复盖被测齿廓的测量段即可。如图1，双坐标位移传感器由两个互相垂直的移动付组成（X移动付11和Y移动付12）。每个移动付分别带有一个位移传感元件（X传感元件16和Y传感元件18），每个传感元件可以分别把两个移动付的位移变成一定形式的电信号送给计算机17。双坐标传感器的Y移动付12的定尺13固连在底坐14上。底座14可以沿滑轨15改变自己的位置，测量前，需把底座14固定在滑轨15的某一合适位置上，使Y传感器有效易程复盖齿廓曲线待测段。Y移动付的动尺20由电动机24牵引。X移动付11的定尺19与Y移动付12的动尺20固连。测量触头21固连在X移动付11的动尺22上。X移动付的定尺与动尺由一个弹簧装置23连接。所以，触头21的位移就是两个移动付的复合位移。双坐标传感器把反映该位移的电信号送给计算机，计算机处理后便可得到X与Y两个移动付的位移数据。如图2，这两个位移数据分别是相对于X和Y传感器有效区起始点G的位移值。把过G点而且与X移动付方向平行的直线作为U轴，把过G点而且与Y移动付方向平行的直线作为V轴，则计算机得到的位移数据就是触头的触点在UGV座标系上的坐标。图2中的阴影部分为有效测量区。如图1所示，测量时电动机24在计算机17控制下牵引Y移动付的动尺，测量触头的触点紧贴被测齿廓由齿根向齿顶滑动。在滑动过程中，由计算机对测量触点的位置数据连续采样，采样点密度约为20点/毫米。采样数据送入计算机内存。计算机采集到的这一系列数据就是齿廓曲线被测段在UGV坐标系中的多点描述。

如图2，在UGV坐标平面上，把过被测齿轮轴心且与U轴平行的直线作为X轴，把过齿轮轴心且与V轴平行的直线作为Y轴，其交点为O，由此设立一个测量坐标系XOY，为了能用计算机生成的理论渐开线作为测量的比较基准，则必须把计算机得到的在UGV坐标系中的采样数据转换成XOY坐标系中的坐标数据。由于XOY系与UGV系互为平移系，所以只要计算机得到G点在XOY系中的坐标值（XO，YO）即可完成转换工作。在本发明中计算机得到XO和YO值的方法是通过测量已知几何尺寸的物体的方法而得到的。

参照图1，测量时把被测齿轮25固定在一对顶尖26、27之间，使被测齿轮的有效齿廓曲线与Y轴相交，然后计算机控制电机牵引Y移动付的动尺，测量触头21在被测齿面上滑动的轨迹就是被测齿轮的实际齿廓曲线。在测量触头移动过程中，计算机连续采集触头的触点在UGV坐标系中的位置数据并送入内存，而后将这些数据转换成XOY坐标系中的坐标值数据。由于采样点十分密集，所以计算机内存中的一系列采样点坐标值数据就是测量坐标系XOY中被测齿廓曲线的多点描述，为了确定被测齿廓曲线的齿形误差，计算机使用一条与被测齿廓曲线至少有一个交点的理论渐开线31作为比较基准。如图3所示，满足这个条件的理论渐开线有无数条，在本发明中选用通过Y轴与被测齿廓曲线32的交点K₀的那一条。计算机在确定所用的理论渐开线的位置之前，首先寻迹找出被测齿廓曲线（以一系列采样点坐标数据的形式存于计算机内存中）与Y轴的交点K₀的坐标数据。这样就唯一确定了所用理论渐开线的位置。本发明是用每个采样点与该理论渐开线上的等半径点进行比较。按本发明的计算公式，计算机可以计算出被测齿面上任一个采样点到所用理论渐开线的法向距离▲J_i：

▲J_i＝R_b（arctg（X_i/y_i）-tgarccos

（R_b/ $\sqrt{x^2{}_i\mathrm{+\; y}{}^2{}_i}$ ）+arccos（R_b/

）+tgarccos（R_b/y₀）

arccos（R_b/y_o））

式中：X_i和y_i是被测齿面上任一个采样点在测量坐标系中的坐标数据;y₀是被测齿廓曲线与Y轴的交点处的y坐标值;R_b是被测齿轮基园半径理论值。

当采样点落到理论渐开线外侧时，表明该点处齿面材料多出，▲J_i值为正。当采样点落开理论渐开线内侧时，表明该点处齿面材料亏缺，▲J_i值为负。软件把被测齿面有效段的全部采样点的▲J_i值计算完毕之后，把其中最大值和最小值作减法，所得的差值即为该齿面的齿形误差值▲J。在计算机控制下，打印绘图机28把所有的▲J_i值以齿形误差曲线的形式输出，同时打印输出▲J值。该曲线的纵坐标是▲J_i值，横坐标是基园展开长度。

在数据处理过程中，如果计算机得到的XO与YO值不准确，存在着误差▲XO与▲YO，则计算机得到的数据不是采样点在测量坐标系中的坐标值，而是在一个依次平移▲XO、▲YO后产生的新坐标系中的坐标值。

本发明的测量方法中包括使用已知齿形误差曲线的渐开线轮廓校准XO值和YO值的方法。

具体方法是：根据本发明的推证公式，可以用计算机摸拟画出当△XO与△YO不等于零时，齿形误差曲线在两端和中点处变形的情况，从计算机模拟的由△XO和△YO引起的测量结果曲线的变形情况可以看出，当△YO＝0时：

如果△XO为正值则曲线变形趋于上凹和顶盈。

如果△XO为负值则曲线变形趋于下凹和顶亏。

当△XO＝0时：

如果△YO为正值则曲线变形趋于上凹和顶亏。

如果△YO为负值则曲线变形趋于上凹和顶盈。

在校准XO和YO值时，先对一个已知齿形误差曲线的渐开线齿廓进行测量，计算机把各采样点的△J_i值求出后，与该齿廓的已知误差曲线进行比较，根据比较结果修正YO值，使重新处理采样数据后得出的△J_i值所对应的结果曲线两端高度差与已知结果曲线一致。而后计算机比较所得结果曲线相对于已知结果曲线的凹凸变化，如果所得结果曲线变形趋向于上凹，则△XO必定为正，如果所得曲线变化趋于下凹，则△XO必定为负。计算机判断了△XO的符号后，根据所得曲线凹凸变化程度就可以定向定量地修正XO值。这个过程重复几次后，就可以使△XO和△YO都趋于零。

校准XO和YO值使用的渐开线轮廓需要有高一级精度的仪器测出的齿形误差曲线，但其本身不需要有很高的齿形精度，这是与一般渐开线样板有区别的，故称为校准板。所用的校准板可以和被测齿轮参数完全不同。

由于本方法在测量过程中齿轮无须转动，而且测量前的定位简单易行，计算机可以精确确定输出结果曲线的起始点，所以本方法可以实现对被测齿廓有效段进行分段测量，测量后把几段的结果曲线首尾衔接即可。这对于巨形齿轮的测量据有重要意义。

在本发明中，双坐标传感器的量程只需复盖被测齿面待测段（该待测段可以是齿廓曲线有效段长度的数分之一）即可，所以其制造成本和难度远远小于一般坐标测量机的位移检测系统，并且容易达到比后者小得多的示值误差。

对比现有的极坐标电脑测齿仪器，由于本发明的测量方法在测量时不需要被测齿轮旋转运动，故实现此方法的装置的制造成本大幅度下降。特别重要的是，按本发明的测量方法，由于计算机自动找出Y轴与被测齿廓曲线的交点，测量时被测齿轮不需要按绕轴旋转方向精确定位，只需被测齿廓曲线待测段与Y轴相交即可。满足这个条件的被测齿轮装卡旋转自由范围一般宽达1度以上，这对操作者来说，是一个极大的便利。

另外，正是由于本发明的测量方法所用的双坐标传感器有效范围只需复盖被测齿面的待测段，以及计算机自动找出被测齿廓曲线与Y轴的交点，所以按本发明的测量方法，可以用很低的成本制成测量大型以及巨形齿轮的装置，这对于先有技术来讲是十分困难的。

下面将叙述的是本发明的实施例的具体设备的结构，参见图4。

图中，51为一基座，立柱52固连在基坐51上。下顶尖511固定在基坐51上，上顶尖512固定在立柱52上，上、下顶尖应同轴且尖对尖，被测齿轮53卡在上、下两顶尖之间，且该两顶尖之间的间是可调的并由卡框14实现对齿轮绕轴旋转自由度定位。大拖板520可以在基座51上的导轨515上滑移，以便固定在它上面的双坐标位移传感器56可以对于不同直径的被测齿轮都能获得合适的位置。双坐标位移传感器526可以在大拖板上的立滑轨24上，上下滑移，以便适应不同轴长的齿轮的检测要求。双坐标传感器526中的X传感器所感受的位移方向是被测齿轮的切向，Y传感器所感受的位移方向是被测齿轮的径向。该双坐标传感器526的结构将在后面结合图5给予详细讨论。测量触头527固连在X传感器移动付的动尺上，通过测量触头的触点且与X、Y传感器的方向都平行的平面是测量平面。顶尖511、512的轴心线与测量平面的交点是测量坐标系的原点O。与X传感器方向平行且过O点的直线是测量坐标系的X轴。与Y传感器方向平行且过O点的直线是Y轴。仪器随机自带数块校准板。每个校准板上有数个基园半径不同的渐开线齿廓，每个齿廓附着一条齿形误差曲线及其顶园半径数据。测量前先选一个与被测齿轮基园半径相近的校准板齿廓。测量时移动大拖板520，使双坐标位移传感器有效范围即可以复盖被测齿轮的被测段，又可以复盖校准板齿廓的大部分。装卡校准板参见附图6。沿X传感器方向移动测量触头，使测量触头前的小平面71与Y轴相交。沿Y轴传感器方向移动测量触头，使测量触头与校准板顶圆面72接触。此时启动计算机的一个专用工作移序，参见图6计算机自动把已知校准板顶圆半径R与Y传感器的读值减法求出Y传感器有效区域E的起始是X轴的距离YO值，由X传感器有效区起始点到Y轴的距离XO值也可以用类似的方法得到。参见图4，由于在移动大拖板520时，不会引起XO值的改变，所以只是在制造仪器时需测取XO值，测取后由计算机存入磁盘文件，测量时可直接使用。有了XO值和YO值，只要双坐标传感器上的测量触头的触点在有效范围之内，双坐标传感器输出一组相对有效区起点的位移。计算机软件就可以分别把它们与XO及YO求和，从而得到测量触点在测量坐标系中的坐标值。到此为止我们所得到的XO值和YO值可能存在有少许误差。装卡校准板，对校准板进行测量，按本说明书前面所述校准XO值和YO值后，即可装卡被测齿轮进行测量。测量所得结果曲线及△J值，在绘图打印机上输出。

在本实施例中所采用的双坐标传感器结构请参见附图5，原理图参见图1。

双座坐传感器是由两个互相垂直的位移传感器组成，即X传感器和Y传感器。每个传感器由移动付和传感元件组成。Y传感器的移动付定尺61和Y传感元件的定端65在测量时固定不动。Y传感器动尺62上固连着X传感器移动付的定尺63，X传感元件的定端610和Y传感元件的动端64。X传感器的移动付的动尺67固定着刚性测头68和X传感元件的动端69。弹簧612一端固定在X移动付定尺63上，另一端固定在X移动付动尺67上。在弹簧612的拉力作用下，触头68上的测量触点A可以紧贴被测齿廓。Y传感器的动尺62在驱动机构的驱动下可以从齿根至齿顶方移动。

Claims (8)

1、一种用实测的齿廓曲线与计算机生成的理论渐开线相比较的齿轮渐开线检测方法，其特证在于该方法由如下步骤组成：

a)提供一个双座标位移传感器，该位移传感器的测量触头的有效测量区可以复盖一个齿的渐开线的被测段；

b)设立一个有效测量区坐标系UGV，以该有效测量区的起始为原点G，U轴与V轴分别平行于双座标位移传感器的两个方向；

c)设立一个测量坐标系XOY，以装卡被测齿轮的一对顶尖的中心轴线与测量平面的交点为原点，X轴与Y轴分别平行于U轴与V轴；

d)确定出所述有效测量区坐标系原点G在所述测量坐标系中的坐标值XO与YO；

e)把被测齿轮装卡在所述顶尖上，使被测齿廓曲线与所述Y轴相交；

f)使所述触头在被测齿面上滑动，计算机对所述双坐标位移传感器的输出信号进行连续采样，得到一组相对于UGV坐标系的实测齿廓曲线的多点坐标值，对其进行坐标变换，得到一组相对于XOY坐标系的实测齿廓曲线的多点坐标值，并存入计算机之中；

g)确定出所述实测齿廓曲线与所述Y轴的交点的坐标值；

h)计算机在XOY坐标系中确定出一条通过所述交点的理论渐开线，用所述实测齿廓曲线的多点坐标值与所述理论渐开线上由对应的等半径点进行逐点比较，从而得到齿形误差曲线和齿形误差值。

2、根据权项1的齿轮渐开线检测方法，其特征在于所述实测齿廓曲线的多点坐标值与所述理论渐开线的比较是通过以下公式进行的：

${\mathrm{△\; J}}_i\mathrm{=\; Rb\; (arctg\; (X}{}_i\mathrm{/y}{}_i\mathrm{)\; -tgarccos\; (R}{}_b/\sqrt{X^2{}_i\mathrm{+y}{}^2{}_i}{\mathrm{)+arccos\; (R}}_b/$

$\sqrt{x^2{}_i\mathrm{+\; y}{}^2{}_i}{\mathrm{)\; +\; tgarccos\; (R}}_b\mathrm{/y}{}_o\mathrm{)\; -\; arccos\; (R}{}_b\mathrm{/y}{}_O\mathrm{))}$

其中△J_i为被测齿面上任一个采样点到理论渐开线的法向距离;X_i和y_i是被测齿面上的任一个采样点在XOY座标系中的坐标值;y_o是被测齿廓曲线与Y轴交点处的y坐标值;R_b是被测齿轮基园半径理论值。

3、根据权项1或2的齿轮渐开线检测方法，其特征在于使用已知几何尺寸的实体确定XO值和YO值。

4、根据权项1，2或3的齿轮渐开线检查测方法，其特征在于使用已知齿形误差曲线的渐开线轮廓校准XO值和YO值。

5、一种用于齿轮渐开线检查设备，其特点在于，它是由下列部件组成：

一触头，用来接触被测物，且在被测物上滑动，检测该被测物表面各点的位置数据;

一双坐标位移传感装置，它由一X位移传感元件和一Y位移传感元件组成，用来将触头在X，Y方向的位移量转换成电信号;

一X方向上的X移动付，它包括一X定尺和一X动尺;

一Y方向上的Y移动付，它包括一Y定尺和一Y动尺;

一弹簧，用来带动识X动尺在该X定尺上移动;

一电机，用来牵引该Y动尺在该Y定尺上移动;

一对顶尖，用来夹住被测物;

一卡具，用来防止被测物转动;

一拖板，

一基座，

一计算机采集处理装置，用来采集该双坐标位移传感器的信息，并对这些信息进行处理;

一输出装置，用来输出上述处理结果;

其中，所述X，Y移动付的方向X，Y方向是相互垂直的，且X移动付的方向X方向与被测齿廓某点的切向平行;所述触头固定在所述的X动尺上;所述X定尺固定在该Y动尺上;设Y定尺被固定在所述拖板上;所述的一对顶尖，一卡具都被固定在该基座上;X传感器安装在X移动付上，Y传感器安装在Y移动付上;所述大拖板可以在所述基座上移动，从而使得本设备能测量不同大小的齿轮的渐开线。

6、根据权项5的设备，其中所述的弹簧一端固定在X动尺上，由于所述触头固定X动尺上，则该触头能依靠弹簧的拉力，沿被测物的轮廓移动。

7、根据权项5的设备，其中所述的一双顶尖，被尖对尖地固定在基座上，且两个尖之间的距离是可调的，从而可适应不同长度的被测齿轮的要求。

8、根据权项5到7的设备，其中所述的连接应使得所述触头的移动范围能够覆盖被测段。

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