一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置及齒輪測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及齒輪測量技術領域，特別涉及一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置及齒輪測量方法，本發(fā)明的齒輪測量裝置包括工作臺,所述工作臺上設有工件回轉臺和帶有可旋轉測量頭的三坐標平移裝置,所述工件回轉臺上垂直設有標零轉軸，所述三坐標平移裝置包括固定在工作臺上的X軸導軌，所述X軸導軌上滑動設有Y軸導軌，所述Y軸導軌上滑動設有Z軸導軌，所述Z軸導軌上滑動設有滑架，所述滑架上設有可旋轉的激光位移傳感器。本發(fā)明的齒輪測量裝置，采用激光位移傳感器進行被測齒廓上各測量點坐標位置的采集，相比接觸工件測量的觸頭測量，具有測量精度高，測量是無需進行測頭運動路徑的規(guī)劃，簡化測量過程的優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置及齒輪測量方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及齒輪的齒輪檢測技術領域，特別涉及一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置及齒輪測量方法。
【背景技術】
[0002]齒輪測量技術可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類，目前廣泛使用的是通過觸發(fā)式或掃描式傳感測頭與幾何形體表面接觸而記錄形體表面點的三維坐標位置的接觸式測量方法，這種方法的測量速度慢、操作也比較繁瑣。測量齒輪時測頭與被測面接觸，齒輪旋轉時測頭沿齒廓軌跡運動。此種方法有接觸測頭半徑較大帶來的橫向分辨率問題，而且需要提前規(guī)劃測頭運動路徑。廣泛使用的接觸式測量能夠有效的對直齒輪，斜齒輪等進行測量，但是無法測量漸開線弧齒圓柱齒輪。接觸式測量在應對一般齒輪時，接觸的齒面是平面，法向量方向是固定的，因此較容易通過測頭中心位置、半徑與法向量計算出測點的實際位置。當接觸式測頭測量弧齒圓柱齒輪時，接觸齒面是曲面，接觸點的法向量是不斷變化的，因為測頭體積的存在使得理論接觸點與實際接觸點存在差異，要對測頭位置進行補償有一定的困難且耗費大量計算。由于以上不足使得現(xiàn)有的齒輪測量裝置難以測量圓錐齒輪和弧齒圓柱齒輪等齒面形狀復雜的零件。
[0003]
激光位移傳感器通常使用激光三角法測量位移數(shù)據(jù)，激光三角法在測量過程中采用激光光源作為測量的光源，激光器的軸線、成像物鏡的光軸以及CCD線陣，三者位于同一個平面內，將一個理想的光斑投射在被測表面上。該光斑將隨其投射點位置的深、高度坐標變化而沿著激光器的軸向作同樣距離的位移。光斑同時又通過物鏡成像在CCD線陣上，且成像位置與光斑的深度，位置有唯一的對應關系，如圖。測出CCD線陣上所成實像的中心位置，即可通過光斑與其在CCD線陣上所成像點的位置幾何光學關系求出光斑的高度坐標，從而得到被測表面該點處的深度參數(shù)。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有的齒輪測量技術存在的問題，提供一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置及齒輪測量方法，以避免接觸式測量中觸頭形狀影響而造成的測量不便和測量精度不高的問題。
[0005]本發(fā)明首先提供的一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置，包括工作臺，所述工作臺上設有工件回轉臺和帶有可旋轉測量頭的三坐標平移裝置，所述工件回轉臺上垂直設有標零轉軸，所述三坐標平移裝置包括固定在工作臺上的X軸導軌，所述X軸導軌上滑動設有Y軸導軌，所述Y軸導軌上滑動設有Z軸導軌，所述Z軸導軌上滑動設有滑架，所述滑架上設有可旋轉的激光位移傳感器。
[0006]本發(fā)明的齒輪測量裝置，采用激光位移傳感器進行被測齒廓上各測量點坐標位置的采集，相比接觸工測量的觸頭測量，具有測量精度高，測量是無需進行測頭運動路徑的規(guī)劃，簡化測量過程的優(yōu)點。
[0007]作為本發(fā)明測量裝置的進一步改進，所述滑架上設有分度盤，所述激光位移傳感器設置在分度盤上隨分度盤同步轉動。本發(fā)明的測量裝置，將激光位移傳感器安裝在分度盤，增加了激光位移傳感器的調節(jié)角度的自由度，可以方便不同節(jié)錐角錐齒輪的測量。
[0008]為便于實現(xiàn)測量頭位置的移動調節(jié)，所述三坐標平移裝置通過伺服電機驅動并通過控制器控制激光位移傳感器沿工作臺的X軸導軌或Y軸導軌或Z軸導軌移動，所述回轉工作臺底部設有回轉驅動裝置。
[0009]本發(fā)明還提供一種采用上述基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置的齒輪測量方法，包括如下過程:
(I)通過伺服電機驅動激光位移傳感器沿X軸、Y軸導軌運動，并采集標零轉軸外圓周的數(shù)據(jù)點，以標定被測齒輪中心軸坐標系的位置；
(2 )將被測齒輪平置在工件回轉臺上，并使被測齒輪的中心軸與標零轉軸的中心重合，調節(jié)分度盤的角度，使激光位移傳感器發(fā)射的激光束直射到被測齒廓上，并沿激光束的投射方向驅動激光位移傳感器的位置，使得被測齒廓處于激光位移傳感器的量程內；
(3)旋轉回轉軸臺，激光位移傳感器發(fā)射的激光束依次直射被測齒輪的齒廓上，采集激光束在被測齒廓上投射點相對測量齒輪坐標系中心軸的位移數(shù)據(jù)并轉化為極坐標；
(4)將上步側得的齒廓的極坐標點在極坐標系中描點擬合，以判定被測齒廓的誤差。
[0010]通過本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)包括直齒圓柱齒輪、錐齒輪及弧面齒輪的測量，測量過程中不需要提前規(guī)劃測量頭的運動路徑，簡單測量方法、并且提高齒輪測量精準度。
[0011]為進一步實現(xiàn)本發(fā)明的測量方法，所述步驟(I)中被測齒輪中心軸坐標系標定方法為:將激光位移傳感器移動到工件回轉臺外周側向，旋轉分度盤使激光位移傳感器發(fā)射的激光水平直射在標零轉軸圓周面上，然后保持Y，Z向導軌不動，同時沿X向導軌向圓周面另一側開始間隔等距移動，并采集數(shù)據(jù)點？1，？2，？3"中1^11+卜_，當被采集點逐漸靠近標零轉軸的中心時，激光束在標零轉軸外周的入射點沿Y向位移值dn逐漸減小再逐漸變大，當位移值第一次開始增大即dn>dn-l時，則減小采集點的間距反向移動并比較，反復移動比較，直到相鄰采集點的位移值大小無突變時，兩相鄰點的中心即為被測齒輪坐標系中心軸所在的Y坐標Yq，即Xq = O，此時激光束的發(fā)射方向正好通過標零轉軸的中心軸線。
[0012]作為本發(fā)明方法優(yōu)選，所述步驟(2)，將被測齒輪置于工件回轉臺上，通過伺服電機調節(jié)Z向高度，使激光位移傳感器發(fā)射的激光束投射方向正好通過被測量齒廓中心，同時測量過程中保持X坐標不變，通過控制器驅動伺服電機調節(jié)激光位移傳感器沿Y向導軌運動至靠近齒輪表面，使被測齒廓齒根圓處于激光位移傳感器標準量程D處，此時，激光位移傳感器的位移量示值為零。當被測點距離正好為激光位移傳感器的標準量程D時，則激光位移傳感器位移值示值為零，當距離小于D時，示值為正;距離大于D時，示值為負。
[0013]作為本發(fā)明方法另一方面優(yōu)選，所述步驟(3)中，具體為:回轉驅動裝置驅動工件回轉臺帶動被測齒輪轉動，同時激光位移傳感器將激光束投射到被測齒廓上，進行輪廓上被測點的坐標數(shù)據(jù)的采集，并以被測量齒輪坐標系中心軸為極點，以被測點距標零轉軸中心點的距離為極徑，以工件回轉臺旋轉的角度為極角記錄被測點的極坐標，相鄰被測點的極角間隔相同，依次采集被測輪整個齒廓周上的各測量點，直至工件回轉臺回轉360°，同時記錄激光位移傳感器側得的各點的極坐標值。
[0014]為便于實現(xiàn)直齒輪和弧面齒輪的測量，所述步驟(2)中被測齒輪為圓柱齒輪時(圓柱齒輪包括直齒圓柱齒輪和弧齒圓柱齒輪)，被測齒輪坐標系中心軸的坐標為:(Xo，Yo，Z)，Yo= Y’ +D + Rf，其中，Y’為激光位移傳感器中心點的Y坐標值通過Y導軌的位置坐標讀出，D為激光位移傳感器的標準量程，Rf為齒根圓到齒輪中心軸的距離;步驟(3)中，工件回轉臺帶動被測齒輪繞被測量齒輪坐標系中心軸轉動時，旋轉角度為ΘI時，激光束在齒廓上的投射點示值為D1，齒廓投射點的坐標為(Xo ,Y1，)，其中Y1= Y’ +D-D1，則激光束在廓上的投射點極徑即為齒廓相對被測量齒輪坐標系在Θ1處的極坐標為:(Θ1，Ρ1)，其中，P1= Y0- Y1;工件回轉臺繼續(xù)回轉下一 Θ1角度，側得被測齒廓相對被測量齒輪坐標系在Θ2處的極坐標為(2ΘI，Ρ2)，直至工件回轉臺回轉360°，完成同一齒寬處的一周齒的測量。
[0015]為便于實現(xiàn)錐齒輪的測量，所述步驟(2)中被測齒輪為圓錐齒輪時，將齒輪大面朝下平置在工件回轉臺上后，并調整至與標零轉軸同軸，將激光位移傳感器沿Z軸移動Zo至被測齒輪斜上方，分度盤旋轉α角度，α為被測圓錐齒輪的節(jié)錐角，沿Y向導軌調節(jié)使激光束正好直射于被測齒輪的當量齒廓上，并使激光位移傳感器的位移量示值為零，則被測當量齒廓的中心點O ’的坐標為(Xo，Yo)，激光位移傳感器中心點的Y作標為Y”，步驟(3 )中，工件回轉臺帶動被測齒輪轉動，旋轉角度為，激光束在齒廓上投射點的位移轉化為當量齒廓所在的極坐標系中，激光束在齒廓上投射點的示值為Di’，則9工處齒廓上測量點在當量齒廓坐標系中的極坐標為(θ^ρ!’)，PI1 = IYo- r l/C0Sa—(D—Di’)；工件回轉臺繼續(xù)回轉下一Θ1角度，繼續(xù)測量2Θ1角度處被測齒廓在被測量齒廓坐標系中的極坐標，直至工件回轉臺旋轉360 °完成整個當量齒廓周上的齒廓測量。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置結構示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明的直齒輪或弧面齒輪測量方法的示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明的錐齒輪測量方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例1
如圖1為本發(fā)明的基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置，包括工作臺8，工作臺8上設有工件回轉臺I和帶有可旋轉測量頭的三坐標平移裝置，工件回轉臺I上垂直設有標零轉軸2，三坐標平移裝置包括固定在工作臺8上的X軸導軌7，X軸導軌7上滑動設有Y軸導軌6，Y軸導軌6上滑動設有Z軸導軌5，Ζ軸導軌5上滑動設有滑架，滑架上設有可旋轉的激光位移傳感器4;為便于調節(jié)激光投射的角度，滑架上設有分度盤3，激光位移傳感器3設置在分度盤上隨分度盤同步轉動;為便于沿XYZ向導軌調節(jié)激光位移傳感器的位置，以適應不同規(guī)格類別的齒輪測量，三坐標平移裝置通過伺服電機驅動并通過控制器控制激光位移傳感器沿工作臺的X軸導軌或Y軸導軌或Z軸導軌移動，回轉工作臺底部設有回轉驅動裝置以驅動回轉工件臺以設定的角速度轉動。
[0020]本發(fā)明的齒輪測量裝置，采用激光位移傳感器4進行被測齒廓上各測量點坐標位置的采集，相比接觸工測量的觸頭測量，具有測量精度高，測量是無需進行測頭運動路徑的規(guī)劃，簡化測量過程的優(yōu)點。
[0021]實施例2
如圖2所示，采用本發(fā)明的齒輪測量裝置進行直齒輪或弧面齒輪的測量方法通過如下步驟實現(xiàn)。
[0022]第一步，通過伺服電機驅動激光位移傳感器沿X軸、Y軸導軌運動，并采集標零轉軸外圓周的數(shù)據(jù)點，以標定被測齒輪中心軸坐標系的位置。具體為將激光位移傳感器4移動到工件回轉臺I外周側向，旋轉分度盤3使激光位移傳感器4發(fā)射的激光水平直射在標零轉軸2圓周面上，然后保持Y，Z向導軌不動，將激光位移傳感器4沿X向導軌7向圓周面另一側開始間隔等距移動，并采集間隔數(shù)據(jù)點Ρ1，Ρ2，Ρ3…Ρη，Ρη+1...，當被采集點逐漸靠近標零轉軸2的中心時，激光束在標零轉軸2外周的入射點沿Y向位移值丄逐漸減小再逐漸變大，當位移值第一次開始增大即dn>dn-l時，則減小采集點的間距反向移動并比較，反復移動比較，直到相鄰采集點的位移值大小無突變時，兩相鄰點的中心即為被測齒輪坐標系中心軸所在的坐標為(Xo, Yo)，此時激光束的發(fā)射方向正好通過標零轉軸的中心軸線。
[0023]第二步，將被測齒輪平置在工件回轉臺上，并使被測齒輪的中心軸與標零轉軸的中心重合，調節(jié)分度盤的角度和Z向的高度，使激光位移傳感器4發(fā)射的激光束投射方向正好通過被測量齒廓中心，同時測量過程中保持X坐標不變，通過控制器驅動伺服電機調節(jié)激光位移傳感器4沿Y向導軌運動至靠近齒輪表面，使被側齒廓齒根圓處于激光位移傳感器4有效量程D處，此時，激光位移傳感器4的位移量示值為零。作標Yo= Y ’ + D + Rf，Y ’為激光位移傳感器中心點的Y坐標值通過Y導軌的位置坐標讀出，D為激光位移傳感器的標準量程，Rf為齒根圓到齒輪中心軸的距離。
[0024]第三步，開始齒輪測量，工件回轉臺I帶動被測齒輪繞被測量齒輪坐標系中心軸轉動，旋轉角度為θι時，激光束在齒廓上的投射點位移示值為D1，齒廓投射點的坐標為(Xo，Yi)，其中Yi= Y’+D-Di,則激光束在齒廓上的投射點極徑即為齒廓相對被測量齒輪坐標系在Θ1處的極坐標為:(Θ1，Ρ1)，其中，P1= Y0- Y1;當工件回轉臺繼續(xù)回轉下一 Θ1角度，側得被測齒廓相對被測量齒輪坐標系在Θ2處的極坐標為(2θ1，ρ2)，直至工件回轉臺回轉360°，完成同一齒寬處的一周齒廓的測量。
[0025]第四步，將上步測得的各點以的極坐標值在極坐標系中進行描點擬合，分析判定被測廓的誤差。完成本實施例中齒輪的測量。
[0026]實施例3
如圖3所示，采用本發(fā)明的齒輪測量裝置進行錐齒輪的測量方法通過如下步驟實現(xiàn)實施例2不同之處體現(xiàn)在如下幾步。
[0027]第二步，將被測錐齒輪大面朝下平置在工件回轉臺上后，并調整至與標零轉軸同軸，將激光位移傳感器沿Z軸移動Zo至被測齒輪斜上方，分度盤旋轉α角度，α為被測圓錐齒輪的節(jié)錐角，沿Y向導軌調節(jié)使激光束正好直射于被測齒輪的當量齒廓上，并使激光位移傳感器的位移量示值為零，則被測當量齒廓的中心點O，的坐標為(Xo,Yo),激光位移傳感器中心點的Y作標為Y” ο第三步中，工件回轉臺I帶動被測齒輪轉動，旋轉角度為，激光束在齒廓上投射點的位移轉化為當量齒廓所在的極坐標系的坐標，激光束在齒廓上投射點的位移為Di’，則9!處齒廓上測量點在當量齒廓坐標系中的極坐標為(Q1,Pl’)，Pi1 = IYo- Y” I/cosa—(D—D^);工件回轉臺繼續(xù)回轉下一 Θ1角度，繼續(xù)測量2Θ1角度處被測齒廓在被測量齒廓坐標系中的極坐標，直至工件回轉臺旋轉360 °完成整個當量齒廓周上的齒廓測量。通過本實施例的上述方法，通過激光位移傳感器的調節(jié)Z向高度，可以實現(xiàn)不同錐面厚度處當量齒廓的測量。
【主權項】
1.一種基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置，包括工作臺，所述工作臺上設有工件回轉臺和帶有可旋轉測量頭的三坐標平移裝置，所述工件回轉臺上垂直設有標零轉軸，所述三坐標平移裝置包括固定在工作臺上的X軸導軌，所述X軸導軌上滑動設有Y軸導軌，所述Y軸導軌上滑動設有Z軸導軌，所述Z軸導軌上滑動設有滑架，所述滑架上設有可旋轉的激光位移傳感器。2.根據(jù)權利要求1所述的基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置，其特征在于，所述滑架上設有分度盤，所述激光位移傳感器設置在分度盤上隨分度盤同步轉動。3.根據(jù)權利要求1所述的基于激光位移傳感器的齒輪測量裝置，其特征在于，所述三坐標平移裝置通過伺服電機驅動并通過控制器控制激光位移傳感器沿工作臺的X軸導軌或Y軸導軌或Z軸導軌移動，所述回轉工作臺底部設有回轉驅動裝置。4.一種采用權利要求1或2或3所述的裝置進行的齒輪測量方法，其特征在于，包括如下過程: 通過伺服電機驅動激光位移傳感器沿X軸、Y軸導軌運動，并采集標零轉軸外圓周的數(shù)據(jù)點，以標定被測量齒輪坐標系中心軸的位置； 將被測齒輪平置在工件回轉臺上，并使被測齒輪的中心軸與標零轉軸的中心重合將，調節(jié)分度盤4的角度，使激光位移傳感器發(fā)射的激光束直射到被測齒廓上，并沿激光束的投射方向驅動激光位移傳感器的位置，使得被測齒廓處于激光位移傳感器量程內； 旋轉回轉軸臺，激光位移傳感器發(fā)射的激光束依次直射被測齒輪的齒廓上，采集激光束在被測齒廓上投射點相對測量齒輪坐標系中心軸的位移數(shù)據(jù)并轉化為極坐標； 將上步側得的齒廓的坐標點描述擬合，以判定被測齒廓的誤差。5.根據(jù)權利要求4所述的齒輪測量方法，其特征在于，所述步驟(I)中坐標系的標定方法為:將激光位移傳感器移動到工件回轉臺外周側向，旋轉分度盤使激光位移傳感器發(fā)射的激光水平直射在標零轉軸圓周面上，然后保持Y，Z向導軌不動，同時沿X向導軌向圓周面另一側開始間隔等距移動，并采集數(shù)據(jù)點？1，？2，？3"中1^11+卜_，當被采集點逐漸靠近標零轉軸的中心時，激光在標零轉軸外周的入射點沿Y向位移值4逐漸減小再逐漸變大，當位移值第一次開始增大即dn>dn-l時，則減小采集點的間距反向移動并比較，并反復移動比較，直到相鄰采集點的位移值大小無突變時，被測齒輪坐標系中心軸所在的Y坐標為(Xq，Yo)，此時激光束的發(fā)射方向正好通過標零轉軸的中心軸線。6.根據(jù)權利要求4所述的齒輪測量方法，其特征在于，所述步驟(2)，將被測齒輪置于工件回轉臺上，通過伺服電機調節(jié)Z向高度，使激光位移傳感器發(fā)射的激光束投射方向正好通過被測量齒廓中心，同時測量過程中保持X坐標不變，通過控制器驅動伺服電機調節(jié)激光位移傳感器沿Y向導軌運動至靠近齒輪表面，使被測齒廓齒根圓處于激光位移傳感器標準量程D處，此時，激光位移傳感器的位移量示值為零。7.根據(jù)權利要求4所述的齒輪測量方法，其特征在于，所述步驟(3)中，具體為:回轉驅動裝置驅動工件回轉臺帶動被測齒輪轉動，同時激光位移傳感器將激光束投射到被測齒廓上，進行輪廓上被測點的坐標數(shù)據(jù)的采集，并以被測量齒輪坐標系中心軸為極點，以被測點距標零轉軸中心點的距離為極徑，以工件回轉臺旋轉的角度為極角記錄被測點的極坐標，相鄰被測點的極角間隔相同，依次采集被測輪整個齒廓周上的各測量點，直至工件回轉臺回轉360°，同時激光位移傳感器將側得的各點的極坐標值反饋至計算機微處理器進行記錄。8.根據(jù)權利要求6所述的齒輪測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中被測齒輪為圓柱齒輪時，被測齒輪坐標系中心軸的坐標為:(Xo，Yo，Z)，Yo= Y’ + D + Rf，其中，Y ’為激光位移傳感器中心點的Y坐標值通過Y導軌的位置坐標讀出，D為激光位移傳感器的標準量程，Rf為齒根圓到齒輪中心軸的距離;步驟(3)中，工件回轉臺帶動被測齒輪繞被測量齒輪坐標系中心軸轉動時，旋轉角度為ΘI時，激光束在齒廓上的投射點示值SD1，齒廓投射點的坐標為(Χο,Υ!，)，其中Y1= Y’+D-D1，則激光束在廓上的投射點極徑即為齒廓相對被測量齒輪坐標系在Θ1處的極坐標為:(Θ1，Ρ1)，其中，P1= Y0- Y1;工件回轉臺繼續(xù)回轉下一Θ1角度，側得被測齒廓相對被測量齒輪坐標系在Θ2處的極坐標為(2θ1，ρ2)，直至工件回轉臺回轉360°，完成同一齒寬處的一周齒的測量。9.根據(jù)權利要求6所述的齒輪測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中被測齒輪為圓錐齒輪時，將齒輪大面朝下平置在工件回轉臺上后，并調整至與標零轉軸同軸，將激光位移傳感器沿Z軸移動Zo至被測齒輪斜上方，分度盤旋轉α角度，α為被測圓錐齒輪的節(jié)錐角，沿Y向導軌調節(jié)使激光束正好直射于被測齒輪的當量齒廓上，并使激光位移傳感器的位移量示值為零，則被測當量齒廓的中心點O’的坐標為(Χο，Υο)，激光位移傳感器中心點的Y作標為Y”，步驟(3)中，工件回轉臺帶動被測齒輪轉動，旋轉角度為，激光束在齒廓上投射點的位移轉化為當量齒廓所在的極坐標系中，激光束在齒廓上投射點的示值為Di’，則9工處齒廓上測量點在當量齒廓坐標系中的極坐標為(θι,Ρι’)，Pi'= I Yo- Y” |/(308(1—(0—01’)；工件回轉臺繼續(xù)回轉下一 Θ1角度，繼續(xù)測量2Θ1角度處被測齒廓在被測量齒廓坐標系中的極坐標，直至工件回轉臺旋轉360 °完成整個當量齒廓周上的齒廓測量。
【文檔編號】G01B11/24GK105823435SQ201610324795
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】宋愛平, 邱林, 沈宇涵, 彭云
【申請人】揚州大學