專利名稱：采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同直徑內(nèi)齒輪的高精度測(cè)量，屬于激光檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與本發(fā)明有關(guān)的一種齒輪激光測(cè)量技術(shù)采用非接觸點(diǎn)反射式激光測(cè)量頭通過掃描齒輪被測(cè)表面實(shí)現(xiàn)齒輪測(cè)量，測(cè)量速度快、精度高。例如，專利號(hào)為ZL201120255971.2的一篇中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種“齒輪參數(shù)激光檢測(cè)裝置”。該方案采用激光位移傳感器作為非接觸點(diǎn)反射式激光測(cè)量頭，測(cè)量被測(cè)齒輪多個(gè)截面的形狀數(shù)據(jù)，連同對(duì)應(yīng)的角位移數(shù)據(jù)一并傳輸給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)法由這些數(shù)據(jù)重構(gòu)被測(cè)齒輪形貌，進(jìn)而完成齒輪測(cè)量。由于在該方案中測(cè)量激光光束被反射鏡反射后掃描被測(cè)齒輪，因此，該方案能夠測(cè)量?jī)?nèi)齒輪。然而，該方案并未確保測(cè)量激光光束經(jīng)過角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線，如當(dāng)激光位移傳感器沿滑臺(tái)移動(dòng)后，測(cè)量激光光束可能偏離角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線。因此，會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)耦合誤差，從而降低齒輪測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了保證測(cè)量激光光束始終準(zhǔn)確經(jīng)過角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線，避免出現(xiàn)坐標(biāo)耦合誤差，提高齒輪測(cè)量精度，我們發(fā)明了一種采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置及方法，該方案能夠使測(cè)量激光光束與角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線之間的偏差被控制在可接受范圍內(nèi)，從而有效避免出現(xiàn)坐標(biāo)耦合誤差。本發(fā)明之采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置其特征在于，反射鏡I由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2支撐， 如圖1所示，角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2中的轉(zhuǎn)軸3上端與反射鏡I背面連接，在轉(zhuǎn)軸3下端安裝角位移傳感器4，轉(zhuǎn)軸3軸線與Z向平行，所述Z向?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向；Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5 —側(cè)接角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2，另一側(cè)接Z向光柵尺6 ;同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7的調(diào)節(jié)方向與Z向垂直，同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7 —側(cè)接同軸光柵尺8，另一側(cè)接位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9 ;位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9 一側(cè)接位移光柵尺10，另一側(cè)接激光位移傳感器11 ;激光位移傳感器11測(cè)量光出口朝向反射鏡I正面，測(cè)量光軸線與Z向平行；角位移傳感器4、Z向光柵尺6、激光位移傳感器11分別與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接。本發(fā)明之采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法其特征在于，測(cè)量工位基準(zhǔn)面與Z向垂直,所述Z向?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向,將環(huán)尺12安放在測(cè)量工位,如圖2所示,環(huán)尺12軸線與Z向平行，反射鏡I位于測(cè)量工位并處在環(huán)尺12中，反射鏡I的正面為反射面，反射面與測(cè)量工位基準(zhǔn)面的夾角α已知，如圖3所示；由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2驅(qū)動(dòng)反射鏡I旋轉(zhuǎn)360°角，由激光位移傳感器11發(fā)出的測(cè)量光由反射鏡I反射，在環(huán)尺12內(nèi)壁上形成環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡，從環(huán)尺12內(nèi)壁上的環(huán)形刻度線上讀出所述環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差h，測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸3軸線的偏差δ由公式S=h/(2tana)求出，由同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7借助位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9沿同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7的調(diào)節(jié)方向調(diào)節(jié)激光位移傳感器11，同時(shí)觀察同軸光柵尺8，直至消除偏差δ ;由待測(cè)內(nèi)齒輪13原位替換環(huán)尺12，如圖1所示，由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2驅(qū)動(dòng)反射鏡I旋轉(zhuǎn)，由Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5沿Z向調(diào)節(jié)角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2，變換待測(cè)內(nèi)齒輪13的掃描測(cè)量截面位置；由激光位移傳感器11及反射鏡I實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)內(nèi)齒輪13各截面的掃描測(cè)量；由角位移傳感器4、Ζ向光柵尺6、激光位移傳感器11分別將掃描測(cè)量角位移方位角數(shù)據(jù)、掃描測(cè)量截面位置數(shù)據(jù)、掃描測(cè)量線位移半徑數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，進(jìn)而完成測(cè)量。本發(fā)明其技術(shù)效果在于，將反射鏡I置于待測(cè)內(nèi)齒輪13中間，由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，反射測(cè)量光并掃描待測(cè)內(nèi)齒輪13各截面，這一特征使得檢驗(yàn)測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸3軸線是否同軸成為可能。在測(cè)量前，采用環(huán)尺12并置于測(cè)量工位，反射鏡I反射來自激光位移傳感器11的測(cè)量光并旋轉(zhuǎn)，能夠很容易地檢測(cè)到測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸3軸線的偏差δ，通過同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7經(jīng)由位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9使激光位移傳感器11沿同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7的調(diào)節(jié)方向平移，觀察同軸光柵尺8，直到平移量等于所述偏差δ，實(shí)現(xiàn)測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸3軸線的同軸，也就是測(cè)量光軸線與角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線同軸。在之后的待測(cè)內(nèi)齒輪13的形貌測(cè)量中，不會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)耦合誤差，從而提高齒輪測(cè)量精度。

另外,當(dāng)α值確定，δ與h成正比關(guān)系，比例系數(shù)為l/(2tan α )，令2tan α >1，從而有90° >α>26.57°，測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸3軸線的偏差δ被放大，這有助于提高測(cè)量精度。


圖1是本發(fā)明之采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置其結(jié)構(gòu)及測(cè)量工況示意圖。圖2是本發(fā)明之采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法采用環(huán)尺檢驗(yàn)測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸軸線的偏差δ工況示意圖，該圖同時(shí)作為摘要附圖。圖3是測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸軸線的偏差S形成過程及各參數(shù)含義示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明之采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置其具體實(shí)施方式
如下。反射鏡I由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2支撐，如圖1所示，角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2中的轉(zhuǎn)軸3上端與反射鏡I背面連接，在轉(zhuǎn)軸3下端安裝角位移傳感器4，轉(zhuǎn)軸3軸線與Z向平行，所述Z向?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向，如豎直方向。Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5 —側(cè)接角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2,另一側(cè)接Z向光柵尺6。同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7的調(diào)節(jié)方向與Z向垂直，如水平方向，同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7 —側(cè)接同軸光柵尺8，另一側(cè)接位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9。位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9 一側(cè)接位移光柵尺10，另一側(cè)接激光位移傳感器11，位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9的調(diào)節(jié)方向與Z向平行，如豎直方向；位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9有兩個(gè)作用，一是在測(cè)量前調(diào)節(jié)激光位移傳感器11在Z向上的位置，以適合不同直徑齒輪的測(cè)量，二是在測(cè)量過程中使激光位移傳感器11與反射鏡I同步沿Z向移動(dòng)，完成對(duì)待測(cè)內(nèi)齒輪13各截面的掃描測(cè)量。在采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置中還有一個(gè)工件承載臺(tái)14，如圖1、圖2所示，工件承載臺(tái)14的臺(tái)面為平面，該平面與Z向垂直；在工件承載臺(tái)14中心開有圓孔，轉(zhuǎn)軸3自該圓孔穿過；該圓孔的半徑大于反射鏡I回旋半徑。激光位移傳感器11測(cè)量光出口朝向反射鏡I正面，測(cè)量光軸線與Z向平行。所述Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5、同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7、位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9均為絲杠螺母機(jī)構(gòu)。角位移傳感器4、Z向光柵尺6、激光位移傳感器11分別與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接。本發(fā)明之采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法其具體實(shí)施方式
如下。測(cè)量工位基準(zhǔn)面與Z向垂直，所述Z向?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向。將工件承載臺(tái)14臺(tái)面作為測(cè)量工位基準(zhǔn)面。將環(huán)尺12安放在測(cè)量工位，如放置在工件承載臺(tái)14臺(tái)面上，如圖2所示，環(huán)尺12軸線與Z向平行，反射鏡I位于測(cè)量工位并處在環(huán)尺12中，反射鏡I的正面為反射面，反射面與測(cè)量工位基準(zhǔn)面的夾角α已知，如圖3所示。由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2驅(qū)動(dòng)反射鏡I旋轉(zhuǎn)360°角，由激光位移傳感器11發(fā)出的測(cè)量光由反射鏡I反射，在環(huán)尺12內(nèi)壁上形成環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡，從環(huán)尺10內(nèi)壁上的環(huán)形刻度線上讀出所述環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差h，測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸3軸線的偏差δ由公式S=h/(2tan α )求出，由同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7借助位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9沿同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7的調(diào)節(jié)方向調(diào)節(jié)激光位移傳感器11，同時(shí)觀察同軸光柵尺8，直至消除偏差δ。由待測(cè)內(nèi)齒輪13原位替換環(huán)尺12，如圖1所示，通過位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9調(diào)整激光位移傳感器11與反射鏡I的距離，以適應(yīng)不同直徑待測(cè)內(nèi)齒輪13的測(cè)量。由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2驅(qū)動(dòng)反射鏡I旋轉(zhuǎn)，由Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5沿Z向調(diào)節(jié)角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2，變換待測(cè)內(nèi)齒輪13的掃描測(cè)量截面位置；與此同時(shí)，位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9與Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5同步調(diào)節(jié)，使激光位移傳感器11與反射鏡I同步沿Z向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)內(nèi)齒輪13各截面的掃描測(cè)量。由角位移傳感器4、Z向光柵尺6、激光位移傳感器11分別將掃描測(cè)量角位移方位角數(shù)據(jù)、掃描測(cè)量截面位置數(shù)據(jù)、掃描測(cè)量線位移半徑數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，進(jìn)而完成 測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置，其特征在于，反射鏡(I)由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)支撐，角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)中的轉(zhuǎn)軸(3)上端與反射鏡(I)背面連接，在轉(zhuǎn)軸(3)下端安裝角位移傳感器(4)，轉(zhuǎn)軸(3)軸線與Z向平行，所述Z向?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向；Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5) —側(cè)接角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)，另一側(cè)接Z向光柵尺(6);同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(7)的調(diào)節(jié)方向與Z向垂直，同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(7)—側(cè)接同軸光柵尺(8)，另一側(cè)接位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9);位移 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9) 一側(cè)接位移光柵尺(10)，另一側(cè)接激光位移傳感器(11);激光位移傳感器(11)測(cè)量光出口朝向反射鏡(I)正面，測(cè)量光軸線與Z向平行；角位移傳感器(4)、Z向光柵尺(6)、激光位移傳感器(11)分別與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置，其特征在于，位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9 )有兩個(gè)作用，一是在測(cè)量前調(diào)節(jié)激光位移傳感器(11)在Z向上的位置，以適合不同直徑齒輪的測(cè)量，二是在測(cè)量過程中使激光位移傳感器(11)與反射鏡I同步沿Z向移動(dòng)，完成對(duì)待測(cè)內(nèi)齒輪(13 )各截面的掃描測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置，其特征在于，在采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置中還有一個(gè)工件承載臺(tái)(14)，工件承載臺(tái)(14)的臺(tái)面為平面，該平面與Z向垂直；在工件承載臺(tái)(14)中心開有圓孔，轉(zhuǎn)軸(3)自該圓孔穿過；該圓孔的半徑大于反射鏡(I)回旋半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置，其特征在于，所述Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5)、同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(7)、位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9)均為絲杠螺母機(jī)構(gòu)。
5.一種采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法，其特征在于，測(cè)量工位基準(zhǔn)面與Z向垂直，所述Z向?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向，將環(huán)尺(12)安放在測(cè)量工位，環(huán)尺(12)軸線與Z向平行，反射鏡(I)位于測(cè)量工位并處在環(huán)尺(12)中，反射鏡(I)的正面為反射面，反射面與測(cè)量工位基準(zhǔn)面的夾角α已知；由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)驅(qū)動(dòng)反射鏡(I)旋轉(zhuǎn)360°角，由激光位移傳感器(11)發(fā)出的測(cè)量光由反射鏡(I)反射，在環(huán)尺(12)內(nèi)壁上形成環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡，從環(huán)尺(12)內(nèi)壁上的環(huán)形刻度線上讀出所述環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差h，測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸(3)軸線的偏差δ由公式S=h/(2tana)求出，由同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(7)借助位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9)沿同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(7)的調(diào)節(jié)方向調(diào)節(jié)激光位移傳感器(11)，同時(shí)觀察同軸光柵尺(8)，直至消除偏差δ ;由待測(cè)內(nèi)齒輪(13)原位替換環(huán)尺(12)，由角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)驅(qū)動(dòng)反射鏡(I)旋轉(zhuǎn)，由Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5)沿Z向調(diào)節(jié)角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)，變換待測(cè)內(nèi)齒輪(13)的掃描測(cè)量截面位置；由激光位移傳感器(11)及反射鏡(I)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)內(nèi)齒輪(13)各截面的掃描測(cè)量；由角位移傳感器(4)、Ζ向光柵尺(6)、激光位移傳感器(11)分別將掃描測(cè)量角位移方位角數(shù)據(jù)、掃描測(cè)量截面位置數(shù)據(jù)、掃描測(cè)量線位移半徑數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，進(jìn)而完成測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法，其特征在于，將工件承載臺(tái)(14)臺(tái)面作為測(cè)量工位基準(zhǔn)面；將環(huán)尺(12)安放在所述工件承載臺(tái)(14)臺(tái)面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法，其特征在于，通過位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9)調(diào)整激光位移傳感器(11)與反射鏡(I)的距離，以適應(yīng)不同直徑待測(cè)內(nèi)齒輪(13)的測(cè)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的方法，其特征在于，位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(9)與Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5)同步調(diào)節(jié)，使激光位移傳感器(11)與反射鏡(I)同步沿Z向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待 測(cè)內(nèi)齒輪(13)各截面的掃描測(cè)量。
全文摘要
采用激光轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)量?jī)?nèi)齒輪形貌的裝置及方法屬于激光檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)出現(xiàn)坐標(biāo)耦合誤差，降低了齒輪測(cè)量精度。在本發(fā)明之裝置中，角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)軸上端與反射鏡背面連接，在轉(zhuǎn)軸下端安裝角位移傳感器；Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)接角位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，另一側(cè)接Z向光柵尺；同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)接同軸光柵尺，另一側(cè)接位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)接位移光柵尺，另一側(cè)接激光位移傳感器；測(cè)量光軸線與Z向平行；角位移傳感器、Z向光柵尺、激光位移傳感器分別與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接。本發(fā)明之方法從環(huán)尺內(nèi)壁上的環(huán)形刻度線上讀出環(huán)形光斑運(yùn)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差h，測(cè)量光軸線與轉(zhuǎn)軸軸線的偏差δ由公式δ=h/(2tanα)求出，調(diào)節(jié)同軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直至消除偏差δ。
文檔編號(hào)G01B11/02GK103245293SQ20131017326
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月13日
發(fā)明者蘇成志, 張斯程, 李振輝, 顧元峰, 王德民, 包海峰 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)