本發(fā)明涉及齒輪檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有多自由度的激光位移傳感器系統(tǒng)及弧齒錐齒輪測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

齒輪測(cè)量技術(shù)可以分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?，目前廣泛使用的是通過(guò)觸發(fā)式或掃描式傳感測(cè)量頭接觸被測(cè)零件幾何形體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置的接觸式測(cè)量法。這種方法需要保證測(cè)量過(guò)程中，測(cè)頭始終與被測(cè)零件表面緊密接觸，由于測(cè)頭球形觸頭半徑的存在，測(cè)量復(fù)雜曲面零件會(huì)出現(xiàn)測(cè)量橫向分辨率低的問(wèn)題，而且接觸式測(cè)量的實(shí)際接觸點(diǎn)與理論接觸點(diǎn)存在差異，要花費(fèi)大量的計(jì)算在被測(cè)零件表面的法向?qū)η蛐斡|頭的半徑進(jìn)行補(bǔ)償，降低了測(cè)量的效率。

目前，在齒輪測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域中，一種將激光位移傳感器作為測(cè)量傳感器的非接觸式測(cè)量方法，在測(cè)量齒輪時(shí)解決了接觸式測(cè)量的橫向分辨率低、測(cè)頭運(yùn)動(dòng)路徑繁瑣的問(wèn)題，能快速有效的對(duì)直齒輪、斜齒輪，以及錐齒輪等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x難以有效測(cè)量的特殊齒輪進(jìn)行齒距、齒廓、齒圈跳動(dòng)等偏差的精確測(cè)量，并能夠分辨出6-12級(jí)精度的偏差，具有具有操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精確，測(cè)量效率高的特點(diǎn)。然而，對(duì)于弧齒錐齒輪這種具有復(fù)雜凹凸曲面的齒輪零件，用激光位移傳感器測(cè)量其齒輪各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，因?yàn)楸粶y(cè)齒面上的光斑點(diǎn)光源的反射光被未測(cè)齒面擋住，無(wú)法反射到傳感器接收窗，所以常會(huì)出現(xiàn)丟失一側(cè)齒面采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的弧齒錐齒輪激光測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種具有多自由度的激光位移傳感器系統(tǒng)及弧齒錐齒輪測(cè)量方法，以解決因被測(cè)齒面上的光斑點(diǎn)光源的反射光被未測(cè)齒面擋住，無(wú)法反射到傳感器接收窗，而出現(xiàn)的丟失一側(cè)齒面采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

本發(fā)明首先提供了一種多自由度激光位移傳感器系統(tǒng)，包括底座、回轉(zhuǎn)架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、快裝夾臺(tái)、鎖緊旋鈕。底座上通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有與其同中心軸線ⅰ軸的回轉(zhuǎn)架，回轉(zhuǎn)架可繞底座的中心軸線ⅰ軸相對(duì)底座做360°自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)架相對(duì)底座的位姿可通過(guò)底座的鎖緊旋鈕固定。所述回轉(zhuǎn)架上通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，且旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可相對(duì)回轉(zhuǎn)架沿ⅱ軸做180°的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上通過(guò)沉頭鎖緊螺絲安裝有快裝夾臺(tái)。所述快裝夾臺(tái)通過(guò)壓板與鎖緊旋鈕可以裝夾激光位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為便于實(shí)現(xiàn)激光位移傳感器空間位姿的準(zhǔn)確調(diào)整，所述支架的底座與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)分度刻線。

為便于支架的安裝，底座底部設(shè)有螺紋孔，且支架底座與z向?qū)к壍幕_(tái)通過(guò)螺紋連接。

為便于實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的測(cè)量，所述激光位移傳感器系統(tǒng)安裝在多坐標(biāo)移動(dòng)裝置上，可通過(guò)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)多坐標(biāo)移動(dòng)裝置的測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)以及x、y、x三坐標(biāo)移動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與激光位移傳感器位置的調(diào)整。所述多坐標(biāo)移動(dòng)裝置包括具有光柵反饋的x、y、x三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)移動(dòng)導(dǎo)軌以及一個(gè)具有圓光柵反饋的回轉(zhuǎn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為便于實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的測(cè)量，本發(fā)明采用的測(cè)量裝置以激光位移傳感器為測(cè)量傳感器，所述的激光位移傳感器的讀數(shù)hi為被測(cè)工件表面上的光斑點(diǎn)在激光直線方向上偏離傳感器零位的位移。所述激光位移傳感器零位，位于沿激光射線方向距離光源發(fā)射點(diǎn)50mm的位置，且光斑點(diǎn)照射在零位時(shí)，激光位移傳感器的讀數(shù)為零，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)距離小于50mm時(shí)讀數(shù)hi為正，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)距離大于50mm時(shí)讀數(shù)hi為負(fù)。

本發(fā)明還提供一種采用上述具有多自由度的激光位移傳感器系統(tǒng)的弧齒錐齒輪測(cè)量方法，包括如下過(guò)程步驟。

1）在測(cè)量控制系統(tǒng)中，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器系統(tǒng)沿測(cè)量裝置的x軸、y軸導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，使得激光位移傳感器的激光發(fā)射點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到標(biāo)定的測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置。

2）如圖3和4所示，將被測(cè)齒輪平置裝夾在測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)上，使得被測(cè)零件的中心軸線與回轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線重合，使激光位移傳感器發(fā)射的激光束在被測(cè)弧齒錐齒輪的軸截面內(nèi)垂直于分錐線并照射到被測(cè)齒輪齒寬中點(diǎn)處的齒廓上，沿著激光束投射的方向驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器的位置，使得被測(cè)齒廓處于激光位移傳感器的量程內(nèi)；調(diào)節(jié)支架的兩個(gè)正交軸向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并用鎖緊旋鈕鎖緊，使得激光位移傳感器盡可能與被測(cè)量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態(tài)，以保證激光位移傳感器發(fā)射的激光照射在被測(cè)齒輪齒面上的光斑點(diǎn)光源可以反射到激光位移傳感器的接收窗上，使得齒輪測(cè)量過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)完整有效。

3）在控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周360°。隨著測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器發(fā)射的激光束依次直射到被測(cè)齒輪齒寬中點(diǎn)處的所有齒廓上，在測(cè)量過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制激光位移傳感器以一定的時(shí)間間隔對(duì)被測(cè)齒廓處的光斑點(diǎn)位置信息根據(jù)圓光柵及激光位移傳感器讀數(shù)的反饋值進(jìn)行采樣。

4）將激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，在直角坐標(biāo)系中將離散的采集點(diǎn)擬合得到齒輪實(shí)際齒廓線并與理論的齒廓線進(jìn)行比較，分析計(jì)算被測(cè)齒輪的齒廓、齒距、齒厚以及齒槽徑向跳動(dòng)誤差。

為便于實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的各項(xiàng)參數(shù)誤差分析，激光位移傳感器在齒輪旋轉(zhuǎn)一周后將齒寬中點(diǎn)處的錐齒輪輪廓轉(zhuǎn)化成一系列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)同時(shí)對(duì)映一個(gè)光柵位置。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)位置，可以計(jì)算出該齒輪的偏差數(shù)據(jù)。設(shè)所有采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)為r={n1，n2，n3，……nn},ni=（hi,pi），。激光位移傳感器獲得的是齒廓上各點(diǎn)相對(duì)于中點(diǎn)分度圓的位移值h，對(duì)應(yīng)的光柵位置為y。將測(cè)量的圓錐面的齒廓在平面上展開(kāi)成當(dāng)量齒輪，利用如下公式(3)將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)量，根據(jù)齒廓在直角坐標(biāo)系中的位置xi，yi擬合得到被測(cè)齒輪在齒寬中點(diǎn)處的實(shí)際齒廓，利用幾何坐標(biāo)法計(jì)算錐齒輪的單項(xiàng)幾何偏差。

當(dāng)量圓錐展開(kāi)后對(duì)應(yīng)的圓心角:

(1)

任意采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的展開(kāi)扇面上的位置角:

根據(jù)位移數(shù)據(jù)hi與對(duì)應(yīng)的位置角，任意采樣點(diǎn)在平面坐標(biāo)系xoy中的坐標(biāo)為：

（3）

式中，hi為激光位移傳感器的讀數(shù)，me為模數(shù)，re為外錐距，z為齒數(shù)，b為齒寬，δ為分錐角，齒寬系數(shù)，常用0.3，且所有齒輪參數(shù)為待測(cè)錐齒輪的大端參數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明多自由度激光位移傳感器系統(tǒng)由激光位移傳感器和具有空間正交軸向旋轉(zhuǎn)自由度的支架組成。在測(cè)量弧齒錐齒輪時(shí)，可以調(diào)整傳感器支架的旋轉(zhuǎn)位姿使得激光位移傳感器盡可能與被測(cè)量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態(tài)，以保證傳感器發(fā)射的激光照射在被測(cè)齒輪齒面上的光斑點(diǎn)光源可以反射到傳感器的接收窗上，使得齒輪測(cè)量過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)完整有效。本發(fā)明有效的解決了使用激光位移傳感器進(jìn)行弧齒錐齒輪這類具有復(fù)雜凹凸齒面的零件測(cè)量時(shí)，因被測(cè)齒面上的光斑點(diǎn)光源的反射光被未測(cè)齒面擋住，無(wú)法反射到傳感器接收窗，而出現(xiàn)的丟失一側(cè)齒面采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，具有測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，靈活性高的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1所示的是多自由度激光位移傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2所示的是多自由度激光位移傳感測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

圖3是弧齒錐齒輪測(cè)量方法正視平面示意圖；

圖4是弧齒錐齒輪測(cè)量方法空間示意圖。

圖中：底座1、回轉(zhuǎn)架2、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3、快裝夾臺(tái)4、鎖緊旋鈕5、激光位移傳感器6、工作臺(tái)7、測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8、尾頂機(jī)構(gòu)9、z軸導(dǎo)軌10、y軸導(dǎo)軌11、x軸導(dǎo)軌12、弧齒錐齒輪13。

具體實(shí)施方式

如圖1所示的為本發(fā)明提出的一種多自由度激光位移傳感器系統(tǒng)，包括底座1、回轉(zhuǎn)架2、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3、快裝夾臺(tái)4、鎖緊旋鈕5。底座1上通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有與其同中心軸線ⅰ軸的回轉(zhuǎn)架2，回轉(zhuǎn)架2可繞底座1的中心軸線ⅰ軸相對(duì)底座1做360°自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)架2相對(duì)底座1的位姿可通過(guò)底座1的鎖緊旋鈕固5定。所述回轉(zhuǎn)架2上通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3，且旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3可相對(duì)回轉(zhuǎn)架沿ⅱ軸做180°的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3上通過(guò)沉頭鎖緊螺絲安裝有快裝夾臺(tái)4。所述快裝夾臺(tái)4通過(guò)壓板與鎖緊旋鈕5可以裝夾激光位移傳感器6。

如圖2所示的為本發(fā)明采用的激光位移測(cè)量裝置，包括工作臺(tái)7，所述工作臺(tái)7上設(shè)有帶激光位移傳感器系統(tǒng)的三坐標(biāo)平移裝置和測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8及尾頂機(jī)構(gòu)9。所述三坐標(biāo)平移裝置包括固定在工作臺(tái)7上的x軸導(dǎo)軌12，所述x軸導(dǎo)軌12上設(shè)有滑動(dòng)y軸導(dǎo)軌11，所述y軸導(dǎo)軌11上設(shè)有滑動(dòng)z軸導(dǎo)軌10，所述z軸導(dǎo)軌10的滑臺(tái)與支架底座1通過(guò)螺紋連接，所述支架的快裝夾臺(tái)4上裝有激光位移傳感器6。其中所述測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8由帶有圓光柵的精密伺服旋轉(zhuǎn)力矩電機(jī)通過(guò)控制器直接驅(qū)動(dòng)。所述三坐標(biāo)平移裝置10、11、12采用配有高精度光柵的精密滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)，并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)使用多軸控制卡通過(guò)自主編程實(shí)現(xiàn)對(duì)激光位移傳感器的運(yùn)動(dòng)控制。

本發(fā)明提出的一種采用上述具有多自由度的激光位移傳感器系統(tǒng)的弧齒錐齒輪測(cè)量方法，具體實(shí)施步驟如下。

1）在測(cè)量控制系統(tǒng)中，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器系統(tǒng)沿測(cè)量裝置的x軸、y軸導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)12、11，使得激光位移傳感器6的激光發(fā)射點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到標(biāo)定的測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8的中心位置。

2）如圖3和4所示，將被測(cè)弧齒錐齒輪13平置裝夾在測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8上，使得被測(cè)零件13的中心軸線與回轉(zhuǎn)臺(tái)8中心軸線重合，使激光位移傳感器6發(fā)射的激光束在被測(cè)弧齒錐齒輪13的軸截面內(nèi)垂直于分錐線并照射到被測(cè)齒輪齒寬中點(diǎn)處的齒廓上，沿著激光束投射的方向驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器6的位置，使得被測(cè)齒廓處于激光位移傳感器6的量程內(nèi)；調(diào)節(jié)支架的兩個(gè)正交軸向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并用鎖緊旋鈕5鎖緊，使得激光位移傳感器6盡可能與被測(cè)量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態(tài)，以保證激光位移傳感器6發(fā)射的激光照射在被測(cè)弧齒錐齒輪13齒面上的光斑點(diǎn)光源可以反射到激光位移傳感器6的接收窗上，使得齒輪測(cè)量過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)完整有效。

3）在控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8旋轉(zhuǎn)一周360°。隨著測(cè)量回轉(zhuǎn)臺(tái)8的旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器6發(fā)射的激光束依次直射到被測(cè)齒輪齒寬中點(diǎn)處的所有齒廓上，在測(cè)量過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制激光位移傳感器6以一定的時(shí)間間隔對(duì)被測(cè)齒廓處的光斑點(diǎn)位置信息根據(jù)圓光柵pi及激光位移傳感器讀數(shù)hi的反饋值進(jìn)行采樣。

4）將激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)，利用上述公式（1）-（3）進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，在直角坐標(biāo)系中將離散的采集點(diǎn)利用三次牛頓插值法擬合得到齒輪實(shí)際齒廓線并與理論的齒廓線進(jìn)行比較，分析計(jì)算被測(cè)齒輪的齒廓、齒距、齒厚以及齒槽徑向跳動(dòng)誤差。

當(dāng)量圓錐展開(kāi)后對(duì)應(yīng)的圓心角:

(1)

任意采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的展開(kāi)扇面上的位置角:

根據(jù)位移數(shù)據(jù)hi與對(duì)應(yīng)的位置角，任意采樣點(diǎn)在平面坐標(biāo)系xoy中的坐標(biāo)為：

（3）

式中，hi為激光位移傳感器的讀數(shù)，me為模數(shù)，re為外錐距，z為齒數(shù)，b為齒寬，δ為分錐角，齒寬系數(shù)，常用0.3，且所有齒輪參數(shù)為待測(cè)錐齒輪的大端參數(shù)。

本發(fā)明多自由度激光位移傳感器系統(tǒng)由激光位移傳感器和具有空間正交軸向旋轉(zhuǎn)自由度的支架組成。在測(cè)量弧齒錐齒輪時(shí)，可以調(diào)整激光位移傳感器支架的旋轉(zhuǎn)位姿使得激光位移傳感器盡可能與被測(cè)量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態(tài)，以保證激光位移傳感器發(fā)射的激光照射在被測(cè)齒輪齒面上的光斑點(diǎn)光源可以反射到激光位移傳感器的接收窗上，使得齒輪測(cè)量過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)完整有效。本發(fā)明有效的解決了使用激光位移傳感器進(jìn)行弧齒錐齒輪這類具有復(fù)雜凹凸齒面的零件測(cè)量時(shí)，因被測(cè)齒面上的光斑點(diǎn)光源的反射光被未測(cè)齒面擋住，無(wú)法反射到激光位移傳感器接收窗，而出現(xiàn)的丟失一側(cè)齒面采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，具有測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，靈活性高的特點(diǎn)。