专利名称：采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置及方法，能够实现不同直径内齿轮的高精度测量，属于激光检测技术领域。
背景技术：
与本发明有关的一种齿轮激光测量技术采用非接触点反射式激光测量头通过扫描齿轮被测表面实现齿轮测量，测量速度快、精度高。例如，专利号为ZL201120255971.2的一篇中国专利文献公开了一种“齿轮参数激光检测装置”。该方案采用激光位移传感器作为非接触点反射式激光测量头，测量被测齿轮多个截面的形状数据，连同对应的角位移数据一并传输给数据采集和处理系统，该系统根据坐标法由这些数据重构被测齿轮形貌，进而完成齿轮测量。由于在该方案中测量激光光束被反射镜反射后扫描被测齿轮，因此，该方案能够测量内齿轮。然而，该方案并未确保测量激光光束经过角位移旋转系统的旋转轴线，如当激光位移传感器沿滑台移动后，测量激光光束可能偏离角位移旋转系统的旋转轴线。因此，会出现坐标耦合误差，从而降低齿轮测量精度。
发明内容
为了保证测量激光光束始终准确经过角位移旋转系统的旋转轴线，避免出现坐标耦合误差，提高齿轮测量精度，我们发明了一种采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置及方法，该方案能够使测量激光光束与角位移旋转系统的旋转轴线之间的偏差被控制在可接受范围内，从而有效避免出现坐标耦合误差。本发明之采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置其特征在于，反射镜I由角位移旋转系统2支撑， 如图1所示，角位移旋转系统2中的转轴3上端与反射镜I背面连接，在转轴3下端安装角位移传感器4，转轴3轴线与Z向平行，所述Z向为测量坐标系Z轴方向；Z向调节机构5 —侧接角位移旋转系统2，另一侧接Z向光栅尺6 ;同轴调节机构7的调节方向与Z向垂直，同轴调节机构7 —侧接同轴光栅尺8，另一侧接位移调节机构9 ;位移调节机构9 一侧接位移光栅尺10，另一侧接激光位移传感器11 ;激光位移传感器11测量光出口朝向反射镜I正面，测量光轴线与Z向平行；角位移传感器4、Z向光栅尺6、激光位移传感器11分别与数据采集和处理系统连接。本发明之采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法其特征在于，测量工位基准面与Z向垂直,所述Z向为测量坐标系Z轴方向,将环尺12安放在测量工位,如图2所示,环尺12轴线与Z向平行，反射镜I位于测量工位并处在环尺12中，反射镜I的正面为反射面，反射面与测量工位基准面的夹角α已知，如图3所示；由角位移旋转系统2驱动反射镜I旋转360°角，由激光位移传感器11发出的测量光由反射镜I反射，在环尺12内壁上形成环形光斑运动轨迹，从环尺12内壁上的环形刻度线上读出所述环形光斑运动轨迹的最高点与最低点的高度差h，测量光轴线与转轴3轴线的偏差δ由公式S=h/(2tana)求出，由同轴调节机构7借助位移调节机构9沿同轴调节机构7的调节方向调节激光位移传感器11，同时观察同轴光栅尺8，直至消除偏差δ ;由待测内齿轮13原位替换环尺12，如图1所示，由角位移旋转系统2驱动反射镜I旋转，由Z向调节机构5沿Z向调节角位移旋转系统2，变换待测内齿轮13的扫描测量截面位置；由激光位移传感器11及反射镜I实现对待测内齿轮13各截面的扫描测量；由角位移传感器4、Ζ向光栅尺6、激光位移传感器11分别将扫描测量角位移方位角数据、扫描测量截面位置数据、扫描测量线位移半径数据传输给数据采集和处理系统，进而完成测量。本发明其技术效果在于，将反射镜I置于待测内齿轮13中间，由角位移旋转系统2驱动其转动，反射测量光并扫描待测内齿轮13各截面，这一特征使得检验测量光轴线与转轴3轴线是否同轴成为可能。在测量前，采用环尺12并置于测量工位，反射镜I反射来自激光位移传感器11的测量光并旋转，能够很容易地检测到测量光轴线与转轴3轴线的偏差δ，通过同轴调节机构7经由位移调节机构9使激光位移传感器11沿同轴调节机构7的调节方向平移，观察同轴光栅尺8，直到平移量等于所述偏差δ，实现测量光轴线与转轴3轴线的同轴，也就是测量光轴线与角位移旋转系统的旋转轴线同轴。在之后的待测内齿轮13的形貌测量中，不会出现坐标耦合误差，从而提高齿轮测量精度。
另外,当α值确定，δ与h成正比关系，比例系数为l/(2tan α )，令2tan α >1，从而有90° >α>26.57°，测量光轴线与转轴3轴线的偏差δ被放大，这有助于提高测量精度。
图1是本发明之采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置其结构及测量工况示意图。图2是本发明之采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法采用环尺检验测量光轴线与转轴轴线的偏差δ工况示意图，该图同时作为摘要附图。图3是测量光轴线与转轴轴线的偏差S形成过程及各参数含义示意图。
具体实施例方式本发明之采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置其具体实施方式
如下。反射镜I由角位移旋转系统2支撑，如图1所示，角位移旋转系统2中的转轴3上端与反射镜I背面连接，在转轴3下端安装角位移传感器4，转轴3轴线与Z向平行，所述Z向为测量坐标系Z轴方向，如竖直方向。Z向调节机构5 —侧接角位移旋转系统2,另一侧接Z向光栅尺6。同轴调节机构7的调节方向与Z向垂直，如水平方向，同轴调节机构7 —侧接同轴光栅尺8，另一侧接位移调节机构9。位移调节机构9 一侧接位移光栅尺10，另一侧接激光位移传感器11，位移调节机构9的调节方向与Z向平行，如竖直方向；位移调节机构9有两个作用，一是在测量前调节激光位移传感器11在Z向上的位置，以适合不同直径齿轮的测量，二是在测量过程中使激光位移传感器11与反射镜I同步沿Z向移动，完成对待测内齿轮13各截面的扫描测量。在采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置中还有一个工件承载台14，如图1、图2所示，工件承载台14的台面为平面，该平面与Z向垂直；在工件承载台14中心开有圆孔，转轴3自该圆孔穿过；该圆孔的半径大于反射镜I回旋半径。激光位移传感器11测量光出口朝向反射镜I正面，测量光轴线与Z向平行。所述Z向调节机构5、同轴调节机构7、位移调节机构9均为丝杠螺母机构。角位移传感器4、Z向光栅尺6、激光位移传感器11分别与数据采集和处理系统连接。本发明之采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法其具体实施方式
如下。测量工位基准面与Z向垂直，所述Z向为测量坐标系Z轴方向。将工件承载台14台面作为测量工位基准面。将环尺12安放在测量工位，如放置在工件承载台14台面上，如图2所示，环尺12轴线与Z向平行，反射镜I位于测量工位并处在环尺12中，反射镜I的正面为反射面，反射面与测量工位基准面的夹角α已知，如图3所示。由角位移旋转系统2驱动反射镜I旋转360°角，由激光位移传感器11发出的测量光由反射镜I反射，在环尺12内壁上形成环形光斑运动轨迹，从环尺10内壁上的环形刻度线上读出所述环形光斑运动轨迹的最高点与最低点的高度差h，测量光轴线与转轴3轴线的偏差δ由公式S=h/(2tan α )求出，由同轴调节机构7借助位移调节机构9沿同轴调节机构7的调节方向调节激光位移传感器11，同时观察同轴光栅尺8，直至消除偏差δ。由待测内齿轮13原位替换环尺12，如图1所示，通过位移调节机构9调整激光位移传感器11与反射镜I的距离，以适应不同直径待测内齿轮13的测量。由角位移旋转系统2驱动反射镜I旋转，由Z向调节机构5沿Z向调节角位移旋转系统2，变换待测内齿轮13的扫描测量截面位置；与此同时，位移调节机构9与Z向调节机构5同步调节，使激光位移传感器11与反射镜I同步沿Z向移动，实现对待测内齿轮13各截面的扫描测量。由角位移传感器4、Z向光栅尺6、激光位移传感器11分别将扫描测量角位移方位角数据、扫描测量截面位置数据、扫描测量线位移半径数据传输给数据采集和处理系统，进而完成 测量。
权利要求
1.一种采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置，其特征在于，反射镜(I)由角位移旋转系统(2)支撑，角位移旋转系统(2)中的转轴(3)上端与反射镜(I)背面连接，在转轴(3)下端安装角位移传感器(4)，转轴(3)轴线与Z向平行，所述Z向为测量坐标系Z轴方向；Z向调节机构(5) —侧接角位移旋转系统(2)，另一侧接Z向光栅尺(6);同轴调节机构(7)的调节方向与Z向垂直，同轴调节机构(7)—侧接同轴光栅尺(8)，另一侧接位移调节机构(9);位移 调节机构(9) 一侧接位移光栅尺(10)，另一侧接激光位移传感器(11);激光位移传感器(11)测量光出口朝向反射镜(I)正面，测量光轴线与Z向平行；角位移传感器(4)、Z向光栅尺(6)、激光位移传感器(11)分别与数据采集和处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置，其特征在于，位移调节机构(9 )有两个作用，一是在测量前调节激光位移传感器(11)在Z向上的位置，以适合不同直径齿轮的测量，二是在测量过程中使激光位移传感器(11)与反射镜I同步沿Z向移动，完成对待测内齿轮(13 )各截面的扫描测量。
3.根据权利要求1所述的采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置，其特征在于，在采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置中还有一个工件承载台(14)，工件承载台(14)的台面为平面，该平面与Z向垂直；在工件承载台(14)中心开有圆孔，转轴(3)自该圆孔穿过；该圆孔的半径大于反射镜(I)回旋半径。
4.根据权利要求1所述的采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置，其特征在于，所述Z向调节机构(5)、同轴调节机构(7)、位移调节机构(9)均为丝杠螺母机构。
5.一种采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法，其特征在于，测量工位基准面与Z向垂直，所述Z向为测量坐标系Z轴方向，将环尺(12)安放在测量工位，环尺(12)轴线与Z向平行，反射镜(I)位于测量工位并处在环尺(12)中，反射镜(I)的正面为反射面，反射面与测量工位基准面的夹角α已知；由角位移旋转系统(2)驱动反射镜(I)旋转360°角，由激光位移传感器(11)发出的测量光由反射镜(I)反射，在环尺(12)内壁上形成环形光斑运动轨迹，从环尺(12)内壁上的环形刻度线上读出所述环形光斑运动轨迹的最高点与最低点的高度差h，测量光轴线与转轴(3)轴线的偏差δ由公式S=h/(2tana)求出，由同轴调节机构(7)借助位移调节机构(9)沿同轴调节机构(7)的调节方向调节激光位移传感器(11)，同时观察同轴光栅尺(8)，直至消除偏差δ ;由待测内齿轮(13)原位替换环尺(12)，由角位移旋转系统(2)驱动反射镜(I)旋转，由Z向调节机构(5)沿Z向调节角位移旋转系统(2)，变换待测内齿轮(13)的扫描测量截面位置；由激光位移传感器(11)及反射镜(I)实现对待测内齿轮(13)各截面的扫描测量；由角位移传感器(4)、Ζ向光栅尺(6)、激光位移传感器(11)分别将扫描测量角位移方位角数据、扫描测量截面位置数据、扫描测量线位移半径数据传输给数据采集和处理系统，进而完成测量。
6.根据权利要求5所述的采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法，其特征在于，将工件承载台(14)台面作为测量工位基准面；将环尺(12)安放在所述工件承载台(14)台面上。
7.根据权利要求5所述的采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法，其特征在于，通过位移调节机构(9)调整激光位移传感器(11)与反射镜(I)的距离，以适应不同直径待测内齿轮(13)的测量。
8.根据权利要求5所述的采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的方法，其特征在于，位移调节机构(9)与Z向调节机构(5)同步调节，使激光位移传感器(11)与反射镜(I)同步沿Z向移动，实现对待 测内齿轮(13)各截面的扫描测量。
全文摘要
采用激光转镜扫描测量内齿轮形貌的装置及方法属于激光检测技术领域。现有技术出现坐标耦合误差，降低了齿轮测量精度。在本发明之装置中，角位移旋转系统中的转轴上端与反射镜背面连接，在转轴下端安装角位移传感器；Z向调节机构一侧接角位移旋转系统，另一侧接Z向光栅尺；同轴调节机构一侧接同轴光栅尺，另一侧接位移调节机构；位移调节机构一侧接位移光栅尺，另一侧接激光位移传感器；测量光轴线与Z向平行；角位移传感器、Z向光栅尺、激光位移传感器分别与数据采集和处理系统连接。本发明之方法从环尺内壁上的环形刻度线上读出环形光斑运动轨迹的最高点与最低点的高度差h，测量光轴线与转轴轴线的偏差δ由公式δ=h/(2tanα)求出，调节同轴调节机构直至消除偏差δ。
文档编号G01B11/02GK103245293SQ20131017326
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月13日 优先权日2013年5月13日
发明者苏成志, 张斯程, 李振辉, 顾元峰, 王德民, 包海峰 申请人:长春理工大学