螺旋伞齿轮关键参数激光检测系统及其检测方法与流程

本发明涉及一种基于激光三角位移传感器的螺旋伞齿轮关键参数的检测系统和方法，属于光学检测技术领域。

背景技术：

螺旋伞齿轮是一种重要的传动部件，具有传动效率高、传动比稳定、工作可靠和寿命长等优点，因此被广泛应用于汽车、机床、航空等多个领域。例如螺旋伞齿轮作为汽车后桥主减速器中的重要传动部件，其质量直接影响到汽车的舒适性和安全性。螺旋伞齿轮在锻造过程中可能会产生不合格的产品，如果这些不合格的产品被使用到汽车中将会影响汽车的安全性，因此对螺旋伞齿轮关键参数的检测也是尤为重要的。

目前提出的齿轮参数的检测系统和检测方法大多数是针对直齿轮和特大型齿轮，而无法实现螺旋伞齿轮关键参数的快速精准检测。

本发明针对螺旋伞齿轮齿顶圆半径、齿根圆半径和齿距偏差的检测提出了一种非接触式的高精度、高效率的测量方法。

技术实现要素：

基于目前齿轮参数的检测系统和检测方法无法实现螺旋伞齿轮关键参数的快速精准检测，本发明针对螺旋伞齿轮的检测提出了一种螺旋伞齿轮关键参数检测系统和检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种螺旋伞齿轮关键参数激光检测系统，包括箱体、旋转机构、工作台、回转平台、定心装置、第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器、第三激光三角位移传感器、横梁、伺服电机、立柱、Z轴导轨、X轴导轨、数据采集及通信系统、数据处理与显示系统，所述工作台固定安装在所述箱体上，在所述工作台上设有所述回转平台和所述立柱，所述立柱与所述回转平台垂直，所述伺服电机安装在所述立柱上；所述回转平台通过转轴与旋转机构连接，在所述旋转机构的驱动下进行旋转；在所述回转平台上设有所述定心装置，待测螺旋伞齿轮经过定心处理后在电磁力的作用下吸合固定在所述回转平台上并且能随所述回转平台同步转动；所述横梁垂直安装在所述立柱上，所述立柱上设有与其平行的所述Z轴导轨；所述横梁在所述伺服电机的驱动作用下沿着所述Z轴导轨滑动，所述横梁上设有与所述横梁平行的X轴导轨；第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器分别设置在所述横梁上，用于同时对待测齿轮的不同参数进行测量，三个所述激光三角位移传感器在所述伺服电机的驱动下沿X轴导轨移动，并且第三激光位移传感器的角度在测量过程中可根据被测齿轮的节锥角进行调节；所述数据采集及通信系统与第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器相连接，所述数据采集及通信系统将获取的数据传送到数据处理系统，数据处理系统对获得的数据进行相应的坐标转换、误差分离、拟合计算后由所述的显示系统显示出检测结果。

优选的，所述回转平台为一个通电后能产生电磁力的电磁机构并且在所述旋转机构的驱动下能进行旋转，所述旋转机构包括转轴、角位移传感器和伺服驱动系统，所述转轴的上端与所述回转平台连接，所述转轴的下端与所述角位移传感器连接，所述角位移传感器的右端与所述伺服驱动系统连接。

优选的，所述横梁上设置有用于检测齿顶圆半径的第一激光三角位移传感器，用于检测齿根圆半径的第二激光三角位移传感器，以及用于检测齿距误差的第三激光三角位移传感器。

优选的，所述第一激光三角位移传感器具有第一安装角度，其用于使所述第一激光三角位移传感器所发射的激光能直射到待测齿轮的齿顶部；所述第二激光三角位移传感器具有第二安装角度，其用于使所述第二激光三角位移传感器所发射的激光能直射到待测齿轮的齿根部；以及所述第三激光三角位移传感器具有第三安装角度，其用于使所述第三激光三角位移传感器所发射的激光能直射到待测齿轮的分度圆上。

一种螺旋伞齿轮关键参数的检测方法，检测的具体步骤如下：

1)首先机械手装置将待测齿轮平放到回转平台上，经定心装置的定心处理后待测齿轮的中心与所述回转平台的中心重合，然后电磁机构通电后产生电磁力，在电磁力的作用下待测齿轮被吸合固定在所述回转平台上，以所述回转平台与所述待测齿轮的接触面中心为极心建立极坐标系；

2)在伺服电机的驱动作用下，横梁沿Z轴导轨向下滑动，使得第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器逐渐靠近待测齿轮，然后分别调节所述第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器在所述X轴导轨上的位置，并且第三激光位移传感器的角度可根据被测齿轮的节锥角进行调节，使待测齿轮处于所述第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器的标准量程范围内；所述激光三角位移传感器的位置确定后，记录此时所述激光三角位移传感器的位置；

3)所述回转平台在旋转机构驱动下进行旋转，待测齿轮随着回转平台同步转动，所述第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器发射的激光分别直射到待测齿轮的齿顶部、齿根部和分度圆上；待测齿轮每随着回转平台同步旋转角度q°，其中q值可在数据处理系统中设定为某一固定值，q的取值范围在0.5～2之间，数据采集系统采集一次每个激光三角位移传感器的激光位移信号，分别记作d1(t)，d2(t)，d3(t)，其中t＝1,2,3,…n,n为大于等于30的正整数；数据采集系统连续采集多组数据，然后将采集到的多组激光位移信号传送到数据处理系统；

4)数据处理系统对采集得到的多组数据首先转换成极坐标的形式，然后进行误差分离，最后对误差分离后的数据进行拟合与计算；第一激光三角位移传感器和第二激光三角位移传感器获得的数据可以拟合为两个圆弧，两个圆弧的半径即为齿顶圆半径和齿根圆半径，第三激光三角位移传感器获得的数据可以拟合出对应的齿廓形状，可进一步算出待测齿轮的齿距，将测得的齿距与标准齿距比较即可获得齿距误差；显示系统显示最终检测结果：齿顶圆半径、齿根圆半径和齿距误差。

优选的，建立极坐标系前需要先对待测齿轮进行定心处理，使定心轴的中心与齿轮中心重合，极坐标系的极心为待测齿轮与回转平台接触面的中心点。

优选的，其特征在于测量过程中待测齿轮与回转平台每旋转1°，数据采集系统采集1组激光三角位移传感器的激光位移信号，连续采集50组数据，最终对获得的50组数据进行拟合计算。

本发明所述的螺旋伞齿轮关键参数的检测方法中提到的激光三角位移传感器选用型号为ZLDS113，标准量程D为100mm，分辨率为1μm。

本发明针对螺旋伞齿轮关键参数的检测提出了一种激光检测系统和相应的检测方法，本发明存在的优点有：

1)待测齿轮在电磁力的作用下紧紧地吸合在回转平台上，在测量过程中随回转平台同步转动，减小由测量系统本身引起的误差；

2)本发明采用的是基于激光三角位移传感器的非接触式检测方法，设计的检测系统中采用三个激光三角位移传感器分别对三个待测参数进行检测，提高了检测的效率；

3)目前提出的齿轮参数的检测系统和检测方法大多数是针对直齿轮和特大型齿轮的参数检测，本发明提出的检测系统和方法可以实现螺旋伞齿轮关键参数的快速精准检测。

附图说明

图1为本发明的螺旋伞齿轮关键参数检测系统示意图；

图2为本发明的检测系统中旋转定位结构示意图；

图3为本发明的激光三角位移传感器安装示意图；

图4为本发明的螺旋伞齿轮关键参数检测方法的示意图；以及

图5为本发明的检测系统控制框图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

如图1所示，本发明的螺旋伞齿轮关键参数检测系统，要由箱体1、工作台2、旋转机构、回转平台3、定心装置4、第一激光三角位移传感器5(1)、第二激光三角位移传感器5(2)和第三激光三角位移传感器5(3)、横梁6、数据采集及通信系统7、伺服电机8、立柱9、Z轴导轨10、X轴导轨11、数据处理及显示系统12等组成。所述工作台固定安装在所述箱体上，在所述工作台上设有所述回转平台和所述立柱；所述立柱与回转平台垂直，所述伺服电机安装在所述立柱上，所述回转平台通过转轴与旋转机构连接，在所述旋转机构的驱动下进行旋转；在所述回转平台上设有所述定心装置；所述回转平台为一个电磁性机构，通电后可以产生电磁力，待测齿轮经过定心处理后在电磁力的作用下吸合固定在所述回转平台上，测量过程中所述待测齿轮随着所述回转平台同步转动；横梁垂直安装在立柱上；立柱上设有与立柱平行的Z轴导轨，所述横梁在所述伺服电机的驱动作用下沿着Z轴导轨滑动；所述横梁上设有与横梁平行的X轴导轨，横梁上安装了第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器和第三激光三角位移传感器，三个激光三角位移传感器在所述伺服电机的驱动下分别沿X轴导轨移动，并且第三激光位移传感器的角度可根据被测齿轮的节锥角进行调节；三个所述激光三角位移传感器同时对待测齿轮的三个不同参数进行测量；所述激光三角位移传感器与所述数据采集及所述通信系统相连接；所述数据采集及所述通信系统获取的数据经过处理后由所述显示系统显示最终检测结果。

在箱体1中装有旋转机构，如图2所示的旋转机构的结构示意图，旋转机构由转轴13、角位移传感器14、伺服驱动系统15组成。旋转机构通过转轴13与回转平台3连接，其中转轴13的上端与回转平台3连接，下端与角位移传感器14连接；角位传感器14的右端与伺服驱动系统15连接。在测量过程中旋转机构中的伺服驱动系统15驱动着转轴13旋转，然后由转轴13带动着回转平台3和待测齿轮同步旋转。

如图3所示的激光三角位移传感器的结构示意图，本发明设置了三个激光三角位移传感器，第一激光三角位移传感器用来检测齿顶圆半径，第二激光三角位移传感器用来检测齿根圆半径，第三激光三角位移传感器用来检测齿距误差。三个激光三角位移传感器安装角度需保证传感器发射的激光可以分别直射到待测齿轮的齿顶部、齿根部和分度圆上；另外激光三角位移传感器可在伺服电机的驱动作用下沿着垂直和水平方向移动，保证在测量过程中待测齿轮在激光三角位移传感器的量程范围内。

根据如图4所示的螺旋伞齿轮关键参数的检测流程图，螺旋伞齿轮关键参数的检测步骤如下：

1)首先机械手装置将待测齿轮平放到回转平台上，经定心装置的定心处理后待测齿轮的中心与回转平台的中心重合，然后电磁机构通电后产生电磁力，在电磁力的作用下待测齿轮被吸合固定在回转平台上，以回转平台与待测齿轮的接触面中心为极心建立极坐标系；

2)在伺服电机的驱动作用下，横梁沿Z轴导轨向下滑动，使得三个激光三角位移传感器逐渐靠近待测齿轮，然后分别调节三个激光三角位移传感器在X轴导轨上的位置，使待测齿轮处于激光三角位移传感器的标准量程范围内；激光三角位移传感器的位置确定后，记录此时激光三角位移传感器的位置，第一激光三角位移传感器的坐标为(X1,Y,Z)，第二激光三角位移传感器的坐标为(X2,Y,Z)，第三激光三角位移传感器的坐标为(X3,Y,Z)；

3)回转平台在旋转机构驱动下进行旋转，待测齿轮随着回转平台同步转动，三个激光三角位移传感器发射的激光分别直射到待测齿轮的齿顶部、齿根部和分度圆上；待测齿轮每随着回转平台同步旋转1°，数据采集系统采集一次每个激光三角位移传感器的激光位移信号，分别记作d1(t)，d2(t)，d3(t)，t＝1,2,3,…50；数据采集系统连续采集50组数据，然后将采集到的50组激光位移信号传送到数据处理系统；

4)数据处理系统对采集得到的50组数据首先转换成极坐标的形式，第一激光三角位移传感器采集得到的50组数据在极坐标系中坐标可以表示为(tq，X1-d1(t))，第二激光三角位移传感器采集得到的50组数据在极坐标系中坐标可以表示为(tq，X2+d2(t))，第三激光三角位移传感器采集得到的50组数据在极坐标系中坐标可以表示为(tq，X3-d3(t)·cosα)，其中α为第三激光三角位移传感器倾斜的角度；tq为极坐标中的极角。

5)对得到的数据去除其中的粗大误差，最后通过计算机程序对误差分离后的数据进行拟合与计算；第一激光三角位移传感器和第二激光三角位移传感器获得的数据可以拟合为两个圆弧，两个圆弧的半径即为齿顶圆半径和齿根圆半径，第三激光三角位移传感器获得的数据可以拟合出对应的齿廓形状，可进一步算出待测齿轮的齿距，将测得的齿距与标准齿距比较即可获得齿距误差；显示系统显示最终检测结果：齿顶圆半径、齿根圆半径和齿距误差。

如图5所示的测量过程中伺服系统驱动图，测量过程中待测齿轮与回转平台每旋转1°，数据采集系统对三个激光三角位移传感器的激光位移信号进行一次采集，将采集到的数据传送到数据处理系统，然后数据处理系统发送一条指令控制旋转机构带动着回转平台与待测齿轮继续旋转，重复以上的步骤，直至数据采集系统连续采集50组数据后控制器使旋转机构停止旋转。

当然，本领域技术人员也可根据实际情况对回转平台同步旋转角度进行不同设定，并根据旋转角度和需求来设置不同的数据采集次数。比如，测量过程中待测齿轮与回转平台每旋转0.5°，数据采集系统对三个激光三角位移传感器的激光位移信号进行一次采集，将采集到的数据传送到数据处理系统，然后数据处理系统发送一条指令控制旋转机构带动着回转平台与待测齿轮继续旋转，重复以上的步骤，直至数据采集系统连续采集100组数据后控制器使旋转机构停止旋转。又或者，测量过程中待测齿轮与回转平台每旋转2°，数据采集系统对三个激光三角位移传感器的激光位移信号进行一次采集，将采集到的数据传送到数据处理系统，然后数据处理系统发送一条指令控制旋转机构带动着回转平台与待测齿轮继续旋转，重复以上的步骤，直至数据采集系统连续采集30组数据后控制器使旋转机构停止旋转。因此本发明实施例中对回转平台同步旋转角度和数据采集次数的设定，只是示例性的说明。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。