一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的制作方法

本实用新型属于机械制造领域，涉及一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置。

背景技术：

在锻造加工工艺中，精密锻造成形是一种少无切削新工艺。齿轮精锻就是通过精密锻造直接获得完整轮齿，且齿面不需或仅需少许精加工即可使用的齿轮制造技术。精锻齿轮具有机械性能好，材料利用率高，环境污染少等优点，逐渐被广泛采用。

为了保证精锻直齿锥齿轮的质量，需要对其进行在线检测。现有的工艺检测属于人工接触式检测、事后控制的手段，在直齿锥齿轮机加工完成后，在齿轮检测仪上，采用接触式检测的方法检测齿距、齿面偏差、轮廓尺寸等项目。这种检测方式主要存在以下问题：

1）检测结果信息传递速度慢，需等到一批工件加工完，才能在专用设备上进行检测来判断直齿锥齿轮合格与否。

2）废品率高，当出现模具填充不完全或模具产生磨损造成的锻件不合格情况时，不容易被及时察觉，造成接连产生大量不合格工件。且需要进一步去分析该不合格品产生的原因，可能是齿面修形问题、模具磨损问题、工件定位问题或其他问题。判定这些问题费时费力、工作效率低下。

3）只能对常温齿轮零件进行检测，不能检测高温齿轮零件。

综上分析，目前的齿轮精锻行业，还没有一套成熟的方法去实现对精锻直齿锥齿轮的在线检测，进而无法及时发现不合格工件，一旦出现模具磨损或锻造压力设置不当等问题时，会产生大量不合格产品，使生产成本得不到控制。且工件表面温度较高，无法采用传统的接触式检测方法对精锻直齿锥齿轮进行在线检测。因此，实现对精锻直齿锥齿轮的在线检测是个亟待解决的难题。

技术实现要素：

为克服上述不足，本实用新型的目的在于提供一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置，采用非接触式在线检测方法，可及时发现不合格精锻工件。该检测装置结构紧凑，操作方便，检测效率高，可以降低废品率，降低成本，提高生产效率，提高检测精度。

为了实现本实用新型所述的目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置，包括：直齿锥齿轮、齿轮定位夹具、定位夹具支撑装置、底座、测量机器人、非接触式激光测头、测头防护罩、计算机、数据线；底座通过地脚螺栓固定在地面上；定位夹具支撑装置通过内六角螺钉固定连接在底座上；齿轮定位夹具通过内六角螺钉固定连接在定位夹具支撑装置上；测量机器人通过内六角螺钉固定连接在底座上；激光测头防护罩通过内六角螺钉固定连接在测量机器人的第六轴上；非接触式激光测头通过内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩上；计算机通过数据线与非接触式激光测头实现数据通讯。

所述的直齿锥齿轮为普通渐开线齿廓直齿锥齿轮，直齿锥齿轮后端的圆柱部分可被用来夹持。

所述的齿轮定位夹具，包括齿部定位体、齿部支撑体；其中，齿部定位体通过内六角螺钉拧紧在齿部支撑体上，齿部支撑体内加工有螺纹；齿部定位体通过一个内六角螺钉，与齿部支撑体固定连接；齿部支撑体内孔与齿部定位体的外圆采用间隙配合，齿部支撑体通过四个内六角螺钉固定连接在定位夹具支撑装置上。

所述的定位夹具支撑装置上端通过内六角螺钉与齿轮定位夹具固定连接，下端通过内六角螺钉固定连接在底座上；其中，定位夹具支撑装置采用中空设计的形式；所述的底座采用长方形方板结构，通过地脚螺栓固定连接在地面上。

所述的测量机器人采用六轴关节测量机器人，测量机器人通过四个内六角螺钉将测量机器人底座固定连接在底座上；测量机器人第六轴上设置有四个螺纹孔。

所述的非接触式激光测头自身包含有激光信号发射器、激光信号接收器及与计算机实现对接的线路接口；其中，非接触式激光测头上有四个螺纹孔，可用内六角螺钉将非接触式激光测头固定连接在激光测头防护罩壳体上。

所述的激光测头防护罩，包括激光测头防护罩盖板、激光测头防护罩壳体、激光测头防护罩开口、耐热玻璃、玻璃盖板、玻璃垫板、玻璃上侧垫板、玻璃下侧垫板；其中，激光测头防护罩壳体通过四个内六角螺钉与非接触式激光测头固定连接；激光测头防护罩盖板通过四个内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体上；激光测头防护罩壳体下表面有一个凹槽，耐热玻璃放置在凹槽中，在耐热玻璃与激光测头防护罩壳体之间安装有一个玻璃上侧垫板；玻璃盖板通过四个内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体的下表面上，从而将耐热玻璃固定安装在激光测头防护罩壳体的下端凹槽中；在玻璃盖板与激光测头防护罩壳体之间安装有一个玻璃下侧垫板；激光测头防护罩盖板通过内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体上；测头防护罩后端有四个孔，通过四个内六角螺钉固定连接在测量机器人第六轴上。

所述的计算机安装在整个检测装置旁，通过数据线将计算机与非接触式激光测头相连接。

由于采用以上所述的技术方案，本实用新型可达到以下有益效果：

1、本实用新型所述的精锻直齿锥齿轮在线检测装置，由于采用了非接触式的激光测头，使得工件本身的温度几乎对测量结果造不成影响。通过对弦齿厚、锻造闭模高度及齿轮表面缺陷的在线检测，真正做到了在精锻现场实现对直齿锥齿轮精锻效果的实时监控，可通过检测结果及时发现模具缺陷及锻造压力的合适与否，从而迅速停止加工，找出问题所在。可极大地降低废品率，缩短查找问题的时间，降低生产成本。

2、本实用新型所述的精锻直齿锥齿轮在线检测装置，仅包含机器人和定位夹具两个主要装置，结构简单，占地面积小。采用利用六轴关节机器人的运动实现非接触式激光测头所需运动轨迹的方法，在产品品种切换时，可仅通过调整机器人的运动及摆动角度，便可完成对不同品种产品的检测。

3、本实用新型所述的精锻直齿锥齿轮在线检测装置，该检测系统结构新颖，检测方法简单易行，并且可以引入到齿轮类或其他零件的精密锻造行业，易于实施。

附图说明

图1为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的直齿锥齿轮的结构示意图；

图2为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的直齿锥齿轮距小端齿宽1/4处的法截面视图；

图3为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的结构示意图；

图4为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的齿轮定位夹具的装配示意图；

图5为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的齿轮定位夹具的齿部定位体示意图；

图6为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的齿轮定位夹具齿部支撑体示意图；

图7为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的定位夹具支撑装置示意图；

图8为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的底座示意图；

图9为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的测量机器人示意图；

图10为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的测量机器人底座示意图；

图11为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的测量机器人第六轴示意图；

图12为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的非接触式激光测头与测头防护罩装配示意图；

图13为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的非接触式激光测头示意图；

图14为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的激光测头防护罩壳体示意图；

图15为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的激光测头防护罩盖板示意图；

图16为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的玻璃安装板示意图。

图17为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的玻璃上侧垫板示意图。

图18为本实用新型一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的玻璃下侧垫板示意图。

图中：1、直齿锥齿轮；2、齿轮定位夹具；2a、齿部定位体；2b、齿部支撑体；3、定位夹具支撑座； 4、底座；5、测量机器人；5a、测量机器人底座；5b、测量机器人第六轴；6、非接触式激光测头；6a、激光信号发射器；6b、激光信号接收器；6c、线路接口；7、激光测头防护罩；7a、激光测头防护罩盖板；7b、激光测头防护罩壳体；7c、激光测头防护罩开口；7d、耐热玻璃；7e、玻璃盖板；7f、玻璃垫板；7fa、玻璃上侧垫板；7fb、玻璃下侧垫板； 8、计算机；9、数据线。

另图中：C、锻造闭模高度；1a、距小端齿宽1/4处；1b、距小端齿宽2/4处；1c、距小端齿宽3/4处；1e、分度圆锥；1f、分度圆弦齿厚；P：直齿锥齿轮上表面坐标值；Q：直齿锥齿轮下表面坐标值；m：直齿锥齿轮法截面与节锥母线交点右齿面坐标值；n：直齿锥齿轮法截面与节锥母线交点左齿面坐标值。

具体实施方式

通过下面的实施例可更详细的解释本实用新型，本实用新型并不局限于下面的实施例，公开本实用新型的目的旨在保护本实用新型范围内的一切变化和改进。

根据精锻工件特点，本实用新型采用非接触式在线检测方法，检测以下三项：

1）弦齿厚1f：由图1及图2知，本实用新型在齿宽方向距小端的1a处、1b处和1c处的三处法截面上，分别检测直齿锥齿轮的弦齿厚。检测三处弦齿厚，可有效避免由于仅检测中点弦齿厚或大端弦齿厚产生的随机性，也可避免由于倒角等原因造成的大端弦齿厚无法准确测量的情况。

2）锻造闭模高度C：由图1知，仅检测一项对精锻起决定作用的尺寸，锻造闭模高度C。

3）表面缺陷：使测头沿着平行于直齿锥齿轮1节锥的方向对齿面进行扫描，可将扫描到的多个截面的齿面点拟合成为一整个齿面，从而可直接观察出齿轮表面是否存在缺陷。

由图1～2知，所述的直齿锥齿轮1为普通渐开线齿廓直齿锥齿轮，后端的圆柱部分可被用来夹持。分别在距直齿锥齿轮1小端1/4，2/4，3/4处检测弦齿厚1f，可降低测量误差产生的概率。

由图4～6知，所述的齿轮定位夹具2，包括齿部定位体2a、齿部支撑体2b；其中，齿部定位体2a通过一个内六角螺钉，与齿部支撑体2b固定连接，齿部支撑体2b内加工有螺纹；齿部定位体2a采用仅使用六个齿的三点定位方式，且将齿部定位体2a的其它未起到定位作用的区域采用线切割的方法加工掉，从而才能使用非接触式激光测头6在齿部定位体2a切割掉的部分进行测量；齿部支撑体2b内孔与齿部定位体2a的外圆采用间隙配合，齿部支撑体2b通过四个内六角螺钉固定连接在定位夹具支撑装置3上。齿部定位体2a与齿部支撑体2b采用螺纹连接的方式，可在产品品种切换时，仅更换齿部定位体2a，便可实现对其他品种产品的定位。

由图7知，所述的定位夹具支撑装置3，上端通过内六角螺钉与齿轮定位夹具2固定连接，下端通过内六角螺钉固定连接在底座4上；其中，定位夹具支撑装置3采用中空设计的形式，在起到支撑齿轮定位夹具2作用的同时，减轻了整个定位装置的重量。

由图8知，所述的底座4，采用长方形方板结构，通过地脚螺栓固定连接在地面上，用来对测量机器人5和定位夹具支撑装置3起到固定和支撑作用。

由图9～11知，所述的测量机器人5，采用六轴关节测量机器人，测量机器人5通过四个内六角螺钉将测量机器人底座5a固定连接在底座4上；测量机器人第六轴5b上设置有四个螺纹孔，用来固定测头防护罩7。

由图12～13知，所述的非接触式激光测头6，自身包含有激光信号发射器6a、激光信号接收器6b及与计算机实现对接的线路接口6c；其中，非接触式激光测头6上有四个螺纹孔，可用内六角螺钉将非接触式激光测头6固定连接在激光测头防护罩壳体7b上；激光测头6本身发射的是蓝色激光，而直齿锥齿轮1加热时发射的是红外激光，可保证测量结果准确性。

由图12～16知，所述的激光测头防护罩7，包括激光测头防护罩盖板7a、激光测头防护罩壳体7b、激光测头防护罩开口7c、耐热玻璃7d、玻璃盖板7e、玻璃垫板7f、玻璃上侧垫板7fa、玻璃下侧垫板7fb；其中，激光测头防护罩壳体7b通过四个内六角螺钉与非接触式激光测头6固定连接，用来对非接触式激光测头6起到定位和保护作用；激光测头防护罩盖板7a通过四个内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体7b上，用来对非接触式激光测头6起到保护作用；激光测头防护罩壳体7b下表面有一个凹槽，耐热玻璃7d放置在凹槽中，耐热玻璃7d不仅耐高温，且透光性极好，不会对测量结果产生影响；在耐热玻璃7d与激光测头防护罩壳体7b之间安装有一个玻璃上侧垫板7fa；玻璃盖板7e通过四个内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体7b的下表面上，从而将耐热玻璃7d固定安装在激光测头防护罩壳体7b的下端凹槽中；在玻璃盖板7e与激光测头防护罩壳体7b之间安装有一个玻璃下侧垫板7fb；玻璃上侧垫板7fa及玻璃下侧垫板7fb的安装，是为了防止耐热玻璃7d与激光测头防护罩壳体7b及玻璃盖板7e直接接触可能产生的玻璃裂纹；激光测头防护罩盖板7a通过内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体7b上；测头防护罩7后端有四个孔，通过四个内六角螺钉固定连接在测量机器人第六轴5b上。

由图3知，所述的计算机8安装在整个测量装置旁，通过数据线9将计算机8与非接触式激光测头6相连接。

一种精锻直齿锥齿轮在线检测装置的在线检测方法，步骤如下：

【1】安装在线检测装置：将底座4通过地脚螺栓固定连接在电动螺旋压力机旁地面的合适位置；测量机器人5通过四个内六角螺钉将测量机器人底座5a固定连接在底座4上；齿轮定位夹具2中的齿部定位体2a采用六个齿三点定位的方式，通过内六角螺钉，固定连接在齿部支撑体2b上；齿部支撑体2b通过四个内六角螺钉固定连接在底座4上；非接触式激光测头6通过四个内六角螺钉，固定连接在激光测头防护罩壳体7b后端面上；激光测头防护罩7通过四个内六角螺钉将激光测头防护罩壳体7b固定连接在测量机器人第六轴5b上；激光测头防护罩盖板7a通过四个内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体7b上；耐热玻璃7d放置在激光测头防护罩壳体7b下表面凹槽中，在耐热玻璃7d与激光测头防护罩壳体7b的下表面凹槽中垫有一个玻璃上侧垫板7fa；玻璃盖板7e通过四个内六角螺钉固定连接在激光测头防护罩壳体7b的下表面上，在玻璃盖板7e与激光测头防护罩壳体7b下表面之间垫有一个玻璃下侧垫板7fb；激光测头防护罩7对非接触式激光测头8起到保护作用；计算机8通过数据线9与非接触式激光测头6相连接，将非接触式激光测头6的检测结果进行采集、显示及反馈，与整个在线检测系统实现通讯。在检测的过程中，通过激光测头防护罩开口7c向激光测头防护罩7内通入压缩空气，起到对非接触式激光测头6降温的作用，从而避免非接触式激光测头6长期在高温环境工作对非接触式激光测头6寿命的影响。

【2】检测直齿锥齿轮1：锻打成形的高温锻件直齿锥齿轮1被放置在齿轮定位夹具2上；随后，非接触式激光测头6上的激光信号发射器6a向直齿锥齿轮1的齿面发射激光束，激光信号接收器6b用来接收被测信号；非接触式激光测头6内置有数据采集卡，将激光信号接收器6b接收到的检测结果进行收集，以备后续计算使用。

【2-1】直齿锥齿轮1表面缺陷的检测：锻打成形的高温直齿锥齿轮1被放置在齿轮定位夹具2上，非接触式激光测头6与测量机器人第六轴5b固定连接。通过测量机器人5的自身运动实现非接触式激光测头6沿直齿锥齿轮1节锥母线方向的移动，检测出直齿锥齿轮1一个齿中，沿齿长方向上多个法截面的齿面点数据，再将多个法截面的齿面点数据拟合成为一整个齿面，将该实际检测齿面同标准齿面作对比，便可直观的观察出是否存在表面缺陷及表面缺陷的所在位置，若直齿锥齿轮1存在表面缺陷，则需停止生产，判断该缺陷产生的原因。

【2-2】直齿锥齿轮1弦齿厚1f的检测：在这个检测出的齿面上，分别沿直齿锥齿轮1的齿长方向截取距小端1a处、1b处和1c处的三处法截面，得出该三处法截面上的齿面点数据，从而利用直齿锥齿轮1法截面与节锥母线交点的左齿面齿面点坐标n减去直齿锥齿轮法截面与节锥母线交点的右齿面齿面点坐标m便可计算出三处法截面上的弦齿厚1f。

【2-3】直齿锥齿轮1锻造闭模高度C的检测：通过测量机器人5控制非接触式激光测头6，分别使激光束在垂直于直齿锥齿轮1的上表面及下表面上各打一个点，检测出工件上表面坐标值P与工件下表面在同一坐标系中的坐标值Q，便可通过相对坐标差（P-Q）计算出锻造闭模高度C。通过锻造闭模高度C的检测，可将直齿锥齿轮1的高度信息反馈给锻压设备，从而调整设备锻造压力的大小，实现锻造过程的闭环控制。

【3】显示检测结果：齿面检测结果通过非接触式激光测头6的激光信号接收器3b接收被测信号，通过非接触式激光测头6内置的数据采集卡将测得的法截面齿面点数据、拟合出的被检测齿面、检测出的热态弦齿厚1f及锻造闭模高度C通过数据线9传递给计算机8上已安装好的配对软件系统，将测量结果在计算机8上完整显示。

【4】判断检测结果：对于直齿锥齿轮1热态下检测出的弦齿厚1f和锻造闭模高度C，需要与直齿锥齿轮1冷态下计算出的弦齿厚1f和锻造闭模高度C分别乘以相应测量温度时的线膨胀系数所得出的数值进行对比。由于每次测量时，被测量的直齿锥齿轮1可能处在不同的温度之下，也可能由于直齿锥齿轮1往齿轮定位夹具2上放时，不可避免的会产生定位误差，从而会造成测量误差的产生，因此需要给检测出的弦齿厚1f和锻造闭模高度C设定一个公差范围，只要在这个公差范围之内，均判定直齿锥齿轮1合格；若检测值不在这个公差范围之内，则判定直齿锥齿轮1不合格；则需停止生产，查找原因，从而可避免大量不合格直齿锥齿轮1的产生。

本申请所述的精锻直齿锥齿轮在线检测装置，采用非接触式检测的方法，有效解决了高温锻件无法实现即时测量的问题，若存在不合格工件，可立即停止加工设备，找出不合格工件产生的原因，从而避免大量废品的产生，降低了生产成本。

本申请所述的精锻直齿锥齿轮在线检测装置，采用非接触式激光测头对高温锻打工件进行检测，利用计算机语言对非接触式激光测头进行了二次开发，从而实现了对热态直齿锥齿轮表面缺陷、锻造闭模高度及弦齿厚的检测。

本申请的检测结果是在800°C左右的温度下检测出的热态尺寸，该尺寸是在被测直齿锥齿轮冷态尺寸的基础上添加了线膨胀系数得到的。使用本申请所述的检测装置和检测方法在热态下检测出的直齿锥齿轮合格的锻造闭模高度、弦齿厚数据，当直齿锥齿轮冷却后，在齿轮检测仪上或齿厚卡尺检测出这两项检测结果也是合格的，证明了检测结果的准确可靠。

本申请所述的检测装置和检测方法也可以测量冷态下直齿锥齿轮的锻造闭模高度、弦齿厚数据，且在冷态下测量的结果与冷态下在齿轮检测仪上得到的这两项检测结果相一致，证明了检测结果的准确可靠。

本申请所述的检测装置检测出的锻造闭模高度可反馈给锻压设备，调整锻打压力，实现了整个智能精锻线的闭环控制。通过检测出的直齿锥齿轮多个法截面的齿面点数据拟合出的实际齿面可直观显示出齿轮表面缺陷状况及表面缺陷所在位置，对于实际生产具有重要的现实意义，且该检测装置结构紧凑，可引入至齿轮类或其他零部件的精密锻造行业。

本申请所述的齿部定位夹具，采用仅使用六个齿的三点定位方法，有效实现了对直齿锥齿轮整个齿面的检测，可引入至其他齿轮检测方法及齿轮机加工定位夹具的设计中。

进一步说明：为了公开本实用新型的目的而在本文具体实施方式中所选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应说明的是，本实用新型旨在包括一切属于本构思和本实用新型范围内的实施例的所有变化和改进。

本实用新型未详述部分为现有技术。