轮齿接触班迹的数字成像的制作方法

专利名称：轮齿接触班迹的数字成像的制作方法
背景技术：
本发明涉及齿轮测试以测出接触班迹，具体地涉及一种通过数字成象显示轮齿接触班迹的方法。
背景技术：
在齿轮技术领域中，将一对锥齿轮或准双曲面齿轮啮合在一起运行以测试其运行质量和/或轮齿支承接触是众所周知的。用于执行这种测试的机器也是周知的，一般可参考授予Deprez等人的美国专利No.3,795,143。
在测试锥齿轮或准双曲面齿轮以测出齿轮对的轮齿之间的接触班迹时，一般习惯于用标记复合剂涂在该对齿轮中的一件齿轮、通常是大齿轮的轮齿表面，然后在一轻负载下一起运行该对齿轮。当大齿轮轮齿表面开始与配合的小齿轮件的轮齿表面接触时，标记复合剂将从大齿轮轮齿表面部分除去，结果在大齿轮的轮齿表面显现一接触班迹或“足印”。
在评价轮齿表面的接触班迹时，习惯方法是用肉眼检查看看各个轮齿有没有班迹，以测出某一部分是合格的或不合格。如果认为接触班迹不在所需位置，就要对齿轮对的相对位置进行调节，这样就可得到所需的接触班迹。
且不论肉眼察看的手段耗费时间，仅就程序而言也不总是精确的，观察者眼睛的相对位置可能对各个齿轮都是变化的。因而轮齿的接触班迹是从略微不同的出发点评价的。同样，由于其它对所观察接触班迹的视觉变形，人眼的特点是当评价接触班迹时把轮齿表面当作平的，而实际上锥齿轮和准双曲面齿轮的轮齿表面在轮廓和长度方向通常都是曲面的。
已经采用电子拍摄轮齿接触班迹来代替肉眼检查接触班迹。一种这样的方式揭示在授予Gutman的美国专利No.5,373,735中，频闪灯光和附有充电装置(CCD)的照相机根据大齿轮的转动定时以摄录连续轮齿的各个接触班迹。对成象作数字化处理并存储在计算机中以备分析，并且可单独显示或者若干个互相重合以显示接触班迹中轮齿至轮齿的变化。
在授予Mazda汽车公司(Mazda Motor Corporation)的日本公开专利申请No.04-36632中揭示了另一种评价齿轮轮齿接触班迹的方法。这一发明示教了用一种涂料涂轮齿表面并且用CCD照相机查看所涂画的轮齿表面并将成象存储在计算机中。齿轮对是一起运行并且再用照相机看轮齿表面以获得另一组成象。然后将在一起运行之后的各轮齿涂画成象减去运作之前所获得的相应涂画成象。剩下的那部分成象就是接触班迹。
在上述两种方法中所存在的一个显著问题是虽然各轮齿表面都产生一接触迹线，但当观察成象时没有可参考点。换句话说，接触成象并不能分配到任一个具体的坐标系中(二维的或三维的)，这样就不可能知道接触班迹在轮齿表面上的确切位置。如果没有其位置与轮齿表面的参考系，观察接触班迹就是不充分的，即虽然可以确定接触形状，但其相对轮齿表面边界的位置是未知的，所以不能够形成对轮齿接触班迹的完整和透彻的评价。
上述采用人眼观察班迹的方法的另一个缺点是所获得的班迹形式不能使其直接与轮齿接触分析(TCA)方法所获得的理想接触班迹进行比较。TCA班迹表现为在一个适当轮齿表面上接触班迹的轴向平面投影。在上述的已有技术中没有发现接触班迹在代表适当轮齿的一个表面上的定位。
本发明的一个目的在于提供一种通过视频数字成象测出齿轮轮齿表面的接触班迹的方法，以及提供一在其中可研究所获得的结果的精确的参考系统的方法。
本发明的另一个目的是为了获得代表多个连续的轮齿表面接触班迹的合并接触班迹，与现有的单轮齿观察法相反，采用同时观察多个轮齿表面并且研究成象数据。
发明概述本发明涉及一种测定代表连续齿轮轮齿接触班迹的一种接触图案的方法。所述方法包括提供第一个数字化图象，该图象包括下述两项中的一顶(1)多个连续齿轮轮齿的接触班迹的驱动轮齿侧面、(2)包括多个连续齿轮轮齿接触班迹的惯性轮齿侧面，以及提供第二个数字化图象，该图象包括下述两项中的一顶(1)所述多个连续齿轮轮齿的各自的驱动侧理论修整轮齿表面；(2)所述多个连续齿轮轮齿的各自的惯性侧理论修整轮齿表面。
各个理论修整轮齿表面由包括多个网格单元的矩阵网格表示。理论轮齿表面叠加在包括接触班迹图象的各自轮齿侧面上以使轮齿侧面(以及因此所产生的接触班迹图象)与各自的理论修整轮齿表面相配。然后识别含有所述接触班迹图象的至少一部分的各个理论修整轮齿表面的网格单元。
提供包括与理论修整轮齿表面网格矩阵中的网格数量相等的多个网格单元的合并矩阵网格，并且识别与所述理论修整矩阵网格中的各自已识别网格单元对应的所述合并矩阵中的网格单元。在合并矩阵中的已识别网格单元代表所述多个连续齿轮轮齿的合并接触图象。
然后合并矩阵中的合并接触图象可变换到一轴平面投影以图示出合并接触图象，或可以三维透视形式示出合并接触图象。
附图的简述

图1示出了一对准双曲面齿轮的大齿轮中驱动侧和惯性侧轮齿表面接触班迹的图象数据化流程。
图2示出了由图1中的内齿圈的惯性侧所获得的带接触班迹的多个连续轮齿表面的视频成象。
图3是图2所示的多个轮齿表面的理论修正图象，各轮齿表面以网格图表示。
图4是靠近相应的图3所示理论修正轮齿表面的图2所示视频成象接触班迹的定位。
图5示出了图3所示理论修正轮齿表面与图2所示视频成象轮齿表面的等同对照。
图6示出了图5的数字化表示方法，表示图2的接触班迹在图3上的轮齿表面网格上。
图7a、7b、7c和7d描述了图6的各轮齿表面的轮齿接触二进位表示法。
图8是图7(a)-7(d)所示接触班迹的数字合成。
图9是图8的数字化成象。
图10表示图9中所示接触班迹的轴向平面投影。
图11表示图10中的接触班迹，已修正除去尖角。
图12是通过对图1的大齿轮轮齿表面的轮齿接触分析方法所获得的理想惯性侧轮齿接触班迹。
较佳实施例的描述以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行讨论，其中类似的特征采用相同的标号指出。
图1示出了本发明的成象数据流程，其中由一大齿轮2和小齿轮4组成的准双曲面齿轮对布置成相对啮合的位置，就象在测试机器上可见到的那样。为实现本发明的目的，测试机器可以是任何一种能使该齿轮对以啮合关系运行的机器并且可以在齿轮对的至少一个齿轮的齿面上产生肉眼可见的接触班迹。这种类型的机器是众所周知的并易于购得的。至于具体的测试机器或其部件的其它描述对于充分理解本发明是不必要的。
应当注意到本发明将参照惯性侧的轮齿表面和接触班迹讨论，以下的讨论同样适合于驱动侧轮齿表面和接触班迹。
较佳地，包括来自内齿圈2的驱动侧和惯性侧的接触班迹的轮齿表面由相应的带充电装置(CCD)的照相机的各个视频照相机6，8摄录下来。一般地，各照机的图象由320×240像素组成。由照相机所获得的图象送到一计算机中，如本技术领域中众所周知的包括一用于使图象数字化的图象处理器10的个人计算机(PC)中，然后图象数据计算装置12确定接触位置和形状并且在监视器上显示出实际的接触班迹。
图2示出了内齿圈2的惯性侧的多个连续轮齿面接触班迹14的数字化视频图象。与已有技术的方式不同，本发明同时研究一个以上的轮齿表面接触班迹，最好是三个或四个连续的轮齿表面接触班迹。图2示出了四个连续轮齿表面接触班迹16、18、20和22。通过这一手段，本发明的方法表现为从单个、固定的参照点同时观察连续的接触班迹，这比已有技术单个地观察轮齿表面所获得的信息要多得多。而且，由单个位置点对连续轮齿接触面的观察超出了人肉眼观察的能力，即如果头或眼睛不动是不容易同时观察到多个轮齿表面的，而移动头或眼睛会产生不同的参照点。
已有的测试技术的缺陷之一已无法在所确定的和修正地定尺寸的轮齿表面边界框架中表示和分析接触图象数据。通过提供一参照系统、其中实际的轮齿接触可精确地表示出来而克服这一缺陷。图3示出了位于坐标系26中的齿轮段24的理论修正图，并且齿轮段具有多个连续轮齿表面28、30、32和34。各个轮齿表面被分成网格图案，这一点将在下文中作详细的介绍。齿轮段24的理论修正轮齿表面的数量对应于由照相机8所观察并示出在图2中的轮齿数量。齿轮段24的轮齿表面代表由照相机6或8所观察的大齿轮的轮齿表面的理论修正形式。
齿轮段24从以已知方式利用的齿轮设计基本信息中获得以确定齿轮加工工艺的基本机器设定。以下是设计基本信息的一个例子。
大齿轮轮齿数量 35小齿轮轮齿数量 13螺旋角 30度压力角 20度小齿轮的螺旋方向(左或右)左旋(LH)齿宽32.0毫米中间内齿圈直径 138.6毫米到齿侧面中心的半径 95.34毫米齿根参数0.150齿轮组的轴间角度90度准双曲面齿轮轴偏置 0.0毫米切削半径 75.0毫米切削方法 滚齿切削根据此设计基本信息，采用由格里生工厂所购得的T2000或CAGE软件可获得以下数据大致毛坯数据齿轮数据小齿轮齿数 13 齿顶高 0.184495大齿轮齿数 35 齿根高 0.155270径节4.258766间隙0.02025 1轴角度 1.570796总高0.339764大齿面 1.259843节角1.215161小齿面 1.258943顶锥角 1.293544偏置量 0.00根锥角 1.215161Phi10.349066外径8.346820Phi2-0.349066 背锥角 0.00螺旋角 0.523599前锥角 0.00AO 0.00ΔR 0.00YM-OB 0.00传动比 -0.165634YM-IB 0.00BO 1.353311切削半径0.00BI 1.007412Orig.Prog PABCP 0.00齿轮IB光洁度数据 齿轮IB光洁度数据S 3.424114 顶刀齿齿廓角 0.3490661 0.00 ΔXS 900.00J 0.00 Y 0.00EM 0.00 Calc RHO 393.7007根锥角 1.215161 基本洛氏硬度 1.066752ΔXP 0.00 2C0.00ΔXB 0.00 6D0.00CalcRCP2.994528基本机器设定描述了一工具和工件之间为形成所希望的轮齿表面所作的相对运动。因此所确定的工具与工件之间的相对路径描述了一理论轮齿表面，并且图3中所示出的正是这一可由上述的软件输出的轮齿表面。
位于坐标系26中的确度点上的图3的理论修正轮齿表面具有的好处是可预先知道成象对象看上去必须是何种轮齿形式(例如图2中所示的)，这种轮齿形式可给轮齿接触测定带来新的投影。
在测试机器的准备过程中，在监视器上显示一适当产生的齿轮段24。照相机(6或8)打开并且调整到显示诸如内齿圈2的齿轮对中一个部件的多个(例如四个)惯性侧或驱动侧齿面14。机器操作人员操作照相机使数字化的视频图象14与图4中所示的理论齿段图象24近似地相配。如果理论齿段24与视频图案14之间存在显著的差别，这一步骤可使操作者一开始就将视频图象定位以及调节照相机的放大率。
本发明方法的下一步骤是使理论齿段24与视频图象14等同地相配。这一操作是通过使理论齿段相对视频图象绕和/或沿轴X、Y和Z转动(箭头36)并且调节视频图象的放大率以将理论齿面放在接触图象上而获得图5所示的等同相配位置而实现的。迭代的相配过程是由计算机按照下列程序执行的1.沿X、Y和Z轴直线运动以在真实(视频)和理论齿段之间获得一对称的重叠轮廓；2.绕X和Y轴转动以发现真实和理论齿段之间对称的齿根尖关系；3.接着绕Z轴作一次转动以配合真实与理论齿段之间的槽和轮齿；4.真实图象的放大率变化以接受真实和理论齿段间的更佳调节；以及5.如果真实和理论齿段间仍存在不对齐则重复步骤1-4。
通过使理论齿段与真实视频成象齿段相配，可建立起真实齿段的坐标系，因为现在假定视频图象与理论齿段具有相同的坐标系。由于理论齿段轮齿表面是精确知道的，所以各个轮齿表面接触班迹的位置和尺寸现在同样也是精确知道的。与已有技术相比，视频地显示出的接触班迹的坐标系是由人工设置的照相机位置而决定的。
轮齿接触班迹中的图案像素分配到有关的理论轮齿上的由10×24单元构成的表面网格中。图3所示为理论轮齿表面上的这样一个网格。重叠一个或多个接触像素的各个网格单元被识别和标黑。因此，图5的重叠轮廓可由图6的网格显示来表示，其中各个标黑的网格单元与图5中的至少一个接触像素的位置对应。虽然最好是至少用一个像素来显示所有接触而不论其多么模糊，可采用一种算法，它可在任一所需层中任一网格单元中设置所需的最小像素以标记已接触的网格。同样，像素的范围可根据由不同灰度(或不同色彩)所示的各自范围给出以指出接触程度，例如硬支承、正常支承、轻微支承。
在图6中的轮齿表面网格图案中所发现的接触还可由图7(a)-7(d)中所示的阵列或矩阵表示。这些图中的矩阵包含一阵列单元与图3-6(例如10×24)的理论轮齿表面上的那些相等，并且事实上，这些矩阵C28、C30、C32和C34代表与图6所示的各个轮齿表面28、30、32和34相同的信息，只是变黑的网格单元已经标上了一个(1)值，所有空白网格单元已经标上了一个(0)，在图7(a)-7(d)中显示为空白。因此，图7(a)-7(d)是图2所示接触的二进制表示。可以看到，如果需要的话，图5的重叠可容易地通过代表包含至少一个接触像素、具有一个(1)值的每个网格单元而直接变化为图7(a)-7(d)的矩阵。
图8示出了等于图7(a)、7(b)、7(c)和7(d)中的各个相应网格单元总和并且代表所调查的所有轮齿表面接触信息叠加在一个轮齿上的合成矩阵CTotal。这一信息然后被用来形成图9的合成矩阵，其中图9中的矩阵单元是变黑的，如果图8中相应的矩阵单元具有比一个(1)大或相等的值。当然，可以设定的不同的最小值或者具有不同总值的矩阵单元可用不同灰度或不同颜色表示。尽管如此，应当注意到，任一矩阵网格单元中的较高数字并不一定意味着更敏感的接触，因为不同的轮齿侧面都与照相机相对不同角度并因此具有不同的光角。
图9所表示的合成接触班迹现在转换形为处于轮齿投影42(图10)中的接触班迹40，它表示图3所示轴平面44中的合成轮齿接触班迹。图9的各矩阵单元根据以下关系转换R＝(X2+Y2)1/2和L＝Z其中R＝轴平面中的网格单元的径向位置；X＝轮齿表面网格单元的X轴坐标；Y＝轮齿表面网格单元的Y轴坐标；L＝轴平面的网格单元的轴向位置；Z＝轮齿表面网格单元的Z轴坐标。
可修整成图11中所示圆形的图10的接触班迹形式与通过众所周知的轮齿接触分析(TCA)方法(图12)所获得的形式相配，并且提供实际接触(图2)与由TCA方法所获得的理论接触的直接比较。
同样，取代将本发明所获得的实际接触班迹与理论TCA接触班迹比较，本发明的方法可用来准备来自主齿轮组的主接触班迹，然后这可为其它齿轮组形成比较数据。
虽然已经结合较佳实施例对本发明作了描述，但应当理解，本发明并不仅限于这些具体形式。对于本技术领域的熟练人员而言，本发明还包括许多其主题并不偏离所附权利要求书的精神和范围的变形。
权利要求
1.一种测定代表连续齿轮轮齿接触班迹的一种接触图案的方法，所述方法包括提供一第一数字化图象包括下述两项中的一项(1)多个连续齿轮轮齿的接触班迹的驱动轮齿侧面；(2)多个连续齿轮轮齿接触班迹的惯性轮齿侧面，提供一第二数字化图象，包括下述两项中的一项(1)所述多个连续齿轮轮齿的各自的驱动侧理论修整轮齿表面；(2)所述多个连续齿轮轮齿的各自的惯性侧理论修整轮齿表面，由包括多个网格单元的矩阵网格表示各个理论修整轮齿表面，将所述驱动侧或惯性侧理论修整轮齿表面叠加在各自的所述第一数字化图象表面以使所述第一图象轮齿表面与各自的理论修整轮齿表面相比，识别各个理论修整轮齿表面的网格单元，它含有所述接触班迹图象的至少一部分，提供包括所述多个网格单元的合成矩阵网格，识别与所述理论修整矩阵网格中的各自已识别网格单元对应的所述合成矩阵中的网格单元，在成并矩阵中的已识别网格单元代表所述多个连续齿轮轮齿的合成接触图象。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数字化图象是由视频图象转换来的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，各个理论修整轮齿表面的所述识别网格单元包括将一个值赋予所述各个已识别网格。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，就所述合成矩阵中的各个网格单元而言，所述合并矩阵中的所述识别网格单元包括加上来自各个所述理论修整轮齿表面的相应网格单元的值以产生一个总网格单元值，所述总网格单元值赋予各自的合成矩阵网格单元。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述值是1。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述具有大于或等1的总网格值的合成矩阵各网格单元是以相同方式表示的，并且所述具有小于1的总网格值的合并矩阵各网格单元是以另一种方式表示的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述合成矩阵中的合成接触图象变形为一轴向平面投影以表示所述合成接触图象。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个理论修整轮齿表面包括一齿轮段，它可在一限定的坐标系中定向。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数字化图象包括主齿轮组部件的图象。
全文摘要
一种测定代表连续齿轮轮齿上的接触班迹的接触图案的方法。包括提供一第一数字化图象(14),该图象包括具有多个连续齿轮轮齿的接触班迹(16、18、20、22)的实际驱动侧或惯性侧齿面,以及提供一第二数字化图象(24),包括相同的连续齿轮轮齿的各个驱动侧或惯性侧中的一个的理论修整轮齿表面(28、30、32、34)。各个理论修整轮齿表面由具有多个网格单元的矩阵网格表示。理论修整轮齿表面叠加在各个实际轮齿表面图象上以使实际轮齿表面图象与各自的理论修整轮齿表面等同地相配。然后识别含有至少一接触班迹图象的一部分的各个理论修整轮齿表面的网格单元(C
文档编号G01M13/02GK1179210SQ96192765
公开日1998年4月15日 申请日期1996年4月24日 优先权日1995年5月3日
发明者赫尔曼·J·斯塔特弗尔德, 约翰·W·斯旺戈尔 申请人:格里森工场