专利名称：基于激光跟踪技术的大型齿轮测量方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光跟踪仪的大型齿轮测量方法，可实现对直径大
于500mm的齿轮进行测量，特别适合3000mm的特大型齿轮测量，属于精密测
试技术与仪器、机械传动技术领域。
背景技术：
约定俗成，把直径大于500mm的齿轮称为大齿轮。特大型齿轮通常是指 直径大于3000mm的齿轮。
齿轮测量一般分为以齿廓、螺旋线和齿距测量为基础的分析式测量； 以综合测量(双面啮合、单面啮合测量)为基础的功能式测量。对中小规格 齿轮而言，分析式测量和功能式都得到了广泛应用。但对大齿轮而言，受尺 寸和重量的限制，其主要测量方式是分析式测量。典型的分析式测量仪器是 齿轮测量中心，此外，通用的坐标测量机也被用于大齿轮测量。这类台式仪 器的特点是将被测齿轮放在仪器上进行检测，由于量仪精度高、测量条件好， 可实现高精度测量且可测量齿轮的多个误差项目。目前，世界上最大的齿轮 测量中心是德国Klingelnberg公司生产的P300,可测齿轮最大直径为 3000mm。大型台式量仪基本上沿用了中、小模数台式量仪的展成测量原理和 坐标测量技术，只是尺寸的放大，属于"以大测大"。受机械结构和制造技术 的限制，3000mm几乎是这类仪器的测量极限。因此，没有测量特大型齿轮的 台式仪器。
理论上讲，直径3000nmi以下的中大模数齿轮的测量问题是得到解决了的。 但实际中，这些量仪不适合安放在生产现场而一般安装在计量室内，由于大 型齿轮搬运麻烦、在仪器上的安装调试齿轮也不方便，加之仪器价格昂贵， 影响了这类仪器的应用。针对台式量仪的这些局限性，将仪器置于齿轮上或 在机床上对齿轮进行就地测量或在线测量，就成了大齿轮测量的顺理选择。
但对大型齿轮而言，无论上置式测量还是在机测量，其共同问题是测量 仪器与被测齿轮的位置如何精确确定，也即测量基准难以确定；而在机测量，测量精度又严重依赖机床的原始精度。因此，如何提高测量精度一直是困扰 特大型齿轮上置式测量和在机测量的难题。
特大型齿轮参数、尺寸和重量大到了超常规的程度，使其精度测量方法
发生了从量到质的突变!用常规的精度测量方法己很难实现其测量，这正严重
影响了特大型齿轮的制造精度、性能和质量！
发明内容
为了实现大齿轮的高效高精度测量，本发明提供一种基于激光跟踪技术 的坐标式大齿轮测量仪，可对直径大于500imn的大齿轮的齿形、齿向、接触 线、齿厚、齿面三维拓扑误差进行高精度测量。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是根据国家标准(GB/T 10095.1)，齿轮的齿廓偏差是指实际齿廓偏离设计齿廓的量，该量在端平面内 垂直于渐开线齿廓的方向计值；螺旋线偏差是指在端平面基圆切线方向上测 得的实际螺旋线偏离设计螺旋线的量。因而要测量齿轮的齿廓偏差和螺旋线 偏差，必须确定齿轮的端平面。本发明所采用的方法包括如下步骤
1)利用激光跟踪仪建立被测齿轮的端平面和基准轴线
1) 首先将被测齿轮放置在地基上，然后利用激光跟踪仪在被测齿轮端 平面上采样3个以上的点，通过切比雪夫准则拟合确定一平面作为被测齿轮 的实际端平面；
ii) 如果齿轮有中心孔，则在孔内沿圆周方向采样3个以上的点；如果 齿轮有旋转轴，则在轴上沿圆周方向采样3个以上的点，采样的数据点按最 小二乘法拟合一个圆，过拟合的圆的圆心向实际端平面作垂线，该垂线即为 齿轮的旋转轴线；
iii) 以齿轮的旋转轴线与实际端平面的交点为坐标原点，齿轮的旋转轴 线为《轴，在步骤i)中所确定的被测齿轮的实际端平面上任选两个互相垂 直的方向A、 i;, x,、 i;与z,构成被测齿轮坐标系cT,(o,;z,，i;,z，)；
2) 确定被测齿轮和三坐标测量单元的位置
利用激光跟踪仪建立三坐标测量单元沿三个运动轴的坐标系统
cr2(02;%2,y2,Z2)，然后通过坐标变换建立被测齿轮坐标系cx,和^的关系；3)调整三坐标测量单元相对于被测齿轮的位置并对参数进行测量
① 测量齿廓偏差、齿厚测量的方法如下
i) 标定三坐标测量单元根据步骤2)中的坐标变换结果，调整三坐标 测量单元的位置，使坐标系^的Z^平面与被测齿轮坐标系^的Z^平面
平行，调整后三坐标测量单元新的坐标系《与cr,的位置关系按照步骤2)进行 重新标定，标定的结果用于误差补偿；
ii) 然后应用标定后的三坐标测量单元对被测齿轮的齿廓偏差、齿厚测量 进行测量；
iii) 按照步骤i)中坐标的标定结果对步骤ii)中的测量结果进行误差补偿。
② 测量螺旋线偏差、齿轮接触线、齿面三维拓扑误差方法如下
i )标定三坐标测量单元根据步骤2)中坐标变换的结果，调整三坐标 测量单元的位置，使坐标系cr,的Z,轴与被测齿轮坐标系q的Z,轴平行；调整后 三坐标测量单元新的坐标系《与^的位置关系按照步骤2)进行重新标定，标 定的结果用于误差补偿；
ii) 然后应用标定后的三坐标测量单元对被测齿轮的螺旋线偏差、齿轮 接触线、齿面三维拓扑误差进行测量；
iii) 按照步骤i)中坐标的标定结果对步骤ii)中的测量结果进行误差 补偿。
对上述对测量结果进行误差补偿的方法如下
、,(、r
少=
&32&33—义
上式中Oc;,力《)为被测点在cT;中的坐标，"w)为被测点进行误差补偿
后的坐标，~-e;. =cos(e;,^)， / = 1,2,3; _/ = 1，2,3， cos(e;，e》为坐标系《与坐标系o", 各坐标轴之间夹角的方向余弦。
本发明首次将激光跟踪仪应用到大齿轮测量当中，实现对直径大于500mm 大齿轮的齿形、齿向、接触线、齿厚、齿面三维拓扑误差的测量，为大齿轮 的测量提供了一种新的高精度测量手段。
图1是本发明的测量系统构成图
图2为三坐标测量单元结构图
图3是本发明的齿廓偏差测量原理图
图4是本发明的螺旋线偏差测量原理图
图5为本发明的接触线测量原理图
图6是本发明的齿轮三维拓扑误差测量结果图
图7为本发明的测量流程图
图中l.激光跟踪仪，2.激光跟踪仪发出的激光路径，3.三坐标测量单元，4.三坐标测量单元测头，5.三坐标测量单元调整支撑，6.地基，7.被测齿轮，8.计算机。
具体实施例方式
下面结合附图对本实施例作进一步说明-
1. 利用激光跟踪仪建立被测齿轮的端平面和基准轴线首先将被测齿轮放置在地基上，然后将激光跟踪仪1和三坐标测量单元3
放置在被测齿轮7的旁边，并使三坐标测量单元的测头正对着被测齿轮的轮齿。测量过程中位置固定不动，激光跟踪仪l、三坐标测量单元3和被测齿轮7放置于固定台面5上。首先利用激光跟踪仪在被测齿轮端平面上采样3个以上的点，通过切比雪夫准则拟合确定一平面作为被测齿轮的实际端平面。如果齿轮有中心孔，则在孔内沿圆周方向采样3个以上的点；如果齿轮有旋转轴，则在轴上沿圆周方向采样3个以上的点，采样的数据点按最小二乘法拟合一个圆。根据齿轮的轴线与端平面垂直，过最小二乘圆的圆心向实际端平面作垂线，该垂线即为齿轮的旋转轴线，并以此为基准建立与被测齿轮固连的笛卡尔直角坐标系^，具体为以齿轮旋转轴线与实际端平面的交点为坐标原点，齿轮旋转轴线为4轴，在被测齿轮的实际端平面上任选两个互相垂直的方向《、i;与^构成被测齿轮坐标系q。
2. 确定被测齿轮和三坐标测量单元的位置
根据国家标准的定义，测量齿轮的齿廓偏差时，所获取的齿廓偏差上的点应位于同一个平面上，即齿轮的端平面。因而在进行齿廓偏差测量时必须保证三坐标测量单元的测头在被测齿轮的端平面内运动。本发明首先利用激光跟踪仪建立三坐标测量单元沿三个运动轴的坐标系统 (";A,^Z,;)，然后通过坐标变换建立被测齿轮坐标系q和^的关系，具体为先利用激光跟踪仪l跟踪三坐标测量单元3分别沿三个轴的运动，建立与三坐标测量单元3固连的直角坐标系q，如图2所示。通过坐标变换建立两个坐标系q和 和位置关系，并调整三坐标测量单元3使其与被测齿轮满足发明内容中所陈述的关系。坐标变换公式如下
x2"11"12"13、
q 4 (T2=a22—y0
—Z2 —。31"32"33陽21一v
上式中0C^，Z,)为点在C7,中的坐标，OC2，h,Z2)为点在C72中的坐标，(X。，凡,Z。)
为CT,的坐标原点在q中的坐标，fltf=ere,=c。s(e,.,。)， ("1，2,3; y'-l,2,3)表示坐标系cr,与坐标系q各坐标轴之间的夹角的余弦。
3. 调整三坐标测量单元相对于被测齿轮的位置
进行齿廓偏差测量时，根据上述坐标变换的结果，调整三坐标测量单元的位置，使坐标系^的Z^平面与被测齿轮坐标系C7,的ZA平面平行。调整后三坐标测量单元新的坐标系《与^的位置关系按照步骤2进行重新标定，标定的结果用于误差补偿。
进行螺旋线偏差测量时，根据步骤2)中坐标变换的结果，调整三坐标测量单元的位置，使坐标系A的4轴与被测齿轮坐标系A的Z,轴平行。调整后三坐标测量单元新的坐标系《与^的位置关系按照步骤2进行重新标定，标定的结果用于误差补偿。
4. 齿廓偏差和螺旋线偏差的测量
测量齿廓偏差时，锁定三坐标测量单元的《轴，仅在^T平面内移动测头
进行齿廓数据的获取；测量螺旋线偏差时，三坐标测量单元的x,y,z三个轴联
动获取被测齿面上的一条螺旋线数据。采样获得的数据含有三坐标测量单元
的调整误差，按步骤3)标定的结果进行误差修正。最后按国家标准(GB/T10095.1)中的方法计算被测齿轮的齿廓和螺旋线偏差，同时给出测量结果的不确定度。
5. 齿轮接触线的测量
进行齿轮接触线测量时，按步骤3测量螺旋线偏差的方法调整三坐标测量单元。接触线位于齿轮基圆柱切平面内。首先根据被测齿轮的参数，计算理论接触线轨迹，然后控制三坐标测量单元的测头沿接触线轨迹运动，理论接触线轨迹与实际接触线轨迹的差值即为接触线误差。
6. 齿厚的测量
进行齿厚测量时，按步骤3测量齿廓偏差的方法调整三坐标测量单元。通过测量同一个轮齿的在齿廓中部与分度圆的交点的坐标值，利用软件进行数据处理获得齿厚测量结果。
7. 齿面三维拓扑误差的测量
进行齿面三维拓扑误差测量时，按步骤3测量螺旋线偏差的方法调整三坐标测量单元。根据被测齿轮的参数，规划三坐标测量单元测头的运动轨迹，获取齿轮轮齿的实际测量数据，通过与理论轮齿相比较，获得被测齿轮三维拓扑误差。
8. 测量误差修正
由于三坐标测量单元不可能调整到非常理想的位置，即cr,与《的各个轴不完全平行，所以会产生测量误差。为了提高测量精度，根据坐标系标定的结果和变换矩阵进行坐标测量单元调整误差补偿，同时对温度变化引起的测量误差一并进行补偿。
理想情况下，调整后三坐标测量单元新的坐标系《与。各个轴应完全平行，实际上不可能调整到理想的情况，此时各个轴之间仍存在一定的角度，即《=c。s(e;,。)"。对上述测量后的数据按以下公式进行误差补偿
A2、r
=
*32—《
其中(;c;，j;U;)为点在《中的坐标，(;^，力为点修正后的坐标&=<.~=C。S(e;,。)， (/ = 1,2，3; y、l,2,3)为坐标系《与坐标系cT,各坐标轴夹角的方向余弦。图3为测量齿轮齿廓偏差的示意图，图中三坐标测量单元3的测头4沿w平面运动采集被测齿轮的齿廓形状数据。图4为测量齿轮螺旋形偏差的示意图，图中三坐标测量单元3的测头4沿u,z三个方向运动完成齿面上一条螺旋线形状数据的获取。图5为测量齿轮接触线示意图，图中三坐标测量单元3的测头4沿x,;r,z三个方向运动完成齿面上一条接触线形状数据的获取。图6为三坐标测量单元所获取的齿轮齿面拓扑误差理论值与实际值的比较结果图。详细的测量流程如图7所示。
权利要求
1、基于激光跟踪技术的大型齿轮测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)利用激光跟踪仪建立被测齿轮的端平面和基准轴线i)首先将被测齿轮放置在地基上，然后利用激光跟踪仪在被测齿轮端平面上采样3个以上的点，通过切比雪夫准则拟合确定一平面作为被测齿轮的实际端平面；ii)如果齿轮有中心孔，则在孔内沿圆周方向采样3个以上的点；如果齿轮有旋转轴，则在轴上沿圆周方向采样3个以上的点，采样的数据点按最小二乘法拟合一个圆，过拟合的圆的圆心向实际端平面作垂线，该垂线即为齿轮的旋转轴线；iii)以齿轮的旋转轴线与实际端平面的交点为坐标原点，齿轮的旋转轴线为Z1轴，在步骤i)中所确定的被测齿轮的实际端平面上任选两个互相垂直的方向X1、Y1，X1、Y1与Z1构成被测齿轮坐标系σ1(O1；X1，Y1，Z1)；2)确定被测齿轮和三坐标测量单元的位置利用激光跟踪仪建立三坐标测量单元沿三个运动轴的坐标系统σ2(O2；X2，Y2，Z2)，然后通过坐标变换建立被测齿轮坐标系σ1和σ2的关系；3)调整三坐标测量单元相对于被测齿轮的位置并对参数进行测量①测量齿廓偏差、齿厚测量的方法如下i)标定三坐标测量单元根据步骤2)中的坐标变换结果，调整三坐标测量单元的位置，使坐标系σ2的X2Y2平面与被测齿轮坐标系σ1的X1Y1平面平行，调整后三坐标测量单元新的坐标系σ′2与σ1的位置关系按照步骤2)进行重新标定，标定的结果用于误差补偿；ii)然后应用标定后的三坐标测量单元对被测齿轮的齿廓偏差、齿厚测量进行测量；iii)按照步骤i)中坐标的标定结果对步骤ii)中的测量结果进行误差补偿。②测量螺旋线偏差、齿轮接触线、齿面三维拓扑误差方法如下i)标定三坐标测量单元根据步骤2)中坐标变换的结果，调整三坐标测量单元的位置，使坐标系σ2的Z2轴与被测齿轮坐标系σ1的Z1轴平行；调整后三坐标测量单元新的坐标系σ′2与σ1的位置关系按照步骤2)进行重新标定，标定的结果用于误差补偿；ii)然后应用标定后的三坐标测量单元对被测齿轮的螺旋线偏差、齿轮接触线、齿面三维拓扑误差进行测量；iii)按照步骤i)中坐标的标定结果对步骤ii)中的测量结果进行误差补偿。
2、根据权利要求1中所述的基于激光跟踪技术的大型齿轮测量方法，其特征 在于步骤3)中的步骤①和步骤②所述的对测量结果进行误差补偿的方法如<formula>formula see original document page 3</formula>上式中(《，力《)为被测点在CT;中的坐标，Oc,;^)为被测点进行误差补偿 后的坐标，&=e;'^=c。s(e;,^)， z' = l,2,3; _/ = 1,2,3 ， c。s(e;,^)为坐标系《与坐标系q 各坐标轴之间夹角的方向余弦。
全文摘要
本发明是一种利用激光跟踪仪的大型齿轮测量方法，能够对直径大于500mm的齿轮进行测量，特别适合3000mm的特大型齿轮测量。本发明通过拟合的方法先确定被测齿轮的端平面，然后再确定本测齿轮的轴线，进而建立了被测齿轮坐标系。再利用激光跟踪仪建立三坐标测量单元沿三个运动轴的坐标系统，然后通过坐标变换建立被测齿轮坐标系和三坐标测量单元的坐标变换关系。测量前，根据测量参数的不同，对三坐标测量单元进行标定，标定的结果用于对测量误差的补偿。本发明首次将激光跟踪仪应用到大齿轮测量当中，实现对直径大于500mm大齿轮的齿形、齿向、接触线、齿厚、齿面三维拓扑误差的测量，为大齿轮的测量提供了一种新的高精度测量手段。
文档编号G01B11/06GK101551240SQ20091008427
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者林家春, 石照耀 申请人:北京工业大学