专利名称：齿轮参数激光检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及齿轮参数激光检测装置及方法，特别是涉及一种对外齿轮、内齿轮、齿轮刀具、蜗轮蜗杆的参数检测方法，属于齿轮精密测量技术领域。
背景技术：
目前的齿轮参数检测方法，基本上可以分为4种，机械几何解析测量法、齿轮啮合滚动式综合测量法、CNC坐标测量法和非接触式齿轮测量法。1、机械几何解析测量法
该法主要以比较测量为主，其实质是相对测量。具体方式有两种一是将被测齿轮与一标准齿轮进行实物比较，从而得到各项误差；二是展成测量法，就是将仪器的运动机构形成的标准特征线与被测齿轮的实际特征线作比较，来确定相应误差；而精确的展成运动是借助一些精密机构来实现的。不同的特征线需要不同的展成机构，同一展成运动可用不同的机械结构来实现。比较测量的主要缺点是测量精度依赖于标准件或展成机构的精度，机械结构复杂，柔性较差，同一个齿轮需要多台仪器测量。对于非渐开线齿轮的端面齿廓测量，采用展成法测量是十分困难的，因为展成机构太复杂并且缺乏通用性。典型产品有Zeiss VG450, Carl Mahr 890 和 891S, MAAG SP60 和 HP100,大阪精机 GC-4H 和 GC-6H以及哈量3201。2、齿轮啮合滚动式综合测量法
其基本思想是，将被测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一标准元件作啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求被测对象的误差。该法可在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息，克服了 “机械几何解析测量法”同一个齿轮需要多台仪器测量的缺点。但该法需要标准元件并且测量精度不仅与测量仪器相关，更取决于标准元件的精度。典型仪器是成都工具研究所生产的CZ450齿轮整体误差测量仪、CSZ500锥齿轮测量机和CQB700摆线齿轮测量仪。3、CNC坐标测量法
该法把早期“比较测量”引伸到“模型化测量”，其实质是将被测零件作为一个纯几何体，通过测量实际零件的坐标值(直角坐标、极坐标、圆柱坐标等)，并与理想要素的数学模型作比较，从而确定相应的误差。理想的数学模型获得有两种方法一种是展成系统形成一条非常标准的理论轨迹，测头感受到的示值可直接作为被测齿轮的误差；另一种是非标准轨迹的电子展成法，由于计算机的计算误差以及驱动装置与传动装置等都存在误差， 开环电子展成系统中测头运动轨迹不能直接作为测量基准，此时，测头示值中既有被测量的成份，也包含展成系统的误差，因此，必须用位移检测元件测出各相关运动的实际位移量，再由计算机将实际位移量和测头的示值进行合成，补偿展成系统的误差，得到被测齿面上对应点的实际坐标；然后，计算机将实际坐标与被测量的理论模型进行比较，才能得到被测量的误差，这就是齿轮误差。国产的典型产品是哈量的3903型齿轮测量中心；国外的典型产品是Klingelnberg的P系列，M&M公司的3000系列。CNC坐标测量法特点是通用性强，主机结构简单，可达到很高的测量精度，它是齿轮测量技术的世界性主要潮流。4、非接触式齿轮测量法
CNC坐标测量法克服了 “齿轮啮合滚动式综合测量法”依赖标准元件的缺点，几乎可以实现任意形状的齿廓测量。CNC坐标测量法存在以下问题
从测头方面来讲CNC坐标测量法通常采用电感式或光栅式接触探针，其主要缺点一、 存在尖角误差，无法实现齿轮齿根等部位的采样，二、数据采样率低，采用接触式测头的齿轮测量机对齿廓截面无法实现全截面采样，只能在特定的角度，例如0°、90°、180°、 270°等角度位置进行离散采样，三、测量效率低，采用接触式测头的齿轮测量机数据处理速度慢，通常为50PointS/S，完成一次测量最快也要8分钟，无法满足在线测量的要求；四、 接触测量会划伤齿面，又会因测力而使齿面产生弯曲变形，影响测量精度。为了克服该问题，出现了非接触式齿轮测量法，主要有图像式、激光全息式和激光三角式三种非接触测量法。图像式非接触测量方法其实质是对工件平面投影的图像进行处理，，因此，无法完成带沟槽和削边齿轮的测量。激光全息式齿轮测量法目前主要有两种一种需要使用相干光源使来自物体的光束和参考光束发生干涉，产生干涉图案。这种情况下，来自物体的光束与参考光束的传播速度相同，但传播的路径不同，用CCD接收路径不同引起的不同干涉图案，从而完成齿轮截面形状的测量。日本大阪精机开发的激光齿轮测量仪采用了该方法。该法能够一次测出全齿面的形状误差，但是全齿面的反射光会受到其它齿的干涉，而感光元件必须要能感受到反射光才行，因而它不能测量大螺角齿轮。另一种基于锥光偏振全息术，是让一光束穿过偏振器和单轴晶体，从而产生寻常光线与非常光线分量，用这两种分量代替上述两种光束， 产生干涉。由于寻常光线与非常光线自身的相干性，因此这种方法在不使用相干光源的情况下也可产生全息图。采用C⑶接收干涉图案从而实现对被测物的精确测量。日本AMTEC 公司的G3齿轮测量系统和以色列的斯科迪光电设备(上海)有限公司开发的齿轮测量机采用了该方法。该法弥补了相干光源激光全息齿轮测量法的不足，在小模数齿轮的检测方面具有优越性能，实现了对齿轮的高速测量。由于其激光光斑最大尺寸为仅6 μ m，解决了接触式测量对微小件、细孔、盲孔、窄缝、复杂曲面的测量难题。其缺点是在保精度为3μπι，其测量景深为1.8mm，当测量范围为IOmm时，其精度为10 μ m，测量景深短，另外对齿轮表面的材料特性敏感。综上，目前齿轮测量方法，可以实现渐开线直、斜齿轮、花键、螺纹、蜗杆、伞齿轮等高精度、高可靠性的测量。存在的主要问题有，一、齿轮应用广范，质量要求越来越高，要实现100%在线测量，目前的方法数据测量速度偏低；二、目前的方法多采用工件旋转、测头通过驱动系统按被测工件的数学模型运动，测量精度不仅依赖于齿轮测量机的精密伺服精度还与工件装夹重复精度有关；三、目前的方法都是相对测量，一般需要事先知道被测齿轮的参数，对任意未知齿形的测量是目前齿轮测量方法的技术难题(由于数据采样率低)；四、不同的齿轮，需要不同的夹具，测量方法的柔性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种齿轮参数激光检测装置及方法，其采用激光位移非接触测量技术实现了齿轮无盲点高速扫描，提高了检测速度和数据米样率；米用被测齿轮静止，仅测头做测量运动的独特工作方式，打破其它方法测头相对齿轮做展成运动的工作模式，测量过程无需夹具，提高了测量系统的柔性和检测精度；采用标定环对齿轮检测系统进行绝对标定，打破了其它方法只能对齿轮实现误差测量的现状，可实现齿轮参数的绝对测量，解决了对未知参数齿轮的测量技术难题；采用齿轮实际测量数据与系统内置数字齿轮相比较，获得齿轮误差，改变了其它方法采用齿轮实际轮廓与展成运动齿轮模型相比较获得齿轮误差的方法，提高了检测精度；解决了上述当前齿轮测量方法存在的4个问题。本发明的技术方案是这样实现的一种齿轮参数激光检测装置及方法，由床身、工作台、转折镜、激光位移传感器、支架、滑台、角位移旋转系统、升降臂8、数据采集及通信系统、伺服系统、数据处理及显示系统、芯轴和定位锥环组成；其特征在于床身与地面间采用隔振地基与地面连接，工作台与床身采用螺栓固定连接，在工作台上设有定心孔；在支架上安装激光位移传感器；支架安装在滑台的直线电机滑块上，在直线电机的驱动下沿水平轴带动激光位移传感器组件移动；滑台安装在角位移旋转系统与旋转轴固定连接在转盘上，角位移旋转系统可沿垂直轴转动；角位移旋转系统的外壳用螺钉安装在升降臂上，升降臂与床身的立面间由高精度的直线导轨及滑块连接，形成升降臂沿垂直轴(Z轴)的移动，升降臂沿Z轴移动的动力来源于伺服电机带动固连在床身立面的滚珠丝杠转动，固联在升降臂上的丝母带动升降臂沿垂直轴移动；数据采集及通信系统安装在角位移旋转系统的转轴上平面上，激光位移传感器、滑台的直线电机的导线穿过角位移旋转系统的转轴中空孔与数据采集及通信系统连接，伺服系统、数据处理及显示系统安装在电控柜内。所述的在支架上安装激光位移传感器和转折镜。所述的在工作台上放置定心装置，被测齿轮初定位时定心装置中的定位芯轴插入工作台的定心孔中，定位锥环的中心孔套在定位芯轴的杆上。所述的定位芯轴与定心孔是滑动配合。所述的齿轮检测方法具体步骤如下
1)先用量具粗略地测出被测齿轮齿顶圆直径和齿轮厚度并输入到数据处理及显示系统中，以供激光位移传感器确定在滑台上的伸缩量和升降臂带动滑台的升降量；
2)根据粗测的齿轮类型安装激光位移传感器或安装激光位移传感器和转折镜，大内齿轮和外齿轮安装激光位移传感器，小内齿轮安装激光位移传感器和转折镜；
3)安装激光位移传感器或安装激光位移传感器和转折镜后，进行齿轮的标定检测，即采用标定环对检测系统参数进行标定；标定时实时采集激光位移d(t)、升降臂线位移z(t)、滑台的线位移数L(t)和角位移旋转系统的角位移 ,构成了圆柱坐标系，标定环表面上任意点的坐标为 '2(f) = z(t)
< T(i) = L(i)+d(t) (1) β(β) = ( )
对标定数据采用最小二乘拟合得到标定环圆心坐标从而得到检测系统标定参数为
L(t) = cosc% cos α'( ) + 辟 sai 0 sm α( ) +
.................................................................:...................................................................................................................................................................................................................................................................................... (3 )
4)根据上述公式(2)和(3)得到检测系统标定参数后，根据被测工件齿轮齿顶直径，调整滑台带动与其配合的激光位移传感器伸缩，使激光位移传感器处于有效测量范围内并进行实际测量；
5)实测时首先根据被测工件高度调整升降臂带动滑台和激光位移传感器升降，使光束投射到被测工件截面位置上；
6)再采用定心装置对被测工件进行找正；工作台上设一个定心孔，该定心孔与角位移旋转系统是同轴(即极坐标中心同轴)，在测量齿轮或工件时，先将工件放在工作台上，然后将定位芯轴穿入工作台上的定心孔，芯轴也就与角位移旋转系统同轴，在工件放在工作台上后，将定位芯轴穿入配合的工作台定心孔中，再将配合的定位锥环套入定位芯轴，定位锥环与角位移旋转系统也同轴，定位锥环的锥面可使齿轮或工件定心；
7)定心调整结束后撤掉定心装置；然后取出定位芯轴和定位锥环，被测齿轮静止不动； 数据处理及显示系统发送指令控制伺服系统驱动角位移旋转系统带动滑台和激光位移传感器转动；
8)在扫描齿轮过程中，数据采集及通信系统实时采集激光位移传感器、滑台和升降臂的位移数据并发送给数据处理及显示系统；其中需采集激光位移d(t)、升降臂线位移 z(t)、滑台的线位移数L(t)和角位移旋转系统的角位移《W,构成了圆柱坐标系，由此获得被测齿轮表面上任意点的坐标；
当升降臂线位移ζ (t) —定时，根据时统关系，可得截面齿形函数为
T = J (a(t), z(t) = Const)(4)
当角位移旋转系统的角位移θ (t) 一定时，根据时统关系，可得齿向函数
T = J (z(i), α( ) = Comi)(5 )
如果扫描齿轮多个截面，在齿向方向按照旋转角度的对应关系，把齿向数据嫁接起来，嫁接的高度由升降臂提供的线位移ζ 决定，可得齿轮重构函数
Γ = /_),_(6)
9)在一个齿轮截面扫描结束，由数据处理及显示系统发送指令控制伺服系统驱动升降臂拖动激光位移传感器升降后，扫描这一截面；同时测量升降臂线位移Z⑴/mm、滑台的线位移数与激光位移的和/mm及角位移旋转系统的角位移/rad的数据；
10)所有截面扫描测量结束，数据处理及显示系统实测数据进行数据重构，获得齿形分度圆、模数、齿数、端跳、直径和周节等参数，并进行齿根圆、齿顶圆和齿形数据的数据分 1 ；
11)数据分离后，把实测的齿形、齿向和周节等齿轮参数与检测标定系统根据工程尺寸生成的数字齿轮相比较获得齿轮单项误差，齿轮误差为
ΔΤ = /(ζ( ), α( ) - g(z(i), a(ij)(7)如齿形误差、齿向误差、周节误差等并及时显示出来。所述的数据分离的具体方法如下第一步由于齿形数据中含有齿轮偏心产生的大周期信号，为无用信号，采用高通滤波器滤除；第二步对滤波后数据进行求差分，一次差分后波谷部分为一次侧齿形，波峰部分为另一次齿形，从波峰部分到相邻波谷部分之间的近零线段为齿顶圆数据段，从波谷部分到相邻波峰部分的近零线段为齿根数据段。所述的齿轮包括大内齿轮、小内齿轮和外齿轮；大内齿轮是指其齿顶圆直径大于 120mm, 120mm是激光位移传感器的尺寸与其作用距离之和；小于120mm为小内齿轮；转折镜的镜片为Φ IOmm-Φ 30mm。所述的小内齿轮安装的激光位移传感器与转折镜为刚性连接，转折镜与激光位移传感器为同步旋转；其转折镜反射面与激光位移传感器出射的光束呈45°，且测量光束构成的测量面为转折镜最大剖面，保证齿轮的激光扫描截面与工作台平行。所述的位移传感器为光强可调式激光位移传感器，速度可达50000p/s。本发明的积极效果是对齿轮实现非接触无盲点测量，提高了检测速度；减小了被测表面性质不同对测量精度的影响；并且采用转折镜对激光位移传感器的光路进行转折， 解决了小内齿轮难以检测的难题；在测量过程中，齿轮静止不动，测头做测量运动，减小了齿轮安装带来的测量误差，同时不需要夹具，测量的柔性高；采用标定环对检测系统进行绝对长度标定，先对齿轮进行绝对测量，重构后直接给出齿轮参数，而是再与数字齿轮比较， 提高了测量精度；不仅可以给出齿轮误差，还能给出其它方法难以实现端跳、圆柱度、齿高等齿轮参数的测量，解决了目前未知齿轮参数测绘的技术难题；应用于渐开线直、斜齿轮、 花键、螺纹、蜗杆、伞齿轮等类齿轮齿向、齿形、分度、周节、齿顶、齿根、齿间距等项目的测量；还可测量插刀、拉刀、滚刀和剃刀等齿轮刀具；还可实现蜗轮等复杂形面体的测量。
图1本发明的结构示意图。
图2为本发明的圆柱坐标系示意图。
图3为本发明的齿形测量步骤流程。
图4为本发明的检测时转折镜使用原理示意图。
图5为本发明的实施例外齿轮标定原理图。
图6为本发明实施例小内齿轮标定原理图。
图7为本发明的实施例大内齿轮标定原理图。
图8为本发明的定心装置结构示意图。
图9为本发明的齿轮截面齿形示意图。
图10为本发明的原始数据图。
图11为本发明的原始数据局部图。
图12为本发明的滤波后的数据图。
图13为本发明的滤波后的局部图。
图14为一次差分结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述 实施例1 大内齿轮参数检测
对于大内齿轮，按图3的步骤测量
1)先用量具粗略地测出被测齿轮14齿顶圆直径和齿轮厚度并输入到数据处理及显示系统11中，以供激光位移传感器4确定在滑台6上的伸缩量和升降臂8带动滑台6的升降量；
2)根据粗测的齿轮类型即是大内齿轮、小内齿轮或是外齿轮，如大于120mm为大内齿轮，只安装与大内齿轮测量配合的日本基恩士公司生产的120mm士 IOmm的激光位移传感器，不需要安装转折镜。3)并按图7所示进行大内齿轮的标定检测，即采用标定环对检测系统参数进行标定；其中采集激光位移d(t)、升降臂线位移ζ (t)、滑台的线位移数L(t)和角位移旋转系统的角位移,构成了圆柱坐标系，标定环表面上任意点的坐标为
权利要求
1.一种齿轮参数激光检测装置及方法，由床身、工作台、转折镜、激光位移传感器、支架、滑台、角位移旋转系统、升降臂、数据采集及通信系统、伺服系统、数据处理及显示系统、 芯轴和定位锥环组成；其特征在于床身与地面间采用隔振地基与地面连接，工作台与床身采用螺栓固定连接，在工作台上设有定心孔；在支架上安装激光位移传感器；支架安装在滑台的直线电机滑块上，在直线电机的驱动下沿水平轴带动激光位移传感器组件移动； 滑台安装在角位移旋转系统与旋转轴固定连接在转盘上，角位移旋转系统可沿垂直轴转动；角位移旋转系统的外壳用螺钉安装在升降臂上，升降臂与床身的立面间由高精度的直线导轨及滑块连接，形成升降臂沿垂直轴(Z轴)的移动，升降臂沿Z轴移动的动力来源于伺服电机带动固连在床身立面的滚珠丝杠转动，固联在升降臂上的丝母带动升降臂沿垂直轴移动；数据采集及通信系统安装在角位移旋转系统的转轴上平面上，激光位移传感器、滑台的直线电机的导线穿过角位移旋转系统的转轴中空孔与数据采集及通信系统连接，伺服系统、数据处理及显示系统安装在电控柜内。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮参数激光检测装置，其特征在于所述的在支架上安装激光位移传感器和转折镜。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮参数激光检测装置，其特征在于所述的在工作台上放置定心装置，被测齿轮初定位时定心装置中的定位芯轴插入工作台的定心孔中，定位锥环的中心孔套在定位芯轴的杆上。
4.根据权利要求1所述的一种齿轮参数激光检测装置，其特征在于所述的定位芯轴与定心孔是滑动配合。
5.一种齿轮参数激光检测方法，其特征在于检测的具体步骤如下1)先用量具粗略地测出被测齿轮齿顶圆直径和齿轮厚度并输入到数据处理及显示系统中，以供激光位移传感器确定在滑台上的伸缩量和升降臂带动滑台的升降量；2)根据粗测的齿轮类型安装激光位移传感器或安装激光位移传感器和转折镜，大内齿轮和外齿轮安装激光位移传感器，小内齿轮安装激光位移传感器和转折镜；3)安装激光位移传感器或安装激光位移传感器和转折镜后，进行齿轮的标定检测，即采用标定环对检测系统参数进行标定；标定时实时采集激光位移d(t)、升降臂线位移z(t)、滑台的线位移数L(t)和角位移旋转系统的角位移 _),构成了圆柱坐标系，标定环表面上任意点的坐标为T(i) = L(t)+d(i) (1)对标定数据采用最小二乘拟合得到标定环圆心坐标从而得到检测系统标定参数为L(t) = p0 cos 0 cos Cf(￡) + / , sin Oq sin a^i) +4)根据上述公式(2)和(3)得到检测系统标定参数后，根据被测工件齿轮齿顶直径，调整滑台带动与其配合的激光位移传感器伸缩，使激光位移传感器处于有效测量范围内并进行实际测量；5)实测时首先根据被测工件高度调整升降臂带动滑台和激光位移传感器升降，使光束投射到被测工件截面位置上；6)再采用定心装置对被测工件进行找正；工作台上设一个定心孔，该定心孔与角位移旋转系统是同轴(即极坐标中心同轴)，在测量齿轮或工件时，先将工件放在工作台上，然后将定位芯轴穿入工作台上的定心孔，芯轴也就与角位移旋转系统同轴，在工件放在工作台上后，将定位芯轴穿入配合的工作台定心孔中，再将配合的定位锥环套入定位芯轴，定位锥环与角位移旋转系统也同轴，定位锥环的锥面可使齿轮或工件定心；7)定心调整结束后撤掉定心装置；然后取出定位芯轴和定位锥环，被测齿轮静止不动； 数据处理及显示系统发送指令控制伺服系统驱动角位移旋转系统带动滑台和激光位移传感器转动；8)在扫描齿轮过程中，数据采集及通信系统实时采集激光位移传感器、滑台和升降臂的位移数据并发送给数据处理及显示系统；其中需采集激光位移d(t)、升降臂线位移 z(t)、滑台的线位移数L(t)和角位移旋转系统的角位移,构成了圆柱坐标系，由此获得被测齿轮表面上任意点的坐标；当升降臂线位移ζ (t) —定时，根据时统关系，可得截面齿形函数为T = / (a(t),z(i) = Comi)(4)当角位移旋转系统的角位移θ (t) 一定时，根据时统关系，可得齿向函数T = J W),嗎=Const、(5)如果扫描齿轮多个截面，在齿向方向按照旋转角度《(0的对应关系，把齿向数据嫁接起来，嫁接的高度由升降臂提供的线位移s 决定，可得齿轮重构函数T = f(z(i),a(￡))(6)9)在一个齿轮截面扫描结束，由数据处理及显示系统发送指令控制伺服系统驱动升降臂拖动激光位移传感器升降后，扫描这一截面；同时测量升降臂线位移Z(X) /mm、滑台的线位移数与激光位移的和/mm及角位移旋转系统的角位移曰 /rad的数据；10)所有截面扫描测量结束，数据处理及显示系统11实测数据进行数据重构，获得齿形分度圆、模数、齿数、端跳、直径和周节等参数，并进行齿根圆、齿顶圆和齿形数据的数据分离；11)数据分离后，把实测的齿形、齿向和周节等齿轮参数与检测标定系统根据工程尺寸生成的数字齿轮相比较获得齿轮单项误差，齿轮误差为ΔΤ = f(z(t)r _ - g(z(i), _(7 )如齿形误差、齿向误差、周节误差等并及时显示出来。
6.根据权利要求5所述的一种齿轮参数激光检测方法，其特征在于所述的数据分离的具体方法如下第一步由于齿形数据中含有齿轮偏心产生的大周期信号，为无用信号，采用高通滤波器滤除；第二步对滤波后数据进行求差分，一次差分后波谷部分为一次侧齿形，波峰部分为另一次齿形，从波峰部分到相邻波谷部分之间的近零线段为齿顶圆数据段，从波谷部分到相邻波峰部分的近零线段为齿根数据段。
7.根据权利要求5所述的一种齿轮参数激光检测方法，其特征在于所述的齿轮包括大内齿轮、小内齿轮和外齿轮；大内齿轮是指其齿顶圆直径大于120mm，120mm是激光位移传感器的尺寸与其作用距离之和；小于120mm为小内齿轮；转折镜的镜片为Φ10πιπι-Φ30πιπι。
8.根据权利要求5所述的一种齿轮参数激光检测方法，其特征在于所述的小内齿轮安装的激光位移传感器与转折镜为刚性连接，转折镜与激光位移传感器为同步旋转；其转折镜反射面与激光位移传感器出射的光束呈45°，且测量光束构成的测量面为转折镜最大剖面，保证齿轮的激光扫描截面与工作台平行。
9.根据权利要求5所述的一种齿轮参数激光检测方法，其特征在于所述的位移传感器为光强可调式激光位移传感器，速度可达50000p/s。
全文摘要
本发明涉及一种齿轮参数激光检测装置及方法，其特征在于工作台上设有定心孔；在支架上安装激光位移传感器；支架安装在滑台的直线电机滑块上，滑台安装在角位移旋转系统与旋转轴固定连接在转盘上，角位移旋转系统的外壳用螺钉安装在升降臂上，升降臂与床身的立面间由高精度的直线导轨及滑块连接，伺服电机带动固连在床身立面的滚珠丝杠转动，数据采集及通信系统安装在角位移旋转系统的转轴上平面上。被测工件在该装置上经数据测量、采集、传输、重构、分离、比较、显示完成检测的全过程。其实现了齿轮非接触无盲点测量，提高了检测速度和测量精度；解决了小内齿轮难以检测的难题；在测量过程中，齿轮静止不动，测头做测量运动，减小了齿轮安装带来的测量误差。
文档编号G01B11/02GK102322796SQ20111016753
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者唐大春, 王德民, 苏成志 申请人:唐大春