本发明涉及一种六轴线激光齿轮测量装置，属于精密测试技术与仪器、机械传动技术领域。
背景技术：
齿轮是一种常见于传动系统中的基础件，齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主要形式。齿轮按其外形可分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆-蜗轮。按齿线形状齿轮可分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮。按轮齿所在的表面齿轮可分为外齿轮、内齿轮。目前通用的齿轮测量装置可以分为接触式测量装置和非接触式测量装置，根据测量要求的不同，测量装置的选取也各异。
接触式齿轮测量装置通用的操作方式是使用触发式红宝石测针与齿轮表面进行接触，从而获得齿轮表面点的三维坐标。这种方法存在以下不足：1.操作复杂，在进行齿轮测量之前有着复杂的复位标定等操作；2.测量速度较慢，使用接触式测量装置进行齿轮测量时，测针与齿面之间发生相对滑动，采集坐标信息；3.需要进行测头补偿，测量装置采集到的坐标值其实是红宝石测针中心的坐标值，需要沿着测针从接触点回退的方向加上一个测球半径值作为测量值。实际上，测量作为一个动态过程，该测量值是一个与测头的运动惯性有关的动态值；4.在测量锥齿轮或曲线齿轮等时存在一些困难，在测量这类齿轮时必须更换专用测针，否则无法测量，同时要避免测针和待测齿轮相撞发生损坏。由于接触式齿轮测量装置存在以上不足，在进行齿轮测量时也会使用到非接触式齿轮测量装置。
激光齿轮测量装置属于非接触式齿轮测量装置的一种。激光齿轮测量装置根据其测量原理不同，可分为激光三角法，激光测距法，锥光全息法等，其中尤以激光三角法的使用最为广泛。激光三角法的测量光源为激光，由光源处发出的激光照射在待测物体的表面，然后发生反射。反射光将会在检测器上成像，反射光会因为被测物体表面的起伏而发生变化，在检测器上所成的像也会发生位移。由于检测器所成像的移动和实际物体位移之间存在一定的关系，物体的实际位移可以通过对像移的检测得到。受被测齿面形状的影响，线激光齿轮测量装置在进行齿轮测量时会出现测量死角问题，导致检测器接收不到反射光，无法有效获取数据。在进行不同类型齿轮的测量时，对激光器测头方向的要求是不同的，需要对激光器测头位姿进行调整，使测头与被测齿面之间保持良好的测量位置，而多轴联动装置可以很好的实现这样的功能。
六轴联动装置是多轴联动装置中的一种，这种装置共有六个可以独立运动的旋转轴或移动轴，每个轴上都有自己的直线坐标或旋转坐标。相比于传统的三轴或四轴装置，六轴装置可以在进行齿轮测量时实现更多的空间姿态调整。
技术实现要素：
本发明提出了一种六轴线激光齿轮测量装置，极大的提高了齿轮测量时的测量速度，避免了测量过程中出现的测量死角问题，扩大了可测量的齿轮的种类范围，克服了传统接触式齿轮测量装置在测量过程中速度过慢存在测头磨损问题，克服了针对不同类型的测头进行半径补偿的问题。
本发明针对现有齿轮测量装置中存在的问题，进行原理创新，基本思想是：本发明使用线激光测头，可以在一次测量中获取齿面上一条线的数据点云，提高了数据获取的速度。本发明采用六轴运动系统，在测量过程中可以实时调整激光器的方向，使激光器与被测齿面之间保持较好的测量姿态。本发明的这种六轴线激光齿轮测量装置可以测量的齿轮类型非常广泛，通过六轴运动系统与线激光器的配合可以从最佳角度扫描各种形状的齿面，可以很好的应对锥齿轮或曲线齿轮等测量较为困难的齿轮。
本发明可以在已知被测齿轮设计参数与加工参数的情况下，通过六轴运动系统联动，使线激光测头与待测齿面之间处于最佳测量状态，并在整个测量过程中，根据待测面的情况，选择最佳测量位置，避免测量过程中遇到测量死角无法获取数据，同时提高测量结果的准确性。
本发明的技术方案是:一种六轴线激光齿轮测量装置，包括两轴测头位姿调整机构1，三轴移动机构2，齿轮固定机构3。
所述两轴测头位姿调整机构1包括第一旋转臂1.1、第一导向装置1.2、第二旋转臂1.3、第二导向装置1.4、测头1.5、第一圆光栅1.6和第二圆光栅1.7。
所述三轴移动机构2包括第一导轨2.1、第一光栅2.2、测量臂2.3、第二导轨2.4、第二光栅2.5和伸缩测量臂2.6。
所述齿轮固定机构3包括回转台3.1、第一固定臂3.2、第二固定臂3.3、第三固定臂3.4、下顶尖3.5、第三导轨3.6、第四导轨3.7、圆锥滚子轴承3.8、上顶尖3.9、底座3.10和第三圆光栅3.11。
所述α轴为第一旋转臂1.1的旋转轴，方向与水平面平行。
所述β轴为第二旋转臂1.3的旋转轴，方向与水平面垂直。
所述θ轴为回转台3.1的旋转轴，方向与水平面平行。
所述X轴为测量臂2.3沿第一导轨2.1的移动轴，方向与第一导轨2.1的滑动方向相同。
所述Y轴为伸缩测量臂2.6沿第二导轨2.4的移动轴，方向与第二导轨2.4的滑动方向相同。
所述Z轴为伸缩测量臂2.6的伸缩轴，方向与伸缩测量臂2.6的伸缩方向相同。X、Y、Z三轴正交。
所述两轴测头位姿调整机构1中的第一导向装置1.2固定在伸缩测量臂2.6的端面上，第一旋转臂1.1与第一导向装置1.2相连，并能够绕平行于测量臂2.3的方向α轴旋转，第一导向装置1.2控制第一旋转臂1.1只沿α轴旋转，旋转角度由固定在第一导向装置1.2上的第一圆光栅1.6得到，第一旋转臂1.1到其旋转轴α的长度已知。第二导向装置1.4固定在第一旋转臂1.1的端面上，第二旋转臂1.3与第二导向装置1.4相连，旋转轴β方向与第一旋转臂1.1的旋转轴α方向垂直，第二导向装置1.4控制第二旋转臂1.3只沿β轴旋转，旋转角度可由固定在第二导向装置1.4上的第二圆光栅1.7得到，第二旋转臂1.3到其旋转轴β的长度已知。测头1.5固定在第二旋转臂1.3的端面上，测头1.5的测量原理为激光三角法，打出的线激光方向与第二旋转臂1.3的旋转轴β方向垂直。两轴测头位姿调整机构1通过α轴和β轴的旋转调整测头位姿，使待测齿面和测头之间保持稳定的测量姿态，提高测量数据的精度。
所述三轴移动机构2中的第一导轨2.1固定在底座3.10上，第一导轨2.1沿X轴方向垂直于底座3.10的长边，测量臂2.3垂直于底座3.10的上表面并能够沿第一导轨2.1移动，测量臂2.3的位移可由固定在底座3.10上的第一光栅2.2测得，第一光栅2.2平行于第一导轨2.1。第二导轨2.4固定在测量臂2.3上，第二导轨2.4的方向为Y轴垂直于导轨2.1的X轴方向，伸缩测量臂2.6固定在第二导轨2.4上，并沿第二导轨2.4的方向Y轴滑动，伸缩测量臂2.6的位移由固定在测量臂2.3上的第二光栅2.5测得，第二光栅2.5平行于第二导轨2.4。伸缩测量臂2.6可沿垂直于X轴和Y轴的Z轴方向伸缩，伸缩测量臂2.6的一端连接着两轴测头位姿调整机构1。三轴移动机构2中的X、Y、Z三轴是正交的，三轴移动机构2能够进行大范围的高速移动，快速完成测量系统的位置确定。
所述齿轮固定机构3中的回转台3.1固定在底座3.10上，其回转轴θ轴与Y轴平行，垂直于底座3.10，其旋转角度由固定在底座3.10上的第三圆光栅3.11测得，下顶尖3.5固定在回转台3.1上，可以随回转台3.1转动，转动轴为θ轴。第一固定臂3.2和第二固定臂3.3相互平行并固定在底座3.10上，且垂直于底座3.10的上表面。第三导轨3.6和第四导轨3.7分别位于第一固定臂3.2和第二固定臂3.3上，第三导轨3.6和第四导轨3.7与Y轴方向平行，第一固定臂3.2和第二固定臂3.3关于θ轴中心对称。第三固定臂3.4与第三导轨3.6和第四导轨3.7相连，并能沿着第三导轨3.6和第四导轨3.7的方向滑动，到达指定位置后，第三固定臂3.4不再发生移动。第一固定臂3.2、第二固定臂3.3和第三固定臂3.4三个臂呈H型龙门式，结构稳定，能牢固的固定待测齿轮，使待测齿轮在测量过程中不发生晃动，减小测量误差。上顶尖3.9通过圆锥滚子轴承3.8固定在第三固定臂3.4上，上顶尖3.9能绕中心轴旋转，上顶尖3.9的中心轴与θ轴重合。
底座3.10由大理石支撑，具有稳定性好，强度大、硬度高、不变型、耐磨性好的特点。圆锥滚子轴承3.8可以把轴向力转变为非轴向力，极大的减小了固定臂3.4在θ轴方向上的变形。
本发明的工作原理是：
采用本发明进行齿轮测量的具体实施方式通过如下步骤实现。
第一步，系统复位。通过控制系统驱动伺服电机操作六轴运动，通过X轴的直线移动带动Y、Z、α、β轴沿X轴前后运动，通过Y轴的上下移动带动Z、α、β轴沿Y轴上下运动，通过Z轴的伸缩移动带动α、β轴沿Z轴前后运动，通过α轴的转动带动β轴绕α轴转动。通过各轴所对应的光栅信号得到六轴坐标信息，实现六轴复位，找到运动系统所对应的坐标系。
第二步，齿轮装卡。将待测齿轮与配套芯轴进行连接，然后向下移动固定臂3.4，将芯轴固定在上顶尖3.9和下顶尖3.5之间，使芯轴的中心轴与待测齿轮的中心轴以及回转台3.1的回转轴θ轴重合。固定完毕之后第三导轨3.6和第四导轨3.7上的锁定装置自锁，固定臂3.4不再移动，且齿轮固定完毕。
第三步，测头定位。通过对待测齿轮已知参数的输入，三轴移动机构2中的X、Y、Z三轴大范围移动，使测头与待测齿轮之间的距离达到测量师的最佳距离。随后两轴测头位姿调整机构1.中的α轴和β轴发生转动，自动调整测头与被测齿面之间的角度。待激光器测头达到理论最佳角度后，齿轮固定机构3中的θ轴带动齿轮旋转，通过测头采集到的齿面数据自动判断是否已经达到最佳测量角度。在确认测头与待测齿面之间到达最佳测量位置和最佳测量角度后，测头定位完成，此时线激光器打出的线激光垂直照射在待测齿面上。
第四步，开始测量。线激光器可以测得待测齿面此时的位置信息，然后，回转台3.1绕θ轴旋转角度。此时，线激光器打出的线激光照射在下一个齿的待测齿面，回转台3.1旋转的步长为θ'，在齿轮旋转一周的过程中可以得到所有齿的单侧齿廓线。随后，通过六轴运动系统的运动，使测头与待测齿轮的另一侧待测齿面之间找到最佳测量位置，通过回转台3.1以步长θ'的旋转与停止可以在齿轮再次旋转一周的过程中测得所有齿的另一侧的单侧齿廓线。
第五步，扫描测量。通过六轴运动系统控制测头所发出的线激光照射在同一齿面上的不同位置，可以在同一齿面上采集到不同位置的数据。可以控制激光器扫描整个齿面，获取整个齿面的信息。
第六步，测量结束。六轴运动系统带动测头归位。
本发明的有益效果是：
1.本发明中的测头位姿调整机构可以根据待测齿轮的待测齿面进行调整，使测头与齿面之间保持最佳测量状态，提高测量准确性，可以测量的齿轮类型包括：圆柱齿轮、锥齿轮、直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮等。
2.本发明避免了测量过程中出现的测量死角问题，提高了测量结果的准确性。
3.本发明可以通过线激光器测得的齿轮数据还原出齿轮的三维图形，将齿轮的测量结果图像化表现出来。
4.本发明采用线激光器作为测头，在进行齿轮测量时可以在较高测量速度的情况下保证测量的准确性，极大的提高了测量速度。
5.本发明中可以对待测齿轮进行有效的固定，避免在测量过程中固定装置发生松动，造成测量数据不准确。
附图说明
图1为本发明的一种六轴线激光齿轮测量装置示意图。
图2为本发明的两轴测头位姿调整机构示意图。
图3为本发明的三轴移动机构示意图。
图4为本发明的齿轮固定机构示意图。
图5为本发明在进行圆柱直齿轮测量时的示意图。
图6为本发明在进行锥齿轮测量时的示意图。
具体实施方式
下面结合一些实例，对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图5所示，采用本发明进行圆柱直齿轮测量的具体实施方式通过如下步骤实现。
第一步，系统复位。通过控制系统驱动伺服电机操作六轴运动，通过X轴的直线移动带动Y、Z、α、β轴沿X轴前后运动，通过Y轴的上下移动带动Z、α、β轴沿Y轴上下运动，通过Z轴的伸缩移动带动α、β轴沿Z轴前后运动，通过α轴的转动带动β轴绕α轴转动。通过各轴所对应的光栅信号得到六轴坐标信息，实现六轴复位，找到运动系统所对应的坐标系。
第二步，齿轮装卡。将待测圆柱直齿轮与配套芯轴进行连接，然后向下移动第三固定臂3.4，将芯轴固定在上顶尖3.9和下顶尖3.5之间，使芯轴的中心轴与待测齿轮的中心轴以及回转台3.1的回转轴θ轴重合。固定完毕之后第三导轨3.6和第四导轨3.7上的锁定装置自锁，第三固定臂3.4不再移动，且齿轮固定完毕。
第三步，测头定位。通过对待测齿轮已知参数的输入，三轴移动机构2中的X、Y、Z三轴大范围移动，使测头与待测齿轮之间的距离达到测量师的最佳距离。随后两轴测头位姿调整机构1中的α轴和β轴发生转动，自动调整测头与被测齿面之间的角度。待激光器测头达到理论最佳角度后，齿轮固定机构3中的θ轴带动齿轮旋转，通过测头采集到的齿面数据自动判断是否已经达到最佳测量角度。在确认测头与待测齿面之间到达最佳测量位置和最佳测量角度后，测头定位完成，此时线激光器打出的线激光垂直照射在待测齿面上。
第四步，开始测量。线激光器可以测得待测齿面此时的位置信息，然后，回转台3.1绕θ轴旋转角度。此时，线激光器打出的线激光照射在下一个齿的待测齿面，回转台3.1旋转的步长为θ'，在齿轮旋转一周的过程中可以得到所有齿的单侧齿廓线。随后，通过六轴运动系统的运动，可以使测头与待测齿轮的另一侧待测齿面之间找到最佳测量位置，通过回转台3.1以步长θ'的旋转与停止可以在齿轮再次旋转一周的过程中测得所有齿的另一侧的单侧齿廓线。
第五步，扫描测量。通过六轴运动系统中Y轴位置的移动，可以使测头所发出的线激光照射在同一齿面上的不同高度，在同一齿面上采集到不同高度位置的数据。通过Y轴的上下移动可以控制激光器扫描整个齿面，获取整个齿面的信息点云。通过上位机可以将被测齿轮的齿面信息点云还原为三维图像。
第六步，测量结束。六轴运动系统带动测头归位。
实施例2
如图6所示，采用本发明进行锥齿轮测量的具体实施方式通过如下步骤实现。
第一步，系统复位。通过控制系统驱动伺服电机操作六轴运动，通过X轴的直线移动带动Y、Z、α、β轴沿X轴前后运动，通过Y轴的上下移动带动Z、α、β轴沿Y轴上下运动，通过Z轴的伸缩移动带动α、β轴沿Z轴前后运动，通过α轴的转动带动β轴绕α轴转动。通过各轴所对应的光栅信号得到六轴坐标信息，实现六轴复位，找到运动系统所对应的坐标系。
第二步，齿轮装卡。将待测锥齿轮与配套芯轴进行连接，然后向下移动固定臂3.4，将芯轴固定在上顶尖3.9和下顶尖3.5之间，使芯轴的中心轴与待测齿轮的中心轴以及回转台3.1的回转轴θ轴重合。固定完毕之后第三导轨3.6和第四导轨3.7上的锁定装置自锁，第三固定臂3.4不再移动，且齿轮固定完毕。
第三步，测头定位。通过对待测齿轮已知参数的输入，三轴移动机构2.中的X、Y、Z三轴大范围移动，使测头与待测齿轮之间的距离达到测量师的最佳距离。随后两轴测头位姿调整机构1.中的α轴和β轴发生转动，自动调整测头与被测齿面之间的角度。待激光器测头达到理论最佳角度后，齿轮固定机构3.中的θ轴带动齿轮旋转，通过测头采集到的齿面数据自动判断是否已经达到最佳测量角度。在确认测头与待测齿面之间到达最佳测量位置和最佳测量角度后，测头定位完成，此时线激光器打出的线激光垂直照射在待测齿面上。
第四步，开始测量。线激光器可以测得待测齿面此时的位置信息，然后，回转台3.1绕θ轴旋转角度。此时，线激光器打出的线激光照射在下一个齿的待测齿面，回转台3.1旋转的步长为θ'，在齿轮旋转一周的过程中可以得到所有齿的单侧齿廓线。随后，通过六轴运动系统的运动，可以使测头与待测齿轮的另一侧待测齿面之间找到最佳测量位置，通过回转台3.1以步长θ'的旋转与停止可以在齿轮再次旋转一周的过程中测得所有齿的另一侧的单侧齿廓线。
第五步，扫描测量。通过六轴运动系统的移动和转动，可以使测头所发出的线激光照射在同一齿面上的不同位置，在同一齿面上采集到螺旋线上不同高度位置的数据。通过六轴运动系统的移动和转动可以控制激光器扫描整个齿面，获取整个齿面的信息点云。通过上位机可以将被测齿轮的齿面信息点云还原为三维图像。
第六步，测量结束。六轴运动系统带动测头归位。