CN102538700B

CN102538700B - 螺旋转子型面轮廓误差测量仪

Info

Publication number: CN102538700B
Application number: CN201110396408.1A
Authority: CN
Inventors: 胡鹏浩; 刘善林; 党学明; 王会生
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN102538700A

Abstract

本发明公开了一种螺旋转子型面轮廓误差测量仪，其特征是被测转子支承在头架顶针和尾架顶针之间，以回转工作台带动被测螺旋转子转动；设置一移动工作台，在移动工作台上设置测量单元，测量单元中设置用于检测移动工作台所在位置的长光栅传感器，并在电动转盘上固定设置激光位移传感器。本发明利用激光位移传感器，在两个旋转工作台和一维平移台的运动配合下获取有关螺旋转子型面特征的原始测量数据，再经过相应的数据处理和坐标变换即可得出螺旋转子型面轮廓度误差数据并给出误差评定结果，其结构简单、加工装配性好，可实现对各种螺旋面的面型轮廓误差测量，可兼容配备其他类型的传感器用于其他参数的精密测量。

Description

螺旋转子型面轮廓误差测量仪

技术领域

本发明是涉及一种测量装置，更具体地说是用于测量具有螺旋特征的各种曲面的相关参数，可应用在螺旋齿轮、精密丝杆、压缩机螺旋转子、螺旋泵转子、齿轮加工刀具等零部件的精密测量中的装置。

背景技术

在现代机械工业中，涉及到很多种具有螺旋特征的型面误差测量问题。比如螺杆压缩机的核心部件螺杆转子，其形状和精度直接影响着压缩机的工作效率、噪音振动水平和使用寿命；比如加工齿轮的滚刀，其轮廓型面误差会直接周期性地复印在被加工的齿轮上。因此，具有螺旋特征的型面误差测量技术及评定技术日益受到国内学术界和企业界的关注和重视。目前，国内大部分企业的检测方法是采用通用三坐标测量机，通过检测转子不同轴截面位置上的截面型线，来反映整个螺杆转子的质量。这种测量方法存在以下问题：

1、三坐标测量机价格高，转子测量要求配备相应的专用检测软件。软件价格也高，且操作比较复杂，对操作者的技术要求也比较高。这些都制约了方法本身的普及和推广。

2、三坐标测量机一般采用高精度触发球测头，由于端面型线结构复杂，曲率变化大，使得测头球半径的误差补偿变得复杂，至今在学术上仍存在理论上的困难和不足；

3、测量时间长，只适合抽检，不适合快速检测和在线检测，很难适应转子制造企业的需求。

4、只能测量转子轴截面内的二维截面轮廓的线型误差，不能从三维空间的角度实现对整个螺旋型面的轮廓测量，更无法评定被测转子面轮廓度误差。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种螺旋转子型面轮廓误差测量仪，以实现螺旋转子型面误差参数高效、自动和准确的检测，促进相关三维型面面轮廓度误差评定理论的进一步发展。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明螺旋转子型面轮廓误差测量仪的结构特点是：

在底座上，位于沿X向设置的“T”型长槽的两端分别设置头架和尾架，在所述头架和尾架之间相对的端面上、处在同一轴线上分别设置有头架顶针和尾架顶针，被测转子支承在所述头架顶针和尾架顶针之间；

在所述头架上固定设置一电动旋转台，位于所述电动旋转台中、可在电动旋转台驱动下转动的回转工作台的回转中心与所述头架顶针的轴线重合，在所述回转台的前端面上通过一拨杆连接一拨叉，在所述拨叉的一对叉头上分别设置用于带动被测螺旋转子的夹持螺钉，所述夹持螺钉沿径向夹持在被测螺旋转子的第一轴端；

在所述底座上设置一电动平移台，在所述电动平移台上设置由步进电机通过滚珠丝杠副驱动可在直线轨道上滑移的移动工作台，所述直线轨道与“T”型长槽平行设置；在所述移动工作台上呈Z向固定设置立柱，所述立柱的顶部呈悬臂设置一横梁，所述横梁的前端处在被测转子的上方；在所述横梁的前端设置一电动转盘，所述电动转盘的转轴呈X向设置；

设置测量单元，包括在所述电动旋转台中配置圆光栅传感器，用于对回转台的回转角度的测量；在所述电动平移台上设置用于检测移动工作台所在位置的长光栅传感器；在所述电动转盘上固定设置激光位移传感器；所述激光位移传感器的光轴经过电动转盘的回转轴线。

本发明螺旋转子型面轮廓误差测量仪的结构特点也在于：

设置一尾架定位机构，是在尾架的一侧设置拉杆轴套，拉杆贯穿所述拉杆轴套、并可在拉杆轴套中轴向滑动，在所述拉杆的前端固定连接有压块，拉杆后端固定连接有手柄，在所述拉杆轴套与手柄之间装有压簧，以压簧的压力使压块抵压在底座中的定位槽中；设置一防转销，所述防转销一端与压块螺纹连接，另一端***在尾架底面的销孔中。

在所述底座上设置各定位面，包括：相互平行的第一立面A和第二立面D；等高的第一平面E、第二平面F和第三平面G，且各立面与各平面为相互垂直；所述电动平移台通过螺栓固定在第三平面G上，电动平移台的侧面与第二立面D相抵并定位；头架和尾架分别固定在第一平面E和第二平面F上，头架和尾架的侧面与第一立面A面相抵。

本发明利用激光位移传感器，在两个旋转工作台和一维平移台的运动配合下获取有关螺旋转子型面特征的原始测量数据，再经过相应的数据处理和坐标变换得出螺旋转子型面轮廓度误差数据并给出误差评定结果。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明将转子测量由二维线轮廓测量及评定提升至三维空间内转子全螺旋面的面轮廓度误差测量和评定，所获取的测量数据可实现转子型面的三维重构。

2、本发明采用机器视觉非接触测量，实现螺旋转子关键轮廓参数的自动高精度测量，避免了三坐标测量机测量中的测头半径补偿问题，有利于提高测量精度。

3、本发明采用拨叉驱动被测转子，用两个死顶尖定位被测转子，与主轴直接驱动相比，很好地消除了主轴运动误差对测量精度的影响。

4、本发明不仅可以测量任意轴截面内转子的二维线型轮廓，还可以测量和评定三维空间内的转子螺旋面的面轮廓度误差，实现螺旋特征表面的三维重构。

5、本发明在撤去激光位移传感器、换装电感传感器或其它类型传感器时，可用于测量螺旋面上任意一条螺旋线的误差，这种测量方式与被测转子在精密加工时球形铣刀的运动方式一致，对于分析加工工艺有直接的意义和价值。

6、本发明可以广泛用于螺旋齿轮、精密螺旋丝杆、齿轮加工刀具等精密机械部件的测量；

包括用于完成螺旋面导程、升角、节圆直径等参数的测量。

7、本发明检测重复性好、精度高、检测效率高。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的左视图；

图4是图1的右视图；

图5是本发明中头架结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是本发明中尾架结构图；

图8是图7的左视图；

图9是本发明中底座定位面示意图；

图10是本发明中激光位移传感器测量原理图；

图11是本发明中柱坐标测量***示意图。

图中标号：1头架；2被测转子；3尾架；4底座；5调平地脚；6电动平移台；7螺钉；8为T型螺栓；9电动转盘；10激光位移传感器；11横梁；12立柱、13移动工作台；14拨叉；15拨杆；16头架顶针；17电动旋转台；18夹紧螺钉、19回转工作台、20电动旋转台底座、21尾架顶针、22防转销、23手柄、24拉杆、25压簧、26拉杆轴套、27压块、28标准圆弧面；29标准件支架。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，头架1的前端圆锥孔与头架顶针16为锥面精密配合，头架1用T型螺钉8固定在底座4上，底座4的底部设置调平地脚5，用于调整底座4的水平度；拨杆15通过前端的外螺纹固连在回转工作台19上，拨叉14上端面圆柱孔与拨杆15间隙配合，下端布置一对与被测转子轴线位置平齐的螺纹孔，夹紧螺钉18旋合并穿过该螺纹孔将被测螺旋转子夹紧，以便电动旋转台17带动被测转子2旋转，实现精确分度。

参见图5和图6，由电动旋转台底座20固定设置在头架前端面上的电动旋转台17为市售的标准组件，由步进电机驱动，经由蜗杆蜗轮传动，带动其回转工作台19的转动，电动旋转台17中配有精密圆光栅传感器，实现角度测量和精确分度。具体实施中，电动旋转台17是用螺钉固定在头架1的前端面上，其回转轴线与头架顶针16的轴线重合。

参见图4、图7和图8，尾架顶针21的锥面与尾架3前端圆锥孔精密配合；设置一尾架定位机构，是在尾架3的一侧用螺钉设置拉杆轴套26，拉杆24贯穿拉杆轴套26，拉杆24的圆柱面与拉杆轴套26的圆柱孔间隙配合，拉杆24可在拉杆轴套26中轴向滑动，在拉杆24的前端固定连接有压块27，拉杆24后端通过螺纹固定连接有手柄23，在拉杆轴套26与手柄23之间装有压簧25，以压簧25的压力使压块27抵压在底座4中的定位槽中；设置一防转销22，防转销22一端与压块27螺纹连接，另一端***在尾架3底面的销孔中，压块27在手柄23转动下伸缩，从而夹紧或释放尾架，同时防止压块27转动。

参见图2，在底座4上设置一电动平移台6，在电动平移台6上设置由步进电机通过滚珠丝杠副驱动可在直线轨道上滑移的移动工作台13，直线轨道与“T”型长槽平行设置；在移动工作台13上呈Z向固定设置立柱12，立柱12的顶部呈悬臂设置一横梁11，横梁11的前端处在被测转子的上方；在横梁11的前端设置一电动转盘9，电动转盘9的转轴呈X向设置；

如图2所示，本实施例中，滚动导轨副对称布置在滚珠丝杠的两侧，与滚珠丝杠轴线平行，精密测长光栅尺布置在两条导轨之间，光栅读数头固定在移动工作台13的下方，与导轨滑块及滚动螺母为邻；移动工作台13通过螺钉与滚动导轨上的滑块连接和与滚动螺母连接，立柱12通过螺钉垂直紧固在移动工作台13上。

图4所示，立柱12的底端法兰沿横向开有四个腰形孔，与电动平移台6上的移动工作台13螺纹连接，横梁11的尾部带有开口，用螺钉7夹紧在立柱12上，以使横梁11的高度可根据测量需要进行调节；在电动转盘9上通过中间转接板固定设置激光位移传感器10；激光位移传感器10的光轴经过电动转盘9的回转轴线；激光位移传感器10的测量原理是三角法，发出一束激光至被测面上一点，光线折返后被CCD接收即可获知该点到传感器的位移。

参见图9，本实施例中，在底座4上设置各定位面，包括：相互平行的第一立面A和第二立面D；等高的第一平面E、第二平面F和第三平面G，且各立面与各平面为相互垂直；电动平移台6通过螺栓固定在第三平面G上，电动平移台6的侧面与第二立面D相抵并定位；头架1和尾架3分别固定在第一平面E和第二平面F上，头架1的侧面作为基准面B与是与底座4上的第一立面A相抵，尾架3在处于锁紧状态时，其作为基准面C的侧面与底座4的第一立面面A相抵；头架1和尾架3拥有共同的定位面，以便保证头架顶针16与尾架顶针21的轴线重合；本实施例中，电动平移台6的第三平面G与头架1和尾架3的定位面即第一平面E和第二平面F是共面的，这样就能保证测量单元在电动平移台驱动下的运动方向与头架顶尖和尾架顶尖所决定的轴线平行，形成测量所需的基准运动。

计算机处理单元硬件部分具有数据采集卡、运动控制卡和调理电路；软件部件包括测量软件和界面操作软件，测量软件实现数据采集、坐标变化处理和测量结果评定；操作界面主要包括三只步进电机的运动控制设置，测量过程操作控制等部分。

测量方法：

检测前需用标准件的标准圆弧面28对仪器进行校准；标准件可以用标准件支架29直接放置在底座4的一侧，便于使用；也可以另行放置。

检测时，将被测转子安装在头架顶针与尾架顶针之间，锁紧尾架。将移动工作台13移动至被测转子的一端，转动电动旋转台17，使激光位移传感器的激光束对准被测转子轴截面起点，测量开始后，电动旋转台17带动被测转子旋转，同时电动平移台6带动移动工作台13从被测转子的一端往另一段移动，电动旋转台14的转动和电动平移台6的移动由计算机控制并保证两者的速比；被测转子旋转一周，移动工作台移动螺旋转子的一个导程。根据螺旋转子的实际测量需要，可以设定在一个导程内的测量截面个数。比如某型号阳转子有五个齿，导程角为240度，导程为278毫米，若设定每个齿内选取m个截面进行测量，则在被测转子一端第一个截面内开始测量，测量时电动旋转台17步进旋转，比如每转0.1°，线性位移传感器获得它到被测面上一个点的距离r_i，这样电动旋转台17的旋转角度θ_i和r_i一一对应形成一组极坐标，可以精确描述在一个截面内螺旋转子的型线特征，第一个截面测试完毕后，电动旋转台和电动位移台同步运动，使第二个被测截面进入测量位置，实现第二个型线轮廓测量，如此循环直到m个截面全部测完。第一个齿测量完毕后，电动回转台旋转n°(n＝360/齿数)，进行第二个齿的测量，直至五个齿全部测毕。

测量完毕后，所设计的测量及误差评定软件首先将一个齿内的m个截面的轮廓度误差评定完毕并给出结果。此时给出的结果是反映单个轴截面内转子轮廓线的线轮廓度。事实上，由头架、尾架的顶尖构成的回转轴线O₁O₂可看做X轴，头架上同心配置的电动旋转台(17)内部的圆光栅传感器会实时记录和测量转子的回转角度

同时一维电动位移台内的长光栅会记录测头的位移值，这样就构成了一个柱坐标测量***，如图10和图11所示。在评定一个齿内的螺旋面的面轮廓度误差时，需要将前面所测得的每个截面内的极坐标参数(r_i，θ_i)经过坐标转换，统一到柱坐标内再进行单齿螺旋面的面轮廓度误差评定，同时也可以分析和判断出各齿面之间相互的位置误差。这种面轮廓度的评定和齿面相互位置误差的分析和测量是采用三坐标测量机无法办到的。也正是因为需要在两个坐标系之间进行转换和统一，为了保证测量精度的需要，仪器才需要用标准件进行上述的标定和校准。也可以利用一个齿内m个截面的轮廓参数重构出该齿的三维轮廓，从面轮廓度层面上对误差进行评定。甚至可以实现五个齿轮廓相对位置误差的评定和计算。

Claims

1.一种螺旋转子型面轮廓误差测量仪，其特征是：

在底座(4)上，位于沿X向设置的“T”型长槽的两端分别设置头架(1)和尾架(3)，在所述头架和尾架之间相对的端面上、处在同一轴线上分别设置有头架顶针(16)和尾架顶针(21)，被测转子(2)支承在所述头架顶针和尾架顶针之间；

在所述头架(1)上固定设置一电动旋转台(17)，位于所述电动旋转台(17)中、可在电动旋转台(17)驱动下转动的回转工作台(19)的回转中心与所述头架顶针(16)的轴线重合，在所述回转工作台(19)的前端面上通过一拨杆(15)连接一拨叉(14)，在所述拨叉(14)的一对叉头上分别设置用于带动被测螺旋转子的夹持螺钉(18)，所述夹持螺钉(18)沿径向夹持在被测螺旋转子的第一轴端；

在所述底座(4)上设置一电动平移台(6)，在所述电动平移台(6)上设置由步进电机通过滚珠丝杠副驱动可在直线轨道上滑移的移动工作台(13)，所述直线轨道与“T”型长槽平行设置；在所述移动工作台(13)上呈Z向固定设置立柱(12)，所述立柱(12)的顶部呈悬臂设置一横梁(11)，所述横梁(11)的前端处在被测转子的上方；在所述横梁(11)的前端设置一电动转盘(9)，所述电动转盘(9)的转轴呈X向设置；

设置测量单元，包括在所述电动旋转台（17）中配置圆光栅传感器，用于对所述回转工作台(19)的回转角度的测量；在所述电动平移台(6)上设置用于检测移动工作台（13）所在位置的长光栅传感器；在所述电动转盘(9)上固定设置激光位移传感器(10)；所述激光位移传感器(10)的光轴经过电动转盘(9)的回转轴线。

2.根据权利要求1所述的螺旋转子型面轮廓误差测量仪，其特征是设置一尾架定位机构，是在尾架(3)的一侧设置拉杆轴套（26），拉杆(24)贯穿所述拉杆轴套(26)、并可在拉杆轴套（26）中轴向滑动，在所述拉杆（24）的前端固定连接有压块（27），拉杆（24）后端固定连接有手柄（23），在所述拉杆轴套（26）与手柄（23）之间装有压簧（25），以压簧（25）的压力使压块（27）抵压在底座（4）中的定位槽中；设置一防转销（22），所述防转销（22）一端与压块（27）螺纹连接，另一端***在尾架（3）底面的销孔中。

3.根据权利要求1所述的螺旋转子型面轮廓误差测量仪，其特征是在所述底座（5）上设置各定位面，包括：相互平行的第一立面A和第二立面D；等高的第一平面E、第二平面F和第三平面G，且各立面与各平面为相互垂直；所述电动平移台（6）通过螺栓固定在第三平面G上，电动平移台(6)的侧面与第二立面D相抵并定位；头架(1)和尾架(3)分别固定在第一平面E和第二平面F上，头架(1)和尾架(3)的侧面与第一立面A面相抵。