CN104596454A - 一种双臂式特大型齿轮测量仪器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及齿轮测量技术领域，具体涉及一种双臂式特大型齿轮测量仪器，包括可放置在被测齿轮上端面的基座，以及悬置于所述基座下方的三维测量单元，所述三维测量单元包括两个，所述两个三维测量单元分别用于测量齿轮的内外两侧。本发明采用“以小测大”的测量原理，克服特大型齿轮测量中心与坐标测量机需要开发长导轨，仪器造价高，测量精度难以提升的弊端。

Description

一种双臂式特大型齿轮测量仪器及其测量方法

技术领域

本发明涉及齿轮测量技术领域，具体涉及一种双臂式特大型齿轮测量仪器。

背景技术

齿轮是机械传动中最重要的、也是应用最广泛的一种传动型式，具有传动比准确、结构紧凑、传动效率高等优点。齿轮按大小分为微小齿轮、常规齿轮、大齿轮、特大型齿轮。约定俗成，直径大于3000mm的齿轮称为特大型齿轮。特大型齿轮主要用于一些关键的要害领域和影响全局的重要行业，如发电、机车、矿山机械、大型工程机械、大型船舶、钻井平台及火箭发射等，其在国民经济和国防事业中起着十分重要的作用，具有不可替代性。

齿轮的精度对齿轮的噪声和使用寿命有直接而严重的影响，不同的应用领域对齿轮的精度有不同的要求，特别是在精密传动领域中，其对齿轮的精度有很高要求。为实现重大装备的高性能高效率的传动以及高使用寿命，用户对特大型齿轮的精度提出了越来越高的要求。当前对于常规齿轮而言，现有齿轮检测仪器完全满足其测量需求。但对于特大齿轮测量要求而言，随着齿轮的尺寸以及模数的不断增加并达到超常规的程度，其精密测量技术与手段发生了从量变到质变的突变，造成了特大型齿轮精密测量成为了世界性难题，一直没有实现经济有效的测量。

造成特大齿轮测量困难的主要因素归结如下：

齿轮尺寸大。如按常规的测量方法，随着齿轮尺寸的增加，测量仪器的结构、体积将相应增大，给仪器制造和装配带来很大困难。齿轮测量的典型仪器包括齿轮测量中心与坐标测量机，以齿轮测量中心为例，采用传统的展成法测量特大型齿轮齿廓偏差，首先遇到的问题是切向长导轨的制造。对于模数30mm、齿数250、压力角20度、外径大于7m的直齿轮，为确保测量点在基圆切线上，测头要从偏置位置开始测量，按进入圆方法计算偏置量为1391mm，加上齿廓展成长度为782mm，考虑到左右齿廓，则切向导轨的行程要大于4346mm，如果采用坐标测量机进行测量，首先需要将特大型齿轮放置到坐标测量机的测量空间内，在此情况下坐标测量机的水平导轨至少要大于7m，这种高精度长导轨的制造是非常困难的。

齿轮的测量基准要求与其设计、制造基准相一致。齿轮的设计基准一般为定位芯轴或内孔，特大型齿轮尺寸较大，用常规测量仪器找定位孔具有一定难度，造成齿轮测量基准和设计、制造基准不统一，使得仪器的测量精度难以保证。

双臂式特大型齿轮测量仪器是在常规齿轮测量仪器的基础上发展而来的，其中齿轮测量中心与大型坐标测量机是常规齿轮测量中心与坐标测量机的放大版本，即测量多大的齿轮就制造相应大小的测量仪器，在测量方式上属于“以大测大”，在测量技术上没有突破。目前，世界上最大的齿轮测量中心是德国Wenzel公司的WGT4000齿轮测量中心，该仪器可测量4000mm大齿轮，最大承载重量可达30000kg。世界上最大的坐标测量机是德国Leitz公司开发的PMM-G大型三坐标量机，它是一种龙门式机构，测量范围为7000mm×4000mm×3000mm，装卸工件方便，测量精度高，可以测量齿轮种类繁多，可测量最大齿轮直径6000mm，模数0.5-100mm。测量6000mm大齿轮时，需要分段测量，最后统一进行误差评定。在常规齿轮测量中心的基础上，德国Wenzel公司研制了一种新型的双臂测量机-LAFD，其结构新颖，具有两个安装在一个花岗岩底座上的双测量臂。该仪器可以测量齿轮最大直径可达6000mm，最大承载重量为45000kg。采用常规齿轮测量技术实现特大型齿轮测量不可避免的面临超常规尺寸与重量对仪器精度造成的影响，为保证双臂式特大型齿轮测量仪器的精度，随着特大型齿轮的尺寸与重量不断增加，仪器的成本与实现难度显著增加，因此采用“以大测大”的常规齿轮测量技术实现特大型齿轮测量是不可行的。

针对特大型齿轮精密测量，国内外对其进行了大量的研究。上世纪70年代瑞士MAAG公司生产了ES430齿廓测量仪，但该类仪器使用齿槽定位，该定位方式造成很大的定位误差，最终对齿廓测量结果影响较大，现在企业已经停止使用。最近几年，国外研制了利用齿顶端面定位的齿廓测量仪，但该类仪器仅使用单齿局部齿顶端面定位，定位误差较大，同时该仪器仅可测量齿廓偏差，存在较大局限性，目前仍处于实验研究阶段。德国国家物理研究院（PTB）尝试利用关节臂式坐标测量机测量特大型齿轮，并对该方法开展了一系列研究。该方法需要手动测量齿轮各特征线，同时针对不同模数与螺旋角的齿轮，需要加工不同的渐开线标尺和螺旋线标尺，实际测量中将引入较大特征线定位误差与人工随机误差，同时由于测量过程只能使用手动测量，测量效率低下。国内石照耀教授提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量***利用激光跟踪仪与坐标测量机的各自特点，使用激光跟踪仪大空间测量能力定位特大型齿轮与三维测量平台，以激光跟踪仪坐标系中介，实现特大型齿轮与三维测量平台之间的定位，最后使用三维测量平台按照常规齿轮测量方式实现特大型齿轮各项误差测量。特大型齿轮激光跟踪在位测量***使用激光跟踪仪测量特大型齿轮工件坐标系，由于大空间尺寸测量过程中对于单点测量精度不敏感，其定位精度高，可以实现特大型齿轮与三维测量平台之间的精确定位。误差项的检测使用三维测量平台，其测量精度完全满足特大型齿轮的测量要求。特大型齿轮激光跟踪在位测量***可以实现在位测量与离位测量。特大型齿轮激光跟踪在位测量应用于在位测量时，特大型齿轮固定于加工机床上，通过激光跟踪仪测量特大型齿轮与三维测量平台，实现三维测量平台与特大型齿轮之间的精确定位。该方法由于采用了激光跟踪仪，仪器价格昂贵，同时由于激光跟踪仪自身精度问题，无法实现高精度测量，限制了该类仪器的推广。

发明内容

针对现有技术存在的问题，提供一种测量精度高、造价成本低的双臂式特大型齿轮测量仪器。

本发明采用的技术方案为：

一种双臂式特大型齿轮测量仪器，包括可放置在被测齿轮上端面的基座，以及悬置于所述基座下方的三维测量单元，所述三维测量单元包括两个，所述两个三维测量单元分别用于测量齿轮的内外两侧。

作为本发明的优选实施方式，所述齿轮的内外两侧，对于外齿轮而言，所述内侧是指外齿轮的内孔区域，所述外侧是指外齿轮的外齿齿面区域。

作为本发明的优选实施方式，所述齿轮的内外两侧，对于内齿轮而言，所述内侧是指内齿轮的内齿齿面区域，所述外侧是指内齿轮的外圆柱区域。

一种上述的双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，将所述双臂式特大型齿轮测量仪器放置在齿轮上端面，设双臂式特大型齿轮测量仪器在齿轮上的初始位置为第一处转位，测量第一处转位的齿轮数据后，移动双臂式特大型齿轮测量仪器，设移动后的位置为第二处转位，采集第二处转位的齿轮数据，同时，双臂式特大型齿轮测量仪器在所述两个转位下，须对同一齿面进行测量，通过所述两个转位下同一齿面的测量，将所述两个转位下测得的齿轮数据进行匹配，通过匹配算法找到两个转位所采集的齿轮数据之间的关系，进而将两个转位下所采集的齿轮数据进行统一；之后，继续按照上述方法将双臂式特大型齿轮测量仪器转至其余转位进行测量，同时利用相邻两个转位下测得的同一齿面数据，对相邻两个转位所测得的齿轮数据进行统一，直至完成齿轮全范围数据测量及统一评定。

作为本发明的优选实施方式，双臂式特大型齿轮测量仪器在每一处转位测得的齿轮数据为不同坐标系下的测量数据，通过相邻两个转位下同一齿面点云数据进行齿面匹配，通过匹配算法找到相邻两个转位下所测得的坐标系之间的关系，将每一处转位测得的齿轮数据都统一至第一转位下。该测量方法可称为：分段测量整体评定法。

本发明还另外提供一种双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，将所述双臂式特大型齿轮测量仪器放置在齿轮上端面，测量双臂式特大型齿轮测量仪器所放位置对应的齿轮区域的定位面与对应齿的各项误差，以上述区域为定位基准构建齿轮工件坐标系，在所述齿轮工件坐标系下对该测量位的所测齿面各项误差进行评定。所述该测量位即双臂式特大型齿轮测量仪器此时所放位置。该方法可称为：局部定位局部评定法。

为更加清楚的描述本发明，再次将发明内容详述如下：

特大型齿轮在不同的应用领域，其齿轮内孔结构不同。一部分特大型齿轮内孔宽度较小，齿轮加工时以齿轮外圆柱面为加工基准。另一部分特大型齿轮内孔宽度较大，齿轮加工时以齿轮内孔圆柱面为加工基准。对于以内孔或外圆柱面（内齿轮）为加工基准的特大型齿轮测量而言，齿轮测量中心与坐标测量机由于其结构造成制造特大型齿轮测量中心与大型坐标测量机难度很大，造价高昂，当前成熟的齿轮测量中心最大可测量直径4000mm的特大型齿轮，直径超出4000mm的特大型齿轮无法实现测量，大型坐标测量机最大可测直径6000mm的特大型齿轮，测量必须通过分段测量，测量结果无法整体评定。上述特大型齿轮测量设备价格过千万，使用不便，无法测量直径超过6000mm的特大型齿轮。为解决特大型齿轮测量的技术难题。本发明采用双水平悬臂式坐标测量机。双水平悬臂式坐标测量机即上面所述的双臂式特大型齿轮测量仪器，悬臂即上面所述的三维测量单元（下同）。

采用该双水平悬臂式坐标测量机，测量特大型外齿轮时，一次可实现特大型齿轮的内孔部分区域与部分齿的齿面测量。测量特大型内齿轮时，一次可实现特大型齿轮的外圆柱部分区域与部分齿的齿面测量。该装置不仅可以实现特大型外齿轮测量，对于特大型内齿轮而言，该装置同样可以实现测量。

双水平悬臂式坐标测量机可以采用两种测量方法实现测量。

（1）分段测量整体评定法

双水平悬臂式坐标测量机要求放置在特大型齿轮上端面上，在该状态下，双水平悬臂式坐标测量机两测量臂可以实现齿轮内孔与齿面测量。为拓展双水平悬臂式坐标测量机的测量范围，实现特大型齿轮的各项误差测量，在齿面分段测量的情况下，由于双水平悬臂式坐标测量机一个位置仅能采集有限个齿面数据，要实现全部轮齿的测量，必然要移动双水平悬臂式坐标测量机，本发明称为转位测量，转位后的齿面数据需要与转位前的齿面数据进行统一，以便对齿面数据进行整体处理与评定。本发明要求在两个转位对同一齿面进行测量，通过两个转位下同一齿面点云数据进行齿面匹配，通过匹配算法找到两个转位坐标系之间的关系，将特大型齿轮工件坐标***一至第一转位下，然后对所有齿面测量数据进行数据处理与误差评定，最终实现特大型齿轮全范围测量与统一评定。

（2）局部定位局部评定法

双水平悬臂式坐标测量机要求放置在特大型齿轮上端面上，在该状态下，双水平悬臂式坐标测量机两测量臂可以实现齿轮内孔与齿面测量。双水平悬臂式坐标测量机一次实现部分区域的定位面测量与对应齿的各项误差测量。测量完成后，以部分区域为定位基准构建齿轮工件坐标系，在该工件坐标系下对齿面测量各项误差进行评定。

本发明采用“以小测大”构建以双水平悬臂式坐标测量机实现特大型齿轮精密测量，通过局部定位局部评定，或者分段测量后点云匹配实现分段测量整体评定，通过双水平悬臂式坐标测量机实现特大型齿轮的高效测量，解决在位测量技术的关键问题。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用“以小测大”的测量原理，克服特大型齿轮测量中心与坐标测量机需要开发长导轨，仪器造价高，测量精度难以提升的弊端。

2、本发明采用“以小测大”，构建以双水平悬臂式坐标测量机实现特大型齿轮精密测量，通过局部定位局部评定，或者分段测量后点云匹配实现分段测量整体评定，通过双水平悬臂式坐标测量机实现特大型齿轮的高效测量，解决在位测量技术的关键问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的测量方法示意图

图中标记：1-基座，2-三维测量单元，3-被测齿轮，4-齿轮内孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，结合图2，一种双臂式特大型齿轮测量仪器（也可称为双水平悬臂式坐标测量机），包括可设于被测齿轮上端面的基座1，以及悬置于所述基座下方的三维测量单元2，所述三维测量单元2包括两个，所述两个三维测量单元2分别用于测量齿轮的内外两侧。图1中X、Y、Z代表三维坐标轴，X、Y、Z轴上的箭头代表三维测量单元的部件可沿着相应的导轨移动。

如图2所示，所述齿轮的内外两侧，对于外齿轮（即图2中的被测齿轮3）而言，所述内侧是指外齿轮的内孔区域，所述外侧是指外齿轮的外齿齿面区域。

所述齿轮的内外两侧，对于内齿轮而言，所述内侧是指内齿轮的内齿齿面区域，所述外侧是指内齿轮的外圆柱区域。

本发明还提供了一种基于上述双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，如图2所示，将所述双臂式特大型齿轮测量仪器放置在被测齿轮3的上端面，设双臂式特大型齿轮测量仪器在齿轮上的初始位置为第一处转位，测量第一处转位的齿轮数据后，移动双臂式特大型齿轮测量仪器，设移动后的位置为第二处转位，采集第二处转位的齿轮数据，同时，双臂式特大型齿轮测量仪器在所述两个转位下，须对同一齿面进行测量，通过所述两个转位下同一齿面的测量，将所述两个转位下测得的齿轮数据进行点云匹配，通过点云匹配算法找到两个转位所采集的齿轮数据之间的关系，进而将两个转位下所采集的齿轮数据进行统一；之后，继续按照上述方法将双臂式特大型齿轮测量仪器转至其余转位进行测量，同时利用相邻两个转位下测得的同一齿面数据，对相邻两个转位所测得的齿轮数据进行统一，直至完成齿轮全范围齿面误差测量及统一评定。

双臂式特大型齿轮测量仪器在每一处转位测得的齿轮数据为不同坐标系下的测量数据，通过相邻两个转位下同一齿面点云数据进行齿面匹配，通过点云匹配算法找到相邻两个转位下所测得的坐标系之间的关系，将每一处转位测得的齿轮数据都统一至第一转位下。该测量方法可称为：分段测量整体评定法。

一种基于上述双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，其特征在于，将所述双臂式特大型齿轮测量仪器放置在齿轮上端面，测量齿轮部分区域的定位面与对应齿的各项误差，以上述部分区域为定位基准构建齿轮工件坐标系，在所述齿轮工件坐标系下对齿面各项误差进行评定。该测量方法可称为：局部定位局部评定法。该方法中所述的齿轮部分区域是相对于齿轮整体而言

下面再详细描述一遍本实施例：

首先构建双水平悬臂式坐标测量机，如图1所示。将双水平悬臂式坐标测量机移动至特大型齿轮上端面，将其调整至适合测量齿面与内孔（内齿轮为齿轮外圆柱面）的位置。使用一测量臂手动测量特大型齿轮内孔圆柱面（内齿轮为外圆柱面），对测量点拟合圆柱，获得轴线方程作为特大型齿轮的Z轴坐标，测量齿轮端面，对端面测量点拟合平面，平面与圆柱轴线交点作为特大型齿轮工件坐标系的坐标原点。测量齿面一点，通过点线面构建特大型齿轮工件坐标系。根据特大型齿轮工件坐标系即可实现特大型齿轮局部齿面的自动测量。采用分段测量整体评定方法时，测量过程如下：例如第一次测量位置实现第1、第2、第3号齿的测量，第二次测量位置实现第3、第4、第5号齿的测量，依次类推，直至完成特大型齿轮所有齿的测量。每两个测量位置的测量数据通过公共齿面测量点进行点云匹配与数据拼接计算，将不同测量位置的测量数据统一至唯一一个测量位置下的特大型齿轮工件坐标系。在此齿轮工件坐标系下对所有测量数据进行重构，重新建立新的特大型齿轮工件坐标系，并对所有齿面测量数据进行统一的误差评定。采用局部定位局部评定方法时，测量过程如下：第一次测量位置实现第1、第2、第3号齿的测量，以该测量位置构建的局部齿轮工件坐标系作为评定基准，对齿面测量数据进行误差评定。然后再根据需要移动双水平悬臂式坐标测量机至被测齿位置，按照上述方法继续。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双臂式特大型齿轮测量仪器，其特征在于，包括可放置在被测齿轮上端面的基座，以及悬置于所述基座下方的三维测量单元，所述三维测量单元包括两个，所述两个三维测量单元分别用于测量齿轮的内外两侧。

2.根据权利要求1所述的双臂式特大型齿轮测量仪器，其特征在于，所述齿轮的内外两侧，对于外齿轮而言，所述内侧是指外齿轮的内孔区域，所述外侧是指外齿轮的外齿齿面区域。

3.根据权利要求1所述的双臂式特大型齿轮测量仪器，其特征在于，所述齿轮的内外两侧，对于内齿轮而言，所述内侧是指内齿轮的内齿齿面区域，所述外侧是指内齿轮的外圆柱区域。

4.一种权利要求1至3任意一项所述的双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，其特征在于，将所述双臂式特大型齿轮测量仪器放置在齿轮上端面，设双臂式特大型齿轮测量仪器在齿轮上的初始位置为第一处转位，测量第一处转位的齿轮数据后，移动双臂式特大型齿轮测量仪器，设移动后的位置为第二处转位，采集第二处转位的齿轮数据，同时，双臂式特大型齿轮测量仪器在所述两个转位下，须对同一齿面进行测量，通过所述两个转位下同一齿面的测量，将所述两个转位下测得的齿轮数据进行匹配，通过匹配算法找到两个转位所采集的齿轮数据之间的关系，进而将两个转位下所采集的齿轮数据进行统一；之后，继续按照上述方法将双臂式特大型齿轮测量仪器移动至其余转位进行测量，同时利用相邻两个转位下测得的同一齿面数据，对相邻两个转位所测得的齿轮数据进行统一，直至完成齿轮全范围数据测量及统一评定。

5.根据权利要求4所述的双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，其特征在于，双臂式特大型齿轮测量仪器在每一处转位测得的齿轮数据为不同坐标系下的测量数据，通过相邻两个转位下同一齿面点云数据进行齿面匹配，通过匹配算法找到相邻两个转位下所测得的坐标系之间的关系，将每一处转位测得的齿轮数据都统一至第一转位下。

6.一种权利要求1至3任意一项所述的双臂式特大型齿轮测量仪器的测量方法，其特征在于，将所述双臂式特大型齿轮测量仪器放置在齿轮上端面，测量双臂式特大型齿轮测量仪器所放位置对应的齿轮区域的定位面与对应齿的各项误差，以上述区域为定位基准构建齿轮工件坐标系，在所述齿轮工件坐标系下对该测量位的所测齿面各项误差进行评定。