CN112254667B - 一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法 - Google Patents

一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了齿轮测量技术领域内的一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，包括以下步骤：（1）驱动激光位移传感器沿导轨运动，标定被测齿轮中心轴位置；（2）安装被测齿轮，驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到齿廓待测量的位置，设置偏置量，驱动激光位移传感器移动使激光束直射到被测齿廓上；（3）驱动工件回转台沿单侧齿面渐开线展开方向反转，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；（4）设置新偏置量，使激光位移传感器偏置到齿轮另一侧，沿齿轮另一侧齿面渐开线展开方向旋转工件回转台，采集在被测齿廓上投射点的位移数据；（5）将两次测量的位移数据转化为极坐标；使用本发明测量精度高。

Description

一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法
技术领域
本发明涉及一种齿轮测量方法，特别涉及一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法。
背景技术
齿轮测量技术可以分为接触时测量和非接触式测量两大类，目前广泛使用的是通过触法式或扫描式传感测头与几何形体表面接触而记录形体表面点的三维坐标位置的接触式测量方法，这种方法操作繁琐，有接触测头半径较大带来的横向分辨率的问题，而且需要提前规划测头运动路径。接触式测量能够有效的对直齿轮，斜齿轮等进行测量，但是当接触式测头测头测量弧齿圆柱齿轮时，接触面是曲面，接触点的法向量是不断变化的，因为测头体积的存在使得理论接触点与实际接触点存在差异，要对测头位置进行补偿有一定的困难且耗费大量计算。而目前非接触式测量主要是利用激光三角法，测量装置包括工作台，工作台上设有工件回转台和三坐标平移机构，三坐标平移机构包括固定在工作台上侧的X轴导轨，X轴导轨上可滑动地连接有Y轴导轨，Y轴导轨上可滑动地连接有Z轴导轨，Z轴导轨上可滑动地连接有滑架，滑架上连接有可转动的激光位移传感器，测试时激光头与齿轮中心始终在一条直线上，通过测量激光头与齿面的距离得到被测点到齿轮中心的距离，这种方法可以对弧齿圆柱齿轮等复杂齿轮进行直接测量，操作简单，但这种过中心的测量方法在测量齿面时齿面的法向量与测量激光束夹角较大，激光束在齿面上无法汇聚到一点，而是形成一块较大的光斑，测量结果波动较大，测量精度低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决上述现有技术中测量精度低的技术问题，提供一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，本发明可以实现复杂齿轮的测量，测量过程中齿面数据无波动，精度好。
本发明的目的是这样实现的：一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，测量方法中使用到的测量装置包括工作台，所述工作台上设有工件回转台和三坐标平移机构，所述三坐标平移机构包括固定在工作台上侧的X轴导轨，所述X轴导轨上可滑动地连接有Y轴导轨，所述Y轴导轨上可滑动地连接有Z轴导轨，所述Z轴导轨上可滑动地连接有升降架，所述升降架上连接有激光位移传感器，所述工件回转台上垂直设有中心定位芯轴，测量方法包括以下步骤，
(1)驱动激光位移传感器沿X轴、Y轴、Z轴导轨运动，采集中心定位芯轴外圆周数据，以标定被测齿轮中心轴位置；
(2)将被测齿轮安装在中心定位芯轴上，通过驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到齿廓待测量的位置，设置偏置量e，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨运动，使激光位移传感器发射的激光束直射到被测齿廓上；
(3)驱动工件回转台沿单侧齿面渐开线展开方向反向匀速旋转，激光位移传感器发射的激光束依次直射在被测齿轮廓上，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；
(4)设置偏置量2e，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨运动，使激光位移传感器偏置到齿轮另一侧，沿齿轮另一侧齿面渐开线展开方向旋转工件回转台，激光位移传感器发射的激光束依次直射到被测齿轮的齿廓上，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；
(5)将两次测量的位移数据转化为极坐标，将齿廓的坐标点描述拟合，以判定被测齿廓的误差。
作为本发明的进一步改进，所述三坐标平移机构通过伺服电机驱动并通过控制器控制激光位移传感器沿X轴导轨或Y轴导轨或Z轴导轨移动，工件回转台底部设有回转驱动装置。
为了进一步实现坐标系的标定，所述步骤(1)中，坐标系的标定方法为：通过伺服电机驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到中心定位芯轴上任意合适位置，固定Y轴和Z轴导轨，令激光位移传感器沿X轴方向从中心定位芯轴的一侧向另一侧移动，记录过程中激光位移传感器示数，当光束接近中心定位芯轴的中心时，示数先减小后增大，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨往复运动进行多次比较，示数最小处刚好通过中心定位芯轴的中心轴线。
为了进一步实现偏置量的设置，所述步骤(2)中，将被测齿轮安装在中心定位芯轴上，中心定位芯轴通过鸡心夹头与工件回转台固定同轴转动，带动被测齿轮与工件回转台同轴转动，通过伺服电机调节激光位移传感器的Z向高度，使激光位移传感器发射的激光束打在齿面上，标定后设置偏置值e，通过伺服电机调节X轴导轨运动使激光位移传感器位于偏置位置，通过控制器驱动伺服电机调节激光位移传感器沿Y轴向导轨运动靠近齿轮表面，使被测齿廓分度圆位于激光位移传感器标准量程D处，此时激光位移传感器的位移量示数为零。
为了进一步实现测量数据的采集，所述步骤(3)，规定被测齿轮渐开线展开方向反向为当前测量的回转方向，回转驱动装置驱动工件回转台带动被测齿轮转动，同时激光位移传感器将激光束投射到被测齿廓上，进行相对于X轴位置位移坐标数据的采集，以被测齿轮坐标系的中心为极点，采集到的的数据为被测齿轮为极点为中心转过的角度和该角度对应的激光位移传感器到齿面的距离。
为了进一步反向偏置量的设置，所述步骤(4)中，设置偏置量为步骤(2)中单侧偏置量的两倍，具体为，通过伺服电机驱动激光位移传感器沿X轴向另一方向偏置，经过一个偏置量激光束回到偏置前的标定处，经过两个偏置量到达相对于被测齿轮坐标系X轴一个偏置量的位置，此时被测齿面为齿轮的另一侧齿面，规定该侧被测齿面的渐开线展开方向为当前测量的回转方向。
为了进一步实现各个测量点坐标的计算，所述步骤(5)中，极坐标的转换方法具体为，取任意两点pm和pn，两点的测量值为pm(l测m，θm)，pn(l测n，θn)，l测为激光位移传感器到齿面被测点的距离，l测m为激光位移传感器到齿面被测点pm的距离，l测n为激光位移传感器到齿面被测点pn的距离，θm为激光位移传感器测量点pm时工件回转台内设有的角度编码器所对应的点pm的角度读数，θn为激光位移传感器测量点pn时角度编码器所对应的点pn的角度读数，激光位移传感器到X轴的距离为d，则被测点到X轴的距离为l＝d-l测，偏置值为e，测量结果可转化为极坐标公式
Figure GDA0003595897060000041
以pm为基准，pm与X轴的夹角为arcos(e/rm)，从pm到pn齿轮转过的角度为θn-θm，pn与Y轴的夹角为arsin(e/rn)，则pm和pn相对于齿轮坐标系的夹角θ＝arcos(e/rm)+θn-θm+arsin(e/rn)-π/2，令被测点pm为初始点零点，pn点为pm点的下一个转换点，将pm和pn转化极坐标为pm(rm，0)，pn(rn，θ)，其中
Figure GDA0003595897060000042
θ＝arcos(e/rm)+θn-θm+arsin(e/rn)-π/2，转换下一个点时，令下一点为pn+1，转换点pn+1的极坐标公式为pn+1(rn+1，θ+θ1)，其中，
Figure GDA0003595897060000043
θ1＝arcos(e/rn)+θn+1-θn+arsin(e/rn+1)-π/2。
附图说明
图1为本发明中测量装置的立体结构图。
图2为本发明中偏置测量的原理图。
图3为本发明中反向偏置测量的原理图。
图4为本发明中极坐标转换的原理图。
其中，1Y轴导轨，2工作台，3回转驱动装置，4工件回转台，5下顶尖，6鸡心夹头，7中心定位芯轴，8被测齿轮，9固定座，10上顶尖，11激光位移传感器，12Z轴导轨，13升降架，14X轴导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，测量方法中使用到的测量装置包括工作台，工作台上设有工件回转台、三坐标平移机构和固定座，三坐标平移机构包括固定在工作台上侧的X轴导轨，X轴导轨上可滑动地连接有Y轴导轨，Y轴导轨上可滑动地连接有Z轴导轨，Z轴导轨上可滑动地连接有升降架，升降架上连接有激光位移传感器，工件回转台上垂直设有中心定位芯轴，三坐标平移机构通过伺服电机驱动并通过控制器控制激光位移传感器沿X轴导轨或Y轴导轨或Z轴导轨移动，工件回转台底部设有回转驱动装置，固定座上连接有可升降且朝下伸出的上顶尖，工件回转台上侧连接有鸡心夹头和下顶尖，鸡心夹头夹住中心定位芯轴，降下上顶尖，使中心定位芯轴在下顶尖和上顶尖之间，上下顶尖和中心定位芯轴随工件回转台转动，测量方法包括以下步骤，
(1)驱动激光位移传感器沿X轴、Y轴、Z轴导轨运动，采集中心定位芯轴外圆周数据，以标定被测齿轮中心轴位置；
(2)将被测齿轮安装在中心定位芯轴上，通过驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到齿廓待测量的位置，设置偏置量e，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨运动，使激光位移传感器发射的激光束直射到被测齿廓上；
(3)驱动工件回转台沿单侧齿面渐开线展开方向反向匀速旋转，激光位移传感器发射的激光束依次直射在被测齿轮廓上，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；
(4)设置偏置量2e，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨运动，使激光位移传感器偏置到齿轮另一侧，沿齿轮另一侧齿面渐开线展开方向旋转工件回转台，激光位移传感器发射的激光束依次直射到被测齿轮的齿廓上，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；
(5)将两次测量的位移数据转化为极坐标，将齿廓的坐标点描述拟合，以判定被测齿廓的误差。
为了进一步实现坐标系的标定，步骤(1)中，坐标系的标定方法为：通过伺服电机驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到中心定位芯轴上任意合适位置，固定Y轴和Z轴导轨，令激光位移传感器沿X轴方向从中心定位芯轴的一侧向另一侧移动，记录过程中激光位移传感器示数，当光束接近中心定位芯轴的中心时，示数先减小后增大，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨往复运动进行多次比较，示数最小处刚好通过中心定位芯轴的中心轴线。
为了进一步实现偏置量的设置，步骤(2)中，将被测齿轮安装在中心定位芯轴上，中心定位芯轴通过鸡心夹头与工件回转台固定同轴转动，带动被测齿轮与工件回转台同轴转动，通过伺服电机调节激光位移传感器的Z向高度，使激光位移传感器发射的激光束打在齿面上，标定后设置偏置值e，通过伺服电机调节X轴导轨运动使激光位移传感器位于偏置位置，通过控制器驱动伺服电机调节激光位移传感器沿Y轴向导轨运动靠近齿轮表面，使被测齿廓分度圆位于激光位移传感器标准量程D处，此时激光位移传感器的位移量示数为零。
为了进一步实现测量数据的采集，步骤(3)，规定被测齿轮渐开线展开方向反向为当前测量的回转方向，回转驱动装置驱动工件回转台带动被测齿轮转动，同时激光位移传感器将激光束投射到被测齿廓上，进行相对于X轴位置位移坐标数据的采集，以被测齿轮坐标系的中心为极点，采集到的的数据为被测齿轮为极点为中心转过的角度和该角度对应的激光位移传感器到齿面的距离。
为了进一步反向偏置量的设置，步骤(4)中，设置偏置量为步骤(2)中单侧偏置量的两倍，具体为，通过伺服电机驱动激光位移传感器沿X轴向另一方向偏置，经过一个偏置量激光束回到偏置前的标定处，经过两个偏置量到达相对于被测齿轮坐标系X轴一个偏置量的位置，此时被测齿面为齿轮的另一侧齿面，规定该侧被测齿面的渐开线展开方向为当前测量的回转方向。
为了进一步实现各个测量点坐标的计算，步骤(5)中，极坐标的转换方法具体为，取任意两点pm和pn，两点的测量值为pm(l测m，θm)，pn(l测n，θn)，l测为激光位移传感器到齿面被测点的距离，l测m为激光位移传感器到齿面被测点pm的距离，l测n为激光位移传感器到齿面被测点pn的距离，θm为激光位移传感器测量点pm时工件回转台内设有的角度编码器所对应的点pm的角度读数，θn为激光位移传感器测量点pn时角度编码器所对应的点pn的角度读数，激光位移传感器到X轴的距离为d，则被测点到X轴的距离为l＝d-l测，偏置值为e，测量结果可转化为极坐标公式
Figure GDA0003595897060000071
以pm为基准，pm与X轴的夹角为arcos(e/rm)，从pm到pn齿轮转过的角度为θn-θm，pn与Y轴的夹角为arsin(e/rn)，则pm和pn相对于齿轮坐标系的夹角θ＝arcos(e/rm)+θn-θm+arsin(e/rn)-π/2，令被测点pm为初始点零点，pn点为pm点的下一个转换点，将pm和pn转化极坐标为pm(rm，0)，pn(rn，θ)，其中
Figure GDA0003595897060000072
θ＝arcos(e/rm)+θn-θm+arsin(e/rn)-π/2，转换下一个点时，令下一点为pn+1，转换点pn+1的极坐标公式为pn+1(rn+1，θ+θ1)，pn点后的下i个转换点的极坐标公式为
Figure GDA0003595897060000073
其中，
Figure GDA0003595897060000074
θ1＝arcos(e/rn)+θn+1-θn+arsin(e/rn+1)-π/2，θj＝arcos(e/rn+j-1)+θn+j-θn+j-1+arsin(e/rn+j)-π/2，j≥1且为整数；θn+1为激光位移传感器测量点pn+1时角度编码器所对应的点pn+1的角度读数。
本发明中通过激光位移传感器测出光斑像的位置，计算出主光线的角度，从而计算出物体表面该点处的位置参数，通过本发明的方法，可以改善激光光束和齿面法向的夹角，使激光光束打在齿面上的光斑汇聚成一点，改善了过齿轮中心的测量激光光束在齿面较陡处光线无法汇聚成一点而导致测量数据波动的问题，可以实现复杂齿轮的测量，测量过程中齿面数据无波动，精度好；可应用于各种齿轮的测量工作中。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，测量方法中使用到的测量装置包括工作台，所述工作台上设有工件回转台和三坐标平移机构，所述三坐标平移机构包括固定在工作台上侧的X轴导轨，所述X轴导轨上可滑动地连接有Y轴导轨，所述Y轴导轨上可滑动地连接有Z轴导轨，所述Z轴导轨上可滑动地连接有升降架，所述工件回转台上垂直设有中心定位芯轴，其特征在于，所述升降架上连接有激光位移传感器，测量方法包括以下步骤，
(1)驱动激光位移传感器沿X轴、Y轴、Z轴导轨运动，采集中心定位芯轴外圆周数据，以标定被测齿轮中心轴位置；
(2)将被测齿轮安装在中心定位芯轴上，通过驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到齿廓待测量的位置，设置偏置量e，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨运动，使激光位移传感器发射的激光束直射到被测齿廓上；
(3)驱动工件回转台沿单侧齿面渐开线展开方向反向匀速旋转，激光位移传感器发射的激光束依次直射在被测齿轮廓上，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；
(4)设置偏置量2e，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨运动，使激光位移传感器偏置到齿轮另一侧，沿齿轮另一侧齿面渐开线展开方向旋转工件回转台，激光位移传感器发射的激光束依次直射到被测齿轮的齿廓上，采集光束在被测齿廓上投射点相对测量齿轮坐标系中心轴的位移数据；
(5)将两次测量的位移数据转化为极坐标，将齿廓的坐标点描述拟合，以判定被测齿廓的误差；
所述步骤(5)中，极坐标的转换方法具体为，取任意两点pm和pn，两点的测量值为pm(l测m,θm)，pn(l测n,θn)，l测为激光位移传感器到齿面被测点的距离，l测m为激光位移传感器到齿面被测点pm的距离，l测n为激光位移传感器到齿面被测点pn的距离，θm为激光位移传感器测量点pm时工件回转台内设有的角度编码器所对应的点pm的角度读数，θn为激光位移传感器测量点pn时角度编码器所对应的点pn的角度读数，激光位移传感器到X轴的距离为d，则被测点到X轴的距离为l＝d-l测，偏置值为e，测量结果可转化为极坐标公式
Figure FDA0003595897050000021
以pm为基准，pm与X轴的夹角为arcos(e/rm)，从pm到pn齿轮转过的角度为θn-θm，pn与Y轴的夹角为arsin(e/rn)，则pm和pn相对于齿轮坐标系的夹角θ＝arcos(e/rm)+θn-θm+arsin(e/rn)-π/2，令被测点pm为初始点零点，pn点为pm点的下一个转换点，将pm和pn转化极坐标为pm(rm,0)，pn(rn,θ)，其中
Figure FDA0003595897050000022
θ＝arcos(e/rm)+θn-θm+arsin(e/rn)-π/2，转换下一个点时，令下一点为pn+1，转换点pn+1的极坐标公式为pn+1(rn+1,θ+θ1)，其中，
Figure FDA0003595897050000023
θ1＝arcos(e/rn)+θn+1-θn+arsin(e/rn+1)-π/2。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，其特征在于，所述三坐标平移机构通过伺服电机驱动并通过控制器控制激光位移传感器沿X轴导轨或Y轴导轨或Z轴导轨移动，工件回转台底部设有回转驱动装置。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，坐标系的标定方法为：通过伺服电机驱动激光位移传感器沿Z轴导轨运动到中心定位芯轴上任意合适位置，固定Y轴和Z轴导轨，令激光位移传感器沿X轴方向从中心定位芯轴的一侧向另一侧移动，记录过程中激光位移传感器示数，当光束接近中心定位芯轴的中心时，示数先减小后增大，通过驱动激光位移传感器沿X轴导轨往复运动进行多次比较，示数最小处刚好通过中心定位芯轴的中心轴线。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将被测齿轮安装在中心定位芯轴上，中心定位芯轴通过鸡心夹头与工件回转台固定同轴转动，带动被测齿轮与工件回转台同轴转动，通过伺服电机调节激光位移传感器的Z向高度，使激光位移传感器发射的激光束打在齿面上，标定后设置偏置值e，通过伺服电机调节X轴导轨运动使激光位移传感器位于偏置位置，通过控制器驱动伺服电机调节激光位移传感器沿Y轴向导轨运动靠近齿轮表面，使被测齿廓分度圆位于激光位移传感器标准量程D处，此时激光位移传感器的位移量示数为零。
5.根据权利要求2所述的一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，其特征在于，所述步骤(3)，规定被测齿轮渐开线展开方向反向为当前测量的回转方向，回转驱动装置驱动工件回转台带动被测齿轮转动，同时激光位移传感器将激光束投射到被测齿廓上，进行相对于X轴位置位移坐标数据的采集，以被测齿轮坐标系的中心为极点，采集到的数据为被测齿轮以极点为中心转过的角度和该角度对应的激光位移传感器到齿面的距离。
6.根据权利要求2所述的一种基于激光位移传感器的齿轮偏置测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，设置偏置量为步骤(2)中单侧偏置量的两倍，具体为，通过伺服电机驱动激光位移传感器沿X轴向另一方向偏置，经过一个偏置量激光束回到偏置前的标定处，经过两个偏置量到达相对于被测齿轮坐标系X轴一个偏置量的位置，此时被测齿面为齿轮的另一侧齿面，规定该侧被测齿面的渐开线展开方向为当前测量的回转方向。
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