[发明专利]一种基于线结构光的齿轮齿厚测量方法

摘要

本发明公开了一种基于线结构光的齿轮齿厚测量方法，属于精密测试技术与仪器、齿轮检测技术领域。装嵌被测齿轮之后，以线激光测头对坐标系中心进行校准，选择被测齿轮的设计基准作为测量的基准，并根据齿轮参数选择均布在齿轮上的4个以上的轮齿，且每个轮齿取3个均布的截面为测量位置。获取数据：根据被测齿轮参数计算两个测头所需安装的参数及各参数之间的关系，建立两个线结构光测头坐标系，开始获取轮齿两侧面的数据。根据各安装参数和测量数据建立起获得数据的空间坐标转换式，将测头坐标系的各组测量值转换至齿轮设计中心。建立起齿厚偏差数学模型，进而实现齿厚偏差、弦齿厚测量和单个齿厚平均偏差的高精度测量。

主权项

1.一种基于线结构光的齿轮齿厚测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，W1：测量校准1)测量基准的确定转台上的卡盘钳住被测齿轮的内孔以限制齿轮的六个自由度，使得被测齿轮与转台实现共同运动与统一测量基准；为了校准测量基准的一致性，两个线结构光测头P₁和P₂对被测轮齿的齿顶圆进行测量；齿顶圆上的圆弧上任意两法线交点为圆心，将被测轮齿的相邻轮齿测量或跨齿测量作为测量数据，以提高测量数据的敏感度；将圆心坐标与测量基准的圆心坐标进行校准，即实现被测齿轮的设计基准作为测量的基准；2)测量位置的确定为了降低随机误差对测量的影响，根据被测轮齿的齿数和齿宽选择均布在齿轮上的4个以上的轮齿，每个轮齿取3个以上均布的截面为测量位置，进行多次测量；W2：获取测量数据1)建立被测齿轮的数学模型；在固定直角坐标系δ_w＝[O_w；X_w,Y_w,Z_w]中，O_w为固定直角坐标系原点，X_w,Y_w,Z_w为固定直角坐标系的坐标，A(X_A,Y_A,Z_A)被测轮齿的齿面上任意一点三维坐标，被测齿轮齿面S(X₁,Y₁,Z₁)的三维标称数学模型为：其中，r_b为齿轮的基圆半径，β_b为基圆螺旋角，α₁、α₂为B点和A点所在渐开线的压力角，当β_b为0时，为渐开线直齿圆柱齿轮；当β_b≠0时，为渐开线斜齿圆柱齿轮；2)线结构光测头位姿参数确定为避免在齿轮数据获取中阴影效应和投射光角度的影响，需要对线结构光的预测量位置和测头的安装角度进行确定；使被测轮齿在测量时投射光不会受前一个轮齿面的遮挡，实现对被测斜齿轮轮齿的法平面齿廓数据获取，而直齿轮即是端平面齿廓数据获取；通过以下参数确定线结构光测头与被测齿轮固定坐标系的关系：a为测头安装臂在被测齿轮固定坐标系X_W轴上的距离示值，b为测头安装臂在被测齿轮固定坐标系Y_W轴上的距离示值，c为两个线结构光测头P₁和P₂在被测齿轮固定直角坐标系中的Z_W轴上距离示值，d为角度调节臂长度；为实现对斜齿轮法平面数据获取，两个线结构光测头P₁和P₂的安装角取β度，因此β＝0时为测量直齿轮，β≠0时为测量斜齿轮；为有效获取齿廓数据，两个线结构光测头的安装臂取γ度的偏置角；在测量基准和各项位姿参数确定后，通过测量机调节各轴绝对值参数实现测头至预测量位置；3)建立线结构光测头坐标系依据两个线结构光测头P₁和P₂的U、V测量值，建立起对应的δ1(X_δ1，Y_δ1，Z_δ1)和δ2(X_δ2，Y_δ2，Z_δ2)两个坐标系：其中，β为测头的安装角，γ为偏置角，建立的δ1和δ2适用于直齿和斜齿的测量；建立两个线结构光测头的坐标系之后，线结构光测头开始获取轮齿左右齿面齿廓数据，即获取被测轮廓在测头坐标系中位置示值的表征；而在齿轮齿厚测量时，齿厚偏差是以设计坐标的中心进行评定，所以需要将测头坐标系中获取的数据值转换数据，进行空间直角坐标转换至齿轮的设计中心，即转换数据至齿轮坐标系；W3：转换数据至齿轮坐标系数据转换属于方法中关键部分之一；被测齿轮的轮齿由左齿面和右齿面组成，所以齿轮坐标系中数据分为两部分：δ1→δ0左齿面数据转换和δ2→δ0右齿面数据转换；1)δ1→δ0左齿面的数据转换2)δ2→δ0右齿面的数据转换通过式(4)和式(5)实现将线结构光测头P₁和P₂的U_x、V_x测量值转换至被测齿轮的中心，实现被测轮齿的数据获取；W4：被测齿轮的齿厚测量前一步骤W3所获取和转换的数据为被测齿轮法平面的左右齿廓，为齿厚测量提供完整的数据基础，实现任意评定圆柱面的齿厚测量、弦齿厚测量和单个轮齿的齿厚平均测量；根据齿形在不同半径的评定圆柱面上齿厚不同，以齿轮轴心线为中心的评定圆柱，圆柱半径越大相对应的齿厚越小；齿厚评定圆柱面的确定：将每一次获取并转换的左右齿廓法平面数据进行分组S_x，取(X_w',Y_w',Z_w')和S_x交集得到某一齿宽e位置在评定圆r_x上对应的齿厚左右评定点k_x和l_x；1)齿厚偏差模型Δf_s其中，s_实为实际测量齿厚，s_kl为理论齿厚，θ_x为被测齿厚的左右评定点之间的夹角，α为分度圆压力角，α_l为k_x或l_x点的压力角；2)弦齿厚测量s_c实其中，s_c实为实际弦齿厚，为评定点k_x和l_x之间的空间距离；s_c实的测量与其他的测量方法进行对比；3)单个齿厚平均偏差f_si随机误差不可避免的出现在齿轮加工和齿轮的测量中，在齿厚测量中测量仪器敏感的测出相应数据，为减小测量中随机误差的不利影响，取单个齿厚多次测量的平均值作为最终结果；根据齿数和齿宽选择均布在齿轮上的4个以上的轮齿，每个轮齿取3个以上均布的截面为测量位置，以线结构光的方式在1秒实现几千至上万次的数据获取，有效降低随机误差的影响；其中，n为均布轮齿不同截面的齿厚测量次数；单个齿厚平均偏差作为一个评定被测齿轮性能的重要指标。