本發明涉及齒輪檢測技術領域，特別涉及一種具有多自由度的激光位移傳感器系統及弧齒錐齒輪測量方法。

背景技術：

齒輪測量技術可以分為接觸式測量與非接觸式測量兩大類，目前廣泛使用的是通過觸發式或掃描式傳感測量頭接觸被測零件幾何形體表面點的三維坐標位置的接觸式測量法。這種方法需要保證測量過程中，測頭始終與被測零件表面緊密接觸，由于測頭球形觸頭半徑的存在，測量復雜曲面零件會出現測量橫向分辨率低的問題，而且接觸式測量的實際接觸點與理論接觸點存在差異，要花費大量的計算在被測零件表面的法向對球形觸頭的半徑進行補償，降低了測量的效率。

目前，在齒輪測量技術領域中，一種將激光位移傳感器作為測量傳感器的非接觸式測量方法，在測量齒輪時解決了接觸式測量的橫向分辨率低、測頭運動路徑繁瑣的問題，能快速有效的對直齒輪、斜齒輪，以及錐齒輪等傳統測量儀難以有效測量的特殊齒輪進行齒距、齒廓、齒圈跳動等偏差的精確測量，并能夠分辨出6-12級精度的偏差，具有具有操作簡單，測量精確，測量效率高的特點。然而，對于弧齒錐齒輪這種具有復雜凹凸曲面的齒輪零件，用激光位移傳感器測量其齒輪各項參數時，因為被測齒面上的光斑點光源的反射光被未測齒面擋住，無法反射到傳感器接收窗，所以常會出現丟失一側齒面采集點數據的問題。

技術實現要素：

本發明針對現有的弧齒錐齒輪激光測量技術存在的問題，提供一種具有多自由度的激光位移傳感器系統及弧齒錐齒輪測量方法，以解決因被測齒面上的光斑點光源的反射光被未測齒面擋住，無法反射到傳感器接收窗，而出現的丟失一側齒面采集點數據的問題。

本發明首先提供了一種多自由度激光位移傳感器系統，包括底座、回轉架、旋轉平臺、快裝夾臺、鎖緊旋鈕。底座上通過旋轉機構設有與其同中心軸線ⅰ軸的回轉架，回轉架可繞底座的中心軸線ⅰ軸相對底座做360°自由旋轉運動，回轉架相對底座的位姿可通過底座的鎖緊旋鈕固定。所述回轉架上通過旋轉機構設有旋轉平臺，且旋轉平臺可相對回轉架沿ⅱ軸做180°的自由旋轉運動，旋轉平臺上通過沉頭鎖緊螺絲安裝有快裝夾臺。所述快裝夾臺通過壓板與鎖緊旋鈕可以裝夾激光位移傳感器，其結構如圖1所示。

為便于實現激光位移傳感器空間位姿的準確調整，所述支架的底座與旋轉平臺上設有旋轉分度刻線。

為便于支架的安裝，底座底部設有螺紋孔，且支架底座與z向導軌的滑臺通過螺紋連接。

為便于實現弧齒錐齒輪的測量，所述激光位移傳感器系統安裝在多坐標移動裝置上，可通過控制系統驅動多坐標移動裝置的測量回轉臺以及x、y、x三坐標移動裝置的運動，以實現測量回轉臺的旋轉與激光位移傳感器位置的調整。所述多坐標移動裝置包括具有光柵反饋的x、y、x三個直線運動軸的坐標移動導軌以及一個具有圓光柵反饋的回轉裝置，其結構如圖2所示。

為便于實現弧齒錐齒輪的測量，本發明采用的測量裝置以激光位移傳感器為測量傳感器，所述的激光位移傳感器的讀數hi為被測工件表面上的光斑點在激光直線方向上偏離傳感器零位的位移。所述激光位移傳感器零位，位于沿激光射線方向距離光源發射點50mm的位置，且光斑點照射在零位時，激光位移傳感器的讀數為零，當被測點距離小于50mm時讀數hi為正，當被測點距離大于50mm時讀數hi為負。

本發明還提供一種采用上述具有多自由度的激光位移傳感器系統的弧齒錐齒輪測量方法，包括如下過程步驟。

1）在測量控制系統中，通過伺服電機驅動激光位移傳感器系統沿測量裝置的x軸、y軸導軌運動，使得激光位移傳感器的激光發射點運動到標定的測量回轉臺的中心位置。

2）如圖3和4所示，將被測齒輪平置裝夾在測量回轉臺上，使得被測零件的中心軸線與回轉臺中心軸線重合，使激光位移傳感器發射的激光束在被測弧齒錐齒輪的軸截面內垂直于分錐線并照射到被測齒輪齒寬中點處的齒廓上，沿著激光束投射的方向驅動激光位移傳感器的位置，使得被測齒廓處于激光位移傳感器的量程內；調節支架的兩個正交軸向旋轉機構并用鎖緊旋鈕鎖緊，使得激光位移傳感器盡可能與被測量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態，以保證激光位移傳感器發射的激光照射在被測齒輪齒面上的光斑點光源可以反射到激光位移傳感器的接收窗上，使得齒輪測量過程中，采集的數據完整有效。

3）在控制系統中驅動測量回轉臺旋轉一周360°。隨著測量回轉臺的旋轉，激光位移傳感器發射的激光束依次直射到被測齒輪齒寬中點處的所有齒廓上，在測量過程中，計算機控制激光位移傳感器以一定的時間間隔對被測齒廓處的光斑點位置信息根據圓光柵及激光位移傳感器讀數的反饋值進行采樣。

4）將激光位移傳感器采集到的數據，進行坐標系轉換，在直角坐標系中將離散的采集點擬合得到齒輪實際齒廓線并與理論的齒廓線進行比較，分析計算被測齒輪的齒廓、齒距、齒厚以及齒槽徑向跳動誤差。

為便于實現弧齒錐齒輪的各項參數誤差分析，激光位移傳感器在齒輪旋轉一周后將齒寬中點處的錐齒輪輪廓轉化成一系列離散數據點，每個數據點同時對映一個光柵位置。通過分析這些數據點的相對位置，可以計算出該齒輪的偏差數據。設所有采樣數據點為r={n1，n2，n3，……nn},ni=（hi,pi），。激光位移傳感器獲得的是齒廓上各點相對于中點分度圓的位移值h，對應的光柵位置為y。將測量的圓錐面的齒廓在平面上展開成當量齒輪，利用如下公式(3)將測量數據轉化為坐標量，根據齒廓在直角坐標系中的位置xi，yi擬合得到被測齒輪在齒寬中點處的實際齒廓，利用幾何坐標法計算錐齒輪的單項幾何偏差。

當量圓錐展開后對應的圓心角:

(1)

任意采樣點對應的展開扇面上的位置角:

根據位移數據hi與對應的位置角，任意采樣點在平面坐標系xoy中的坐標為：

（3）

式中，hi為激光位移傳感器的讀數，me為模數，re為外錐距，z為齒數，b為齒寬，δ為分錐角，齒寬系數，常用0.3，且所有齒輪參數為待測錐齒輪的大端參數。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明多自由度激光位移傳感器系統由激光位移傳感器和具有空間正交軸向旋轉自由度的支架組成。在測量弧齒錐齒輪時，可以調整傳感器支架的旋轉位姿使得激光位移傳感器盡可能與被測量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態，以保證傳感器發射的激光照射在被測齒輪齒面上的光斑點光源可以反射到傳感器的接收窗上，使得齒輪測量過程中，采集的數據完整有效。本發明有效的解決了使用激光位移傳感器進行弧齒錐齒輪這類具有復雜凹凸齒面的零件測量時，因被測齒面上的光斑點光源的反射光被未測齒面擋住，無法反射到傳感器接收窗，而出現的丟失一側齒面采集點數據的問題，具有測量儀器結構簡單，容易操作，靈活性高的特點。

附圖說明

圖1所示的是多自由度激光位移傳感器系統的結構

圖2所示的是多自由度激光位移傳感測量裝置結構

圖3是弧齒錐齒輪測量方法正視平面示意圖；

圖4是弧齒錐齒輪測量方法空間示意圖。

圖中：底座1、回轉架2、旋轉平臺3、快裝夾臺4、鎖緊旋鈕5、激光位移傳感器6、工作臺7、測量回轉臺8、尾頂機構9、z軸導軌10、y軸導軌11、x軸導軌12、弧齒錐齒輪13。

具體實施方式

如圖1所示的為本發明提出的一種多自由度激光位移傳感器系統，包括底座1、回轉架2、旋轉平臺3、快裝夾臺4、鎖緊旋鈕5。底座1上通過旋轉機構設有與其同中心軸線ⅰ軸的回轉架2，回轉架2可繞底座1的中心軸線ⅰ軸相對底座1做360°自由旋轉運動，回轉架2相對底座1的位姿可通過底座1的鎖緊旋鈕固5定。所述回轉架2上通過旋轉機構設有旋轉平臺3，且旋轉平臺3可相對回轉架沿ⅱ軸做180°的自由旋轉運動，旋轉平臺3上通過沉頭鎖緊螺絲安裝有快裝夾臺4。所述快裝夾臺4通過壓板與鎖緊旋鈕5可以裝夾激光位移傳感器6。

如圖2所示的為本發明采用的激光位移測量裝置，包括工作臺7，所述工作臺7上設有帶激光位移傳感器系統的三坐標平移裝置和測量回轉臺8及尾頂機構9。所述三坐標平移裝置包括固定在工作臺7上的x軸導軌12，所述x軸導軌12上設有滑動y軸導軌11，所述y軸導軌11上設有滑動z軸導軌10，所述z軸導軌10的滑臺與支架底座1通過螺紋連接，所述支架的快裝夾臺4上裝有激光位移傳感器6。其中所述測量回轉臺8由帶有圓光柵的精密伺服旋轉力矩電機通過控制器直接驅動。所述三坐標平移裝置10、11、12采用配有高精度光柵的精密滾珠絲杠導軌傳動，并由伺服電機驅動絲杠轉動。控制系統使用多軸控制卡通過自主編程實現對激光位移傳感器的運動控制。

本發明提出的一種采用上述具有多自由度的激光位移傳感器系統的弧齒錐齒輪測量方法，具體實施步驟如下。

1）在測量控制系統中，通過伺服電機驅動激光位移傳感器系統沿測量裝置的x軸、y軸導軌運動12、11，使得激光位移傳感器6的激光發射點運動到標定的測量回轉臺8的中心位置。

2）如圖3和4所示，將被測弧齒錐齒輪13平置裝夾在測量回轉臺8上，使得被測零件13的中心軸線與回轉臺8中心軸線重合，使激光位移傳感器6發射的激光束在被測弧齒錐齒輪13的軸截面內垂直于分錐線并照射到被測齒輪齒寬中點處的齒廓上，沿著激光束投射的方向驅動激光位移傳感器6的位置，使得被測齒廓處于激光位移傳感器6的量程內；調節支架的兩個正交軸向旋轉機構并用鎖緊旋鈕5鎖緊，使得激光位移傳感器6盡可能與被測量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態，以保證激光位移傳感器6發射的激光照射在被測弧齒錐齒輪13齒面上的光斑點光源可以反射到激光位移傳感器6的接收窗上，使得齒輪測量過程中，采集的數據完整有效。

3）在控制系統中驅動測量回轉臺8旋轉一周360°。隨著測量回轉臺8的旋轉，激光位移傳感器6發射的激光束依次直射到被測齒輪齒寬中點處的所有齒廓上，在測量過程中，計算機控制激光位移傳感器6以一定的時間間隔對被測齒廓處的光斑點位置信息根據圓光柵pi及激光位移傳感器讀數hi的反饋值進行采樣。

4）將激光位移傳感器采集到的數據，利用上述公式（1）-（3）進行坐標系轉換，在直角坐標系中將離散的采集點利用三次牛頓插值法擬合得到齒輪實際齒廓線并與理論的齒廓線進行比較，分析計算被測齒輪的齒廓、齒距、齒厚以及齒槽徑向跳動誤差。

當量圓錐展開后對應的圓心角:

(1)

任意采樣點對應的展開扇面上的位置角:

根據位移數據hi與對應的位置角，任意采樣點在平面坐標系xoy中的坐標為：

（3）

式中，hi為激光位移傳感器的讀數，me為模數，re為外錐距，z為齒數，b為齒寬，δ為分錐角，齒寬系數，常用0.3，且所有齒輪參數為待測錐齒輪的大端參數。

本發明多自由度激光位移傳感器系統由激光位移傳感器和具有空間正交軸向旋轉自由度的支架組成。在測量弧齒錐齒輪時，可以調整激光位移傳感器支架的旋轉位姿使得激光位移傳感器盡可能與被測量的弧形齒線保持相同的空間傾斜姿態，以保證激光位移傳感器發射的激光照射在被測齒輪齒面上的光斑點光源可以反射到激光位移傳感器的接收窗上，使得齒輪測量過程中，采集的數據完整有效。本發明有效的解決了使用激光位移傳感器進行弧齒錐齒輪這類具有復雜凹凸齒面的零件測量時，因被測齒面上的光斑點光源的反射光被未測齒面擋住，無法反射到激光位移傳感器接收窗，而出現的丟失一側齒面采集點數據的問題，具有測量儀器結構簡單，容易操作，靈活性高的特點。