基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法

摘要

本发明公开了基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法，建立被测渐开线圆柱齿轮的三维数学模型，线结构光传感器测头的运动控制规划；将线结构光传感器测头代替传统式接触测头，扫描被测渐开线圆柱齿轮的接触线，与其他测量相比具有最好的测量精度，既保留了光学测量快速、测头与被测件无磨损、数据关联性强、便于安装和维护等优点，又能获得满足测量要求的精度。该测量方法充分利用了渐开线圆柱齿轮接触线为直线的特点和线结构光测量直线准确度高的优点，实现齿轮高精度的光学快速、全信息测量。

权利要求

1.基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法，包括下述步骤：

S1：建立被测渐开线圆柱齿轮的三维数学模型；

建立被测渐开线圆柱齿轮的三维模型的坐标系，其中δ0(O0；X0,Y0,Z0)是被测渐开线圆柱齿轮所在的静止坐标系；O0为被测渐开线圆柱齿轮基圆的对称中心，X0,Y0,Z0分别为坐标系δ0下的三个坐标轴，rb为被测渐开线圆柱齿轮的渐开线螺旋面基圆柱半径；在静止坐标系δ0下，被测渐开线圆柱齿轮的齿面方程为 是被测渐开线圆柱齿轮齿面上任意一点的方向向量，u,v是被测渐开线圆柱齿轮的齿面参数，θ1是被测渐开线圆柱齿轮在静止坐标系δ0下的旋转角度；与被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱相切的平面方程为是被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱切平面上任意一点的方向向量，θ2是该平面在静止坐标系δ0下的旋转角度；被测渐开线圆柱齿轮的齿面r与渐开线螺旋面基圆柱的切平面p相交于一条直线l，这条直线l就是被测渐开线圆柱齿轮的接触线，其直线方程表示为被测渐开线圆柱齿轮接触线的法线方向向量为

取线结构光传感器测头射出光线的中点O2为坐标系原点，Z2轴与被测渐开线圆柱齿轮的接触线法线 共线，Y2轴与被测渐开线圆柱齿轮的接触线l共线，建立线结构光传感器测头所在的坐标系δ2(O2；X2,Y2,Z2)，X2,Y2,Z2分别为坐标系δ2下的三个坐标轴；

S2：线结构光传感器测头的运动控制规划；

固定线结构光传感器测头，当光线没有遮挡时，被测渐开线圆柱齿轮顺时针旋转，旋转角为θ1时线结构光开始进入并扫描齿轮齿面；被测渐开线圆柱齿轮继续匀速旋转，旋转角为θ2时线结构光开始离开齿轮齿面结束扫描；但是，实际情况下测量光线会被相邻齿所遮挡，此时遮挡临界角为θk；因此，对一个齿面的扫描需分为两步进行：θ1→θk，θk→θ2，线结构光传感器测头的运动控制方式不同；

θ1→θk：固定线结构光传感器测头，按预设转速使被测渐开线圆柱齿轮做顺时针旋转运动，即可实现θ1→θk之间的区域扫描测量并获取大量齿面信息数据；

θk→θ2：θk→θ2之间的区域为光线遮挡区域，被测渐开线圆柱齿轮转速不变，继续做顺时针旋转运动；此时，线结构光传感器测头需沿Y0轴方向做直线运动，并绕Y2轴旋转；被测渐开线圆柱齿轮的转速运动与线结构光传感器测头的平移与旋转运动相互配合，实现该区域的扫描测量并获取大量齿面信息数据；

通过运动控制规划的线结构光传感器测头，完成对被测渐开线圆柱齿轮齿面一周的扫描时，调整测头在Z0轴的位置继续重复扫描过程，完成对被测渐开线圆柱齿轮右齿面全部特征信息提取，由此实现快速测量。

说明书

基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种齿轮线结构光快速扫描测量方法，特别是涉及一种基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法，属于精密测试技术、齿轮检测领域。

背景技术

[0002] 齿轮作为一种重要的基础传动件，其传动具有承载能力大、传动精度高、传动功率恒定等优点，已成为各类机械设备中用于传递运动和动力的关键部件。因此，保障齿轮质量是促进齿轮加工制造、广泛应用的重要一环。进一步发展现代齿轮测量技术，不断提高测量精度，快速获取齿轮齿面全信息数据显得尤为重要。目前，齿轮齿面信息的获取技术主要分为接触式和非接触式两种。接触式测量技术较为成熟，属于单点式数据采集，但测量速度慢、效率不高。随着各行业对齿轮需求的日益增加，大批量齿轮质量100％检测的压力也越来越大，亟待提升测量效率。而以光学测量为代表的非接触式测量方法逐渐被大家所熟知，其快速性大大提高了测量速度，更有利于高精度快速获取能反映齿轮齿面特征的全信息数据。线结构光测量方法作为一种主动式的光学测量技术，广泛应用于齿轮特征数据的获取，具有测量速度快、精度高、不会损伤被测齿轮、数据关联性强、便于安装和维护等特点。但是，线结构光测量齿轮的难点在于齿根附近陡峭的齿面严重降低了测量精度。

[0003] 渐开线圆柱齿轮的齿面是渐开螺旋面，特征线共有四条：渐开线、螺旋线、法向啮合线和接触线。其中，只有渐开线圆柱齿轮齿面上的接触线是直线。基于线结构光传感器，测量渐开线圆柱齿轮的直线轮廓具有最好的测量精度。

[0004] 基于上述齿轮测量的现状和问题，提出了一种基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法，既保留了光学测量快速、全信息的优点，又能获得满足测量要求的精度。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有渐开线圆柱齿轮测量方法中存在的问题，提供一种基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法。基于线结构光传感器，快速扫描渐开线圆柱齿轮的接触线，获取齿轮齿面的全信息数据，并能满足测量要求的精度。

[0006] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

[0007] 一种基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法，包括下述步骤：

[0008] S1：建立被测渐开线圆柱齿轮的三维数学模型。

[0009] 建立被测渐开线圆柱齿轮的三维模型的坐标系，其中δ0(O0；X0,Y0,Z0)是被测渐开线圆柱齿轮所在的静止坐标系；O0为被测渐开线圆柱齿轮基圆的对称中心，X0,Y0,Z0分别为坐标系δ0下的三个坐标轴，rb为被测渐开线圆柱齿轮的渐开线螺旋面基圆柱半径。在静止坐标系δ0下，被测渐开线圆柱齿轮的齿面方程为 是被测渐开线圆柱齿轮齿面上任意一点的方向向量，u,v是被测渐开线圆柱齿轮的齿面参数，θ1是被测渐开线圆柱齿轮在静止坐标系δ0下的旋转角度。与被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱相切的平面方程为 是被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱切平面上任意一点的方
向向量，θ2是该平面在静止坐标系δ0下的旋转角度。被测渐开线圆柱齿轮的齿面r与渐开线螺旋面基圆柱的切平面p相交于一条直线l，这条直线l就是被测渐开线圆柱齿轮的接触线，其直线方程表示为

[0010]

[0011] 被测渐开线圆柱齿轮接触线的法线方向向量为

[0012] 取线结构光传感器测头射出光线的中点O2为坐标系原点，Z2轴与被测渐开线圆柱齿轮的接触线法线 共线，Y2轴与被测渐开线圆柱齿轮的接触线l共线，建立线结构光传感器测头所在的坐标系δ2(O2；X2,Y2,Z2)，X2,Y2,Z2分别为坐标系δ2下的三个坐标轴。

[0013] S2：线结构光传感器测头的运动控制规划。

[0014] 固定线结构光传感器测头，当光线没有遮挡时，被测渐开线圆柱齿轮顺时针旋转，旋转角为θ1时线结构光开始进入并扫描齿轮齿面。被测渐开线圆柱齿轮继续匀速旋转，旋转角为θ2时线结构光开始离开齿轮齿面结束扫描。但是，实际情况下测量光线会被相邻齿所遮挡，此时遮挡临界角为θk。因此，对一个齿面的扫描需分为两步进行：θ1→θk，θk→θ2，线结构光传感器测头的运动控制方式不同。

[0015] θ1→θk：固定线结构光传感器测头，按预设转速使被测渐开线圆柱齿轮做顺时针旋转运动，即可实现θ1→θk之间的区域扫描测量并获取大量齿面信息数据。

[0016] θk→θ2：θk→θ2之间的区域为光线遮挡区域，被测渐开线圆柱齿轮转速不变，继续做顺时针旋转运动。此时，线结构光传感器测头需沿Y0轴方向做直线运动，并绕Y2轴旋转。被测渐开线圆柱齿轮的转速运动与线结构光传感器测头的平移与旋转运动相互配合，实现该区域的扫描测量并获取大量齿面信息数据。

[0017] 通过上述运动控制规划的线结构光传感器测头，完成对被测渐开线圆柱齿轮齿面一周的扫描时，调整测头在Z0轴的位置继续重复扫描过程，完成对被测渐开线圆柱齿轮右齿面全部特征信息提取，由此实现快速测量。

[0018] 与上述快速测量原理相同，完成对被测渐开线圆柱齿轮左齿面全部特征信息的提取。从而实现快速获取能够反映被测渐开线圆柱齿轮齿面全部特征信息的数据云集。

[0019] 本发明的渐开线圆柱齿轮线结构光快速扫描测量方法有以下显著特点：

[0020] 1.非接触式光学测量方法代替了传统接触式测量；

[0021] 2.该测量方法选用线结构光传感器作为测头，具有测量速度快、测头无磨损、精确度高、量程可调、数据关联性强、便于安装和维护等特点；

[0022] 3.该方法是一种扫描齿轮接触线的测量方法，渐开线圆柱齿轮渐开螺旋面上的接触线是直线，测量齿轮的直线轮廓具有最好的测量精度。

[0023] 4.该测量方法既保留了光学测量快速、全信息的优点，又能获得满足测量要求的精度。

附图说明

[0024] 图1被测渐开线圆柱齿轮的三维模型

[0025] 图中：1、线结构光传感器测头，2、被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面的基圆柱，3、被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱的切平面，4、被测渐开线圆柱齿轮的齿面。

具体实施方式

[0026] 以下结合具体加工实例对本发明进行说明：

[0027] 采用斜齿渐开线圆柱齿轮作为被测齿轮，其参数：法向压力角αn＝27.5°，法向模数mn＝3，齿数z＝27，螺旋角β＝18°，右旋，齿顶高ha＝2.527，齿根高hf＝3.75。

[0028] 一种基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法的步骤如下：

[0029] S1：建立斜齿渐开线圆柱齿轮的三维数学模型。

[0030] 建立如图1所示的坐标系，其中δ0(O0；X0,Y0,Z0)是被测渐开线圆柱齿轮所在的静止坐标系；O0为被测渐开线圆柱齿轮基圆的对称中心，X0,Y0,Z0分别为坐标系δ0下的三个坐标轴，rb为被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面的基圆柱半径，且有

[0031]

[0032] 在静止坐标系δ0下，被测渐开线圆柱齿轮的齿面方程为 是被测渐开线圆柱齿轮齿面上任意一点的方向向量，u,v是被测渐开线圆柱齿轮的齿面参数，θ1是被测渐开线圆柱齿轮在静止坐标系δ0下的旋转角度。与被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱相切的平面方程为 是被测渐开线圆柱齿轮渐开线螺旋面基圆柱切平
面上任意一点的方向向量，θ2是该平面在静止坐标系δ0下的旋转角度。被测渐开线圆柱齿轮的齿面r与渐开线螺旋面基圆柱的切平面p相交于一条直线l，这条直线l就是被测渐开线圆柱齿轮的接触线，其直线方程表示为

[0033]

[0034] 被测渐开线圆柱齿轮接触线的法线方向向量为

[0035] 取线结构光传感器测头射出光线的中点O2为坐标系原点，Z2轴与被测渐开线圆柱齿轮的接触线法线 共线，Y2轴与被测渐开线圆柱齿轮的接触线l共线，建立线结构光传感器测头所在的坐标系δ2(O2；X2,Y2,Z2)，X2,Y2,Z2分别为坐标系δ2下的三个坐标轴。

[0036] S2：线结构光传感器测头的运动控制规划。

[0037] 固定线结构光传感器测头，当光线没有遮挡时，被测渐开线圆柱齿轮顺时针旋转，旋转角为θ1时线结构光开始进入并扫描齿轮齿面。被测渐开线圆柱齿轮继续匀速旋转，旋转角为θ2时线结构光开始离开齿轮齿面结束扫描。但是，实际情况下测量光线会被相邻齿所遮挡，此时遮挡临界角为θk。因此，对一个齿面的扫描需分为两步进行：θ1→θk，θk→θ2，线结构光传感器测头的运动控制方式不同。

[0038] θ1→θk：固定线结构光传感器测头，按预设转速使被测渐开线圆柱齿轮做顺时针旋转运动，即可实现θ1→θk之间的区域扫描测量并获取大量齿面信息数据。

[0039] θk→θ2：θk→θ2之间的区域为光线遮挡区域，被测渐开线圆柱齿轮转速不变，继续做顺时针旋转运动。此时，线结构光传感器测头需沿Y0轴方向做直线运动，并绕Y2轴旋转。被测渐开线圆柱齿轮的转速运动与线结构光传感器测头的平移与旋转运动相互配合，实现该区域的扫描测量并获取大量齿面信息数据。

[0040] 通过上述运动控制规划的线结构光传感器测头，完成对被测渐开线圆柱齿轮齿面一周的扫描时，调整测头在Z0轴的位置继续重复扫描过程，完成对被测渐开线圆柱齿轮右齿面全部特征信息提取，由此实现快速测量。

[0041] 与上述快速测量原理相同，完成对被测渐开线圆柱齿轮左齿面全部特征信息的提取。从而实现快速获取能够反映被测渐开线圆柱齿轮齿面全部特征信息的数据云集。

[0042] 一种基于齿面接触线测量的齿轮线结构光快速扫描测量方法，将线结构光传感器测头代替传统式接触测头，扫描被测渐开线圆柱齿轮的接触线，与其他测量相比具有最好的测量精度，既保留了光学测量快速、全信息、测头与被测件无磨损、数据关联性强、便于安装和维护等优点，又能获得满足测量要求的精度。

[0043] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。