关键词:
齿轮
齿轮测量
齿轮线激光测量
齿轮三维误差
线激光传感器位姿标定
摘要:
齿轮测量技术是齿轮质量评价的基础。传统的齿轮测量以齿面上少量的点、线测量为主,仅包含了复杂齿面形状的局部信息,难以反映整个齿轮的全貌,并且存在测量效率低的问题。近年来,为快速获取完整的三维齿面形貌,光学测量技术在齿轮测量领域逐渐得到发展,包括激光三角、激光全息、工业CT、机器视觉等测量方法。其中,线激光测量作为一种典型的激光三角测量方法,是实现三维齿面快速测量的一种有效手段,并开始走向应用。但相对于业已成熟的基于点、线的常规齿轮测量方法,齿轮线激光三维测量方法还不完善,尤其在三维齿面测量数据的获取与利用方面。
本文通过理论研究与技术创新,解决了齿轮线激光三维测量中线激光传感器位姿参数标定问题,厘清了齿面测量角的影响及作用规律,剖析了相邻轮齿对测量光线的遮挡现象并提出了相应的改善策略,确定了线激光传感器在齿轮三维测量中的最佳位姿,为快速、高精度获取三维齿面提供了技术支撑。基于齿轮线激光三维测量原理,研制了齿轮线激光三维测量仪器,不仅满足现行标准中精度评价指标的测量需求,同时具备测量法向啮合齿廓、齿面扭曲等新功能,拓展了三维齿面测量数据的利用。
主要研究内容如下:
(1)提出了齿轮线激光三维测量中线激光传感器位姿参数标定方法。采用基于线激光传感器的齿轮旋转扫描方式,建立了机器坐标系、齿轮坐标系、传感器坐标系和测量光线坐标系之间的空间转换关系,构建了齿轮线激光三维测量模型,解决了齿轮三维齿面信息的获取问题。发明了一种具有特定几何特征的专用标准件,提出了线激光传感器空间位姿参数的标定方法,确定了线激光传感器在机器坐标系下的精确位姿,五次重复标定后的动态重复性小于2μm,保证了测量数据的准确性。
(2)建立了齿面测量角模型并揭示其对齿面数据丢失情况的影响规律。针对齿轮线激光三维测量中因测量角过大而造成齿面数据丢失的问题,明确了齿面测量角的定义,并建立了测量角模型。通过仿真分析与实测实验,验证了该模型在渐开线圆柱齿轮测量中的正确性。基于齿面测量角模型,分析了齿面数据丢失情况,如果有效控制齿面测量角的影响,当前实验条件下的齿轮全齿宽测量效率会大大提升,最高可提升效率50%。根据仿真与实验分析,针对不同几何参数的被测齿轮,通过调整线激光传感器的位姿参数,可以减小测量角对齿面数据获取的影响,避免了齿轮线激光三维测量中的齿面数据丢失问题。
(3)建立了相邻轮齿遮光区域模型并揭示其形成规律、提出改善策略。在齿轮线激光三维测量中,线激光传感器沿被测齿轮切向过大的偏置量将造成相邻轮齿之间对测量光线产生遮挡现象。采用射影几何学平行投影原理,将空间曲面的遮挡问题简化为平面曲线的相对位置关系,解析了相邻轮齿对测量光线的遮挡过程,并建立了遮光区域模型。通过仿真分析与实测实验,验证了该模型在渐开线圆柱齿轮测量中的正确性。剖析了相邻轮齿遮光区域的形成规律,如果有效控制相邻轮齿间遮光现象,当前实验条件下的齿轮全齿宽测量效率会大大提升,最高可提升效率70%。根据仿真与实验分析,明确了不同线激光传感器偏置量和不同测量光平面倾斜角下遮光现象发生的阈值条件,并提出了减小遮光区域的改善策略,为齿轮线激光三维测量过程中线激光传感器路径规划、避免相邻轮齿遮光提供依据,保障了三维齿面数据的完整性。
(4)确定了线激光传感器在齿轮三维测量中的最佳位姿。在齿轮线激光三维测量过程中,线激光传感器沿被测齿轮切向偏置量的大小直接影响了齿面测量角和轮齿遮光现象,并且二者的作用规律是相反的。既要减小齿面测量角的影响,又要避免相邻轮齿对测量光线的遮挡,应根据测量角模型中的最小偏置量和相邻轮齿遮光现象中的最大偏置量,综合考虑并选择合理权重,确定线激光传感器沿被测齿轮切向的最佳偏置量。同时,线激光传感器测量光平面的倾斜角度应遵循由被测齿轮旋向确定线激光传感器倾斜方向的基础上,测量光平面尽量沿与螺旋线垂直方向照射在被测齿面上。
(5)研制了齿轮线激光三维测量仪器。根据齿轮线激光三维测量原理,确定了测量仪器的总体设计方案,研制出齿轮线激光三维测量仪器。基于该测量仪器,综合考虑齿面测量角的影响以及相邻轮齿的遮光问题,调整线激光传感器的空间最佳位姿,并采用具有特定几何特征的专用标准件精确标定了线激光传感器在机器坐标系下的位姿参数,并进行了齿轮测量实验。分析了原始点云、齿廓偏差、齿距偏差的测量重复性,动态测量重复性均小于2μm,测量结果具有较好的一致性。根据齿轮精度标准ISO 1328-1:2013,测量了齿廓偏差、螺旋线偏差、齿距偏差和拓扑误差,并与中国计量科学研究院出具的检测报告进行对比分析,验证了齿轮线激光三维测量仪器满足5级精度齿轮的测量需求。
(6)拓展了三维齿面测量数据的利用。基于三维齿面的法向误差,不仅提取了现行标准中的精度评价指标,还定义了新的评价指标,更能全面地表征真实齿面的质量情况。提出了具