專利名稱:計算機齒輪漸開線檢查方法及設備的制作方法
本發(fā)明涉及計算機技術和幾何量精密測量技術，更具體地說，本發(fā)明涉及具有計算機直角雙坐標位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的漸開線齒輪齒形誤差測量方法及設備。
漸開線檢查儀是齒輪精密加工過程的必備儀器。過去，此類儀器采用復雜的機械結構形成理論漸開線，作為測量比較的依據(jù);近年來又發(fā)展到用計算機形成非實體理論漸開線作為測量比較的依據(jù)。
為了高速測量物體的輪廓，目前一些先進國家發(fā)展了配備計算機的三坐標測量機，這種測量機可以用直角坐標采集物體表面各點的位置數(shù)據(jù)。對于一個多坐標位檢移測系統(tǒng)來說，隨位移檢測裝置的量程增大，系統(tǒng)實現(xiàn)一定精度的代價會急劇增加，齒形誤差的測量屬于兩坐標位移測量，對于整個零件來說，其本身的輪廓尺寸遠大于需要測量的齒廓幾何尺寸。所以，如果把一般的多坐標測量機用于齒形誤差的測量，則不但成本太高，也難以滿足測量精度的要求。此外，由于沒有便于使用的計算處理直角坐標漸開線齒廓采樣數(shù)據(jù)的計算方法及軟件，故一些先進國家相繼發(fā)展了采用極坐標采樣的電腦齒輪測量機，以此測量齒形誤差及其它誤差，采用極坐標采樣就意味著測量時被測齒輪必須轉動，還必須精確記錄旋轉角度。這就決定了這類儀器的機械結構部分必須包括一個精密迴轉付及其轉角檢測系統(tǒng)，故造價十分昂貴，例如最近進口價達百萬元以上。
與本發(fā)明有關的參考資料為《電動量儀》下冊-機械工業(yè)出版社出版;西德卡爾瑪，891EA齒輪測量中心使用說明書。
本發(fā)明的目的在于尋求一種新的測量方法，使用該方法檢測齒輪漸開線可以使齒輪不必轉動，齒輪的裝卡定位十分方便，使用該方法的本發(fā)明的漸開線檢查設備的造價可以大幅度下降。
下面是附圖的簡要說明圖1、是本發(fā)明的原理圖，用來說明本發(fā)明的方法及裝置。
圖2、是有效測量區(qū)坐標系UGV與測量坐標系XOY的關系概要圖。
圖3、為在測量坐標系中計算機生成的理論漸開線與實測齒廓曲線的關系圖。
圖4、是本發(fā)明的一個實施例裝置的結構圖。
圖5、是本發(fā)明中的一個實施例所用到的雙坐標傳感部分結構詳圖。
圖6、是用來確定XO、YO值的方法的示意圖。
下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明根據(jù)被測齒廓尺寸遠小于齒輪整體尺寸的情況，采用造價較低的小量程直角雙坐標位移傳感器，該傳感器的量程能復蓋被測齒廓的測量段即可。如圖1，雙坐標位移傳感器由兩個互相垂直的移動付組成(X移動付11和Y移動付12)。每個移動付分別帶有一個位移傳感元件(X傳感元件16和Y傳感元件18)，每個傳感元件可以分別把兩個移動付的位移變成一定形式的電信號送給計算機17。雙坐標傳感器的Y移動付12的定尺13固連在底坐14上。底座14可以沿滑軌15改變自己的位置，測量前，需把底座14固定在滑軌15的某一合適位置上，使Y傳感器有效易程復蓋齒廓曲線待測段。Y移動付的動尺20由電動機24牽引。X移動付11的定尺19與Y移動付12的動尺20固連。測量觸頭21固連在X移動付11的動尺22上。X移動付的定尺與動尺由一個彈簧裝置23連接。所以，觸頭21的位移就是兩個移動付的復合位移。雙坐標傳感器把反映該位移的電信號送給計算機，計算機處理后便可得到X與Y兩個移動付的位移數(shù)據(jù)。如圖2，這兩個位移數(shù)據(jù)分別是相對于X和Y傳感器有效區(qū)起始點G的位移值。把過G點而且與X移動付方向平行的直線作為U軸，把過G點而且與Y移動付方向平行的直線作為V軸，則計算機得到的位移數(shù)據(jù)就是觸頭的觸點在UGV座標系上的坐標。圖2中的陰影部分為有效測量區(qū)。如圖1所示，測量時電動機24在計算機17控制下牽引Y移動付的動尺，測量觸頭的觸點緊貼被測齒廓由齒根向齒頂滑動。在滑動過程中，由計算機對測量觸點的位置數(shù)據(jù)連續(xù)采樣，采樣點密度約為20點/毫米。采樣數(shù)據(jù)送入計算機內存。計算機采集到的這一系列數(shù)據(jù)就是齒廓曲線被測段在UGV坐標系中的多點描述。
如圖2，在UGV坐標平面上，把過被測齒輪軸心且與U軸平行的直線作為X軸，把過齒輪軸心且與V軸平行的直線作為Y軸，其交點為O，由此設立一個測量坐標系XOY，為了能用計算機生成的理論漸開線作為測量的比較基準，則必須把計算機得到的在UGV坐標系中的采樣數(shù)據(jù)轉換成XOY坐標系中的坐標數(shù)據(jù)。由于XOY系與UGV系互為平移系，所以只要計算機得到G點在XOY系中的坐標值(XO，YO)即可完成轉換工作。在本發(fā)明中計算機得到XO和YO值的方法是通過測量已知幾何尺寸的物體的方法而得到的。
參照圖1，測量時把被測齒輪25固定在一對頂尖26、27之間，使被測齒輪的有效齒廓曲線與Y軸相交，然后計算機控制電機牽引Y移動付的動尺，測量觸頭21在被測齒面上滑動的軌跡就是被測齒輪的實際齒廓曲線。在測量觸頭移動過程中，計算機連續(xù)采集觸頭的觸點在UGV坐標系中的位置數(shù)據(jù)并送入內存，而后將這些數(shù)據(jù)轉換成XOY坐標系中的坐標值數(shù)據(jù)。由于采樣點十分密集，所以計算機內存中的一系列采樣點坐標值數(shù)據(jù)就是測量坐標系XOY中被測齒廓曲線的多點描述，為了確定被測齒廓曲線的齒形誤差，計算機使用一條與被測齒廓曲線至少有一個交點的理論漸開線31作為比較基準。如圖3所示，滿足這個條件的理論漸開線有無數(shù)條，在本發(fā)明中選用通過Y軸與被測齒廓曲線32的交點K0的那一條。計算機在確定所用的理論漸開線的位置之前，首先尋跡找出被測齒廓曲線(以一系列采樣點坐標數(shù)據(jù)的形式存于計算機內存中)與Y軸的交點K0的坐標數(shù)據(jù)。這樣就唯一確定了所用理論漸開線的位置。本發(fā)明是用每個采樣點與該理論漸開線上的等半徑點進行比較。按本發(fā)明的計算公式，計算機可以計算出被測齒面上任一個采樣點到所用理論漸開線的法向距離▲Ji▲Ji＝Rb(arctg(Xi/yi)-tgarccos(Rb/x2i+ y2i]]>)+arccos(Rb/
)+tgarccos(Rb/y0)arccos(Rb/yo))式中Xi和yi是被測齒面上任一個采樣點在測量坐標系中的坐標數(shù)據(jù);y0是被測齒廓曲線與Y軸的交點處的y坐標值;Rb是被測齒輪基園半徑理論值。
當采樣點落到理論漸開線外側時，表明該點處齒面材料多出，▲Ji值為正。當采樣點落開理論漸開線內側時，表明該點處齒面材料虧缺，▲Ji值為負。軟件把被測齒面有效段的全部采樣點的▲Ji值計算完畢之后，把其中最大值和最小值作減法，所得的差值即為該齒面的齒形誤差值▲J。在計算機控制下，打印繪圖機28把所有的▲Ji值以齒形誤差曲線的形式輸出，同時打印輸出▲J值。該曲線的縱坐標是▲Ji值，橫坐標是基園展開長度。
在數(shù)據(jù)處理過程中，如果計算機得到的XO與YO值不準確，存在著誤差▲XO與▲YO，則計算機得到的數(shù)據(jù)不是采樣點在測量坐標系中的坐標值，而是在一個依次平移▲XO、▲YO后產(chǎn)生的新坐標系中的坐標值。
本發(fā)明的測量方法中包括使用已知齒形誤差曲線的漸開線輪廓校準XO值和YO值的方法。
具體方法是根據(jù)本發(fā)明的推證公式，可以用計算機摸擬畫出當△XO與△YO不等于零時，齒形誤差曲線在兩端和中點處變形的情況，從計算機模擬的由△XO和△YO引起的測量結果曲線的變形情況可以看出，當△YO＝0時如果△XO為正值則曲線變形趨于上凹和頂盈。
如果△XO為負值則曲線變形趨于下凹和頂虧。
當△XO＝0時如果△YO為正值則曲線變形趨于上凹和頂虧。
如果△YO為負值則曲線變形趨于上凹和頂盈。
在校準XO和YO值時，先對一個已知齒形誤差曲線的漸開線齒廓進行測量，計算機把各采樣點的△Ji值求出后，與該齒廓的已知誤差曲線進行比較，根據(jù)比較結果修正YO值，使重新處理采樣數(shù)據(jù)后得出的△Ji值所對應的結果曲線兩端高度差與已知結果曲線一致。而后計算機比較所得結果曲線相對于已知結果曲線的凹凸變化，如果所得結果曲線變形趨向于上凹，則△XO必定為正，如果所得曲線變化趨于下凹，則△XO必定為負。計算機判斷了△XO的符號后，根據(jù)所得曲線凹凸變化程度就可以定向定量地修正XO值。這個過程重復幾次后，就可以使△XO和△YO都趨于零。
校準XO和YO值使用的漸開線輪廓需要有高一級精度的儀器測出的齒形誤差曲線，但其本身不需要有很高的齒形精度，這是與一般漸開線樣板有區(qū)別的，故稱為校準板。所用的校準板可以和被測齒輪參數(shù)完全不同。
由于本方法在測量過程中齒輪無須轉動，而且測量前的定位簡單易行，計算機可以精確確定輸出結果曲線的起始點，所以本方法可以實現(xiàn)對被測齒廓有效段進行分段測量，測量后把幾段的結果曲線首尾銜接即可。這對于巨形齒輪的測量據(jù)有重要意義。
在本發(fā)明中，雙坐標傳感器的量程只需復蓋被測齒面待測段(該待測段可以是齒廓曲線有效段長度的數(shù)分之一)即可，所以其制造成本和難度遠遠小于一般坐標測量機的位移檢測系統(tǒng)，并且容易達到比后者小得多的示值誤差。
對比現(xiàn)有的極坐標電腦測齒儀器，由于本發(fā)明的測量方法在測量時不需要被測齒輪旋轉運動，故實現(xiàn)此方法的裝置的制造成本大幅度下降。特別重要的是，按本發(fā)明的測量方法，由于計算機自動找出Y軸與被測齒廓曲線的交點，測量時被測齒輪不需要按繞軸旋轉方向精確定位，只需被測齒廓曲線待測段與Y軸相交即可。滿足這個條件的被測齒輪裝卡旋轉自由范圍一般寬達1度以上，這對操作者來說，是一個極大的便利。
另外，正是由于本發(fā)明的測量方法所用的雙坐標傳感器有效范圍只需復蓋被測齒面的待測段，以及計算機自動找出被測齒廓曲線與Y軸的交點，所以按本發(fā)明的測量方法，可以用很低的成本制成測量大型以及巨形齒輪的裝置，這對于先有技術來講是十分困難的。
下面將敘述的是本發(fā)明的實施例的具體設備的結構，參見圖4。
圖中，51為一基座，立柱52固連在基坐51上。下頂尖511固定在基坐51上，上頂尖512固定在立柱52上，上、下頂尖應同軸且尖對尖，被測齒輪53卡在上、下兩頂尖之間，且該兩頂尖之間的間是可調的并由卡框14實現(xiàn)對齒輪繞軸旋轉自由度定位。大拖板520可以在基座51上的導軌515上滑移，以便固定在它上面的雙坐標位移傳感器56可以對于不同直徑的被測齒輪都能獲得合適的位置。雙坐標位移傳感器526可以在大拖板上的立滑軌24上，上下滑移，以便適應不同軸長的齒輪的檢測要求。雙坐標傳感器526中的X傳感器所感受的位移方向是被測齒輪的切向，Y傳感器所感受的位移方向是被測齒輪的徑向。該雙坐標傳感器526的結構將在后面結合圖5給予詳細討論。測量觸頭527固連在X傳感器移動付的動尺上，通過測量觸頭的觸點且與X、Y傳感器的方向都平行的平面是測量平面。頂尖511、512的軸心線與測量平面的交點是測量坐標系的原點O。與X傳感器方向平行且過O點的直線是測量坐標系的X軸。與Y傳感器方向平行且過O點的直線是Y軸。儀器隨機自帶數(shù)塊校準板。每個校準板上有數(shù)個基園半徑不同的漸開線齒廓，每個齒廓附著一條齒形誤差曲線及其頂園半徑數(shù)據(jù)。測量前先選一個與被測齒輪基園半徑相近的校準板齒廓。測量時移動大拖板520，使雙坐標位移傳感器有效范圍即可以復蓋被測齒輪的被測段，又可以復蓋校準板齒廓的大部分。裝卡校準板參見附圖6。沿X傳感器方向移動測量觸頭，使測量觸頭前的小平面71與Y軸相交。沿Y軸傳感器方向移動測量觸頭，使測量觸頭與校準板頂圓面72接觸。此時啟動計算機的一個專用工作移序，參見圖6計算機自動把已知校準板頂圓半徑R與Y傳感器的讀值減法求出Y傳感器有效區(qū)域E的起始是X軸的距離YO值，由X傳感器有效區(qū)起始點到Y軸的距離XO值也可以用類似的方法得到。參見圖4，由于在移動大拖板520時，不會引起XO值的改變，所以只是在制造儀器時需測取XO值，測取后由計算機存入磁盤文件，測量時可直接使用。有了XO值和YO值，只要雙坐標傳感器上的測量觸頭的觸點在有效范圍之內，雙坐標傳感器輸出一組相對有效區(qū)起點的位移。計算機軟件就可以分別把它們與XO及YO求和，從而得到測量觸點在測量坐標系中的坐標值。到此為止我們所得到的XO值和YO值可能存在有少許誤差。裝卡校準板，對校準板進行測量，按本說明書前面所述校準XO值和YO值后，即可裝卡被測齒輪進行測量。測量所得結果曲線及△J值，在繪圖打印機上輸出。
在本實施例中所采用的雙坐標傳感器結構請參見附圖5，原理圖參見圖1。
雙座坐傳感器是由兩個互相垂直的位移傳感器組成，即X傳感器和Y傳感器。每個傳感器由移動付和傳感元件組成。Y傳感器的移動付定尺61和Y傳感元件的定端65在測量時固定不動。Y傳感器動尺62上固連著X傳感器移動付的定尺63，X傳感元件的定端610和Y傳感元件的動端64。X傳感器的移動付的動尺67固定著剛性測頭68和X傳感元件的動端69。彈簧612一端固定在X移動付定尺63上，另一端固定在X移動付動尺67上。在彈簧612的拉力作用下，觸頭68上的測量觸點A可以緊貼被測齒廓。Y傳感器的動尺62在驅動機構的驅動下可以從齒根至齒頂方移動。
權利要求
1.一種用實測的齒廓曲線與計算機生成的理論漸開線相比較的齒輪漸開線檢測方法，其特證在于該方法由如下步驟組成a)提供一個雙座標位移傳感器，該位移傳感器的測量觸頭的有效測量區(qū)可以復蓋一個齒的漸開線的被測段；b)設立一個有效測量區(qū)坐標系UGV，以該有效測量區(qū)的起始為原點G，U軸與V軸分別平行于雙座標位移傳感器的兩個方向；c)設立一個測量坐標系XOY，以裝卡被測齒輪的一對頂尖的中心軸線與測量平面的交點為原點，X軸與Y軸分別平行于U軸與V軸；d)確定出所述有效測量區(qū)坐標系原點G在所述測量坐標系中的坐標值XO與YO；e)把被測齒輪裝卡在所述頂尖上，使被測齒廓曲線與所述Y軸相交；f)使所述觸頭在被測齒面上滑動，計算機對所述雙坐標位移傳感器的輸出信號進行連續(xù)采樣，得到一組相對于UGV坐標系的實測齒廓曲線的多點坐標值，對其進行坐標變換，得到一組相對于XOY坐標系的實測齒廓曲線的多點坐標值，并存入計算機之中；g)確定出所述實測齒廓曲線與所述Y軸的交點的坐標值；h)計算機在XOY坐標系中確定出一條通過所述交點的理論漸開線，用所述實測齒廓曲線的多點坐標值與所述理論漸開線上由對應的等半徑點進行逐點比較，從而得到齒形誤差曲線和齒形誤差值。
2.根據(jù)權項1的齒輪漸開線檢測方法，其特征在于所述實測齒廓曲線的多點坐標值與所述理論漸開線的比較是通過以下公式進行的△ Ji= Rb (arctg (Xi/yi) -tgarccos (Rb/X2i+y2i)+arccos (Rb/]]>x2i+ y2i) + tgarccos (Rb/yo) - arccos (Rb/yO))]]>其中△Ji為被測齒面上任一個采樣點到理論漸開線的法向距離;Xi和yi是被測齒面上的任一個采樣點在XOY座標系中的坐標值;yo是被測齒廓曲線與Y軸交點處的y坐標值;Rb是被測齒輪基園半徑理論值。
3.根據(jù)權項1或2的齒輪漸開線檢測方法，其特征在于使用已知幾何尺寸的實體確定XO值和YO值。
4.根據(jù)權項1，2或3的齒輪漸開線檢查測方法，其特征在于使用已知齒形誤差曲線的漸開線輪廓校準XO值和YO值。
5.一種用于齒輪漸開線檢查設備，其特點在于，它是由下列部件組成一觸頭，用來接觸被測物，且在被測物上滑動，檢測該被測物表面各點的位置數(shù)據(jù);一雙坐標位移傳感裝置，它由一X位移傳感元件和一Y位移傳感元件組成，用來將觸頭在X，Y方向的位移量轉換成電信號;一X方向上的X移動付，它包括一X定尺和一X動尺;一Y方向上的Y移動付，它包括一Y定尺和一Y動尺;一彈簧，用來帶動識X動尺在該X定尺上移動;一電機，用來牽引該Y動尺在該Y定尺上移動;一對頂尖，用來夾住被測物;一卡具，用來防止被測物轉動;一拖板，一基座，一計算機采集處理裝置，用來采集該雙坐標位移傳感器的信息，并對這些信息進行處理;一輸出裝置，用來輸出上述處理結果;其中，所述X，Y移動付的方向X，Y方向是相互垂直的，且X移動付的方向X方向與被測齒廓某點的切向平行;所述觸頭固定在所述的X動尺上;所述X定尺固定在該Y動尺上;設Y定尺被固定在所述拖板上;所述的一對頂尖，一卡具都被固定在該基座上;X傳感器安裝在X移動付上，Y傳感器安裝在Y移動付上;所述大拖板可以在所述基座上移動，從而使得本設備能測量不同大小的齒輪的漸開線。
6.根據(jù)權項5的設備，其中所述的彈簧一端固定在X動尺上，由于所述觸頭固定X動尺上，則該觸頭能依靠彈簧的拉力，沿被測物的輪廓移動。
7.根據(jù)權項5的設備，其中所述的一雙頂尖，被尖對尖地固定在基座上，且兩個尖之間的距離是可調的，從而可適應不同長度的被測齒輪的要求。
8.根據(jù)權項5到7的設備，其中所述的連接應使得所述觸頭的移動范圍能夠覆蓋被測段。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種應用計算機進行數(shù)據(jù)采集及處理的齒輪漸開線檢測方法及其設備。其中，采用了一雙坐標位移傳感裝置，將齒輪尺廓各點位置的數(shù)據(jù)傳送給計算機，計算機根據(jù)本發(fā)明的方法進行處理，將處理結果打印輸出。由于使用了計算機和新的測量方法，大大提高了測量精度。
文檔編號G01B7/28GK85102882SQ85102882
公開日1987年1月14日 申請日期1985年4月17日
發(fā)明者李徐來 申請人:北京市清潔機械廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan