螺旋傘齒輪關鍵參數雷射檢測系統及其檢測方法與流程

2023-04-30 02:27:16

本發明涉及一種基於雷射三角位移傳感器的螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測系統和方法，屬於光學檢測技術領域。

背景技術：

螺旋傘齒輪是一種重要的傳動部件，具有傳動效率高、傳動比穩定、工作可靠和壽命長等優點，因此被廣泛應用於汽車、工具機、航空等多個領域。例如螺旋傘齒輪作為汽車後橋主減速器中的重要傳動部件，其質量直接影響到汽車的舒適性和安全性。螺旋傘齒輪在鍛造過程中可能會產生不合格的產品，如果這些不合格的產品被使用到汽車中將會影響汽車的安全性，因此對螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測也是尤為重要的。

目前提出的齒輪參數的檢測系統和檢測方法大多數是針對直齒輪和特大型齒輪，而無法實現螺旋傘齒輪關鍵參數的快速精準檢測。

本發明針對螺旋傘齒輪齒頂圓半徑、齒根圓半徑和齒距偏差的檢測提出了一種非接觸式的高精度、高效率的測量方法。

技術實現要素：

基於目前齒輪參數的檢測系統和檢測方法無法實現螺旋傘齒輪關鍵參數的快速精準檢測，本發明針對螺旋傘齒輪的檢測提出了一種螺旋傘齒輪關鍵參數檢測系統和檢測方法。

本發明的技術方案如下：

一種螺旋傘齒輪關鍵參數雷射檢測系統，包括箱體、旋轉機構、工作檯、迴轉平臺、定心裝置、第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器、第三雷射三角位移傳感器、橫梁、伺服電機、立柱、Z軸導軌、X軸導軌、數據採集及通信系統、數據處理與顯示系統，所述工作檯固定安裝在所述箱體上，在所述工作檯上設有所述迴轉平臺和所述立柱，所述立柱與所述迴轉平臺垂直，所述伺服電機安裝在所述立柱上；所述迴轉平臺通過轉軸與旋轉機構連接，在所述旋轉機構的驅動下進行旋轉；在所述迴轉平臺上設有所述定心裝置，待測螺旋傘齒輪經過定心處理後在電磁力的作用下吸合固定在所述迴轉平臺上並且能隨所述迴轉平臺同步轉動；所述橫梁垂直安裝在所述立柱上，所述立柱上設有與其平行的所述Z軸導軌；所述橫梁在所述伺服電機的驅動作用下沿著所述Z軸導軌滑動，所述橫梁上設有與所述橫梁平行的X軸導軌；第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器分別設置在所述橫梁上，用於同時對待測齒輪的不同參數進行測量，三個所述雷射三角位移傳感器在所述伺服電機的驅動下沿X軸導軌移動，並且第三雷射位移傳感器的角度在測量過程中可根據被測齒輪的節錐角進行調節；所述數據採集及通信系統與第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器相連接，所述數據採集及通信系統將獲取的數據傳送到數據處理系統，數據處理系統對獲得的數據進行相應的坐標轉換、誤差分離、擬合計算後由所述的顯示系統顯示出檢測結果。

優選的，所述迴轉平臺為一個通電後能產生電磁力的電磁機構並且在所述旋轉機構的驅動下能進行旋轉，所述旋轉機構包括轉軸、角位移傳感器和伺服驅動系統，所述轉軸的上端與所述迴轉平臺連接，所述轉軸的下端與所述角位移傳感器連接，所述角位移傳感器的右端與所述伺服驅動系統連接。

優選的，所述橫梁上設置有用於檢測齒頂圓半徑的第一雷射三角位移傳感器，用於檢測齒根圓半徑的第二雷射三角位移傳感器，以及用於檢測齒距誤差的第三雷射三角位移傳感器。

優選的，所述第一雷射三角位移傳感器具有第一安裝角度，其用於使所述第一雷射三角位移傳感器所發射的雷射能直射到待測齒輪的齒頂部；所述第二雷射三角位移傳感器具有第二安裝角度，其用於使所述第二雷射三角位移傳感器所發射的雷射能直射到待測齒輪的齒根部；以及所述第三雷射三角位移傳感器具有第三安裝角度，其用於使所述第三雷射三角位移傳感器所發射的雷射能直射到待測齒輪的分度圓上。

一種螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測方法，檢測的具體步驟如下：

1)首先機械手裝置將待測齒輪平放到迴轉平臺上，經定心裝置的定心處理後待測齒輪的中心與所述迴轉平臺的中心重合，然後電磁機構通電後產生電磁力，在電磁力的作用下待測齒輪被吸合固定在所述迴轉平臺上，以所述迴轉平臺與所述待測齒輪的接觸面中心為極心建立極坐標系；

2)在伺服電機的驅動作用下，橫梁沿Z軸導軌向下滑動，使得第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器逐漸靠近待測齒輪，然後分別調節所述第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器在所述X軸導軌上的位置，並且第三雷射位移傳感器的角度可根據被測齒輪的節錐角進行調節，使待測齒輪處於所述第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器的標準量程範圍內；所述雷射三角位移傳感器的位置確定後，記錄此時所述雷射三角位移傳感器的位置；

3)所述迴轉平臺在旋轉機構驅動下進行旋轉，待測齒輪隨著迴轉平臺同步轉動，所述第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器發射的雷射分別直射到待測齒輪的齒頂部、齒根部和分度圓上；待測齒輪每隨著迴轉平臺同步旋轉角度q°，其中q值可在數據處理系統中設定為某一固定值，q的取值範圍在0.5～2之間，數據採集系統採集一次每個雷射三角位移傳感器的雷射位移信號，分別記作d1(t)，d2(t)，d3(t)，其中t＝1,2,3,…n,n為大於等於30的正整數；數據採集系統連續採集多組數據，然後將採集到的多組雷射位移信號傳送到數據處理系統；

4)數據處理系統對採集得到的多組數據首先轉換成極坐標的形式，然後進行誤差分離，最後對誤差分離後的數據進行擬合與計算；第一雷射三角位移傳感器和第二雷射三角位移傳感器獲得的數據可以擬合為兩個圓弧，兩個圓弧的半徑即為齒頂圓半徑和齒根圓半徑，第三雷射三角位移傳感器獲得的數據可以擬合出對應的齒廓形狀，可進一步算出待測齒輪的齒距，將測得的齒距與標準齒距比較即可獲得齒距誤差；顯示系統顯示最終檢測結果：齒頂圓半徑、齒根圓半徑和齒距誤差。

優選的，建立極坐標系前需要先對待測齒輪進行定心處理，使定心軸的中心與齒輪中心重合，極坐標系的極心為待測齒輪與迴轉平臺接觸面的中心點。

優選的，其特徵在於測量過程中待測齒輪與迴轉平臺每旋轉1°，數據採集系統採集1組雷射三角位移傳感器的雷射位移信號，連續採集50組數據，最終對獲得的50組數據進行擬合計算。

本發明所述的螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測方法中提到的雷射三角位移傳感器選用型號為ZLDS113，標準量程D為100mm，解析度為1μm。

本發明針對螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測提出了一種雷射檢測系統和相應的檢測方法，本發明存在的優點有：

1)待測齒輪在電磁力的作用下緊緊地吸合在迴轉平臺上，在測量過程中隨迴轉平臺同步轉動，減小由測量系統本身引起的誤差；

2)本發明採用的是基於雷射三角位移傳感器的非接觸式檢測方法，設計的檢測系統中採用三個雷射三角位移傳感器分別對三個待測參數進行檢測，提高了檢測的效率；

3)目前提出的齒輪參數的檢測系統和檢測方法大多數是針對直齒輪和特大型齒輪的參數檢測，本發明提出的檢測系統和方法可以實現螺旋傘齒輪關鍵參數的快速精準檢測。

附圖說明

圖1為本發明的螺旋傘齒輪關鍵參數檢測系統示意圖；

圖2為本發明的檢測系統中旋轉定位結構示意圖；

圖3為本發明的雷射三角位移傳感器安裝示意圖；

圖4為本發明的螺旋傘齒輪關鍵參數檢測方法的示意圖；以及

圖5為本發明的檢測系統控制框圖。

具體實施方式

本發明的具體實施方式如下：

如圖1所示，本發明的螺旋傘齒輪關鍵參數檢測系統，要由箱體1、工作檯2、旋轉機構、迴轉平臺3、定心裝置4、第一雷射三角位移傳感器5(1)、第二雷射三角位移傳感器5(2)和第三雷射三角位移傳感器5(3)、橫梁6、數據採集及通信系統7、伺服電機8、立柱9、Z軸導軌10、X軸導軌11、數據處理及顯示系統12等組成。所述工作檯固定安裝在所述箱體上，在所述工作檯上設有所述迴轉平臺和所述立柱；所述立柱與迴轉平臺垂直，所述伺服電機安裝在所述立柱上，所述迴轉平臺通過轉軸與旋轉機構連接，在所述旋轉機構的驅動下進行旋轉；在所述迴轉平臺上設有所述定心裝置；所述迴轉平臺為一個電磁性機構，通電後可以產生電磁力，待測齒輪經過定心處理後在電磁力的作用下吸合固定在所述迴轉平臺上，測量過程中所述待測齒輪隨著所述迴轉平臺同步轉動；橫梁垂直安裝在立柱上；立柱上設有與立柱平行的Z軸導軌，所述橫梁在所述伺服電機的驅動作用下沿著Z軸導軌滑動；所述橫梁上設有與橫梁平行的X軸導軌，橫梁上安裝了第一雷射三角位移傳感器、第二雷射三角位移傳感器和第三雷射三角位移傳感器，三個雷射三角位移傳感器在所述伺服電機的驅動下分別沿X軸導軌移動，並且第三雷射位移傳感器的角度可根據被測齒輪的節錐角進行調節；三個所述雷射三角位移傳感器同時對待測齒輪的三個不同參數進行測量；所述雷射三角位移傳感器與所述數據採集及所述通信系統相連接；所述數據採集及所述通信系統獲取的數據經過處理後由所述顯示系統顯示最終檢測結果。

在箱體1中裝有旋轉機構，如圖2所示的旋轉機構的結構示意圖，旋轉機構由轉軸13、角位移傳感器14、伺服驅動系統15組成。旋轉機構通過轉軸13與迴轉平臺3連接，其中轉軸13的上端與迴轉平臺3連接，下端與角位移傳感器14連接；角位傳感器14的右端與伺服驅動系統15連接。在測量過程中旋轉機構中的伺服驅動系統15驅動著轉軸13旋轉，然後由轉軸13帶動著迴轉平臺3和待測齒輪同步旋轉。

如圖3所示的雷射三角位移傳感器的結構示意圖，本發明設置了三個雷射三角位移傳感器，第一雷射三角位移傳感器用來檢測齒頂圓半徑，第二雷射三角位移傳感器用來檢測齒根圓半徑，第三雷射三角位移傳感器用來檢測齒距誤差。三個雷射三角位移傳感器安裝角度需保證傳感器發射的雷射可以分別直射到待測齒輪的齒頂部、齒根部和分度圓上；另外雷射三角位移傳感器可在伺服電機的驅動作用下沿著垂直和水平方向移動，保證在測量過程中待測齒輪在雷射三角位移傳感器的量程範圍內。

根據如圖4所示的螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測流程圖，螺旋傘齒輪關鍵參數的檢測步驟如下：

1)首先機械手裝置將待測齒輪平放到迴轉平臺上，經定心裝置的定心處理後待測齒輪的中心與迴轉平臺的中心重合，然後電磁機構通電後產生電磁力，在電磁力的作用下待測齒輪被吸合固定在迴轉平臺上，以迴轉平臺與待測齒輪的接觸面中心為極心建立極坐標系；

2)在伺服電機的驅動作用下，橫梁沿Z軸導軌向下滑動，使得三個雷射三角位移傳感器逐漸靠近待測齒輪，然後分別調節三個雷射三角位移傳感器在X軸導軌上的位置，使待測齒輪處於雷射三角位移傳感器的標準量程範圍內；雷射三角位移傳感器的位置確定後，記錄此時雷射三角位移傳感器的位置，第一雷射三角位移傳感器的坐標為(X1,Y,Z)，第二雷射三角位移傳感器的坐標為(X2,Y,Z)，第三雷射三角位移傳感器的坐標為(X3,Y,Z)；

3)迴轉平臺在旋轉機構驅動下進行旋轉，待測齒輪隨著迴轉平臺同步轉動，三個雷射三角位移傳感器發射的雷射分別直射到待測齒輪的齒頂部、齒根部和分度圓上；待測齒輪每隨著迴轉平臺同步旋轉1°，數據採集系統採集一次每個雷射三角位移傳感器的雷射位移信號，分別記作d1(t)，d2(t)，d3(t)，t＝1,2,3,…50；數據採集系統連續採集50組數據，然後將採集到的50組雷射位移信號傳送到數據處理系統；

4)數據處理系統對採集得到的50組數據首先轉換成極坐標的形式，第一雷射三角位移傳感器採集得到的50組數據在極坐標系中坐標可以表示為(tq，X1-d1(t))，第二雷射三角位移傳感器採集得到的50組數據在極坐標系中坐標可以表示為(tq，X2+d2(t))，第三雷射三角位移傳感器採集得到的50組數據在極坐標系中坐標可以表示為(tq，X3-d3(t)·cosα)，其中α為第三雷射三角位移傳感器傾斜的角度；tq為極坐標中的極角。

5)對得到的數據去除其中的粗大誤差，最後通過電腦程式對誤差分離後的數據進行擬合與計算；第一雷射三角位移傳感器和第二雷射三角位移傳感器獲得的數據可以擬合為兩個圓弧，兩個圓弧的半徑即為齒頂圓半徑和齒根圓半徑，第三雷射三角位移傳感器獲得的數據可以擬合出對應的齒廓形狀，可進一步算出待測齒輪的齒距，將測得的齒距與標準齒距比較即可獲得齒距誤差；顯示系統顯示最終檢測結果：齒頂圓半徑、齒根圓半徑和齒距誤差。

如圖5所示的測量過程中伺服系統驅動圖，測量過程中待測齒輪與迴轉平臺每旋轉1°，數據採集系統對三個雷射三角位移傳感器的雷射位移信號進行一次採集，將採集到的數據傳送到數據處理系統，然後數據處理系統發送一條指令控制旋轉機構帶動著迴轉平臺與待測齒輪繼續旋轉，重複以上的步驟，直至數據採集系統連續採集50組數據後控制器使旋轉機構停止旋轉。

當然，本領域技術人員也可根據實際情況對迴轉平臺同步旋轉角度進行不同設定，並根據旋轉角度和需求來設置不同的數據採集次數。比如，測量過程中待測齒輪與迴轉平臺每旋轉0.5°，數據採集系統對三個雷射三角位移傳感器的雷射位移信號進行一次採集，將採集到的數據傳送到數據處理系統，然後數據處理系統發送一條指令控制旋轉機構帶動著迴轉平臺與待測齒輪繼續旋轉，重複以上的步驟，直至數據採集系統連續採集100組數據後控制器使旋轉機構停止旋轉。又或者，測量過程中待測齒輪與迴轉平臺每旋轉2°，數據採集系統對三個雷射三角位移傳感器的雷射位移信號進行一次採集，將採集到的數據傳送到數據處理系統，然後數據處理系統發送一條指令控制旋轉機構帶動著迴轉平臺與待測齒輪繼續旋轉，重複以上的步驟，直至數據採集系統連續採集30組數據後控制器使旋轉機構停止旋轉。因此本發明實施例中對迴轉平臺同步旋轉角度和數據採集次數的設定，只是示例性的說明。

最後所應說明的是：以上實施例僅以說明而非限制本發明的技術方案，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。