基于激光位移传感器的蜗轮误差自动检测方法
基于激光位移传感器的蜗轮误差自动检测方法
作者:沈宇涵;宋爱平;窦超然;赵昆鹏
蜗轮测量技术可分为接触式测量和非接触式测量两大类,目前在蜗轮制造行业应用最为广泛的是使用CNC齿轮测量中心作为测量仪器的接触式测量这种测量方法 一 般需要记录扫描式传感测量头与被测蜗轮齿面接触点的三维坐标位置 。运用这种方法测量蜗轮的齿廓形状时,为保证测头与零件的齿廓接触并沿着齿廓形状运动,需要提前规划复杂的测量运动轨迹,并在球形触头与被测工件接触点的法向补偿测头半径。这种测量方法耗费大量计算时间,而且由千测头半径较大,会带来测量横向分辨率低的问题,即由千触头球体较大、被测面曲率过小以及表面缺陷等原因,很难准确判定触头球体与被测曲面的实际相切位置。为解决传统蜗轮接触式测量存在的问题,本文提出了一种采用理论精度为0. 2,m 的激光测距传感器作为测量传感器的蜗轮非接触式测量方法和测量装置。该装置通过传感器采集被测蜗轮给定端截面齿廓上的光斑点数据值,并将采集点数据与理想模型进行对比分析计算并得出多项误差值。相比传统的接触式测量,采用这种激光非接触式测量方法测量蜗轮,能够简化测量路径,有效减少测量时间,提高蜗轮测量的精度和效率。
1.测量原理与测量装置
激光非接触式测量装置采用基于激光三角法测距技术的激光位移传感器作为测量传感器。在测量蜗轮时,激光位移传感器的测量光源投射在被测蜗轮齿廓上,光斑点反射光透过传感器的透镜在CCD线阵上进行成像。传感器根据成像位置的儿何光学关系求出光斑点相对于蜗轮分度圆的径向高度坐标,并由测量装置的坐标运动机构在伺服系统的驱动下完成对被测蜗轮齿廓上若干测量光斑点的采样,得到反映被测蜗轮齿廓形貌的 一 组数据。最后通过分析采样点的坐标值,得到被测蜗轮的齿形及齿距误差值。
激光接触式测扯装置主要由激光位移传感器、三坐标位移装置、测量回转台组成,测量过程的机械运动包括3个轴的直线运动和1个轴的旋转运动。测量时,被测蜗轮装夹在具有旋转轴的测量台上,X、Y、Z向的三个直线运动轴采用配有高精度光栅的精密滚珠丝杠导轨传动,并由伺服电机驱动。回转测量台由具有圆光栅的高精度伺服力矩电机直接驱动,控制系统采用多轴控制卡ADT850自主控制。
2.蜗轮测量方法与误差分析
2.1测量坐标系
为实现蜗轮的精确检测,在测量前需要进行测量坐标系的标定。机床坐标系x'y'z'的z'轴与回转台轴线重合,x'、y'轴分别平行于坐标移动导轨。为方便测量数据的计算分析,取测量坐标系的z轴与机床坐标系的z'轴重合,测量坐标系的X、y轴与机床坐标系对应的x'、y'轴同向,并规定在测量分析坐标系中测量起始点的z轴坐标为0。
2.2测量方法
由于ZI、ZN、ZA蜗杆的配对蜗轮都有至少一个端截面的齿廓为渐开线,为使分析计算更简便,在进行蜗轮的自动测量与误差分析时,需要在蜗轮齿廓为渐开线的端截面进行齿廓数据采集。此时,ZA蜗杆配对蜗轮的测量截面即为中间截面;ZI蜗杆配对蜗轮的测量端截面在距离中截面土Tb的位置,Tb为蜗杆的基圆柱半径;ZN蜗杆配对蜗轮的测量端截面在距离中截面土Th的位置,Th为蜗杆的导圆柱半径。
为保证零件被测位置的准确性,每次蜗轮测量时都要进行中间截面的标定。利用二分算法控制z轴导轨寻找传感器示数最小的光斑点位置,即距离传感器光源发射点最远处。此时的传感器量位置即为蜗轮的中间截面。以ZA蜗杆配对蜗轮为例对图3所示的蜗轮非接触式测量方法做简单介绍。
(1)打开测量系统,执行测量传感器回机床原点命令。
(2)在回转工作台上装夹被测蜗轮零件调整传感器零位,使被测蜗轮齿廓分度圆处的光斑点示数H;为零。调整激光位移传感器的位置,使测量起始点位于蜗轮中截面的齿底位置并进行测量坐标系标定。
(3)开始自动测量
测量回转台沿顺时针方向旋转一周,同时测量系统会按照一定时间间隔采集光斑点位置对应的激光位移传感器示值H;以及回转轴光栅反馈的坐标值测量采集的每个数据点N;(H;,0;)同时对应一个0轴光栅位置0;和测量传感器示数H;。由千激光位移传感器示数H;的零位设置在蜗轮被测端截面的分度圆处,所以可将采集点N;(H,,0;)对应的传感器示数H;值转化为相对于被测蜗轮分度圆的位移,高于分度圆为正,反之为负。
2.3齿形误差分析
将前述的蜗轮测量数据进行误差值分析,被测蜗轮已知的参数有模数m、齿数Z2、被测端面分度圆压力角也.
(1)采样点坐标变换
为了保证测量采集点的密集度,通常取回转台的测量旋转速度为 0.4 /S。
(2)齿形偏差分析
为实现齿廓测量采样数据与理想齿廓数据的比较,需要在分析坐标系中对测量齿廓与理想齿廓进行位置重合。将被测蜗轮某一侧齿廓经过坐标转换的K个采集点P;, 依据三次最小二乘原理拟合出一段平滑曲线来逼近实际齿廓。
2.4齿距偏差分析
蜗轮的齿距偏差是指在所测端截面齿廓分度圆处的实际齿距与公称齿距之差,首先按照前述的三次最小二乘拟合法求出中间截面内所有同侧测量齿廓拟合线在分度圆处的仇点坐标仇(x 心 Y,oli) , 然后将相邻仇点之间的弧长作为测量齿廓的齿距并与标准齿距进行对比,可得到蜗轮的齿距偏差。
3.测量试验
试验采用与ZA蜗杆配对的9级精度蜗轮进行检测。蜗轮已知参数如下:模数m =2.5, 齿数Z2 =25被测端面分度圆压力角a, =20°,齿宽B=26mm。基于VFP9. 0开发了蜗轮测量数据分析程序。将测量采集点Ni 的数据导入界面可分析计算该蜗轮的单个齿形偏差、齿距偏差、齿形公差、齿距累积公差和齿距极限偏差。汇总测量数据分析界面中的数据可得该蜗轮的误差值为:齿距上极限偏差+儿=0. 0259mm;齿距下极限偏差-儿= -0.0193mm;最大齿距累积偏差华=0. 0803mm;齿形总公差0.0207mm。根据GB/T 11365- 1989标准查询蜗轮精度评定的各项误差值对照表,该蜗轮的各项误差值都在IT9级区间,符合其制造精度。
5 结语
通过激光位移传感器采集被测蜗轮端截面齿廓数据,并通过最小二乘法拟合采样点得到采样轮齿廓线。将采样轮齿廓线与齿廓分度圆交点位置构建的蜗轮理想齿廓线进行对比分析,可实现蜗轮偏差值的计算。
该方法能够根据一次测量运动所采集的齿廓数据进行多个误差项目分析,测量操作简便,检测效率高,不仅适用于ZI、ZN、ZA蜗杆配对蜗轮的精密检测,也可用于其它类型蜗轮和回转件的测量。
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