获取用于计算齿轮相位角的数据的方法、设备及齿轮相位角测量方法

摘要

本发明涉及获取用于计算齿轮相位角的数据的方法及设备、齿轮相位角的测量方法，该获取数据的方法包括：控制齿轮旋转，利用多个线激光器采集齿轮齿面数据；将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据；获取齿轮的中心轴线、及齿轮顶面所在的齿轮顶面平面；获取齿轮的一圈齿的数据。本发明能够自动、高效且准确地获取计算齿轮相位角的数据，检测效率及精确度高。

说明书

技术领域

本发明涉及齿轮检测技术领域，具体涉及获取用于计算齿轮相位角的数据的方法及设备、以及齿轮相位角测量方法。

背景技术

在汽车零部件生产制造中，齿轮的加工精度至关重要。利用齿轮的相位角来衡量齿轮的加工精度，齿轮的相位角偏移影响齿轮的整体功能，可能导致设备发生共振、齿轮过早磨损等故障，特别是在多级齿轮中，每一级齿轮之间的相位角偏差影响更为明显。

现有的汽车厂商主要使用高精度三坐标测量机或专用的齿轮仪来对齿轮的各项参数进行检测，存在检测设备成本昂贵、检测效率低、设备利用率低且特殊齿轮专用设备兼容性差等问题。

齿轮的相位角是汽车行业提出的用于高度衡量齿轮加工精度的参数，如何快速有效地检测齿轮的相位角一直是业界难题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种获取用于计算齿轮相位角的数据的方法，能够自动、高效且准确地获取用于计算齿轮相位角的数据，获取速度快且速度准确度高。

为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案予以解决：

本申请涉及一种获取用于计算齿轮相位角的数据的方法，其特征在于，包括：

控制所述齿轮旋转，利用多个线激光器采集齿轮齿面数据；

将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据；

获取齿轮的中心轴线、及齿轮顶面所在的齿轮顶面平面；

获取齿轮的一圈齿的数据。

本申请的获取数据的方法，通过多个线激光器组合扫描转动的齿轮，获取齿轮外形轮廓的点云数据，采用线激光器采集数据，速度快，且通过选择多个线激光器能够更密集采集齿轮数据，精确描述齿轮外形轮廓，数据准确度高，有助于精确辅助齿轮相位角的计算，，该方法智能化、自动化程度高，获取数据速度快且准确度高。

在本申请中，将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据，具体通过采用对应预存储的位姿输入参数及ICP变换矩阵进行转换。

在本申请中，获取齿轮的中心轴线，具体为：

以所述同一坐标系下Z轴为圆柱轴线，选取圆柱形区域，其中所述圆柱形区域包含齿轮中心孔内侧壁上的中心点云数据；

获取所述中心点云数据；

根据所述中心点云数据，建立所述齿轮的中心轴线。

在本申请中，获取齿轮的齿轮顶面所在的齿轮顶面平面，具体为：

根据所述齿轮的中心轴线，选取环形圆柱区域，得到齿轮顶面的环状顶面平面点；

利用所述环状顶面平面点，拟合所述齿轮顶面所在的平面方程，获取所述齿轮顶面所在的齿轮顶面平面。

本申请还涉及一种齿轮相位角测量方法，其特征在于，包括：

控制所述齿轮旋转，利用多个线激光器采集齿轮齿面数据；

将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据；

获取齿轮的中心轴线、及齿轮顶面所在的齿轮顶面平面；

获取齿轮的一圈齿的数据；

获取所述齿轮的分度圆、及所述分度圆与每个齿两侧齿面的交点；

获取每个齿的对应两个交点的中点；

计算相位角；

其中所述相位角为所述中点与坐标原点之间连线与坐标横轴之间的角度，所述坐标原点为所述分度圆的圆心，坐标系平面为平行于所述齿轮顶面平面的二维平面。

在本申请中，获取所述齿轮的分度圆与每个齿两侧齿面的交点，具体为：

使用聚类算法将一圈齿进行分类，识别每个齿；

计算每个齿的两侧齿面上的点云距离所述分度圆的曲线的距离最近的点，以获取每个齿两侧齿面的交点。

在本申请中，获取所述分度圆，包括：

所述中心轴线与所述一圈齿所在的平面的交点为所述分度圆的圆心；

所述分度圆的半径是预设的；

根据所述圆心和所述半径，建立所述分度圆的方程，其中所述分度圆的曲线所在的平面为所述一圈齿所在的平面。

本发明还涉及一种获取用于计算齿轮相位角的数据的设备，通过该设备能够自动、高效且准确地获取用于计算齿轮相位角的数据，有助于衡量齿轮加工精度。

为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案予以解决：

一种获取用于计算齿轮相位角的数据的设备，其特征在于，包括：

机架；

转台，其设置在机架上，用于提供转动力；

齿轮定位台，其用于定位齿轮，且位于所述转台上；

多个线激光器，其设置在所述机架上，用于采集齿轮齿面数据；

高频触发锁存电路板，其与所述转台的电路和多个线激光器均电连接，用于同步获取各线激光器采集的数据及转台的角度；

数据处理中心，其控制所述转台转动及各线激光器启动扫描，并执行如下操作：

将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据；

获取齿轮的中心轴线、及齿轮顶面所在的齿轮顶面平面；

获取齿轮的一圈齿的数据。

在本申请中，所述数据处理中心在获取齿轮的一圈齿的数据之后还执行如下操作：

获取所述齿轮的分度圆、及所述分度圆与每个齿两侧齿面的交点；

获取每个齿的对应两个交点的中点；

计算相位角；

其中所述相位角为所述中点与坐标原点之间连线与坐标横轴之间的角度，所述坐标原点为所述分度圆的圆心，坐标系平面为平行于所述齿轮顶面平面的二维平面。

在本申请中，所述设备还包括：

多个三轴精密滑台，其绕所述转台布置；

多个手动旋转滑台，其各自安装在各三轴精密滑台上，且多个线激光器器分别对应安装在多个手动旋转滑台上；

校准器，其用于各线激光器位置的校准。

在本申请的设备中，将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据，具体通过采用对应预存储的位姿输入参数及ICP变换矩阵进行转换。

在本申请的设备中，获取齿轮的中心轴线，具体为：

以所述同一世界坐标系下Z轴为圆柱轴线，选取圆柱形区域，其中所述圆柱形区域包含齿轮中心孔内侧壁上的中心点云数据；

获取所述中心点云数据；

根据所述中心点云数据，建立所述齿轮的中心轴线。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简要介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明提出的获取用于计算齿轮相位角的数据的方法的流程图；

图2为本发明提出的齿轮相位角的测量方法的流程图；

图3为本发明提出的齿轮相位角的测量方法中相位角一种实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

若计算齿轮相位角，则前提需要获取到用于计算齿轮相位角的齿轮的一圈齿的数据（记，相位角计算数据）。

本文所涉及的设备（未示出）能够快速且精确地获取相位角计算数据，主要包括机架、转台、齿轮定位台、多个线激光器、高频触发锁存电路板以及数据处理中心。

机架是测量设备中各部件的承载主体，其可以设计成圆柱形或多棱柱体等形状。

转台设置在机架上，能够提供转动力，在本申请中，在机架上安装有多分度精密滑台固定板，且在多分度精密滑台固定板的上方安装有带有门开口的护罩，该护罩的形状与机架的形状保持相同，使护罩和机架之间形成容纳测量设备中大部分部件（例如转台、多线激光器等）的空间，以对部件进行保护。

在本申请中，转台为气浮中空转台，其具有控制器转动时能够获取转动角度的功能。

气浮中空转台上安装有齿轮定位台，齿轮定位台用于定位待测齿轮，在气浮中空转台转动时，带动待测齿轮转动。

为了对齿轮的外形轮廓数据进行采集，在本申请中，设计有多个线激光器设置在机架上且环绕布置在气浮中空转台四周，用于充分获取表征齿轮外形轮廓的点云数据。

在本申请中，多个线激光器在对齿轮进行数据采集之前，彼此位置应校正好，即，应能够获取到各线激光器的相对位置，以建立相对空间坐标系。

由于线激光器实际测量范围很短，因此，需要多个线激光器来覆盖齿轮且各线激光器的扫描范围能够均落在齿轮上，即，多个线激光器的扫描范围之和能够覆盖齿轮的所需要测量的全部外形轮廓。

根据多个线激光器扫描的数据对齿轮建立坐标系。

在本申请中，布置其中一个线激光器用于扫描齿轮中心孔内壁，以获取齿轮中心孔形成的中心圆柱的点，以根据该中心圆柱来对齿轮建立其坐标系，其余线激光器的布置位置以能够采集到齿轮齿的左右两个齿面的数据而设置。

在本申请中，采用五个线激光器进行采集，其中一个用于扫描齿轮中心孔内壁，其余四个线激光器两两为一组，分别用于扫描齿轮齿的左齿面和右齿面的数据。

当然，线激光器的数量也可以不止五个，线激光器数量越多，采集的齿轮的外形轮廓的数据更全面。

此种情况下，相对所采集的点云数据也会更多，在数据处理时可能会占用较多的资源及处理时间，因此，线激光器数量的选择可根据实际需求而定。

在替代性实施方式中，也可以不布置用于扫描齿轮中心孔内壁的线激光器，而是采用其他方式建立齿轮的坐标系。

例如，通过齿轮顶面平面（此平面参见下文描述）来确定方向，齿轮顶面圆确定圆心位置等方式，在此不做限制。如上所述的多线激光器的位置校正可以采用现有技术中的校正方式进行。

具体地，可以采用如下方式进行校正。

测量设备还包括XYZ三轴精密滑台、手动旋转滑台和校准器。

XYZ三轴精密滑台和手动旋转滑台的数量均为线激光器的数量相同，例如均为五个。

五个XYZ三轴精密滑台安装在多分度精密滑台上的多个安装位置处，且环绕气浮中空转台布置。

在五个XYZ三轴精密滑台上分别安装一个手动旋转滑台，且线激光器安装在手动旋转滑台上。

在对待测齿轮测量之前，先将校准器安装在齿轮定位台上，进行传感器位置校正，即，通过扫描校准器来获取五个线激光器传感器的相对位置，建立相对空间坐标系。

然后将待测齿轮放在齿轮定位台上，根据齿轮的大小及形状，手动调节XYZ三轴精密滑台和手动旋转滑台，以调整各线激光器位置，使各线激光传感器的扫描范围都落在齿轮上。

在调整完各线激光器的位置后，将XYZ三轴精密滑台和手动旋转滑台分别锁紧，完成校正。

此种线激光器传感器的校正在待测齿轮测量之前已确定好。

此后，在实际测量中，若待测齿轮特征（即，齿轮大小及形状）保持不变，或者齿轮大小及形状在小范围内变化但在各线激光器的量程范围内时，此种各线激光器的位置也保持不变。

在本申请中，测量设备还包括高频触发锁存电路板，其与转台的电路和多个线激光器均电连接，用于同步获取各线激光器采集的数据及转台的转动角度。

高频触发锁存电路板用于保证所有线激光器和转台的工作节拍，在转台每转动一个设定的预定转动角度时，线激光器扫描齿轮上的一条轮廓，获取对应的一组点云数据，且同时锁住当前的转动角度及对应的扫描数据，同步获取，有助于保证精确计算相位角。

需要说明的是，由于各线激光器对待测齿轮进行旋转扫描，因此，待测齿轮之前，还需要对各线激光器进行标定（获取到位姿输入参数）及在标定后求取对应的变换矩阵（例如利用ICP算法获取的ICP变换矩阵），以便将各线激光器扫描的数据转换为同一个世界坐标系下的齿轮外形轮廓的点云数据。

在各线激光器校正之后而在待测齿轮相位角之前，会事先进行标定及求取ICP变换矩阵，并预存储各线激光器对应位姿输入参数及ICP变换矩阵，在实际对待测齿轮相位角测量时，直接调用该位姿输入参数及ICP变换矩阵即可。

图1示出了利用如上所述的设备获取用于计算齿轮相位角的数据的方法。

参考图1，如下给出详细说明。

S1：控制所述齿轮旋转，利用多个线激光器采集齿轮齿面数据。

如上所述，控制转控制齿轮旋转，利用多个线激光器采集齿轮齿面数据。

控制转台转动，即可控制齿轮旋转，并在齿轮每由转台带动转动预设转动角度时，线激光器能够对齿轮进行一条扫描。

在本申请中，一线激光器扫描齿轮中心孔内壁的数据，其余四个线激光器两两为一组，分别用于扫描齿轮齿的左齿面和右齿面的数据。

本申请中五个线激光器的布置能够满足扫描齿轮所需测量的整个外形轮廓的目的。

S2：将各线激光器所采集的数据转换为同一世界坐标系下齿轮外形轮廓的点云数据。

在S1中，五个线激光器能够采集在在各自空间坐标系下的五组齿轮的点云数据，为方便描述，记为{S1,S2,S3,S4,S5}。

在S2中，数据的转换包括两部分。

第一部分，调用预存储的各线激光器对应的位姿输入参数（记为{M1,M2,M3,M4,M5}）对各点云数据{S1,S2,S3,S4,S5}进行转换，以获取在各自线激光器的正交坐标系下的点云数据，记为{W1,W2,W3,W4,W5}。

第二部分，调用预存储的各线激光器对应的ICP变换矩阵矩阵（记为{M1',M2',M3',M4',M5'}）对各点云数据{W1,W2,W3,W4,W5}进行转换，以获取同一世界坐标系下的点云数据，记为{C1,C2,C3,C4,C5}，即拼接后的齿轮的外形轮廓的点云数据。

S3：获取齿轮的中心轴线、及齿轮顶面所在的齿轮顶面平面。

为了获取齿轮的一圈齿（具有左齿面和右齿面）的点云数据，首先需要建立齿轮的中心轴线、及齿轮顶面所在的齿轮顶面平面S，如此，才能够在正对且平行于齿轮顶面平面S且沿中心轴线平移一定距离（例如高度h）后，截取到齿轮一圈齿所在平面上的点云数据。

首先描述如何获取齿轮的中心轴线。

利用齿轮的中心孔圆柱上的点来拟合建立中心轴线的方程，以获取中心轴线。

具体地，在S2中可以获知到同一世界坐标系下的Z轴。

该Z轴基本与中心轴线一致，因此，以Z轴为圆柱的中心轴线，选取圆柱形区域，其中所选取的圆柱形区域应尽量大，以能够包含齿轮中心孔内侧壁上的中心点云数据。

如上圆柱形区域上的点云数据除包括中心点云数据外，还包括齿轮顶面上的部分点云数据。

因此，还需要对上述数据进行筛选，仅保留中心点云数据。

利用如上中心点云数据，建立中心轴线的方程，以获取到该中心轴线。

如下描述如何获取齿轮顶面所在的齿轮顶面平面。

如上已获知到齿轮的中心轴线，根据中心轴线，选择环形圆柱区域，得到齿轮顶面的环状顶面上的点云数据，即，环状顶面平面点。

利用所获取的环状顶面平面点，拟合齿轮顶面平面所在的平面方程，记为AX+BY+CZ+D=0，以获取齿轮顶面平面。

S4：获取齿轮的一圈齿的数据。

根据中心轴线和齿轮顶面平面，获取截面AX+BY+CZ+D'=0，该截面与齿轮顶面平面AX+BY+CZ+D=0正对平行，且沿中心轴线平行移动距离h，即为|D-D'|/（A

该平面AX+BY+CZ+D'=0上的点云即为齿轮的一圈齿的数据，参见图3中示出的一圈齿的图案。

如上所获取的齿轮的一圈齿的数据即为相位角计算数据。

若需要计算相位角，则该数据处理中心能够在获取相位角计算数据之后，求取相位角，以形成计算齿轮相位角的整个测量过程。

相位角定义的方式有很多，根据对齿轮质量的要求不同，不同的厂家对相位角的计算方式也略有差异。

参见图2和图3，描述本申请中相位角的计算方式。

图2中涉及的与图1中描述相同的部分在此处不再进行描述，只对获取相位角计算数据之后的相位角的计算部分进行详细说明。

S5：获取齿轮的分度圆、及分度圆与每个齿两侧齿面的交点。

S51：获取齿轮的分度圆。

如在S4中，参见图3，获取到齿轮的一圈齿的数据。

绘制齿轮的分度圆曲线，此处齿轮的分度圆指的是与一圈齿所在平面的圆形的圆心为坐标，以预设半径绘制成的圆，其中该预设半径是在设计该齿轮结构时所预提供的。

参见图3，其绘制出了分度圆的曲线。

若想要绘制分度圆曲线，需要知道分度圆的方程(x-a)

在S3中，已获取了中心轴线的方程，且在S4中，已获取了一圈齿所在的平面的方程，因此，中心轴线与该平面的交点即为分度圆的圆心（a，b）。

由此，建立分度圆曲线，且分度圆所在的平面为一圈齿所在的平面。

S52：获取分度圆和每个齿两侧齿面的交点。

每个齿具有齿峰和位于齿峰两侧的左齿面和右齿面。

分度圆能够分别与每个齿的左齿面和右齿面相交。

为了能够精确获取到所有齿与分度圆的交点，在本申请中，首先将一圈齿进行分类，以识别每个齿，然后，计算每个齿上的点云数据与分度圆曲线的距离最近的点。

通过聚类算法，将同属于一个齿的点云数据进行归类，识别每个齿，并对每个齿进行编号，T1,T2,......,Tn。

上述的聚类算法可以采用现有技术中常用的聚类算法，例如，K-Means聚类、均值漂移聚类等实现。

之后，计算每个齿的左右齿面的点云数据与分度圆曲线距离最近的点，即为每个齿的两侧齿面与分度圆的交点。

S6：获取每个齿的对应两个交点的中点。

在S52中，获取到每个齿与分度圆曲线的两个交点，例如，齿T1与分度圆曲线的交点为P1和P2，容易获知两个交点的中点。

S7：计算相位角α。

齿轮的相位角α是福特汽车的招标文件中提出的参数，在对齿轮质量要求较高时，会测量此参数。

相位角α的计算及表示参见如下描述。

以分度圆的圆心（a,b）为原点O，坐标系平面XOY为平行于齿轮顶面平面的二维平面，参见图3。

建立坐标系，以便计算相位角α。

该坐标系中的X轴和Y轴也可以绕原点O转动任意角度设置。

参见图3，以其中一个齿T1为例描述相位角α。

齿T1的中点P与原点O之间的连线与X轴之间的夹角称为相位角α。

由于中点P和原点O坐标是已知的，且坐标系也是可以获知的，因此，可以求出齿T1的相位角α。

据此，可以计算出任意齿的相位角。

在替代性实施方式中，也可能定义齿T1的其中一齿面的一交点P1（即，右齿面与分度圆的曲线的交点）或交点P2（即，左齿面与分度圆的曲线的交点）与原点O之间的连线与坐标横轴X轴之间的夹角为相位角。

因此，本文在此不限定相位角的计算方式。

在实际使用中，根据客户要求，可以求出该齿轮的多个齿的相位角，对该些相位角进行差值处理，以对相位角进行分级，用于判断该齿轮是否符合客户使用要求。

本发明提出的测量方法，在转台旋转一圈后，即可完成齿轮外形轮廓的全部点云数据采集，采集速度快；且根据线激光器数量的选择，可以采集点云更密集的齿轮外形轮廓数据，能够提高检测精度；该测量方法能够根据线激光器采集的点云数据，快速计算出相位角，实现智能化，自动化，提高检测效率及检测精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。