特大型齿轮激光跟踪在位测量原理及关键技术

为了实现特大型齿轮精密测量,介绍了作者提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量原理,重点阐述了其中的几项关键技术。特大型齿轮激光跟踪在位测量系统整合了激光跟踪仪的大尺寸测量能力和三坐标测量机的高精度,采用激光跟踪仪建立齿轮工件坐标系和三维测量平台坐标系,通过激光跟踪仪坐标系将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来,并建立了相应坐标系的拟合模型及算法。同时,建立了三维测量平台的姿态调整模型,通过姿态调整机构完成了三维测量平台的姿态调整,进而确保三维测量平台与齿轮轴线的位置关系满足要求。最后,给出了该在位测量系统的实测结果。实验结果表明:特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行,满足6级以下特大型齿轮的精密测量。

特大型齿轮激光跟踪在位测量的定位模型

为融合特大型齿轮激光跟踪在位测量系统中各测量组件的测量数据,研究了各测量状态中测量组件之间位置关系建立的相关方法.由于采用了激光跟踪仪对三维测量平台进行多测点式测量,需将测量数据统一到同一个坐标系下,严格按照测量原理对测量系统建模,在此基础上研究了测量系统中三维测量平台坐标系的建立和转换问题,提出了2种解决方案:直线向量法和整体映射法,同时分析比较了两者的差异及适用范围.经实验验证,在不计入激光跟踪仪测量误差的影响时,由解决方案原理及相关计算引入的误差完全可以忽略.

面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位

提出了面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位测量方法以提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的齿轮定位精度并精确确定测量仪器与被测齿轮位置与姿态的关系。根据激光跟踪仪多站位测量提供的冗余数据优化求解空间两点间共线方程,建立了特大型齿轮激光跟踪多站位测量模型。然后,提出了利用奇异值分解修正多站位测量模型解析矩阵条件数的方法。实验结果表明,使用多站位测量模型求得的不同站位待测点间距离的标准差的均值为0.008mm,明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024mm,表明多站位测量模型具有良好精度控制效果。本文的研究提高了齿轮定位时所需测量点的三维测量精度,为特大型齿轮激光跟踪多站位测量系统建立齿轮坐标模型提供了可靠的数据来源。

齿轮激光跟踪在位测量的姿态调整模型

为了提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的精度,降低测量过程中三维测量平台的运动自由度,设计了三维测量平台姿态调整系统。为实现三维测量平台的自动姿态调整,建立了2个姿态调整模型来实现姿态调整量的计算,构建姿态调整系统并分析姿态调整模型的调整精度。通过姿态调整系统的3个高度调整电机与1个角度调整电机,实现三维测量平台的姿态调整,最终实现三维测量平台坐标系与特大型齿轮工件坐标系的平行,在最佳姿态下测量特大型齿轮的误差项目。实验结果表明,姿态调整模型正确,系统可实现119"的调整精度,可应用于特大型齿轮激光跟踪在位测量系统。

基于激光跟踪仪的特大型直齿轮齿距偏差测量新方法

为了测量特大型齿轮齿距偏差,提出了基于激光跟踪仪的特大型直齿轮齿距测量新方法。利用激光跟踪仪的大空间测量能力测量齿轮齿槽,分别获得被测特大型直齿轮相邻两条齿距误差曲线。由于被测齿轮直径超过6 000 mm,可以根据点到直线距离公式近似计算单个齿距误差。首先,分析了传统方法下基于激光跟踪仪构建齿轮工件坐标系后的齿距测量模型,并根据特大型直齿轮的特点,提出了基于激光跟踪仪的无坐标系特大型直齿轮齿距误差测量模型。测量模型回避了特大型齿轮工件坐标系的建立,直接对齿槽进行双面接触测量;通过对两条齿槽测量直线进行误差评定即可获得单个齿距最大误差与单个齿距平均误差,通过转站测量实现齿距累积总偏差的测量;最后,采用蒙特卡罗法对不同测量方法的测量不确定度进行仿真分析,得出系统测量不确定度。实验结果表明,提出的基于激光跟踪仪的特大型直齿轮齿距偏差测量方法满足直径6 000 mm以上的8级精度特大型齿轮的单个齿距偏差测量要求,满足直径6 000 mm以上的10级精度特大型齿轮的齿距累积总偏差测量要求。

面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法

为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。