激光干涉法测量斜齿轮齿面形状误差关键技术研究

The contact method of measurement is the primary means employed to measure the form errors of gear tooth flanks. However, due to its limited measurement precision, this approach has failed to meet the rising demands for precise measurement. The method of laser interferometry has higher precision and is the direction towards which precision measurement for the curved surface errors is developing. This project conducts research on five major issues related to employing laser interferometry to measure the form errors of precision helical gear tooth flanks. The major content includes: First, the anti-jamming methods for the optical interferometric system will be researched in order to provide a new and proven optical system which has a better anti-jamming performance. Second, a method to judge the definition of the interference fringe patterns by computer will be proposed in order to extract and mosaic the clear regions of different images captured in different distances. Third, an accuracy method to segment the valid measuring region from an interferogram will be developed. Fourth, the problem of how to measure the root region whose object light can not reach the CCD plane will be researched and a solution obtained. Fifth, an interferogram of standard gear tooth flanks will be constructed through the combination of the actual interferogram and the theoretical model of the measured gear. The outcome will be a high precision measurement of the form errors of helical gear tooth flanks.

齿轮齿面形状误差常用接触式的测量方法测量，但该方法的测量精度有限，已经难以满足越来越高的测量精度要求。激光干涉测量法的测量精度极高，是曲面形状误差精密测量的发展方向。本项目就采用激光干涉法测量精密斜齿轮齿面形状误差中的关键技术进行研究，主要内容有：光学系统抗干扰性研究，抗干扰性好的新光学系统与其光路布置方案的提出及其实验验证；干涉条纹图像清晰与模糊的计算机判断方法、及模糊区域的自动剔除与清晰局域图像的自动拼接方法的研究，不同拍摄距离处拍摄的多幅干涉条纹图像中的模糊区域的自动剔除和清晰局域图像的自动拼接的实现；干涉条纹图像中的有效齿面区域的精确提取方法研究；被测齿面的相邻轮齿遮挡激光束问题的深入研究，提出有效的解决方法并进行实验验证；基准齿面干涉条纹图像的计算机构建方法研究，实现由通用基准面的实测图像与被测面的理论形状构建出基准齿面的干涉条纹图像，最终实现精密斜齿轮齿面形状误差的高精度测量。

激光干涉法测量斜齿轮齿面形状误差具有测量精度高，不会划伤被测齿面等诸多优点，是齿轮测量的一个新发展方向。本项目针对激光干涉法测量斜齿轮齿面形状误差所涉及的关键问题进行了深入研究。主要包括：1.研究了干涉条纹图像的清晰度判断、可处理性评价及干涉条纹图像的拼接问题，提出以齿面像的清晰度来判断干涉条纹图像清晰与模糊的方法，以包裹相位图的伪相干系数来评价干涉条纹图像的可处理性的方法，及多幅干涉条纹图像的拼接方法，实现了将同一齿面的多幅干涉条纹图像拼接合成为一幅可处理性较好的图像；2.研究了干涉条纹图像中的齿面区域的识别问题，提出了包裹相位图的旋分割、齿面像灰度共生矩阵及其熵分割、齿面像阈值与形态学图像分割、条纹图像非线性结构张量分割等四种精确提取方法；3.研究了被测齿面相邻轮齿遮挡测量光束的问题，理清了被测齿面被遮挡的三种原因：入射光被遮挡，反射光被遮挡，被测点处在阴影区域。提出了遮挡的判断方法、最佳斜入射角的搜索计算方法；4.研究了基准齿面的计算机构建方法，分析了被测齿轮六个自由度的安装误差对测量结果的影响，提出了通过改变齿轮仿真计算时的位置参数进行仿真计算，将算得的结果与实际测量结果进行匹配，以找到被测齿轮的实际安装位置，再用算得的该实际安装位置进行仿真计算，构建出基准齿面的条纹图像。拍摄并处理了多组齿面干涉条纹图像，编制了齿面干涉条纹图像的处理软件和齿面形状误差的计算软件系统，实现了对精密斜齿轮齿面形状误差的精密测量，验证了本项目中所提出的相关方法的正确性。该项目所完成的研究问题不是斜齿轮齿面形状误差测量中的个性问题，而是激光干涉测量、齿面形状误差测量和干涉条纹图像处理等相关领域的共性问题，该项目的研究成果可以为相关的研究领域借鉴应用。