相对于接触式测量，机器视觉检测这种非接触式测量具有效率高、信息全、稳定性好、可识别缺陷等优点，在齿轮检测领域得到越来越广泛的应用。近十年来出现了影像仪、闪测仪、CVGM仪器、在线检测设备等多种基于机器视觉技术的齿轮检测仪器，它们既可以实现齿轮综合式测量，又可以实现齿轮分析式测量。回顾了齿轮视觉检测仪器的发展历程和特点，分析了齿轮视觉检测中边缘检测、亚像素定位、特征提取和模式识别等算法的研究和应用进展，总结了机器视觉在齿轮精度测量和齿轮缺陷检测两个方面的技术发展，并指明了齿轮视觉检测仪器与技术的发展前景。

研究了齿轮误差三维评定方法, 以消除测量仪器定位误差对齿轮误差评定的影响, 提高齿轮测量仪器的测量精度。分析了传统齿轮二维评定方法的弊端, 提出将齿轮误差评定从二维评定模式转变为三维评定模式。该评定模式不再要求齿轮各项误差测量点位于特征面内, 实现了三维空间内的齿轮误差测量与评定。为提高齿轮三维误差评定算法的效率, 通过螺旋降维方法将三维数据降至二维数据, 再对二维测量数据进行各项误差的评定。以特大型齿轮激光跟踪在位测量系统作为实验对象, 对4级标准齿轮的齿廓误差进行了测量, 并与传统的齿轮二维误差评定方法以及德国ZEISS公司InvolutePro软件的评定结果进行了对比。结果表明: 传统齿轮二维误差评定方法有较大误差, 三维齿廓评定方法与德国ZEISS公司InvolutePro软件评定结果一致, 精度达到0.1 μm, 证明了提出的齿廓误差三维评定方法完全正确, 可以消除仪器定位误差对测量结果的影响, 提高了测量仪器的测量精度。

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0.008 mm, 明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024 mm, 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。

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。

针对目前便携式坐标测量机测量大齿轮的采样策略和评定算法存在的不足, 设计了两种特殊的辅助标尺-渐开线标尺及螺旋线标尺。利用设计的两种标尺在大齿轮齿面上对齿廓及螺旋线的测量点进行标注, 开展了齿轮的在位重复性测量的实验研究。利用关节臂坐标测量机及激光跟踪仪测量系统在德国计量研究院研制的1 m外径齿轮样板上开展了测量实验, 采用INVOLUTE Pro对采样数据点进行评定, 给出了测量结果及测量不确定度。测量实验表明, 基于新的齿轮测量方法, 关节臂坐标测量机比激光跟踪仪测量系统测量结果更为精确, 测试结果与标定值最大相差8.16 μm。实验结果验证了提出方法的有效性, 为便携式坐标测量机在大齿轮测量领域的应用提供了依据。

为确保齿轮测量仪器的高精度校准, 国际标准ISO/TR 10064-5:2005推荐了新型的双球渐开线样板。该样板采用高精度球体的部分圆弧代替渐开线, 通过误差补偿, 获得高精度渐开线以实现渐开线溯源。研究了该样板相关的理论问题, 为双球样板设计与应用提供了理论基础。针对数控齿轮测量仪器常釆用的电子展成法, 分析并给出了理想安装条件下和存在安装误差时双球渐开线样板的原理误差及其计算公式; 根据最优圆弧思想, 使用最小二乘法推导出双球中心距的优化公式; 最后给出了原理误差的补偿方法。基于上述基本理论, 开发了双球样板设计软件并研制了一块模数为2.268 1 mm、齿数为40、压力角为20°的双球渐开线样板。