齿轮传动是现代机器中最常见的传动方式,是传动系统的重要零件,具有传动效率高、承载能力大、传动精确、使用寿命长等特点。随着制造业的发展,现代机械产品对齿轮的精度要求不断提高,齿轮测量理论和方法也持续更新换代。迄今,齿轮测量方法主要有坐标测量法、综合误差测量法和整体误差测量法等,其中坐标测量法和综合误差法较为常见,代表仪器为齿轮测量中心、单啮仪和双啮仪。随着激光测量技术的发展,齿轮光学测量发展取得了突破,激光三角测量原理及其传感器逐步应用到齿轮测量领域,与传统测量方法相比,齿轮光学测量速度快,能够获取齿面全部几何信息,齿轮点云测量成为新兴的测量方式。齿轮光学测量在国内外均处于理论研究和科研试验阶段,还未有相应的测量标准和操作规范,没有成熟的工业产品,只能作为传统测量方式的补充,大量基础理论和工程技术需要解决。近年来,齿轮测量领域的信息化程度有了较大的发展,“工业4.0”掀起了全球制造业转型,云计算、大数据、机器学习以及人工智能的快速发展为此次制造业革命注入了新的动力并开拓了新的领域。齿轮测量领域目前的信息化程度低,数据分散且利用率低,目前国内外还未有针对齿轮测量领域的测量云平台。本文通过理论和技术创新,以研究齿轮三维测量理论为基础,构建齿轮三维测量装置,并将其深度融合到齿轮测量云计算平台中,提出齿面三维误差计算方法;研究并制订齿轮全生命周期数据交互格式标准,促进齿轮设计、制造、测量和在役阶段的数据交互。本文主要研究内容如下:(1)根据齿轮三维测量理论,提出了齿轮三维测量数据预处理原理和误差计算方法。提出了基于结构光传感器的齿轮三维测量原理,分析了结构光传感器对齿轮测量的过程和缺陷;提出了齿轮三维点云数据预处理流程,主要包括基础坐标转换、齿轮数据拼接、重采样、分片、滤波、去除孔洞等操作,研究了二维高斯滤波等多种方法对点云数据的滤波作用和效果;通过提取圆柱齿面啮合迹线建立了齿距和齿向误差计算模型,沿齿廓方向扩展齿廓误差计值范围建立了齿廓误差计算模型,构建了齿轮三维点云测量方法和坐标测量方法的比对方法;研究了齿面三维点云误差的统计学方法,提出了圆柱齿轮齿面点云误差的统计学分布规律;研究了齿轮三维表面形貌的计算理论和方法。该项研究为齿轮三维测量提供了理论基础。(2)基于高精度气浮转台和线结构光传感器构建了齿轮三维点云测量装置。根据精密气浮转台和线结构光传感器的几何特点和相对运动规律,建立了齿轮三维测量系统标定模型,提出了基于局部样本椭圆拟合的线结构光传感器标定方法。该方法使用了带约束的椭圆局部几何样本拟合方法,即基于代数距离和几何距离的双重最小二乘的迭代方法,解决了传感器标定过程中的关键数学问题。分析了齿轮三维测量的速度和点云数据量的影响因素。设计和开发了“Measure Flow”的测试测量实施流程框架,基于通用框架开发了点云测量软件。(3)研究了基于微服务技术的分布式齿轮测量云平台系统。本文首先提出了“齿轮云测量”的概念,建立和完善了云测量的构建理论和技术体系;研究了基于微服务的分布式系统在工业云计算领域的应用,提出了工业设备计算机系统与分布式系统的对接和改造方法;研究了测量云平台的指令和数据通信问题,提出了多协议融合通信机制;基于Spring Boot开发了分布式齿轮测量云平台,集成了齿轮测量基础设施(高精度气浮转台)和现有的齿轮测量仪器(齿轮双啮测量仪、齿轮三维点云测量系统、齿轮单啮仪等),融合异构齿轮测量数据,对齿轮进行综合测量分析;(4)研究了齿轮测量数据交互接口标准。为解决齿轮设计、制造、测量和在役等各个阶段的数据交互过程中存在的格式繁杂和缺乏自动化工具的问题,提出了基于XML语言的可扩展齿轮描述语言的齿轮测量数据交互接口标准,建立了可分发、可扩展的Schema文档体系,提供了跨平台和多语言自动化交互工具。集成齿轮测量数据交互接口标准和工具,使用测量云平台与外部系统进行数据交互。验证了云平台和齿轮测量数据交互接口标准体系的正确性。(5)研发构建了完整的实验装置和方案,综合验证了以上研究内容。选取常用的汽车变速箱直齿圆柱齿轮进行测量,按照前述的点云数据预处理方法数据处理后分析计算了齿轮误差,误差计算结果与传统测量方式比对验证了测量装置和数据处理方法的正确性;开发了齿轮测量云平台,综合测试和验证了云平台测量流程和稳定性;设计了基于齿轮数据交互格式标准的齿轮数据传输实验,验证了数据转换接口的正确性。