基于雙面嚙合多維測量原理的齒輪在線測量機(jī)

1、第30卷第2期2009年2月儀器儀表學(xué)報ChineseJournalofScientificInstrumentVol130No12Feb.2009基于雙面嚙合多維測量原理的齒輪在線測量機(jī)石照耀,湯潔,魏華亮,高玉明,劉長榮(1北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2150040)112223摘要:,不能獲取評定齒輪質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)的齒向精度信息()。,研制了新型的齒輪在線測量機(jī)。介紹了該測量機(jī)的測量原理、系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)。本測量機(jī)是針對大批量成品齒輪的現(xiàn)場快速檢測需求而研制的新型齒輪測量儀器,其突出特點是在被測齒輪與測量齒輪嚙合一轉(zhuǎn)的過程中,可同時獲得徑向綜合偏差及齒輪齒向精度信息。關(guān)鍵詞:齒輪;雙面嚙合;

2、齒向偏差;快速測量中圖分類號:TH132.413文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼:460.4030Gearin2linemeasuringmachinebasedondouble2flankgearrollingtestwithmulti2degreesoffreedomShiZhaoyao,TangJie,WeiHualiang,GaoYumin,LiuChangrong2HarbinMeasuring&CuttingToolGroupCo.Ltd.,Harbin150040,China)11222(1CollegeofMechanicalEngineeringandApplied

3、ElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China;Abstract:Traditionaldouble2flankgearrollingtestercanobtaintheradialcompositedeviationsofthegear,butitishardtoobtainaxialdeviations(helix,taper,etc.)ofthegeartobemeasured.Gearin2linemeasuringmachine(GMM)basedontheprincipleofdoubl

4、e2flankgearrollinginspectionwithmanydegreesoffreedomsolvestheprob2lem.Thispaperpresentsthemeasurementprinciple,axialdeviationassessingmethod,configurationandthecriticaltechniquesofgearin2linemeasuringmachine(GMM),whichisanewmachinedevelopedaccordingtothedemandofhigh2speedinspectioninmass2productiong

5、earworkshops.ThestrongfeatureoftheGMMisthattheradialcom2positedeviationsandhelicaldeviationsofthegearcanbeassessedinoneturnduringhigh2speedinspection.Keywords:gear;double2flank;helicaldeviation;high2speedinspection的分析式測量2;以綜合測量(雙嚙、單嚙測量)3為基1引言齒輪質(zhì)量是影響整機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一,因此,諸如美國的車輛齒輪的行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,應(yīng)對成品齒輪進(jìn)行100%的測量,以

6、滿足對其質(zhì)量的要求。據(jù)報道,美國的車輛齒輪生產(chǎn)廠家?guī)缀醵寂鋫淞丝焖俑呔葯z測系統(tǒng)。在這方面,我國的研究與應(yīng)用幾乎是空白1礎(chǔ)的功能式測量以及將單項和綜合集成于一體的齒輪整體誤差測量4。5齒輪測量技術(shù)的研究有悠久的歷史。從整體上考察,其發(fā)展主要表現(xiàn)在3個方面:第一,在測量原理方面,實現(xiàn)了由“比較測量”到“嚙合運動測量”、直至“模型化測量”的發(fā)展;第二,在實現(xiàn)測量原理的技術(shù)手段上,歷經(jīng)了“以機(jī)械為主”到“機(jī)電結(jié)合”、直至當(dāng)今的“光2機(jī)2電”與“信息技術(shù)”綜合集成的演變;第三,在測量結(jié)果的表述與。齒輪測量一般分為:以齒廓、齒向和齒距測量為基礎(chǔ)收稿日期:2007212ReceivedDate:20072

7、123基金項目:國家自然科學(xué)基金(50375006)資助項目304儀器儀表學(xué)報第30卷利用方面,歷經(jīng)了“指示表加肉眼讀取”、到“記錄器記錄加人工研判”、直至“計算機(jī)自動分析并將測量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。與此同時,齒輪量儀經(jīng)歷了單品種單參數(shù)的儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀)、單品種多參數(shù)的儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀)到多品種多參數(shù)的6儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。目前世界上應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場的齒輪自動測量機(jī)通常都采用齒輪雙面嚙合測量原理。究其原因,主要是齒輪雙面嚙合測量的原理簡單(一維測量、準(zhǔn))、測量效率高、等特點,測量的要求。(如螺旋線偏差)是否合格;而齒輪齒向精度是與齒輪壽命

8、、振動和噪聲相關(guān)聯(lián)的。由此本文提出了齒輪雙面嚙合多維測量原理,并開發(fā)出基于該測量原理的齒輪在線測量機(jī)(gearin2linemeasur2ingmachine,GMM)。7293齒向精度評定指標(biāo)基于齒輪雙面嚙合多維測量原理所獲得的齒輪齒向精度信息,是左右齒面誤差的綜合作用結(jié)果,需要對它所包含的信息進(jìn)行分離與評定。為此,建立評定齒輪齒向,如:、徑向綜合齒;,2。在圖2(a)中,AB為;圖2(b)中,由齒向線在切平面ZAB中產(chǎn)生的偏差得出徑向綜合齒向錐度偏差;圖2(c)中,由齒向線在切平面ZAB中發(fā)生的偏差得出徑向綜合齒向傾斜偏差。2雙面嚙合多維測量原理齒輪雙面嚙合多維測量原理如圖1所示:當(dāng)被測齒

9、輪3與測量齒輪2及特殊測量齒輪4作無側(cè)隙嚙合滾動時,通過徑向傳感器1、齒向傾斜傳感器5、齒向錐度傳感器6同時測量中心距的變化量a和齒輪的軸線偏擺C和L;通過對多路測量信號進(jìn)行處理,同時獲量取齒輪的徑向綜合偏差與齒向偏差(如螺旋線偏差、錐度偏差等)信息。實質(zhì)上是在傳統(tǒng)的雙面嚙合測量方法上為齒輪增加自由度,通過新增的自由度來反映被測齒輪的齒向精度信息。其關(guān)鍵是改變了傳統(tǒng)雙嚙測量的一維測量本質(zhì)。圖1中左側(cè)為傳統(tǒng)雙嚙測量,右側(cè)為雙嚙多維測量。由于可以用線性測微傳感器來獲得齒輪軸線的偏擺量,而不需要精密測角傳感器,因此,本測量技術(shù)具有傳統(tǒng)雙嚙測量技術(shù)的優(yōu)點,又能在一次快速測量中同時得到被測齒輪的齒向精度

10、信息。各齒向精度新指標(biāo)的定義如下:1)徑向綜合齒向錐度偏差:被測齒輪與理想精確的圖2齒向精度評定示意圖Fig.2Schematicrepresentationofradialcompositehelicaldeviations10測量齒輪雙面嚙合時,齒輪軸線在徑向發(fā)生的角度偏差的最大變動量。2)徑向綜合齒向傾斜偏差:被測齒輪與理想精確的測量齒輪雙面嚙合時,齒輪軸線在切向發(fā)生的角度偏差的最大變動量。3)一齒徑向綜合齒向錐度偏差:被測齒輪與理想精確的測量齒輪雙面嚙合時,在被測齒輪一齒距角內(nèi),齒輪軸線在徑向發(fā)生的角度偏差的最大變動量。4)一齒徑向綜合齒向傾斜偏差:被測齒輪與理想精確的測量齒輪雙面嚙合

11、時,在被測齒輪一齒距角內(nèi),齒輪軸線在切向發(fā)生的角度偏差的最大變動量。4測量機(jī)的組成及關(guān)鍵技術(shù)4.1儀器組成齒輪在線測量機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、測量軟件系統(tǒng)等部分組成(見圖3)。圖1測量原理Fig.1Measurementprinciple第2期石照耀等:基于雙面嚙合多維測量原理的齒輪在線測量機(jī)305圖3系統(tǒng)構(gòu)成Fig.3Sturctureofthemeasuringsystem儀器工作過程如下:硬件初始化成功后,氣缸6夾緊被測齒輪軸7,氣缸1、氣缸11前進(jìn)施加測量力,電機(jī)3旋轉(zhuǎn),帶動被測齒輪7、測量齒輪4、特殊測量齒輪8旋轉(zhuǎn),通過徑向傳感器2、齒向傾斜傳感器10、齒向錐度傳感器9進(jìn)行測量

12、采樣,測量結(jié)束停電機(jī),退回氣缸,對采樣獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析與處理,分離出各誤差項目,測量結(jié)果可保存并供報表打印和查詢。1)機(jī)械系統(tǒng)3)測量軟件系統(tǒng)測量軟件系統(tǒng)完成參數(shù)輸入、儀器標(biāo)定、測量過程的自動控制、數(shù)據(jù)采集、齒輪誤差評定與分析、測量結(jié)果的保存、報表打印等功能。進(jìn)入齒輪在線測量機(jī)的測量軟件進(jìn)行操作時,可編輯、查閱測量齒輪、特殊測量齒輪的參數(shù)。在測量同一批量的被測齒輪前或系統(tǒng)重啟后,需設(shè)置好其相關(guān)參數(shù),并對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,重復(fù)被測齒輪參數(shù)的連續(xù)測量中可不必重復(fù)系統(tǒng)標(biāo)定過程。之后可進(jìn)入自動測量階段,獲得的測量結(jié)果需保存的可存入測量記錄列表并可查詢、報表打印。4.2關(guān)鍵技術(shù)1)多維測量機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)械

13、系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:支承架、花崗巖基座、標(biāo)準(zhǔn)測量滑架、固定軸系、回轉(zhuǎn)軸系、多維測量機(jī)構(gòu)、擺動測量滑架等?；◢弾r基座位于支承架上,由減振墊相連。標(biāo)準(zhǔn)測量滑架和擺動測量滑架安裝在線形導(dǎo)軌的滑塊上,可沿固定在花崗巖基座上的直線導(dǎo)軌縱向移動。多維測量機(jī)構(gòu)固定在擺動測量滑架上,可實現(xiàn)徑向和切向的微轉(zhuǎn)浮動,兩個固定軸系分別裝在標(biāo)準(zhǔn)測量滑架和多維機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上,回轉(zhuǎn)軸系裝在花崗巖基座上,交流伺服電機(jī)安裝在回轉(zhuǎn)軸系的下方。各傳感器分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)測量滑架、花崗巖基座和多維測量機(jī)構(gòu)上。測量時,電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸系,帶動兩個固定軸系上的測量齒輪旋轉(zhuǎn)。2)測量與控制系統(tǒng)在齒輪在線測量機(jī)中,多維測量機(jī)構(gòu)是最關(guān)鍵的部件,

14、體現(xiàn)了該儀器的設(shè)計特色和創(chuàng)新點,是實現(xiàn)多維測量原理、獲得齒輪齒向精度的基礎(chǔ)部件。多維測量機(jī)構(gòu)在測量過程中要同時測量齒向傾斜偏差和齒向錐度偏差,所以要安裝兩個傳感器。為便于介紹,先建立一個三維坐標(biāo)系,如圖4所示,以通過測量軸線和多維殼體水平軸線的平面為XY面(徑向平面),以水平向左的方向為X軸正向,測量軸線向上為Y軸正向,按照笛卡爾坐標(biāo)原則,垂直于XY平面為YZ平面(切向平面),指向紙內(nèi)的方向為Z軸的正向。測量齒向錐度偏差的傳感器的布置在X軸方向上,測量齒向傾斜偏差的傳感器布置在Z軸方向上。測量控制系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)。被測齒輪由伺服電機(jī)驅(qū)動;被測齒輪的夾緊、徑向測量力的施加由

15、氣動系統(tǒng)完成;標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)包括主軸圓光柵、徑向傳感器RS、齒向傾斜傳感器LS、齒向錐度傳感器CS、數(shù)據(jù)采集卡。306儀器儀表學(xué)報第30卷(見圖7)。特殊測量齒輪采用中凹結(jié)構(gòu),只在兩端與被測齒輪進(jìn)行雙面嚙合。圖4多維測量機(jī)構(gòu)三維圖Fig.4Multi2dimensional圖5多維。多維殼體4可以隨滑塊2沿直線導(dǎo)軌1運動;多維殼體與測量架通過水平主軸5連接,實現(xiàn)切向平面的微轉(zhuǎn)浮動,測量架上的多維底板6通過微型軸7實現(xiàn)徑向平面的微轉(zhuǎn)浮動。為了計算方便,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取“三心共面”的方式,即被測齒輪齒寬方向的中心、徑向平面回轉(zhuǎn)中心和的切向平面回轉(zhuǎn)中心位于同一個平面上。另外,齒輪在線測量機(jī)在對被測齒輪進(jìn)

16、行測量之前,需要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。本系統(tǒng)需要標(biāo)定的量包括徑向傳感器RS、齒向傾斜傳感器LS、齒向錐度傳感器CS的初始位置。用于標(biāo)定的齒輪需要從精度、特征上進(jìn)行特殊的設(shè)計,從而滿足本系統(tǒng)的標(biāo)定需求。3)實現(xiàn)快速測量為確保測量裝置具有較高的穩(wěn)定性,采取以下技術(shù)措施:采用花崗巖基座和高精度直線滾珠導(dǎo)軌;采用精密密珠軸系,并具有主軸安裝偏差自動補(bǔ)償功能,確保具有足夠的剛性和精度;驅(qū)動控制系統(tǒng)與測量系統(tǒng)分離,避免動力源對測量過程的影響;將傳感器進(jìn)行標(biāo)定,然后在測量過程中對測量數(shù)據(jù)用軟件進(jìn)行修正。為實現(xiàn)快速測量,進(jìn)一步采取以下措施:整個測量過程采用自動夾緊、自動標(biāo)定、自動測量和計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理,避免人工

17、參與;采用光柵式位移傳感器和高速數(shù)據(jù)采集卡。5實測結(jié)果在研制的齒輪在線測量機(jī)上,對齒輪進(jìn)行測量。在實驗中用到的各齒輪的參數(shù)見表1。在齒輪雙面嚙合多維測量中,考慮到被測零件和測量齒輪及其嚙合位置、測量力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、操作等因素對測量結(jié)果均產(chǎn)生影響,因此在考查齒輪在線測量機(jī)的測量重復(fù)性時,每次測量時將被測齒輪置于同一起測點,對被測齒輪進(jìn)行連續(xù)多次1直線導(dǎo)軌;2滑塊;3移動平板;4多維殼體;5水平主軸;6多維底板;7微型軸測量,其他測量條件不變,得到的測量結(jié)果見表2,其偏差曲線如圖8所示。表1實驗用齒輪參數(shù)Table1Gearparametersusedinthetest名稱被測齒輪測量齒輪特殊測量

18、齒輪參數(shù)模數(shù)2.5齒數(shù)17壓力角20°(左旋)螺旋角24°齒寬28圖5多維測量機(jī)構(gòu)組成圖Fig.5Drawingofmulti2dimensionalmeasuringmechanism2)特殊齒輪設(shè)計齒輪在線測量機(jī)在每次測量過程中用到2個測量齒輪,測量齒輪是實現(xiàn)雙嚙多維測量原理的關(guān)鍵元件。這兩個測量齒輪需要單獨設(shè)計,其中測量齒輪用于一維雙嚙測量中(見圖6),特殊測量齒輪用于雙嚙多維測量中模數(shù)2.5齒數(shù)33壓力角20°(右旋)螺旋角24°齒寬24第2期石照耀等:基于雙面嚙合多維測量原理的齒輪在線測量機(jī)表2測量結(jié)果Table2Inspectionresul

19、ts名稱徑向綜合總偏差一齒徑向綜合偏差徑向跳動徑向綜合齒向傾斜偏差徑向綜合齒向錐度偏差測得值/m34.017.525.062.573.3307measurementinChinaC.ProceedingsofInter.Conf.ofGearing,1989:25231.5SHIZHY,FEIYT,XIEHK.100yearsofgearmeas2urementtechnologyReview&prospectJ.Engineer2ingScience,2003,5(9):13217.6RUDOLFO.Historyofgearmeasuringmachinesandtraceabil

20、ity190022006J.ProductNews,2006,(1020225.72on.Developmentofanewau2selectingmachineforautomobiletransaxlemanufacturingC.AnnalsoftheCIRP,1984,33(1):3632368.9徐王全,谷延輝.齒輪付動態(tài)運動誤差的測量和分析J.儀器儀表學(xué)報,1985,6(2):1722184.HSUWCH,KUYH.ThemeasurementandanalysisofthedynamictransmissionerrorofagearpairJ.Chi2neseJournalof

21、ScientificInstrument,1985,6(2):1722184.10SHIZHY,ZHAOSHZH,TANGJ.Newmeasurementprincipleofin2linefastspeedinspectionforvehiclegearJ.ModernComponents,2005,(10):88289.作者簡介石照耀,1984年于合肥工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,1988年于陜西機(jī)械學(xué)院獲得碩士學(xué)位,2001年于合肥工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向為精密測試技術(shù)及儀器。電話:010267390989;E2mail:shizhaoyao6

22、結(jié)論齒輪雙面嚙合多維測量是在傳統(tǒng)的齒輪雙面嚙合測量基礎(chǔ)上的創(chuàng)新,其原理新穎,是傳統(tǒng)的齒輪雙面嚙合測量技術(shù)的發(fā)展新趨勢?；陔p面嚙合多維測量原理的齒輪在線測量機(jī)(GMM)在被測齒輪與測量齒輪、特殊測量齒輪嚙合一轉(zhuǎn)的過程中,可同時獲得被測齒輪的徑向綜合偏差和齒向精度信息。經(jīng)多次實驗驗證其原理可行、測量結(jié)果穩(wěn)定,可應(yīng)用于批量齒輪的現(xiàn)場檢測中。參考文獻(xiàn)1SHIZHY.GearmeasuringmachineM.Beijing:Bei2jingInstituteofTechnologyPress,2006:1832187.2GOCHG.GearmetrologyC.AnnalsoftheCIRP,2003,52(2):6592695.3BAIYX,GearaccuracyandcompositeinspectionM.