齿轮毕业设计.doc

中国矿业大学成人教育学院2006届毕业设计摘 要 我国机械工业迅速发展的今天，每年所生产的齿轮数以千万计，而加工时由于机床，刀具及工件系统的影响，被切齿轮的齿形会产生一定的误差。这个误差如果不能控制在一定范围内，将会影响齿轮传动的平稳性，并引起噪音和振动。因此对齿形误差进行测量是评定齿轮质量的一个重要方面。同时还能从中分析出产生误差的原因，并研究出提高质量的措施。 随着科学技术和制造业的发展，许多机器和设备所需的动力速度愈来愈大，因而对齿轮的精度要求也将越来越高。一些老式的齿轮测量仪已经跟不上时代的步伐，但在其基础上，通过某些方面的改进，可使之重新焕发青春，以免过早淘汰。 本次设计的目的是对一台单盘式渐开线检查仪进行改装，以改善其功能。 原来的单盘式渐开线检查仪，存在着诸多不足，在设计过程中，我着重考虑了以下三个方面的不足：一、定位装置采用圆锥定位，限制了仪器只能测量带孔齿轮，而对带轴齿无能为力。二、每次测量均要以繁琐的中调零过程来保证测量的准确性。三、采用百分表读数，精度太低。针对这几个不足，我作如下进：一、定位装置采用顶尖定位，使仪器可测带轴齿轮，扩大了仪器使用范围。二、在仪器中增设了对中调零装置，使这一过程得到简化。三、用传感器代替百分表读数，效率和精度大大提高。由此可见，通过定位装置，对中装置，记录装置三方面的改进，仪器在通用性，高效性准确性等到方面有了很大改善，达到了设计任务的要求。关键词：定位装置，对中装置，记录装置，通用性，准确性目 录1 设计任务. 12 绪论.121 齿轮传动的基本要求.122 齿轮传动的公差标准.2 221 渐开线圆柱齿轮误差分析.3 222 误差来源43 渐开线及其特点.531渐开线定义及特点.532渐开线理论在齿检仪上的应用.84 原单盘式渐开线检查仪简介.95齿形测量仪器参考.1251渐开线齿形的测量.1252渐开线仪器及其测量原理.12521渐开线比较测量仪.12522渐开线绝对测量仪.25523电子范成式渐开线检查仪.276 方案选择.3061方案选择1：关于定位装置3062方案选择2：关于对中调零装置32621原单盘式渐开线检查仪存在的不足.32622改进思路.33623采用什么样的限位装置.3363方案选择3：关于记录装置34631单盘式渐开线检查仪存在的不足.34632改进思路.35633采用什么类型的传感器.357单盘式渐开线检查仪精度分析.3771误差分析概述.3772精度分析.38721上下顶尖同轴度误差38722主轴回转跳动误差40723仪器总误差.45724判断精度达以要求否.458结束语.469参考文献.47中国矿业大学成人教育学院2006届毕业设计10致谢.491 设计任务要求：一、改进定位装置； 二、改进对中调零装置；三、改进记录装置；四、进行精度分析，须能够测量分度圆直径100左右，6-9级精度的齿轮法向模数目3.56.3。 目的：对实验室的单盘式渐开线检查仪进行改装，以改善其功能。2 绪论2.1 齿轮传动的基本要求瞬时传动比基本不变，否则传动将不平稳，不准确。齿轮传动中反映瞬时传动比变化的因素很多，如周节、基节、公法线变动，齿形等。齿轮传动装置由齿轮副、轴、轴承及机座组成，其运动质量与互换性主要取决于齿轮的加工和安装精度。同于齿轮广泛地用于传递运动和动力。因此，各种机器和仪器的工作性能，与齿轮传动的质量密切相关，对于齿轮传动，主要由以下四个方面的要求：一、 传递运动的准确性在齿轮副中，从动轮齿数z2和主动轮齿数z1的比值叫传动比，即。传动比是根据传动的需要设计的，对于精密机械传动应保持瞬时传动比基本不变，否则传动将不平稳，不准确。齿轮传动中反映瞬时传动比变化的因素很多，如周节、基节、公法线变动，齿形等。二、 传动的平稳性用于准确传递运动和分度的齿轮，如传动不平稳，也无法保证准确和传递运动和分度。对于高速旋转的动力齿轮，它对工作平稳性无更高的要求，希望噪音小，冲击和振动小，这样不仅可保证工作精度，而且还可以延长寿命。由于加工误差使得齿轮转动不可避免地产生瞬时传动比的变化。转速时快时慢，从而产生噪音，冲击和振动，因此要对它加以限制，即要求齿轮在每一转中多次重复出现的转角误差（高频误差）要小。三、 载荷分布的均匀性对于低速动力齿轮，要求其在啮合时其齿面的实际接触面积要大，而且接触要密合，这样齿面载荷分布得均匀，不易磨损，可延长使用寿命，但是由于加工和安装中有误差，实际上不可能在全齿宽上接触，因此要对接触精度提出要求。四、 齿侧间隙为了润滑齿面和防止齿轮传动时因热膨胀变形引起尺寸的变化甚至卡死，故要求齿轮不接触的非工作齿面之间有一定的齿侧间隙，间隙过大，对需要正反转的齿轮会引起换向冲击，对分度用的齿轮则会有较大的空程误差。2.2 齿轮传动的公差标准为了保证齿轮的传动质量和互换性，要用齿轮传动公差标准来对齿轮的加工精度提各种不同的要求。gb10095-88渐开线圆柱齿轮精度对圆柱齿轮规定了几个精度等级，其中一级最高，以后名级依次降低。对于312级精度大致分为三类：35级为高精度级68级为中等精度级912级为低精度级按齿轮各项误差的特性和对使用性能的主要影响，将其各项公差或使用偏差分为三个公差组，以满足各方面精度要求的选择。表2.1 齿轮公差组公差组公差与极限偏差项目误差特性对传动性能主要影响页：2i一转周期误差传递运动的准确性一齿误差、传动的平稳性齿向误差载荷分布均匀性 一般情况下，一个齿轮的三个公差组应选用相同的精度等级，当使用时对齿轮有某个方面的特殊要求时，也可选用不同的精度等级。2.2.1渐开线圆柱齿轮误差分析（一） 传递运动准确性的误差（二）影响传动平稳性的误差齿轮传动是通过齿轮副的啮合来进行的，所以要使齿轮传动平稳，必须保证齿轮正确连续啮合的条件，所谓连续啮合是指前一对齿脱离接触前，后面一对齿进入啮合，否则如不正确啮合，传动将不平稳而产生误差。1、 传动平稳性的误差因素影响传动平稳性和引起噪音振动的误差因素主要是齿轮在一转过程多次反复出现的短周期误差。对高速齿轮副，长周期误码差也影响平稳性。由前面渐开线齿轮啮合原理和条件可知，保证齿轮副瞬间传动比不变和正确啮合的主要条件，是两齿轮渐开线齿形一致过程中多次反复的转角误差，是影响平稳性的基本参数。从每个轮齿的啮合过程也可看出，基节偏差将产生撞击或顶刃啮合，而轮齿正常进入啮合到脱离啮合之前传动是否平稳，则主要取决于齿形误差。周节偏差是反映传动平稳性的另一指标，周节与基节 有如下几何关系： 式中分度周压力角为20 上式微分后的近似有：由上式可以看出，如果周节存在误差则必将影响基节偏差，从而影响齿轮的传动平稳性，但当齿形角的误码差存在时，控制周节偏差并不等同于控制基节偏差2.2.2误差来源齿形误差主要来源于齿轮加工机床的周期误差，刀具误差以及加工中的振动。机床周期误差主要是分度蜗杆本身的制造和安装误差引起的。有误差的蜗杆在分度蜗轮的啮合传动中，将使蜗轮的转动呈现以蜗杆每转一转为周期的周期性不均匀，其不均匀性取决于蜗杆的头数。一般机床分度蜗杆多采用单头所以这种误码差在被加工齿轮每转中的频率就是分度蜗轮的齿数，它使渐开线齿形上产生波度误差。刀具的制造和安装误差（径向跳动和轴向窜动）经常是齿形差的主要来源。就滚齿来说，几乎滚刀上所有误差参数都有影响被加工齿轮的齿形误差。生产实践表明，齿数少的小齿轮，刀具误差对齿形误差的影响尤为突出。但对齿数较多的大齿轮，则机床误差的影响往往占主导地位。加工的振动也将引起齿形误差。特别是对高精度齿轮的加工不可忽视。由于以上三者的影响。会使切出的轮齿形状发生误差即实际得到的渐开线齿形如图2.1中的黑线所示（而其中的是齿顶倒角部分）所谓渐形开线齿形误差是指在齿轮的端截面上，齿形的工作部分（h）范围内（齿顶倒棱部分除外），包容实际齿形距离为最小的两条设计齿形（b、c）间的法向距离。设计齿形可以是修正的理论渐开线包括修缘齿形，突齿形等。工作齿形不是正确的渐开线时，则其啮合点的运动理论上已不符合齿轮基本定律，即这时的瞬时传动比将发生变化，所以齿形误差会影响传动的工作平稳性。 图2.1 齿形误差分析图3 渐开线及其特点31渐开线定义及特点渐开线是一条直线（发生线）沿着一个定圆（基圆）作无滑动的纯滚动，动直线上任一点的平面运动轨迹曲线。也可以这样来看，以一线绳绕在圆周上，绳的一端拴一支铅笔，将绳拉紧并逐渐展开，则铅笔在纸上画出来的曲线就是渐开线。绕绳的这个圆叫作基圆，圆的半径以表示；展开的直线为发生线，如 ，它也是渐开线在k点的曲率半径，其长度为，对应的展开角为。 图3.1 渐开线形成原理图从渐开线的开成原理可知，渐开线有以下特点：（1）发生线（在渐开线上的任一点）恒垂直于渐开线，且与基圆相切，切点n就是发生线运动的瞬时中心，的长度等于作用角在某基圆上所对应的弧长 ，即而图中向径与的夹角称为渐开线上k点的压力角，意思是当齿廓在k点与另一齿廓啮合时，该点运动方向（线速度）之间的夹角，由图中的关系可知：上式说明压力角随向径的增大而增大，在基圆上压力角等于零。 不可能大于90 ，因为那样将为无穷大。一般渐开线齿轮最大压力角在齿顶。（2）对应于渐开线起点a至任一点k的圆心角称为渐开线角，用压力角 的函数来表示，即称渐开线函数，记为inv=- 因为 所以（3）渐开线除可用向径及渐开线角以极坐标方程式表示外，还可用直角坐标方程来表示，如图3.2所示：设坐标原点为基圆圆心，则任一点k的坐标x、y分别为：为简便计算，将式中函数按麦克劳林级数展开，并取近似值，即：则上式代入直角坐标方程式，则： 图3.2 渐开线直角坐标 （4）当向径由渐开线的起始点a回转过一个渐开线角 时，对应渐开线长度s可用下式计算；（5）渐开线的所有点都在基圆以外，基圆相同，则渐开线相同，基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径时，渐开线就变成垂直于发生线的直线，即为齿条齿廓。32渐开线理论在齿检仪上的应用通过对以上渐开线理论的学习，可以得到如下结论：描述渐开线可用三种方法；1、 渐开线生成原理2、以极坐标方式3、以直角坐标方式根据这三种方法选出了各种各样的渐开线齿形检查仪，根据方法1查出的仪器用于比较测量，有机械范成和电子范成两类。根据方法2的仪器用于绝对测量，它是通过齿形上坐标点的位置与理论公式或数学模型进行比较。单盘式渐开线检查仪属于第一种类型。4 原单盘式渐开线检查仪简介我这次改装的仪器，其原型是我院公差实验室里的一台苏联产单盘式渐开线检查仪，其外观如下面图所示。该仪器生产于五十年代，由于它结构简单，因而测量精度高。这种仪器曾在车间大量使用。一些生产插齿刀，剃齿刀的工具厂，为生产每一种产品配备一台仪器，使用起来十分方便。这也从一个方面说明了该仪器曾经是比较先进的。随着科技的发展，测量技术也目新月异。该仪器逐渐暴露出了一些缺点：1、不同的齿轮需要配备一个专用的精度很高（直径公差0.0010.002mm）的基圆盘.2、对于被测齿轮的实际基圆半径不能从仪器上直接获得,而3、要通过数学处理得到,故实验室工作中对它不大欢迎,但对成批大量产品的检验所有很大的优越性.3、原单盘渐开线检查仪分两种类型;a型仪器的被测齿轮是带孔的(比如我要着于改进的这一种);b型仪器的被测齿轮是带轴的,故这也限制了仪器的通用性.4、原仪器在测量之前都要有一个十分繁琐的对中调零过程来保证其测量精度:用缺口样板反复调整仪器,使测头处在直尺的工作面上.测量效率很低.5、原仪器的记录装置是采用一个百分表：齿轮每转过一定角度读取一个读数（齿形误差），不能进行连续测量。而且不能自动进行数据处理，效率不高，精度也受限制。原仪器主要的缺点是以上五个方面，在测量要求高精度，高效率的今天，这些缺点更加明显，可以说这种仪器已经处于淘汰行列，签于这种情况，我的设计目的-改装单盘式渐开线检查仪，是比较良好的。关键是如何改进？作为设计者，我当然希望把所有缺点都将它消除，但这有很大难度。而且事物总处于不断变化中，消除了这个缺点，说不准另一个缺点又出现了。而且分析上述五个缺点可知：1、2两个缺点是由仪器的测量原理决定的，要消除这两个缺点必将改变仪器的测量原理，必然要对原仪器大手术，那就不叫改进，而叫翻新了。当然不能由于困难的存在而放弃努力，并且指导老师也给我提供了很好的设计蓝图：1、 改进仪器的定位装置；2、 改进仪器的对中调零装置；3、 改进仪器的记录装置；4、 很明显，设计思路是针对后面三个缺点。 图4.1 固定基圆盘式齿形测量仪1-定位装置；2-压条；3-横向滑架；4-弹簧拉销；5-拉销；6-杠杆；7-支架8-顶尖轴9-测头；10-套；11-轴；12-基圆盘；13-指针；14-螺母；15-弹簧；16-丝杠；17-基座；18-手轮；19-径向滑架；20-轴承套；21-滚珠轴承；22-直尺23-分度盘为了弥补自身知识的贫乏，学习先进的齿形测量技术，我参阅了许多相关资料，作了一些实习参观，为这次设计的顺利进行打下了良好基础。5 齿形测量仪器参考5.1 渐开线齿形的测量渐开线齿形的测量对象是齿轮的齿侧轮廓，测量的标准是仪器中的基准部分或样板，测量方法有比较测量和绝对测量。渐开线仪器（各种型式渐开线检查仪的总称）是通过机械范成或电子范成形成理想渐开线与被测齿形进行比较测量。而绝对测量是通过齿形上坐标点的位置与理论公式或数学模型进行比较，两种比较方法均给出以线值表示的齿形误差。目前渐开线仪器很多，近年来随着科学技术，电子工业特别是电子计算机的发展，电子演算式齿轮量仪有了很大的发展。有些齿轮量仪已开始向坐标测量仪器发展。5.2渐开线仪器及其测量原理所有渐开线仪器都是按渐开线的形成原理进行工作的。因此仪器的结构应保证能形成具有较高精度的理想渐开线。尽管渐开线仪器的种类繁多，但都有不外乎是将理论渐开线（或方程式）与实际渐开线进行比校而获得齿轮的齿形误差。5.2.1渐开线比较测量仪所谓比较测量仪就是仪器的特定的机构按渐开线形成原理产生理想渐开线，并与被测量的齿形比较而进行测量。凡属机械范成的仪器都有具有这种功能。其差别仅仅是结构和测量准确度的不同。下面是常用几种单盘式和万能式渐开线检查仪。1、 可换圆盘式渐开线检查仪这种类型的仪器要根据被测齿轮基圆半径的不同而更换基圆盘，也就是说一种齿轮要配一个或两个基圆盘，这样的仪器叫单盘式或双盘式渐开线检查仪。图5.1为单盘式渐开齿测量仪。被测齿轮1与可换基圆盘2安装在同一心轴上，基圆盘直径等于被测齿轮的基圆直径，当被测齿轮规格改变时，需更换不同的基圆，所以又称为可换基圆盘式渐开线齿形测量仪，丝杠3使基圆盘2和直尺5压紧后便作无滑动的滚动，因而分别作直线运动和回转运动。测头4的杠杆和测微计6安装在拖板7上。测头4位于基圆盘切线方向的直尺边上。当丝杠8推动拖板7移动时，测头按渐开线原理沿理论渐开线形成一轨迹。当被测齿形与理论渐开线之间存在误差时。此误差便可从测微计6反映出来。可使被测齿轮每转过角度的大小，按测量点的数量决定，也可用记录器把齿形误差自动记录下来。由此可见，渐开线齿形测量是将被测齿形与由直尺和基圆盘所产生的理论渐开线进行比较。 图5.1 单盘式渐开线齿形测量仪原理单盘式渐开线检查仪种类很多，结构大同小异。由于结构简单，因而测量精度高。但使用不方便，缺点：a对于不同的齿轮需配备一个专用的精度很高（直径公差0.0010.002mm）的基圆盘；b对于被测齿轮的实际基圆直径不能从仪器上直接获得，而要通过数学处理得到，故实验室工作中对它不在欢迎，但对成批，大量产品的检验仍有很大的优越性。根据jjg91-78单盘式渐开线检查仪试行检定规定，被检齿轮可以是带孔的（a型仪器）也可以是带柚的（b弄仪器）仪器分高精度和低精度两个精度等级，如表5.1所示： 表5.1 单盘式仪器的不同精度要求项目仪器类别高精度低精度综合误差不大于0.002mm0.005mm示值稳定性不大于0.001mm0.002mm 2、双盘式渐开线检查仪双盘式渐开线检查仪，由于是采用卧式基圆盘在导轨上自由滚动的结构，故仪器需要用两个基圆盘，如图所示被检定的渐开线样板固定在基圆盘上，并随同在圆盘在细绳的牵引下，在导轨上一起滚动，测量头固定不动，并与渐开线表面接触，同时检测出齿形误差。此仪器的测量压力为0.1n ，范成精度很高。双盘式渐开线检查仪与单盘式渐开线检查仪工作原理略有不同，前者仪器的测量头和直尺固定不动，而基圆盘和被测齿轮又转动又移动，齿形的每一点均通过测量头，并将齿形误码差检测出来。后者基圆盘和被测齿轮只转动直尺与测量头同步移动，因此双盘仪器较单盘更为简单。3、固定圆盘式万能渐开线检查仪在单盘式渐开线检查仪的基础上加一套旋转杠杆机构，并通过杠杆进行放大，这就克服了上述单盘式或双盘式渐开线检查仪更换基圆盘的缺点，而成为万能渐开线检查仪，所谓万能就是对于基圆不同的齿轮不需要换基圆盘即可进行测量，一般仪器在一定范围内可作无级调整，属于这一类仪器的类型很多，以下是有代表性的几种：（1） 万能渐开线检查仪该仪器适于测量模数1-10mm，最大外径为450 mm的齿轮，被测齿轮的重量不超过50kg图5.2所示为仪器结构图，从图中可看见滑板4 是仪器主动件，测量时转动手轮6使滑板4移动，并通过下滑块11推出摆尺8摆动，同时通过双钢带3使基圆盘1和齿轮轴10转动。另一方面，摆尺的摆动通过上滑块9使测量滑架5和测量头6同时移动，当齿形有误差时，通过测量头反映出来，并画成误差曲线图。可见此机构十分重要的环节是杠杆和上下滑块系统，这一系统相对位置的正确与否，将直接引起测量误差。 图5.2 结构原理图 1-圆盘；2-主轴和上下顶尖；3-钢带；4-滑板；5-测量滑架；6-手轮；7-丝杠；8-摆尺；9-上滑块；10-齿轮和轴；11-下滑块；12-玻璃刻刀；13-读数显微镜；14-调基圆滑架；15-微分筒；16-测量头；17-换向器；18-测头划架；19-电感表；20-电缆；21，22-记录仪；23-记录纸箔；24-上顶尖；25-摆动轴；26-力柱；27-手轮在此仪器中固安基圆盘与在其圆周上的钢带的纯滚动将产生生理想渐开线，而测量滑架或测量头在齿形面上形成的渐开线是经过了杠杆系统第二次产生的渐开线，所以说杠杆系统是很重要的环节，如图5.3所示 图5.3 圆盘钢带及杠杆系统 o为圆盘回转中心,o为杠杆摆动中心，当钢带与圆盘原来的切点a移动到a的距离为s时，下滑块回转中心b移到b距离也为s时，同样，当上滑块回转中心d移到 的距离为d，而测量头由c移动到c时，若被测点形没有误差，则距离也为 ，否则为 ，故传动系统可分为二级，第一级传动渐开线方程为：第二级传动渐开线方程为：由于圆盘与齿轮回转的角度相等，则 此公式为渐开线检查仪的基本工作原理，从公式可看出仪器的杠杆系统是一种比例放大机构并呈线性放大，当仪器的比例关系遭到破坏时，则仪器失调，并将出现误差，故使用中经常用标准渐开线样板校对仪器。（1） 旋转杠杆式渐开线检查仪旋转杠杆式渐开线检查仪（见图5.4）工作原理与摆动杠杆式渐开线仪器基本相同，所不同的是杠杆机构与被测齿轮同轴回转，测量时，用读数显微镜c按标尺b调整被测齿轮的基圆半径，使测量头a正好落在滑架e在基圆滑架的滑动面上移动，同时通过滚柱推动杠杆h回转，比例杠杆h转动时，图5.4 旋转杠杆式渐开线检查仪滚柱k与滑座j随之移动，则钢带m1和m2使圆盘o施转，与其同轴的被测齿轮p通过g的带动也一起旋转，若圆盘o的半径为r0，滑架e移动。则图盘钢带移动的距离为； 此式与前面比例放大公式相同，旋转杠杆式仪器主要的优点是传动链的对称性比较好。（2） 靠模式渐开线检查仪 图5.5 靠模式渐开线仪器原理图靠模式渐开线检查仪（见图5.5）的特点是仪器内装有一块标准渐开线靠模板7，用它来起理论渐开线的作用，被测齿轮与靠模7安装在同一轴上，通过带动器连接并使其回转，直尺6紧贴渐开线靠模板7的形成展成运动，滑板同时被推动，当靠模转过角时，滑板移动距离即式中=渐开线靠模板压力角面滑板通过较链使与杠杆3回转角，则式中a-杠杆回转中心b到较链5的距离杠杆3又通过较链4与测量滑架2相连，测量时，调整滑架2靠紧垫入的量块，量块尺寸等于基圆半径这时铰链4到杠3的摆动中心距离等于齿轮的基圆半径 rb。测量头1到顶尖中心的距离也等于齿轮的基圆半径rb，当杠杆回转角时，铰链4就使测头1移动距离。即由引可见靠模式渐开线检查仪的工作原理也与上述仪器相同，但靠模式仪器精度低，灵敏限差，不大使用。（3） 正切式渐开线检查仪 图5.6 正切式渐开线检查仪 正切式渐开线检查仪的工作原理如图5.6所示，转动手轮使直尺与扇形板作无滑动的纯滚动，直尺与纵向滑板连在一起，滑板上装有正弦尺，通过滚动与重直测量滑架，联系起来，测量滑板上又有一个调整测量头位置的滑架，测量时，把测量头调整到被测齿轮的基圆位置上，齿轮与扇形板同轴转动，调整正弦尺使其斜角满足下式关系；当转动手轮使滑板移动s距离时，圆盘与被测齿轮则转动角，即 通过正弦尺的作用，使测量滑板移动的距离为 正弦尺是本仪器实现万能性的机构，从它的工作性质来说，在测量过程中会产生同步误差和正弦原理误差，两者误差方向相反。将上式偏微分得误差方程：以此式知，当d和ds 误差大小一定时，角愈大，则仪器的合成误差d愈大，故使用此仪器时角应小于45度， 仪器的正弦尺误差主要是由于扇形板与直尺工作面之间的滑动现象所引起，其次是 弦尺的原理误差，滑动在本仪器中不会直接引起测量误差，故可令 并设s=100mm,d=2，当=45时，当=30时故使用仪器时要注意正弦尺的原理误差，即角应尽可能小于45度，否则会出现校大的原理误差。属于这一类型的仪器有我国第二汽车厂zzp109齿形检查仪等。4可换圆盘式渐开线检查仪pfs-600型渐开线螺旋线检查仪经过改进，生成了pfsu仪器。pfsu型仪器的工作原理具有坐标测量仪器的特点，仪器的滑板1为主动件，通过水平度盘斜槽2推动测量滑架3移动，同时通过与滑板连接的拉杆迫使摩擦圆盘4转动（圆盘有两种尺寸d1=40mm，d2=200mm），使主轴5与带动器6和被测齿轮7产生角位移，调整基圆用的刻度尺，只起尺寸调整作用即仪表测量头8的位置，不再起到改变运动关系的作用。测量时，齿轮的基圆半径通过调整，水平度盘斜槽的角度来实现，计算公式为：式中各符号含义见图5.7图5.7 pfsu仪器工作原理由于大小圆盘的尺寸相差5倍，当测量同一基圆齿轮时，用小圆盘测量的斜角比大圆盘小5倍，故大小圆盘测量精度相差5倍。 图5.8 斜槽与测量位移的关系根据试验斜槽角度与测量径移的精度关系（见图5.8）为：10能产生4mm的位移，即相当于2.5产生1的位移，对主轴转角影响为 故本仪器的角度转位的精度很高，但由于机械结构的关系，仪器的灵敏限却不一定能相适应。例如，用d=40mm的圆盘测量基圆直径 =150.09mm的齿轮，由于基圆有0.003mm的误差，如国将此误差测量出来 ，并用角度秒表示，按式算出；可见仪器水平斜度盘出现的1的误差，将造成被测齿轮基圆0.003mm的误差故使用pfsu型仪器要注意此误差的影响，而且这种影响随使用圆盘直径的不同及被测齿轮基圆尺寸的不同各异。万能渐开线检查仪检定规程规定，万能式渐开线仪器分为三个精度，如表5.2所示，任何一类渐开线仪器按其检定的情况和条件均可检定高精度齿轮或精度稍低的齿轮，其先决条件是看仪器所划出齿形曲线的直线度如何。直线度越好，则仪器精度越高，相反则精度要稍差一些。表5.2 测量不同精度齿轮渐开线的仪器精度要求被测齿轮精度画曲线的直线度误差综合误差（mm） rb60mmrb150mm4级0.00-10.00150.0025级0.00150.0020.0036级以下0.0020.0030.004 5.2.2 渐开线绝对测量仪常用的渐开线绝对测量方法有两种，旋转坐标法和直角坐标法，坐标测量具有方法简单，容易实现等特点，而缺点是测量不连续，但脉冲技术和电子计算机用于测量之后，坐标测量方法就是具有其他方法无可比拟的优点，下面介绍坐标测量方法和仪器。1、 坐标式渐开线检查仪（1）坐标测量机根据传统的坐标测量方法，是在万能工具显微镜上，使齿轮齿圆中心与圆转台回转中心重合，将主显微镜的米字中心交点调整到齿轮的基圆上。测量时，旋转分度头，使齿形齿根处的齿廊与米字线交点重合，记下纵向显微镜的读数0，然后将齿轮转过一定的展开角1 ，再纵向移动主显微镜，使用米字线再次与齿廊相交，第二次读取显微量镜读数1 ，然后再转动分度台到2并移动显微镜交点到齿面上，再次从显微镜读取2，如此重复至齿顶。由渐开线的表成原理式：知，被测定齿型误差为：上述测量过程如果在具有电子计算机的坐标测量机上按程序自动进行测量，则测量操作就非常简单，齿轮的装夹也不需找正，并可在测量时同时装夹工件。高精度坐标测量机各坐标的分辨率为；长度1m，角度 0.5，探测头0.1m，测量齿轮各参数的精度可高于或相当于一般齿轮测量仪器。坐标测量机的探测头有安全装置，具有可预置测力，自动平衡头重量和寻找齿间，孔径等接触中心的功能。（2）极坐标齿形测量仪它与上述坐标测量方法基本相同，不同的仅仅是将坐标测量方法用专门的仪器或装置来实现。如中国计量科学研究院研制的渐开线样板检查仪。仪器的测量方法是将渐开线的测量转变为长度和角度的测量，这对量值统一工作十分有利，即可把长度基准和角度基准直接传递到渐开线仪器。渐开线样板检查仪器如图5.9所示由轴系1，调基圆半径的滑座2，分度角块和工作台5，fa3准直管6，阿欠测长仪9，激光器13及其干涉系统7、8、11及接收系统12等部分组成。目前机械式渐开仪器确定基圆半径的方法都存在一定的主观性， 图5.9 渐开线样板检查仪且精度较低，为克服主观误差因素提高测量精度，可采用最小二乘法，但计算繁琐是其不足之处。坐标测量方法的测量头误差是一种方法误差，测量头在坐标测量中就某种意义上说可代表齿轮基圆的位置，因为仪器的调整主要就是调测量头的位置。通过计算，只要基圆或测头位置的调整误差不大于0.01mm,方法误差是很小的,故此法比较容易保证测量精度.（4） 直角坐标齿形测量仪 该仪器采用直角坐标测量原理,将测得值与理论值进行比较. 测量时，是以高度定位，移动水平滑板使测量头与齿面接触。指示表读数，测量值和计算值之关就是齿形误差。5.2.3电子范成式渐开线检查仪（1） 电子演算式渐开线检查仪。 amc-40型齿轮渐开线检查仪是利用长光栅和磁分度来实现数模转换，在数据处理方面采用了计算机系统。这样，仪器就实现了坐标测量的数字化及数据处理自动化。仪器沿被测齿轮基圆切线方向具有能自由滑动的测量架，其上固定一测头，以很轻的测量压力与齿面相接触，当齿轮转动时推动测量头，沿x方向移动，如图5.10图5.10 电子演算式齿形检查仪移动距离x由光栅偏码器检测出来，并转换成电脉冲信号，同时从与被测齿轮同轴安装的磁分度盘检测出相应转角的脉冲信号，由计算中心电路算出齿形误差。计算电路的数字输出经d-a变换器变成直流电压，用直角坐标记录仪画出齿形误差曲线。对于被测齿轮的基圆半径rb，在计算电路中用预置数的方法输入常数k值来解决。 这种测量方法是对齿形进行抽样检查，取样间隔是以角值=2j/n（弧度）对展开长度k（mm）取样，为了避免齿面表面光清度的影响，要取适当大的取样间隔，评定总齿形误差，通常齿形误差测量的取100个点为合适。（2）补偿式电子展成渐开线检查仪gc-hp仪器采用补偿式电子展成方法从根本上取代了机械范成原理，因而产生了新一代新型齿轮仪器。测量齿形时，齿轮的回转角为，测量头沿基圆切线方向移动量为x，基圆直径为，则 与x关系为；那么，当每次对被测齿轮取样时，测出x以后，把它和用公式计算出的数值进行比较时，就可获得齿形误差。取样越细，齿形便越接近连续曲线。 仪器中主轴回转与测量头的移动是对应着被测齿轮齿形的。由计算机给出动作指令，通过脉冲马达驱动，位移量是由旋转编码器与直线编码器检测出来，而且驱动系统的误差及齿轮齿形都存在误差，因此用检测头把它们的误差测量出来，通过测量头把驱动系统误差加以补偿，求出与理论值的差异，就可以检测出齿形的误差。电子展成运动是采用dda数控方式实行开环控制，而测量系统加入d-a变换后是实行闭环检测，故此种系统的精度基准。已不是基圆盘和直尺，而是由电子计算机软件系统建立起来的数学模型，只要编码器的精度很高，就可达到较高的测量精度，这种仪器从简化了机械作用来说，可以认为是机械式齿轮量仪的一大进展。（3）电子追踪范成渐开线测量设备该仪器主轴和安装测量头的定位部件之间的相对位置可连续检测，并与理论值相比较，测量头位置的偏差由理论位置来决定，而主轴和测量头间的理论值是用来修正测量头所指方向，对于固定距离的偏差，即侧量头追踪着渐开线齿形并保持着固定距离，记录仪所记录的信号曲线或数据，即为齿轮的实际误差。通过对以上各种仪器及其测量原理的参考，我认为：作为对单盘式渐开线检查仪的改装，若改变其测量原理，必要做很大的运动，故不适宜。由此我决定只在原仪器基础上作微小改动，使其在某些性能方面得到较大改善。6 方案选择6.1方案选择1：关于定位装置在测量过程中，为了正确地感受被测信号，应把被测对象的被测尺寸线与仪器测量线的相对位置确定下来，因此必须定位。实现这种功能的装置叫定位装置或定位件。 原来的单盘式渐开线检查仪采用的是圆锥定位装置，应该说其定位精度是很高的，但是其结构限制了仪器的使用范围，即仪器只能测量带孔的一般齿轮面对带轴的齿轮无能为力，为了扩大仪器的使用范围，增强仪器的通用性，决定对定位装置进行改进，采用顶尖定位装置，这样就解决了仪器的通用性问题。对于以轴心线作为测量基面的工件，不论是本身自带轴的，还是配上心轴的，常常以轴或心轴的顶尖孔在顶尖间定位，顶尖定位简单方便，定位精度高。顶尖根据安放形式不同，分为卧式和立式两种，若按形状不同可分为直柄顶尖和锥柄顶尖，如果按顶尖尖部呈内锥面或外锥面的不同，又可分为内顶尖或外顶尖，此外，按顶尖在工作中是否与被测件一起转动，分活顶尖和死顶尖。a 安放形式选择：考虑到原来的单盘式渐开线检查仪采用圆锥定位方式，在仪器工作过程中，齿轮安放形式为立式，为了避免过多的改动，仍采用立式的安放形式，故采用立式顶尖。b内顶尖或外顶尖：考虑到改装的方便性使之技术上可行，经济上合理，应作尽小改动，故宜采用外顶尖。c活顶尖或死顶尖：由于活顶尖可以减少顶尖与工件之间的摩擦，使顶尖经久、耐用，更易保证精度，故宜采用活顶尖。另外，由于该顶尖用于测量齿形，属于大批量测量类型，故宜使其上顶尖上下活动方便，故宜采用弹簧顶尖。 图6.1 定位装置示意图综上所述，我设计了如上页图6.1所示顶尖。换成顶尖定位后，必须设计一个顶尖支架，在这里我有两个选择： 1.采用导轨2.采用横梁由于下顶尖就在主轴上，为了保证上下顶尖同轴度，上下顶法应该同步运动。故顶尖架必须固定在径向滑架上。考虑到径向滑架本身空余平面不大，故友架设计应尽量从简，所以我选择与横梁作为顶尖支架。由于横梁的重心不稳，如何紧固成了问题，对此我作了如下设计来解决，1在径向滑架下表面与支架下表面用一面两销定位，具体采用三个螺钉两个销。2在其侧面采用两个螺钉紧固，这样顶尖支架的稳定性就比较好，仪器的刚度得到保证。相应地径向滑架要做如下修整：将紧固顶尖支架的两个接触平面铣平，并严格保证垂直。安装顶尖架之后，径向滑架的重心偏高该侧，必然导致该燕尾导轨磨损严重，在实际测量过程中，我认为可以在另一侧加一配重，保证重心偏移不太大，使两侧导轨磨损均匀。6.2方案选择2：关于对中间零装置6.2.1原单盘式渐开线检查仪存在的不足先说对中间调零的重要性：对仪器的测量头来说，它可能出现三种位置，即位于基圆上，基圆内和基圆以外三种情况。如图6.2所示渐开线仪器是利用直尺带动基圆盘产生理想渐开线利用测量头来描绘被测齿轮的实际渐开线，而测量头的位置不同，则描绘出来的渐开线也不一样，图中测量头a位于基圆以内，对于基圆中心的距离为rb-b为不正确的位置：测量头a位于基圆和直尺的工作面上，为正确的位置；测量a位于基圆以外，对于基圆中心的距离为rb+b也是不正确的位置。 图6.2 测头位置与各种渐开线关系测量头的位置偏差可按下式计算： 经计算，测量头的位置误差在0.02mm以上,所引起的测量误差就比较大,影响了仪器的测量精度,故有必要进行准确的对中调零过程。 原仪器是采用一种缺口样板进行对中调零的,该过程十分繁琐,须反复进行多次才能达到调整目的,故有必要对该调整装置进行改进。6.2.2改进思路为了简化对中调零过程,增强仪器的使用方便性,设计一个限位装置,使测量头能在较短的时间内调整到直尺的工作面上,达到一步到位。6.2.3采用什么样的限位装置首先，该装置应当具有刻线标志，这样可使对中调零作为一个状态记录下来，下次对中调零只须达到这个状态点就表面仪器已经对中调零，亦即可达到一步到位的要求。 其次，由于仪器在测量过程中，测头杆杠的尾部要有微小的位移量来表示齿形误差，故当限位装置在对中调零过程完成之后，必须和测头尾部脱离，这就要求这个对中调零装置要有进退自如或装卸方便的特点，这样才能保证仪器的方便灵活可靠。方案一、采用档块作为限位装置，在纵向滑台上安装一寻轨，档块就在导轨上可自由进退，满足第二个要求。然后在导轨上可作上刻度线，使挡块在寻轨上滑动，时刻都有一个明确的状态点，满足了第一个要求。故该方案满足要求，在技术上可行。方案二、采用螺旋千分表的一半作为限位装置千分表本身就带有刻度，且螺杆的转动就可进行自由的进退，所以很显然它很好地满足了对中调零装置的两个要求，故在技术上也可行。分析以上两个方案，两者技术上均可行。但档块装置须设计导轨，且档块与导轨的配合精度也必须高，否则满足不了精度。而千分表本身的精度就比较高，材料也比较好找，故从经济上合理来看，方案2要优于方案1，故对中调零装置选择千分表作为确定方案。对中调零过程如下；首先还是用缺口样板进行对中调零，达到要求之后，施转千分表，使千分表的测杆顶住测头杠杆尾部，记下此刻千分表的读数n，这个n就作为对是调零的状态点，以后只要千分表测杆顶住测杆尾部并旋转至读数n时，就表明对中调零已经完成，接下来就可以进行传感器的调零了。也就是说该装置带入了一个标定的过程，使整个过程得到简化，提高了测量效率。6.3方案选择3：关于记录装置6.3.1单盘式渐开线检查仪存在的不足原仪器是这样进行记录的：当被测齿形与理论渐开线存在误差时，测头的微小位移通过杠杆反映到杠杆尾部，测微计便可反映出这个误差。这里所用的测微计是百分表。由于百分表的读数精度相对较低。在当今机械工业飞速发展的今天，机器的动力越来越大，速度越来越高，检验齿轮的精度也要求越来越高，百分表在这个场合显得比较落伍，因此有必要对这里的测微计进行改进。6.3.2改进思路现代传感器技术的突飞猛进为测量技术的提高提供了很大保障，我认为在这个场合采用传感器，进行测微比较合适的，这样可大大提高仪器的准确性和方便性。6.3.3采用什么类型的传感器传感器是将各种机械量转换成电量的关键器件，而测微传感器是将被测几何量的微小变化转换成电量微小变化的器件，按其工作原理可分为：电感式，互感式，电容式，压电式以及电触式等。在本仪器上，传感器的要求是：精度高，工作可靠，长期工作稳定性好，抗干扰能力强，信号可进行各种运算处理，使用方便。针对这一要求，我准备选择电感互感类型的传感器。电感式传感器分截面式和管式两种：前者灵敏度中等，后者灵敏度较低。互感式传感器分气隙式和管式两种：前者灵敏度较高，后者灵敏度较低。在电感互感式传感器中，又分轴向式和旁向式两种，旁向式的比轴向式的结构复杂，精度略低，但在测量内表面时，使用方便。由于在本仪器的传感器使用当中，只涉及测头在轴向方向的微小位移，故没必要选择旁向式传感器。在轴向式传感器中具代表性的有如下几种；图6.3为轴向式电感传感器，其优点是滚动导轨，精度高，磨损小，寿命长。缺点制造装配较复杂。图6.4为轴向式电感器；其优点是多层片簧导轨，精度高：行程大，测力变化不大。缺点是径向受力敏感。图6.5是轴向式互感传感器，其优点是片簧导轨，精度高：缺点是径向受力敏感、行程小、测力变化大。 在本仪器中传感器要求测力变化不大，精度高，安装方便，故我选择图6.4的轴向式电感传感器。 图6.3 轴向式电感传感器1 图6.4 轴向式电感传感器2 图6.5 轴向式互感传感器7 单盘式渐开线检查仪精度分析这项工作的目的在于掌握齿形误差的大小和性质，以便设法减小其影响，并找出误差因素与仪器总误差关系，同时了解仪器的性能，正确地使用和调修仪器，达到准确一致统一量值的目的。7.1误差分析概述我改装后的单盘式渐开线检查仪，涉及到仪器测量误差的有：上下顶尖，基圆盘、直尺、杠杆等，其测量链如图7.1所示。 图7.1仪器测量链示意图由于仪器制造和安装精度所引起的误差有：1、 上下顶尖同轴度误差；2、 主轴回转跳动误差；3、 基圆盘跳动误差及其尺寸精度；4、 直尺的平直度误差；5、 杠杆不等臂误差。7.2精度分析7.2.1上下顶尖同轴度误差 图7.2 上下顶尖同轴度误差分析该误差将引起齿轮的安装误差，最终表现为回转偏心。回转偏心对齿形测量的影响决定于偏心的方向和初始角位置。如果齿轮安装成与轴线不垂直，则测量截面呈椭圆形。由于顶尖偏心a使工件运动偏斜，相当于被测齿轮基圆在小平面内有一位移量a，其影响将与齿轮的偏心相同，如图7.2所示；展开角0=0，=36 上下顶尖不同轴使测量头的齿侧面上的运动轨迹不能理量论渐开线ab移动。而按ab近倾曲线移动，ab与ab之间有一倾斜角，测头在齿面上走的轨迹ab，与理论的基圆半径有差异，即理论渐开线有误差。基圆半径误差由下式计算：由基圆半径误差引起的测量误差 为：设则7.2.2主轴回转跳动误差当主轴回转存在跳动误差时，圆周下的一点a将产生偏移，其偏移量为 ，此时当基圆盘随直尺走过距离时，实际走过，a点转过角，两者有一差值： 由图7.3中关系可知： 图7.3 主轴回转跳动误差1、 基圆盘跳动及其尺寸误差该仪器要求其圆盘的制造精度如下：直径尺寸公差为0.003mm跳动公差为0.003mm则 图7.4 基圆盘跳动误差分析根据渐开线理论方程：其中即为仪器的测量要素，为展开角，设为36度对上式进行微分，得：则由基圆盘带来的误差为则2、 直尺的不平直度误差单盘式渐开线检查仪在测量过程中，要求基圆盘与直