（机械电子工程专业论文）双盘式渐开线测试仪测量环节优化与误差分析.pdf

大连理工人学硕士学位论文 摘要 渐开线齿轮是机械传动中应用最广泛的通用零件，它的制造精度和检验水平都关系 到该齿轮在传动中稳定正常的运转，因而齿轮所有的各项误差都必须得到有效的控制， 并且能够准确的检测出来。随着现代工业生产和科学技术的迅速发展，对齿轮制造质量 的要求越来越高，而其制造质量取决于诸多方面，其中齿轮测量仪器和测试技术水平是 其中的一个关键环节。在渐开线齿轮若干精度指标的测试中，渐开线齿廓偏差检验是一 个重要且难度较大的检测项目。 双盘式渐开线测试仪完全符合机械展成法测量渐开线齿廓原理，具有结构简单、误 差环节少、精度高等优点，是测量标准齿轮渐开线齿廓的高精度仪器之一。本文根据基 金的要求，设计并制作新的双盘式渐歼线测试仪的测量架部分，采用了平行簧片式结构 和灵敏度较高的微动斜面测量架，能够实现测试仪在测量标准齿轮渐开线齿廓偏差和齿 向偏差时测头的平稳调节和精确调整，保证测头与导轨面处于同一平面上 从理论和试验两方面对仪器所采用的“误差传递杠杆 进行了可行性验证，计算和 分析了该装置的灵敏度和适用范围，并对测头位置不同时产生的三种不同形式的渐开线 进行了理论计算，分析了其对测试结果的影响程度；介绍了双盘式渐开线测试仪测头调 整的三种方法，并进行了实际试验比对。 对影响双盘式渐开线测试仪较大的误差源，例如基圆盘直径误差，基圆盘综合偏心 误差，芯轴上几个工作轴颈不同轴的误差，测头相对于导尺的安装误差，基圆盘滚动中 的“弹性蠕滑”误差，齿轮安装偏心误差等，进行了误差计算和试验测量，为后续整套 仪器的不确定度评定和误差补偿技术打下了基础。 关键词：渐开线齿廓偏差；齿轮检测；测量架；误差 双盘式渐开线测试仪测量环节优化与误差分析 t h e o p t i m i z eo fm e a s u r i n ge l e m e n ta n de r r o ra m a l y s i si n d o u b l e d i s cm e a s u r i n ga p p a r a t u so fi n v o l u t et l o o t hp r o f i l e a b s t r a c t a sa ni n t e r c h a n g e a b l ep a r t s ，t h ei n v o l u t e g e a rh 嬲 u s e dw i d e l yi i lm e c h a n i c a l t f a n s m i s s i o n i t sa c c u r a c yo fm a n u f a c t u r ea n dt e s tl e v e la f er e l e v a n tt ot h ei n v o l u t eg c a r s w o r k i n gw i t hs t a b i l i t ya n dn o 咖a l i nt f a n s m i s s i o n s oa l lv a r i o u se r r o ro ft h eg e a r sm u s tb e c o n t r 0 i l e dw i t he f f e c t i v e l ya n dd e t e c t e do na c c u r a c y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m i i l d u s t r ya n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h eq u a l i t yr e q u e s to fg e a rm a n u f a c t u r eh a sg o th i 曲e r a n dh i g h e r t h eq u a l i t yo fg e a rm a n u f a c t u r i n gd e p e n do nm a n ya s p e c t s ，锄o n gt h e mt h eg e a r s u r v e y i n gi n s t m m e n ta n dt h el e v e lo fm e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u e si st h eo n e0 fi m p o r t 锄t f a c t o r s t h et e c l l i l o l o g yo fi n v o l u t et 0 0 t hp r o f i l em e a s u r e m e n tf o rm a s t e rg e a fi si m p o n 锄t a n dd i f f i c u l ti ni t sa np r e c i s i o ni n d e x s t h ed o u b l e d i s cm e a s u r i n ga p p a r a t u so fl n v o l u t et 0 0 t hp r o f i l em e e t st h em e 硒u r i n g p r i n c i p l eo fm a c h i n e r yu n f o l d i n g ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l es t m c t u r e ，l e s se 1 1 f 研 a s p e c t s ，a n ds oo n i ti s t h eo n eo fh i g l l p r e c i s i o ng e a rt e s t e r s ，w h i c hp r o v i d e dw i t hh i g h a c c u r a c yf o ru l t m - p r e c i s i o nm a s t e rg e a r st 0 0 t hp r o f i l e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h ef u n d ， t h i sp a p e rh 弱d e s i g n e da n dm a d ean e wm e a s u r i n gb e n c ho ft h ed o u b l e d i s cm e a s u f i n g a p p a r a t u s o fi i i v o l u t et c 0 t hp r o f i l e t 1 l i s e q u i p m e n tc o n s i s t s am e a s u f i n gb e n c ho f m i c r o p h o n i c s - b e v e lw i t hh i 曲s e n s i t i v i t y s oi tc a na d j u s tt h em e a s u r i n gh e a ds t e a d i l y 觚d p r e c i s e ，w h e nt h ed o u b l e d i s cm e a s u r i n ga p p a r a t u so f1 1 1 v o l u t et 0 0 t hp r o f i l em e a s u r i n gt h e i n v o l u t et 0 0 t hp r o f i l ee 玎o r 锄dt o o t ha l i 印m e n te 盯o r n u si tc a ne n s u r et h a tt h em e a s u r i n g h e a d 卸dt r a c ks u r f a c ea r eo nt h es a m ep l a n e f i n a l l y ，t h ea c t u a lm e 嬲u 血gp r o v e st h a tt h i s p a r tc a nm e e to v e r a l lr e q u i r e m e n to ft h ei n s t n l m e n t t h i sp a p e rd e s c 曲e st h ef e a s i b i l i t yo ft h en et r 锄s m i s s i o nl e v e ro fn oh y s t e r e s i se 玎0 r i l li n s t m 珥e n tf 硒mt h ee x p e f i m e n ta n dt h e o r y t h es e n s i t i v i t ya n ds p h e r eo fa p p l i c a t i o ni s s u m m a r i z e d i i lt h em e a n t i m e ，t h ep a p e ra l s oc o m p u t e st h r e ev a r i o u si n v o l u t e s0 c c u r e dw h e n t h em e a s u r i n gh e a da td i f 亿r e n tp l a c e s ，a i l a l y z e st h ed e g r e eo ft e s tr e s u l ta f f e c t e db yt h e s e f a c t s m o r e o v e rt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h f e ek i n d so fm e t h o d so ft h et i pa d j u s t m e n to nt h c d o u b l e d i s cm e 弱u r i n ga p p 甜a t u so fi l l v o l u t et ( 0 t hp r o f i l e 孤dm a l 【eat e s tc o n l p a r i s 0 璐i n t h er e a l i l y i i la d d i t i o n ，t h i sp a p e rc a r d e so ne 玎0 ra n a l y s i sa n dl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n ti nd e t a i lo n t h ee r r o rs o u r c ew h i c hi sm o r ei n n u e n c e dt h ei n s t m m e n t sm e a s u r i n gr e s u l t t h e s ee r r o r s o u r i n c l u d e st h ed i a m e t e fc 玎0 r 卸dt h es y n t h e s i se c c e n t r i c i t ye 玎0 ro fb 嬲i cc i r c i ep l a t c ， - i i 大连理工大学硕士学位论文 t h ed i s a l i g n m e n te h o ro nt h ec e n t r a ls p i n d l e ，t h ee n fi i ls e t t i n g u pb o t hm e a s u r i n gh e a da n d j i g ，t h es t r e t c hc r e e pe r r o ro c c u n i e dw h e nb a s i cc i r c l ep l a t ei sm o v i n g ，t h ee c c e n t r i c i t ye 玎o r w h e nt h eg e a ri ss e tu 刍，a n ds oo n 7 r h e s ew o r k sl a yt h ef b u n d a t i o no ft h en e x tt a s k ss uc ；ha s t h ee v a l u a t i o no fu n c e r t a i n t y 锄de o rc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ： i n v o l u t et o o t hp r o m ed e v i a t i o n ；g e a rm e a s u r i n g ；m e a s u f i n gb e n c h ；e r r o r i i l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 挫峰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阋。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名盔塑生 导师签名： 大连理1 ：大学硕士学位论文 1 绪论 1 1齿轮测量技术的发展和本课题的研究现状 渐开线齿轮是机械传动中应用最广泛的通用零件，它的制造精度和检验水平都关系 到该齿轮在传动中稳定j 下常的运转，因而齿轮所有的各项误差都必须得到有效的控制， 并且能够准确的检测出来。齿轮测试技术是计量技术中的一门重要科学，是从二十世纪 初逐步发展起来的。齿轮测试技术的发展与所处时代的经济、科学水平有密切的关系， 同样，齿轮误差检测仪器也与其息息相关。早期，在已具有的较精密的机械加工基础上， 与齿轮的各项误差相适应，发展了测量这些误差项目的测量方法和测量仪，例如齿形测 量仪、齿向测量仪、周节测量仪和控制齿轮运动精度的单面啮合运动切向误差测量仪等 一些决定齿轮精度的关键仪器。但是，总的来说，这些仪器都普遍存在着测量精度低， 功能不全，效率低等缺点。 近年来，由于测量仪器的发展，特别是电子技术、激光技术和小型电子计算机的应 用，为齿轮测量技术开辟了新途径，由低效率的单项测量、综合测量，进入到高精度， 高效率的自动化测量1 1 】。且随着生产自动线的发展，国外有些专门生产齿轮的工厂，例 如汽车齿轮制造厂，己开始采用由小型电子计算机、齿轮检验仪器和自动化机械装置等 连结起来的“齿轮检验自动线”。目前，开发具有自主知识产权的齿轮测量技术和仪器， 满足我国齿轮制造质量检测的迫切需要，提高国产齿轮测量仪在国内外市场的占有率， 是我国齿轮测量制造业当前所面临的一项重要的任务。 回顾齿轮测量技术发展的近百年历史，从我国目前的实际国情出发，可将现代齿轮 测量技术发展归纳为如下几个方面： 1 ) 机械展成式测量技术：7 0 年代以前，齿轮测量原理主要以比较测量为主，其实 质是相对测量。具体方式有两种：一是将被测齿轮与一标准齿轮进行实物比较，从而得 到各项误差f 2 l ；二是展成测量法，就是将仪器的运动机构形成的标准特征线与被测齿轮 的实际特征线作比较，来确定相应误差，而精确的展成运动是借助一些精密机构来实现 的。不同的特征线需要不同的展成机构，同一展成运动可用不同的机械结构来实现。比 较测量的主要缺点是：测量精度依赖于标准件或展成机构的精度，机械结构复杂，柔 性较差，同一个齿轮需要多台仪器测量。 从2 0 世纪2 0 年代到6 0 年代末，各国对机械展成式测量技术的研究历经了近半个 世纪，先后开发出了多种机械展成式机构，如单盘式、圆盘杠杆式、正弦杠杆式、靠模 式等例。尤以圆盘杠杆式应用最广，属于这一类的仪器有：z e i s svg 4 5 0 ，c a f lm a h r8 9 0 和8 9 l s ，m 丸崛s p 6 0 和h p l 0 0 ，大阪精机g c 4 h 和g c 6 h 以及哈量3 2 0 l 。对于齿 双盘式渐开线测试仪测量环节优化与误著分析 廓误差测量而言，机械展成式测量技术仅限于渐开线齿廓误差测量上。对于非渐开线齿 轮的端面齿廓测量，采用展成法测量是十分困难的，因为展成机构太复杂并且缺乏通 用性。 2 ) 齿轮的综合误差测量技术：齿轮综合误差测量技术采用啮合滚动式综合测量法， 把齿轮当作一个回转运动的传动元件，在理论安装中心距下，和测量齿轮啮合滚动，测 量其综合偏差。综合测量又分为齿轮的单面啮合测量( 用以检测齿轮的切向综合偏差和 单齿切向综合偏差) 以及齿轮双面啮合测量( 用以检测齿轮的径向综合偏差和单齿径向 综合偏差) 1 4 1 。为了更有效的发挥齿轮双面啮合测量技术的作用，增加了偏差的频谱分 析测量项目，近年来还从径向综合偏差中分解出径向综合螺旋角偏差和径向综合齿向锥 度偏差，这是齿轮径向综合测量技术中的一个新发展。综合运动偏差测量的优点是测量 速度快，适合批量产品的质量检验，便于对齿轮加工工艺过程进行及时监控。仪器可借 助于标准元件( 如标准齿轮) 进行校验，实现基准的传递。上述两项测量技术基于传统 的齿轮精度理论，然而随着对齿轮质量检测要求的不断增加和提高，这些传统的齿轮测 量技术也在不断细化、丰富、更新和提高。 3 ) 单项及多项测量自动化：整体误差测量和综合误差测量技术具有很大优越性， 目前市场上主要的检测仪器是齿轮测量中心，但测量中心对单项齿轮偏差的精度基本保 持在2 级以下，因而齿轮的加工工艺目前还不能完全脱离个别单项目的检验，因此在一 个相当长的时间内，大量使用的仍然是单项或多项的测量仪器。所以进一步提高单项及 多项测量仪器的精度和测量效率，仍是很有意义的工作1 5 j 。 齿轮的单项几何形状误差测量技术采用坐标式几何解析测量法，将齿轮作为一个有 着复杂形状的几何实体，在所建立的测量坐标系上，按照设计几何参数对齿轮齿面的几 何形状偏差进行测量。测量方式主要有两种：离散坐标点测量方式和连续几何轨迹点扫 描测量方式。所测得的齿轮误差是被测量齿面上被测点的实际位置坐标和按设计参数所 建立的理想齿面上相对应点的理论位置坐标之间的差异，通常也就是和几何坐标式齿轮 测量仪器对应测量运动所形成的测量轨迹之间的差异【5 1 。单项几何偏差测量的优点是便 于对齿轮( 尤其是首件) 加工质量进行分析和诊断、对机床加工工艺参数进行再调整。 仪器借助于样板进行校准，实现基准的传递。 在多项测量仪器中，瑞士马格s p 一6 0 齿轮测量机、西德克林盖柏尔格的p 5 f 6 0 0 型渐开线和螺旋线检验机、卡尔马尔m h a r 8 9 1 e 型渐开线、螺旋线检查仪等，大都能 进行齿形、齿向、螺旋角、齿面粗糙度等多个项目的检测，正确使用这些仪器对检验齿 轮各项误差是很关键的。 大连理工大学硕士学位论文 4 ) 齿轮在机测量技术：近年来齿轮在机测量技术有了很快的发展，这是齿轮测量 技术的一个重要的发展趋势。直接将齿轮测量装置安装于齿轮加工机床，齿轮试切或加 工后不用拆卸，立即在机床上进行在机测量，根据测量结果对机床( 或滚刀) 参数及时 调整修正。这对于成形磨齿加工和大齿轮磨齿加工而言，在提高生产效率，降低生产成 本方面，尤其具有重要意义，德国勋廿p 厂的数控磨齿机就是一个典型的代表。 近年来，又出现了许多新的齿轮测量技术，例如：单面啮合齿形测量法，激光全息 齿轮测量法，光干涉齿面测量法，用原子力测头对齿形精度的测量等等。这些都标志着 我国齿轮测量技术己达到世界水平。虽然国内量仪水平已有长足的进步，但与国外先进 水平相比仍有不小的差距，主要体现在以下几个方面【6 j ： ( 1 ) 产品系列化程度低。产品的系列化程度可反映其市场占有率，用户的要求千 差万别，这就要求有不同档次、不同规格的仪器供应市场。国外通用量仪及基础原器件 的系列化程度很高。 ( 2 ) 仪器精度低、功能不全。国内量仪受传感器精度、加工精度、补偿技术等诸 多因素的制约，高精度量仪所占比例还是很小。 ( 3 ) 在光栅、测头等基础原器件及精密加工等基础技术方面落后于国外。近年来， 由于计算机技术的应用，国内量仪在数据处理、人机界面等方面发展也很快，但基础技 术的滞后还是严重制约了测量仪整体水平的提高。 总的来说，齿轮量仪的发展和生产已经得到了我国量仪行业的重视，我国四大量仪 厂( 哈量、成量、北量、上量) 、工具研究所和重庆机床厂等单位，所生产的齿轮量仪 很多品种都具有特色，光、电、机、计算机一体化的齿轮量仪已愈来愈多，一机多能化 水平甚至超过国外水平。 展望未来，齿轮量仪相关的研发重点是：齿轮网络化测量技术；基于实测结果的齿 轮性能虚拟分析技术( 智能配对、动力学性能预报等) ；齿轮整体误差测量技术( 指标量 化、性能优化等) ；齿轮误差的智能分析技术；齿轮统计误差概念体系的建立及其相应 的测量技术；生产现场的齿轮快速测量与分析技术( 目前丌w 的m o d e l 4 8 2 3 为4 5 0 6 0 0 件时；目标：l o o o 件时) ；精密机械、光电技术、微电子技术、软件工程等技术在齿 轮上的应用【玉。 综上所述，在齿轮测量中，为保证齿轮产品的质量，推进齿轮测量的高速化，有必 要开发出高精度齿轮测量技术产品，尤其是单项齿轮误差检测仪，对齿轮测量仪器及相 关技术有必要不断的改进提高，从而提高行业的竞争力。 双盘式渐开线测试仪测量环节优化与误差分析 1 一齿廓偏差定义及检测方法 齿轮传动精度的指标主要有四个方面：运动精度、工作平稳性、接触精度和齿侧间隙。 而影响这四个指标的误差项目主要有1 l 项，在这1 1 项齿轮精度指标的测试中，渐开线 圆柱齿轮的齿廓检测是一个难度较大又较普遍的测试技术问题。齿廓误差是反映齿轮工 作稳定性精度的重要指标之一，齿廓误差影响齿轮工作的平稳性和接触状态，齿廓误差 的精确测量与评定可以有效地判定第2 公差组的性能指标，同时，通过对齿廓误差测量 结果的分析，可以找到误差产生的原因，为齿轮加工机床参数的调整、刀具的修磨等提 供科学依据。因此，齿廓误差的精确测量一直以来是齿轮测量工作人员的一个大的研究 热点【7 1 。目前对齿廓偏差的测量水平主要集中在2 级以下，对l 级齿轮的检测还正在开 发发展中。 1 2 1齿廓偏差的概念及其产生原因 ，齿廓偏差主要是由于刀具产形面的误差造成的，而刀具产形面误差是指由于刀具产 形面的近似造形或由于其制造与刃磨误差而使刀具产形面偏离其精确表面。此外由于进 给和刀具切削刃数目有限，切削过程中断续也会产生齿廓偏差。 齿廓偏差是评定齿轮几个精度的基本项目之一，它是指实际齿廓偏离设计齿廓的量， 在端面内且垂直于渐开线齿廓的方向计算值。g b 厂r1 0 0 9 5 1 2 0 0 l 不但规定了齿廓总偏 差只，而且还规定了齿廓的形状厂，。和倾斜偏差 。，控制这些偏差，可改善齿轮承载 能力，降低噪声，提高传动质量p j 。 通常齿形工作部分为理论渐开线，在近代齿轮设计中，对于高速传动齿轮，为了减 少基圆齿距偏差和轮齿弹性变形引起的冲击、振动和噪声，常采用以理论渐开线齿形为 基础的修正齿形，如修缘齿形、凸齿形等，如图1 1 所示。因此，设计齿形既可以是渐 开线齿形，也可以是这种修正齿形l 剐。 1 2 2 齿廓偏差的检测方法 测量渐开线齿轮的齿面形状时，测头置于被测齿轮基圆的切线上，被测齿轮的回转 和测头的直线运动，按照展成关系进行控制。在以往机械式齿轮测量仪中采用了基圆盘， 如今仪器的轴系导轨上都装有圆编码器或长编码器( 长刻度尺) ，由计算机按展成关系实 现高速、高精度的n c 控制。渐开线齿形测量方法主要可以分为标准曲线法、标准轨迹 法、坐标法和啮合法四种【引。 大连理：】：大学硕+ 学位论文 一 a 炎睇总偏豢l j ) 氏踩形状姣蔗t ，齿绻锻貉馆麓 注：陶巾点| 强i 线为设汁轮廓：辑_ 【实线为硬际轮蕊：虚线为 均轮廓 i 没计踟壤为未侈形的渐玎线：蜜向i 濒7 l = 线楚钠：减薄l 内j ；仃绞融体内的锭偏燕； 1 i 蹬计淡臻为烙彤的渐巧线：蜜际渐j 线足也：减簿k 内矮f f 偏向体内的负偏麓： 菇秘设计幽廓为修彤的渐歼线：霞断渐玎线足靠：减薄i x = 内j l 彳f 候j ；| j 体铃的l f 绉麓 图1 1 齿廓偏差曲线的表示 f i g 1 1 g e a rp f o f i l ed e v i a t i o nc u r v e 齿廓总偏差( ) 在计算值范围内，包容实际齿廓迹线的两条设计齿廓迹线间的距离，见图 1 1 一a ： 齿廓的形状偏差( f h ) 在计算值范围内，包容实际齿廓迹线的两条与平均齿廓迹线完全相同的曲 线间的距离，且两条曲线与平均齿廓迹线的距离为常数，见图1 卜b ； 齿廓倾斜偏差( k ) 在计算值范围内的两端与平均齿廓迹线相交的两条设计齿廓迹线问的距离， 见图1 卜c ； 1 2 3 标准曲线法 即实际齿形经投影仪放大后的影像与理论齿形的放大图进行比较，测出齿形误差； 此种方法主要用于小模数齿轮的检测，而且测量精度较低，在实际渐开线齿形测量中， 采用此方法的较少。 1 2 4 标准轨迹法( 展成法) 根据渐开线展成原理，将被测齿形与仪器复现的理论渐开线轨迹进行比较，从而测 出齿形误差，其中又可以分为机械展成法和电子展成法。 5 舣盘式渐开线测试仪测龄环1 ，优化0 误筹分析 机械展成法的j r 作原理是：基圆盘的直径等于被测渐开线理论基圆直径，当直尺带 动与它紧密相切的基圆盘和与基圆盘同轴安装的被测齿轮转动时，与直尺工作面处于同 一平面上的测量杠杆的刀口相对于被测齿轮回转运动的轨迹是一理论渐丌线，它与被测 渐开线齿形比较，即可由测微仪指示出齿形误差。利用此法测量齿形误差的工具有单盘 式渐开线测量仪和万能渐丌线测量仪。单盘式渐丌线检查仪( 见图1 2 ) 测量原理完全 符合渐开线展成原理，结构简单，测量尺寸链短，容易达到较高的测量精度，应用比较 广泛。单盘式渐丌线齿形检查仪种类较多，如哈尔滨量具刃具厂的3 2 0 2 g ，德国m a h r 的8 9 1 e ，瑞士m a a g 的f p 6 0 等。 仪 图1 2 单盘式渐开线测餐仪原理 f i g 1 2 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es i n g l e d i s ci n v o l u t ei n s t r u m e n t 电子展成法是把数字控制技术应用于渐丌线齿形测量的一种近代齿轮误差测量技 术，最基本的电子展成系统由数控装置、伺服驱动装置及传动装置组成【1 。近年来的 c n c 齿轮测量中心测量渐开线齿形大多采用此方法，如g l e a s o n m a h rg m x 2 7 5 ，m & m 公司3 0 ( ) o 系列，i n g e l n b e r g 公司p 系列及哈尔滨量具刃具一：3 9 0 3 ，上海生产的 m c 0 2 7 3 9 0 3 a 型齿轮测量中心，见图1 3 所示。 1 2 5 坐标法 坐标法的原理是：按齿形形成原理列出齿廓卜任一点的坐标方程式，然后计算出齿 廓上若干点的理论举标值，与实际测得的被测齿形上相应点的坐标值比较，即可得到被 i 冬l1 ：；c 0 2 7 3 9 0 3 aj 弘 奸轮湖 jc 一一d f 嘻1 3 g e a rm e a s u r e m e n tc e n i e ro rc 0 2 7 - 3 0 9 3 a 测齿形误差。可以分为卣角坐标法和极坐标法两种，原理图分别如图1 以和图1 5 。6 ，j 者的测量原理是被测齿廓i ：各点的坐标值( x 、y ) 分别【l jx 利y 方f i 1 j 的光栅测量系统测 出，绛f 也了计并机计算后得出齿肜误差，此法适用十测黾人型齿轮的齿形，直角坐标法 洲量齿彤数据处理晕人，【u 于测头4 i 垂直于被洲齿面，测量精度雄j 二提高， 自订常用的 有z e i s su p m c8 5 0 坐标测基机。 幽l 一 汽角坐标法测茸：齿廓原理 极坐抓法用的原理足：当与被测齿轮i 叫轴安装的网光栅转动 个展丌角多时，由长 光栅测蹬系统测出被测渐j r 线基蚓的展丌弧长p ，由电子汁算机按汁算式p = ( 武中 双盘式渐开线测试仪测量环节优化与误筹分析 为基圆半径) 计算出被测弧长与理论弧长之差值【1 0 1 。按需要在齿廓上测量若干点，由 记录仪显示齿形误差曲线图，极坐标法适合中等精度齿形测量。目前此类产品有 h o f l e rz p 系列齿轮测量中心，i n g e l n b e f gp e c 3 3 ，成都工具研究所c e n 4 5 0 ，瑞士 的t e s a 三坐标测量机等。 图1 5 极坐标法测量齿廓原理 f i g 1 5 1 k p r i n c i p l e o ft h et o o t hp r o f i l e - i m a s u r i n gw i t hp o i a rc o o r d i n a t e s 1 2 6 啮合法 通过测量齿轮与被测齿轮啮合传动来测量齿轮的传动精度。测量齿轮是一种精度比 被测齿轮高两级以上的齿轮，也有以测量蜗杆代替测量齿轮，此种方法还可用于齿轮副 接触斑点和噪声的测量【8 1 m ，具体又可分为双面啮合法和单面啮合法两种。例如德国 f r e n c o 公司的齿轮啮合扫描测量法。通常，中间为被测齿轮，两侧配置测量齿轮( 齿 形测量齿轮和齿向测量齿轮) 进行单面啮合测量。测量齿轮的齿面经特殊处理，使它在 限定范围内进行啮合，不过其测量齿轮的制作需要极高的制造技术，成本较高。 1 2 7 其他先进测量技术 近年来随着激光技术的不断发展，a m t e c 公司发表了采用激光全息技术进行齿轮 非接触测量的方法。在该装置上采用了图1 6 所示的c o n o 光学传感器测头，齿轮回 转时，根据测头位置的变化，可以测出齿轮的截面形状，这种非接触测量法既不会划伤 齿面，又不会因测力而使齿面产生弯曲变形【1 1 】。图1 7 是日本大阪精机公司最近开发的 利用激光全息法对齿轮全齿面进行测量的装置构成图。该方法能够一次测出全齿面的形 状误差，但是全齿面的反射光会受到其它齿的干涉，而感光元件必须要能感受到反射光 才行，因而它不能测量大螺旋角齿轮。 人j 生j 里! ：叁兰! 墨! ! ! ! 堡! 堡苎 一一 1 6c o n 0 步测_ i f i 2 j 6 t h ej n i e r r c r e n l e a s l j r i n gh e a do fc o n 0 。- 。麓 ? “蜷 “骐 。镕 。 “ ：。； 。? 一。二 一。 稽 # 锋； 一。嗨ti =。1。1 7鑫鸭蜷t t t 引t 。 j ”9 露 ，l 。 一“ w “ v 。霉鬻编张v 一# 麓鬻弘“罐 哮雏7 辨 图1 7 激光全息齿面测姥的结构h f i g 1 7 t h es t r u c t u r ec h a r to f1 a s e rh o l o g r a p h o nc o o t hs u r f a c e m e a s u r i n g 辰1 1_ 种矽、i 轮齿蛴偏芹洲姑方法的比较 t a b 1 1t h ea n a l y s i so “h r e ew a y so nl o o f l lp r o f i l ed e v i a i j o nm e a s u r i n g 一 指怀甲稚式 【u 厂性成弋 基j i 激光技术洲掣法 一一一一 洲猫心 * 乡t ；斧 一 汁： 川r 低 ? it 卫 最高 表1 1 是i 种4 ：问齿廓偏差测黾j 法的比较，综合比较以上儿种测黾f 法，我们j 以看卜h 机械展成法成本低、测量精度高，是高精度测量的最佳选择，但是它的测黾效率 低，测量种类单。总之，随着科学技术的发展，齿轮测量技术领域出现了f 列儿种趋 势： 1 ) 齿轮整体误芹测量与齿轮坐标测；：的4 1 1 结彳t ； 2 ) 齿轮测量中心与二二举标测鼍机的相结合； ：j ) 功能测试1 j 分析测试技术的棚结f ? ： 1 ) 衡轮加j 测龄技术的相结合。 展望未来，简化齿轮测量是齿轮测特技术的发展趋势，随着科学技术的发展，将会 m 现很多高技术含鼙的淡i 轮测试仪，激光令息尚轮测量法、光干涉齿叫形状测餐法、超 精密齿轮i 维测量机等高端技术产，i 川 手会得到普及，也就是说，齿轮整体误斧愉测技术 将进一步发展，齿轮误莠分析智能系统也将7 、v 运而生，各项偏差都能够准确的得到评定， r 、n 项指标川时也能得到i 艮好的保证，从j 而使齿轮的传动性能达到更好的优化r ， 双盘式渐开线测试仪测量环节优化与误差分析 1 3 课题的提出 齿轮作为工业中应用最广泛的传动元件之一，它的作用日益丰富和重要，为了达到 齿轮传动的四个主要精度指标，即运动精度、工作平稳性、接触精度和齿侧间隙，我们 必须既要保证齿轮出厂时的制造精度，同时还要提高检测仪器的精度，使所用的齿轮各 项指标合格，特别是用在高科技领域的一些超精密齿轮，其测量检测工作已成为至关重 要的环节，因而研究高精度的齿轮检测设备成为一种必然趋势。在我国齿轮制造业的发 展历史虽然长，但是齿轮总体的制造水平和检测水平同世界上一些发达国家相比，差距 还是很大1 1 4 1 。 最新公布的渐开线圆柱齿轮精度新国标中，对单个齿轮规定了1 1 项偏差项目，其 中就包括本课题将要进行测量和研究的齿廓累积总偏差，具体又分为齿廓倾斜偏差和齿 廓形状偏差，作为齿轮加工中的一个重要指标，齿廓偏差的大小直接影响齿轮的承载能 力、噪声、传动质量，因此减小齿廓偏差可以从诸多方面改善现有齿轮传动存在的问题。 齿廓偏差( 图1 8 ) 项目是齿轮精度项目评定中最难达到的一项精度指标。国内外 现在的齿廓偏差检测仪虽然检测精度能够达到市场使用齿轮的精度等级，但是对于一些 超精密齿轮的检测，比如1 级，这些仪器显的就有些不足，近年来，国内外对于研究1 级齿轮检测仪的进展也是十分缓慢，到目前为止，还没有能够检测1 级精度齿轮的测量 仪，因而本基金的最终研究目标是探索一种结构简单、符合渐开线发生原理、误差源最 少和误差最小的工作原理与整体结构，搭建能够测量g b 厂r 1 0 0 9 5 1 2 0 0 1 圆柱齿轮精度 标准中的1 级齿轮的渐开线齿形误差测量平台，为国家提供基准级的渐开线测试技术， 为国内外齿轮仪器的标定和渐开线精度传递奠定基础。 齿廓总偏差 图1 8 齿廓偏差的示意图 f i g 1 8 t h eg e n e r a lv i e wo ft h et o o t hp r o f i l ed e v i a t i o n 本课题出自国家自然基金项目“基准级渐开线测试技术( n 0 5 0 4 7 5 1 5 1 ) ，基金 的主要内容是针对基准级渐开线测试仪的搭建及其自动测量系统的设计研究，主要包 括：根据实验需求设计零件，绘制装配图，并对相关试验硬件设备进行选配，最终搭建 大连理j 人学硕士学位论文 完整的测量平台；对实验装置进行安装调试，尽量降低系统误差；对整套测量装置进行 误差分析，确定整体不确定度，通过误差分离技术满足对1 级齿轮齿廓偏差的测量精度。 1 4 课题主要的研究内容 本课题属于国家自然基金项目的一个部分，主要有以下工作： 1 设计并制作渐开线测试仪的测量架部分，力求实现测量架的测头位置精确微量 调整； 2 建立高精度的误差检测分系统，设计误差传递杠杆，分析其灵敏度和工作范围， 并通过试验进行验证； 3 合理设置测量头的几何位置，避免产生阿贝误差，探讨减小延长渐开线或缩短渐 开线的误差方法和测头的调整方法； 4 对影响测量结果的相关误差源进行误差计算、分析，试验测定。 1 5 本章小节 本章阐述了齿轮测量技术的发展历程，为了获得高精度的齿轮产品，相应的精度标 准和适当的测量技术也是不可缺少的。本章在介绍齿轮误差测量技术的国内外发展现状 的同时，作为本课题的主要内容，着重介绍了齿廓偏差测量技术的国内外发展现状，并 对现有三种测量方法进行了比对。齿轮渐开线齿廓偏差测量技术关系到齿轮行业产品制 造水平的高低，一直受到广泛重视，其研究和发展具有重要的实际意义和应用价值。 双盘式渐开线测试仪测鼙环1 i 优化与误筹分析 2 双盘式渐开线测试仪测量环节的优化 2 1 双盘式渐开线测试仪的整体结构和工作原理 目前国内常用的齿轮齿廓偏差测试仪主要有单盘式测量仪、万能测试仪以及自动化 程度较高的齿轮测量中心，从绪论中可以看出，他们三者各有自己的优势和不足，单盘 式测量仪符合渐丌线的展成原理，测量精度高，但自动化程度低，齿轮测量中心自动化 程度高且测量种类多，但是它制造成本较高，测量精度相对低【1 2 】。本基金项目在充分分 析以上两种测量仪器原理的基础上，结合我国目日仃的实力，搭建了一套结构简单，符合 渐丌线发生原理，误差源较少和误差最小的齿廓偏差测量装置双盘式渐开线测试 仪。 2 1 1 双盘式渐开线测试仪整体结构 双盘式渐开线测试仪主要有两部分组成，一部分是测量仪主体机械部分，另一部分 是电控系统( 电控柜) 。如图2 1 为渐开线测试仪的主体部分，它主要包括大理石基座、 基准板、导轨、芯轴、基圆盘、传动绳、测量架、手动进给柄、滑板等。其中左侧基准 板、基圆盘和导轨的制作精度很高。 图2 1 舣盘式渐开线测试仪 f i g 2 1 t l l ed o u b l e - d i s ci n v o l u t em e a s u r i n gi n s t r u m e n t 大连理工大学硕士学位论文 双盘式渐开线测试仪驱动系统如图2 2 所示。被测齿轮通过芯轴与两个基圆盘相联 并安装在基圆盘的外侧，测头固定在导轨外侧且与导轨处于同平面；测量时通过驱动 系统带动基圆盘在导轨上滚动，测头就相对于基圆盘形成标准渐开线轨迹，若被测齿廓 有误差，测头就会产生一定偏移，通过电感测微仪把偏移量指示出来，同时由数据采集 装置进行数据采集并传给计算机，利用v c + + 6 o 编制的测量软件进行数据处理，从而计 算出被测齿轮的齿廓偏差【l 引。 电动机丝杠 图2 2 双盘式渐开线测试仪驱动系统 f 蟾2 2 1 kw o 出i 唱p 血c i p l eo fd o u b l ed i s cm o l u t em e 缀聃m e m 2 1 2 双盘式渐开线测试仪的工作原理 双盘式渐开线测试仪主要是为了检验和校验l 级标准齿轮，因此它的主要特点就是 高精度。双盘式渐开线测试仪完全符合机械展成法测量渐开线齿形原理，如图2 1 和2 3 所示，被测齿轮由芯轴与两个基圆盘相联，通过驱动系统带动在导轨上滚动；测头固定 在导轨侧面，并且测点与两条导轨处于同一平面；在基圆盘滚动的过程中，测头测量的 位移量即为该点的齿形误差。 双盘式渐开线测试仪的工作原理和单盘式渐开线测试仪的工作原理是一样的，采用 绝对测量法，仪器采用机械装置展成理论渐开线，它的展成原理如图2 4 所示，开始时 基圆盘静止在位置1 处( 图中实线所示) ，在位置l 处有一测量头在基圆盘与导轨接触 处，当基圆盘滚动了2 尺距离时到达位置2 ( 图中虚线所示) ，基圆盘轮周起始点由彳点 到达彳点，测量头顶尖点始终静止在4 点，基圆盘渐开线上的每一点都经过测量头顶尖 点。 双盘式渐开线测试仪测鼙环1 ，优化j j 误筹分析 图2 3 装有基圆盘和齿轮的芯轴 f i g 2 3 t h ec e n t r a ls p i n d l ei n c l u d i n gg e a ra n db a s i cc i r c l ep l a t e 滚动方向- 位置1位置2 - 渐开线 图2 4 理沦渐开线的展成原理 芯轴上( 如图2 3 ) 装有基圆盘和齿轮，为了尽可能减小由不同材料引起的误差， 芯轴和基圆盘以及齿轮都是使用一种材料制作的。基圆盘的直径和齿轮的基圆直径近似 相等，这样可以保证展成的理论渐丌线近似为标准渐丌线。具体的工作过程是首先把基 圆盘和芯轴按照要求装配在一起，保证两个基圆盘平行，并且能够平稳地放置到测试仪 的钢导轨上，通过仪器调整芯轴的位置与导轨均衡接触，然后把渐开线样板安装在芯轴 上，组装后把芯轴向左滚动，使双盘同时靠紧基体的靠板，然后在绳轮的带动下，基圆 盘向右滚动，使被测样板的一齿置于测量位置，移动测量架使测头接触到被测齿面，调 整上边的两个绳轮的高度，绳轮绕双盘组件一周，将绳轮的两端连接起来。通过测量架 可以调节测头的上下左右位置，保证测头位胃j 导轨处于同一水平面上，并且以适当的 大连理工大学硕士学位论文 力压紧在测齿面上，启动电机，绳轮拉动基圆盘在导轨上作无滑动的纯滚动，齿面被测 点产生一理论渐丌线，而实际齿面渐歼线误差将推动测头及杠杆绕簧片铰链微动，经电 感测微仪将齿形误差传递给计算机，如此完成了一次齿形偏差测量。 2 1 3 双盘式渐开线测试仪同其他测量方法的比较 渐开线齿形的测量方法主要可以分为标准曲线法、标准轨迹法和坐标法。高精度渐 开线齿形的测量主要采用单盘式和电子展成式齿形测量仪。单盘式