（测试计量技术及仪器专业论文）新型齿轮在线综合检测仪的设计.pdf

四川大学硕士学位论文 新型齿轮在线综合检测仪的设计 测试计量技术及仪器专业 研究生：于鹏 指导教师：蒋大文 齿轮是各种传动结构中非常重要的一种零件，其质量直接影响传动机构的 传动效果，因此对齿轮进行精确的检测是保证传动装置质量的关键环节。本文 所提出的新型齿轮在线综合检测仪的设计方案应用了新颖的检测原理以及独到 的误差提取方法，在传统的齿轮检测仪器基础上实现了重要的突破。 本文综述了齿轮检测仪器的发展历程、现状和发展方向。通过对各种单项 误差提取方法的分析、对现代汽车工业生产效率要求的分析，以及对单啮仪、 双面啮合检查仪等综合检测仪的优缺点比较，提出了符合我国齿轮行业的现状 与发展要求的新型齿轮在线综合检测仪的设计方案。本文对该仪器的工作原理、 机械结构、电路部分设计、数据处理与软件设计也进行了阐述。仪器独特的利 用两个标准齿轮同时与被测齿轮进行啮合测量，采用了四个光栅传感器分别提 取数据，通过相应的数据处理软件处理后即可得到要求的全部误差数据。仪器 的机械结构采用了有利于受力均衡、保证精度的左右对称的机构设计，并采用 了很有特色的气缸推动的夹紧装置。特别是万向架的结构设计，利用精巧的机 械结构完成整体同时在两个方向上产生摆动，进而提取齿向与轴向锥度两项偏 差。在设计过程中各个环节尽量采用了气缸传动和步进电机的带动，这样可以 通过电路和软件的控制，实现测量的自动化。机构和软件的设计也充分考虑了 精度的保证。论文还对电路部分的数据采集、i o 卡和步迸电机的控制进行了详 细的阐述，同时介绍了数据处理的方法和软件的工作流程与设计的实现。 使用该方案所设计的测量仪进行实验，并对实验数据结果进行处理和分析， 结果表明该测量系统能满足测量要求，并能提供自动的数据采集和图象分析。 通过仪器误差分析，明确仪器的各种误差来源及其对仪器精度的影响状况，并 四川大学硕士学位论文 通过软件对些误差进行补偿，这在定程度上提高了仪器精度。本仪器各项 技术指标均达到设计要求，仪器完全能正确地实现测量过程的运动控制、数据 采样和处理、图形显示和分析、报警及故障处理等功能。 关键词：双面啮合在线检测齿向偏差数据采集数据处理 n 四川i 大学硕l 学位论文 an e w d e s i g no f t h eo n l i n es y n t h e t i cm e a s u r i n g i n s t r u m e n tf o rg e a r m a j o r ：m e 删e m e m t e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t g r a d u a t e ：y up e n g a d v i s o r ：j i a n gd a w e n g e a ri so n eo ft h ei m p o r t a n tp a n so fa l ls o r t so fg e a r - d r i v ee q u i p m e n t s ，i t s q u a l i t yd i r e c t l yi n f l u e n c e sd r i v i n ge f f e c t i v e n e s so ft h eg e a rm r m i n g s ，a c c o r d i n g l yt h e k e yt oe n s u r et h eq u a l i t yo fg e a r - d r i v ee q u i p m e n t si st od e t e c ta l lt h eg e a r si nt h e m a c c u r a t e l y t h ea d v a n c e dd e s i g no ft h eo n l i n es y n t h e t i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o r g e a ri nt h i sa r t i c l e ，a d o p t e dt h en o v e lm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dt h eo r i g i n a lm e t h o do f e r r o r e x t r a c t i o n ，a c c o m p l i s h e s as i g n i f i c a n t b r e a k t h r o u g ho nt h eb a s e o ft h e t r a d i t i o n a lg e a rt e s t e r t h i sa r t i c l es u m m a r i z e sd e v e l o p i n gp r o c e s s ，p r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n g t e n d e n c yo ft h eg e a rt e s t e r a n a l y z i n gt h em e t h o do fi n d i v i d u a le r r o r se x t r a c t i o n ，t h e p r o d u c t i v i t yr e q u i r e m e n to fm o d e ma u t o m o b i l ei n d u s t r y , c o m p a r i n gt h em e r i t sa n d f a u l t sa m o n go n e f l a n kg e a rr o l l i n gt e s t e r , d u a lf l a n kg e a rr o l l i n gt e s t e ra n do t h e r s y n t h e t i ct e s t e r s ，a r t i c l es u b m i t saf i t t i n gd e s i g np r o p o s a lf o re x i s t i n gc o n d i t i o na n d d e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to fg e a rp r o f e s s i o ni no u rc o u n t r y t h i sa r t i c l ea l s o r e p r e s e n t s t h e o p e r m i n gp r i n c i p l e ，m e c h a n i c a lp r i n c i p l e ，c i r c u i td e s i g n ，d a t a p r o c e s s i o na n ds o f t w a r ed e s i g no fs u c ht e s t e r i tp a r t i c u l a r l yu s e st w os t a n d a r dg e a r s t od om e s h i n gt e s to ft h ew o r kp i e c ec o n c u r r e n t l y u s i n gf o u rg r a t i n gs e n s o r st o s e p a r a t e l ye x t r a c td a t ar e c o r d s ，a n da f t e rt h a t ，w h e nt h er e c o r d sa r ep r o c e s s e db y c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，a l lt h en e e d e de r r o rd a t ai sg o t t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f t e s t e r a d o p t sb i l a t e r a ls y m m e t r yd e s i g n ，w h i c hi sg o o df o re q u a l i z i n g s t r e s sa n d a c c u r a c y ，m o r e o v e r , t e s t e ra d c l p t st h ec h a r a c t e r i s t i cc y l i n d e rp r o m o t e dc l a m p i n g i t t l ! 1 1 川大学硕士学位论文 s t r u c t u r ee s p e c i a l l yt h ed e s i g no fg i m b a lm o u n t ，b a s e do ni t si n g e n i o u ss t r u c t u r e ， c a nm a k et h ew h o l eb o d ys w i n go nt w od i r e c t i o n s ，a n dt h e nt a p e re r r o ri nt h e d i r e c t i o no ft e e t ha n dt a p e re r r o ri nt h ed i r e c t i o no fa x i sa r eg o t i nt h ep r o c e s so f d e s i g n i n g ，w ed i do u rb e s tt oa d o p tc y l i n d e rp r o m o t i n ga n ds t e p p e rm o t o rp u s h i n g f o rr e a l i z a t i o na u t o m a t i cm e a s u r e m e n t sb yc i r c u i tc o n t r o la n ds o f t w a r ec o n t r 0 1 t h e d e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n ds o f t w a r es a r i s f yt h ed e m a n do fp r e c i s i o n t h i s a r t i c l ea l s of o r m u l a t e sd a t aa c q u i s i t i o ni nc i r c u i tp a r t ，i oc a r da n dc o n t r o lo fs t e p p e r m o t o la n dr e c o m m e n d st h em e t h o do fd a t ap r o c e s s i o n ，r e a l i z a t i o no fs o f t w a r e w o r k f l o wa n dd e s i g n a f t e re x p e r i m e n tu s i n gt h et e s t e rf o l l o w i n gt h em e n t i o n e dd e s i g na b o v e ，w e d e a lw i t ha n da n a l y z et h eo b t a i n e dd a t a ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em e a s u r i n g s y s t e mm e e tm e a s u r i n gr e q u e s ta n dc a l lp r o v i d ea u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o na n d i m a g ea n a l y s i s w i t ht h ee r r o ra n a l y s i s ，w ek n o wt h es o u r c eo ft h ee r r o r sa n dt h e e f f e c tt ot e s t e rp r e c i s i o nt h e yc a l lb r i n g ，a n dt h e nw ec a nc o m p e n s a t es o m eo ft h e e r r o r sb ys o f t w a r e w h i c hc a ni m p r o v et e s t e rp r e c i s i o nt oac e r t a i ne x t e n d a l lt h e t e c h n i c a li n d e x e so ft h et e s t e rm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t ，i tc a r ls u c c e s s f u l l yr e a l i z e k i n e t i cc o n t r o l ，d a t a a c q u i r i n g ，d a t a - p r o c e s s i n g ，c h a r t d i s p l a y i n g ，a n a l y z i n g ，w a r n i n g a n de r r o r - p r o c e s s i n gi nt h ew h o l em e a s u r i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：t w o - f l a n kg e a r - m e s h i n g ，o n l i n em e a s u r i n g ，l o n g i t u d i n a lf o r me r r o r , d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g h 川大学硕j 学位论文 1绪论 1 1 课题的研发背景 国外齿轮行业普遍采用全自动齿轮测量分选机对齿轮进行质量验收。调查 资料显示，1 9 8 4 年日本大阪精机生产的a g 系列自动齿轮分选机年产量即为2 0 0 余台并全部投入使用，同年德国的齿轮测量权威专家h e f l e r 教授也表示，德国的 一些知名汽车厂商生产的每一个齿轮都必须经过h e f l e r 所在公司生产的自动齿 轮分选机验收合格后才能装在变速箱内。相比之下，我国的汽车齿轮行业至今 仍没有一台类似的检测装备，只是在最近获悉天津汽车齿轮厂正在准备从日本 进1 3 一台这样的设备。实际上，一个汽车变速箱内装有十多个齿轮，除了一个 四联或五联的齿轮轴只需一种分选机外，其余的每种结构类型的齿轮都需要配 各至少一台分选机，也就是说一种变速箱至少需要配备四台以上分选机，市场 需求很大。然而，至今我国甚至还没有任何企事业单位有研发这种分选机的规 划设想，由此可见，我们在这方面与世界工业发达国家之间的差距是很大的。 我国齿轮检测行业现存的综合检测仪器主要有两种，单啮仪和双面啮合检 查仪。但是他们又各自存在不同的优缺点：传统的单啮仪虽然可以精确的反映 被测齿轮的各项偏差，但其测量效率不高，不能满足大批量检测的要求；传统 的双面啮合检查仪虽然可以进行高效率、大批量的齿轮检测，但其检测结果是 轮齿两面偏差的综合反映，只能反映齿轮的径向偏差，不能提供齿轮的其他各 项参数。( 1 根据我国齿轮行业的现状与发展要求，成都工具研究所与四川大学测控系 联合研制开发了一种新型齿轮在线综合检测仪。该仪器基于新颖的测量原理， 采用创新的双啮测量方法，实现了高效率、高质量的齿轮多参数测量。该仪器 的成功研发将填补国内齿轮检测行业的空白，从而增强了国内齿轮行业在国际 市场上的竞争力，这种新型检测仪的推广有着重要的现实意义，必将带来巨大 的经济效益。 旧j 1 1 人学硕士学位论文 1 2 齿轮检测仪器的现状与发展 1 2 1 起源与历程 齿轮的应用有着悠久的历史，而对齿轮的科学研究却始于1 7 世纪m c a m u s 发现齿轮传动的节点原理；1 7 6 5 年，l _ e u l e r 将渐开线齿形引入齿轮，1 0 0 多年 后，f e l l o w s 等人应用范成法生产出了渐开线齿轮，从此渐开线齿轮得到了广泛 f l 应用。“。 由于制造与安装等方面的原因，实际齿轮总是存在着各种各样的误差。这 些误差直接影响传动系统的精度与动态特性( 特别是振动与噪声) 。因此，如何 表征、测量、分析、利用和控制齿轮误差一直是科研人员不断探索的课题。齿 轮测量技术与仪器也就相应的得到了发展。 齿轮测量技术及仪器的研发已有近百年的历史，其历程如图1 1 所示。在这 不短的发展历程中，有6 件标志性事情： 1 ) 1 9 2 3 年，德国z e i s s 公司在世界上首次研制成功一种名为“t o o t hs u r f a c e t e s t e r ”的仪器，它实际上是机械展成式万能渐开线检查仪。 2 ) 5 0 年代初，机械展成式万能螺旋线检查仪的出现，标志着全面控制齿轮 质量成为现实。 3 ) 19 6 5 年，英国研制出光栅式单啮仪，标志着高精度测量齿轮动态性能成 为可能。 4 ) 1 9 7 0 年，以黄潼年为主的中国工程师研发的齿轮整体误差测量技术，标 志着运动几何法测量齿轮的开始。 5 ) 1 9 7 0 年，美国f e l l o w s 公司在芝加哥博览会展, q q , m i c r o l o g5 0 ，标志着数控 齿轮测量中心的开始。 6 ) 8 0 年代末，日本大阪精机推出基于光学全息原理的非接触齿面分析机 f s 一3 5 ，标志着齿轮非接触测量法的开始。 瞪川大学硕：卜学位论文 量具机械展成法 坐标法( 电子展成法? 渐开线展成法l 螺旋展成法 光学全息法 l 。 。二二； l 1 9 2 31 9 5 01 9 5 91 9 6 51 9 8 01 9 9 02 0 运动儿何法( 箍体堡i 单啮法双啮法 注：1 9 5 9 年三坐标测量机问世 图1 1 齿轮检测发展史 1 2 2 齿轮测量技术的演变 整体上考察过去一个世纪里齿轮测量技术的发展，主要表现在三个方面： 1 ) 在测量原理方面，实现了由“比较测量”到“啮合运动测量”，直至 “模型化测量”的发展。 2 ) 在实现测量原理的技术手段上，历经了“以机械为主”到“机电结 合”，直至当今的“光一机一电”与“信息技术”综合集成的演变。 3 ) 在测量结果的表述与利用方面，历经了从“指示表加肉眼读取”，到 “记录器记录加人工研判”，直至“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造 系统”的飞跃。 与此同时，齿轮检测仪器经历了从单品种单参数仪器( 典型仪器有单盘渐开 线检查仪) ，单品种多参数仪器( 典型仪器有齿形齿向检查仪) ，到多品种多参数 仪器( 典型仪器有齿轮测量中心) 的演变过程。h 。l s i l g j 1 ) 机械展成式测量技术 2 0 世纪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个标准齿轮进行实物比较。从而得 到各项误差：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 四川i 大学硕士学位论义 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 年代至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。早期着重于渐开线展成测量技术的研究，后来将展成测量思路移植 到了螺旋线测量上，先后开发出多种机械式渐开线展成机构，如单盘式、圆盘 杠杆式、正弦杠杆式、靠模式等。尤以圆盘杠杆式应用最广，属于这一类的仪 器有：z e i s sv g 4 5 0 ，c a r lm a h r8 9 0 和8 9 1 s ，m a a gs p 6 0 0 和h p l 0 0 ，大版精机 g c 一4 h 矛1 3 g c 一6 h 以及哈量3 2 0 1 。对于齿廓误差测量而言，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 0 世纪7 0 年代以前，机械展成式测量技术已经发展成熟，并在生产实践中 经受了考验。迄今，基于这些技术的仪器仍是一些工厂检测齿轮的常用工具。 7 0 年代以后，随着电子展成式测量技术的出现，机械展成式测量技术的发展受 到了很大的冲击。 2 ) 齿轮整体误差测量技术 1 9 7 0 年是齿轮测量技术的转折点。齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机( 中 心) 的出现解决了齿轮测量领域的一个难题，即在一台仪器上快速获取齿轮的全 部误差信息。这两项技术虽然都基于现代光、机、电、计算机等技术，但走上 了不同的技术路线。齿轮整体误差测量技术是从齿轮综合测量中提取单项误差 和其他有用信息。1 9 7 0 年，我国在齿轮测量技术方面取得突破，发明了基于“跳 牙”蜗秆的齿轮整体误差测量原理。经过3 0 多年的完善与推广，这种起源于渐 开线圆柱齿轮测量的方法现已成为传动元件的运动几何测量法，采用的标准元 件也从蜗杆扩展到齿轮、齿条等。其基本思想是将被测对象作为个刚性的功 能元件或传动元件与另一标准元件作啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求 被测对象的误差。其鲜明特点是：形象地反映齿轮啮合传动过程并精确地揭示 了齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系，特别适合于齿轮工艺误差分析 和动态性能预报。采用这种方法的仪器测量效率高，适用于大批量生产中的零 件检测和在线分选测量。但该方法需要标准元件并且测量精度不仅与测量仪器 相关，更取决于标准元件的精度。典型仪器是成都工具研究所生产的c z 4 5 0 齿 轮整体误差测量仪、c s z 5 0 0 锥齿轮测量机和c q b t 0 0 摆线齿轮测量仪。我国开 发的锥齿轮整体误差测量技术的专利已经卖到德国，德国也开发了圆柱齿轮整 川川人学颂1 学位论文 体误差测量技术及其仪器。 3 ) 测量数据的处理与利用 在早期的齿轮测量中，人工读取指示表的数据获取齿轮误差，得到的是误 差幅值，仅仅能用来评判被检项目合格与否：电动记录器的出现，靠人工读益 线，使工艺误差分析成为可能；计算机的采用傻自动处理测量结果、分析工艺 误差并将分析结果反馈到加工系统进而修正加工参数成为现实。集专家系统、 知识工程于一体的齿轮误差智能分析系统也开始得到应用。 迄今，在齿轮测量数据处理方面，广泛使用的是最小二乘法，同时数字滤 波技术也得到应用。虽然现代信号处理的一些方法已逐渐应用于齿轮测量数据 处理中，但尚未实用化。 4 ) 其他齿轮测量技术 进入2 0 世纪9 0 年代，基于各种光学原理( 特别是相移原理) 的非接触式齿轮 测量技术得到了一定发展，这种可称为“并联测量”的新方法代表着齿轮测量 技术发展的一个新方向。 1 2 3 潮流与展望 2 0 世纪9 0 年代以来，在世界范围内，齿轮测量技术领域出现了值得注意的 几股潮流： 1 ) 齿轮整体误差测量与齿轮坐标测量合二为一。我国推出了既有标准蜗杆 又有测头的齿轮测量机c z n 4 5 0 ；而国外的c n c 齿轮测量中心也能给出“虚拟整 体误差”。 2 ) 齿轮测量中心与三坐标测量机合二为一。美国t s k 公司的r a d i a n c e 和 p r o c e s se q u i p m e n t c o m p a n y 的n d 4 3 0 就是按这种理念研制的。 3 ) 功能测试与分析测试合二为一。简化齿轮测量是发展趋势，齿轮整体误 差测量仪因高效率地给出齿轮全信息而为世界接受。 4 ) 齿轮a n t 与测量合二为一( 一体化) 。自从1 9 8 8 年m a a g 公司在c n c 齿轮 磨床s e 2 0 2 e 上耦合c n c 齿轮测量技术以来，齿轮在机测量技术在齿轮磨床上得 到普通采用。 展望未来，与齿轮测量技术相关的研发重点包括：齿轮非接触绝对测量技 四川大学硕一卜学位论文 术：齿轮虚拟测量技术：齿轮的网络化测量与诊断技术；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的 进一步发展( 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；生产现场的齿轮高速分选测量与分析 技术( 目前i t w 的m o d e 4 8 2 3 为4 5 0 6 0 0 件h ；目标为8 0 0 件h ) ：精密机械、光电 技术、微电子技术、软件工程等技术在齿轮检测仪器上的应用。 1 3 课题对象 本仪器研发所针对的检测对象是应用于汽车上的渐开线齿轮。在汽车变速 箱内有很多齿轮，它们性能的好坏直接影响汽车各部件的运转。因此高精度、 高效率的齿轮检测仪将直接控制着各类齿轮的质量。 随着汽车工业的发展，汽车齿轮的产量在逐年增长，而现在更要求汽车中的 齿轮以更高的速度传递更大的载荷并具有更长的寿命和更低的噪音。因此，所生 产的齿轮必须严格达到精度标准的规定，使汽车工业中齿轮的检测技术随着制 造技术的发展而不断进步。 对汽车工业的齿轮检测技术和测试设备大致有以下要求： 1 ) 用单项误差的首检和抽检来控制工艺精度，用综合测量来验收成品精 度。在单项测量中最重要的是齿形齿向测量，而在综合测量中绝大多数问双面啮 合测量。 2 ) 既需要在精测室内使用的高档量仪，也需要在车间生产现场使用的中档 量仪，以满足多种多样的测量要求。 3 ) 由于检测工作量大，要求有较高的测量效率，最好有半自动或全自动测量 功能。 4 ) 要求对测量结果进行计算机数据处理自动评值，或至少要配置自动记录 器从误差曲线上进行人工评值。 j l 川大学颂一i 学位论文 1 4 课题的主要工作 1 4 1 课题任务 设计一种原理新颖的齿轮在线检测仪，突破传统综合检测仪的局限，通过 特殊的结构设计保证测量的完整性，在考虑检测效率的同时也要重点考虑其检 测精度。 本仪器通过各种检测和分离方法，可以得到所需的各项误差，通过对这些 误差的分析，可以判定所测齿轮是否合格。 测量对象：( d 2 0 0 r a m ) 汽车圆盘齿轮( 渐开线圆柱齿轮) 测量参数： 齿厚偏差，径向跳动偏差，齿距偏差，齿向平均偏差，齿向偏 差，轴向锥度误差，毛刺。 技术指标： 分辨力：1 肛m重复精度：5 1 1 m测试速度：2 - - 3 秒个 根据仪器的测量要求及技术指标，通过比较选择种最佳的测量方案，进 行相应的设计，从而使仪器能快速、准确地完成测量任务。利用3 d m a x 建模在 完成实际设计以前进行虚拟设计和仿真工作。 1 4 2 课题主要工作内容 根据上述课题任务，以及对齿轮检测方法的分析。本课题的主要工作内容 是： 1 ) 查阅大量的国内外相关文献资料。提出最优的测量方案，特别是误差 分离的可行性方案。 2 ) 设计仪器的机构和电气控制部分，整体上把握仪器的总体设计。 3 ) 依据最优方案正确设计仪器的测量软件系统，实现自动测量、自动采 集、自动控制和调整。 4 ) 进行相关的设计方案进行可靠性分析，验证仪器的是否达到设计要求， 四川大学顺士学位论文 并在此基础上探究新旧检测原理的内在联系。 笔者在实际工作中主要工作是完成误差分离方案的研究以及虚拟仪器设 计，并在课题完成过程中积极参与其他部分的工作。该仪器由人工上料、定位、 夹紧，计算机自动控制测量过程。该仪器具有数据存储、误差修正、澳4 量范围 调整以及图形和数据的打印等功能，是一台机电一体化的智能仪器。 1 4 3 论文章节安排 第一章绪论：论述课题的目的和意义，课题任务及主要的工作内容； 介绍了齿轮检测仪器的发展和现状。 第二章测量方案的研究：介绍所需检测各项参数的定义及其检测手 段，通过对比分析提出本仪器检测的最优方案。 第三章新型齿轮在线综合检测仪结构设计： 详细论述仪器的机械结 构设计和电气控制部分设计，以及对传感器的选择。 第四章 新型齿轮在线综合检测仪软件设计：给出系统软件流程：介绍 各个模块的具体实现过程。 第五章结论：得出结论，给出今后研究的方向和存在的问题。 婴型查兰堡主兰垒丝茎 2 渐开线齿轮误差检测方法的研究 2 1 渐开线齿轮加工误差简述 2 1 1 渐开线及其性质 如图2 1 当直线从a 点开始沿圆周0 作纯滚动时直线上任一点a 形成的轨 迹a “k 即为该圆( 称为基圆，其半径即基圆半径) 的渐开线，直线则是渐开线 的发生线。由作图过程可知渐开线具有以下性质：( 1 0 1 ) a “b = b k ，发生线在基圆上所滚过的一段线长等于在基圆上滚过的弧 长。 2 ) 发生线n n 在基圆上作纯滚动，因 此基圆实际上就是发生线上任一点所画渐 开线各点曲率中心的轨迹圆，线段b k 是渐 开线在k 点的曲率半径，也是渐开线在k 点的法线。( 所以愈近基圆，渐开线的曲率 半径愈小，弯得愈严重) ，由此可知：渐开 线上任一点的法线必与基圆相切，换言之， 基圆的切线必为渐开线上某点的法线。 3 ) 渐开线的形状由基圆半径的大小 决定。当基圆愈大时渐开线在k 点的曲率 半径也愈大，所以渐开线就愈平缓。 4 ) 基圆以内无渐开线。 图2 1 2 1 ，2 渐开线方程及推导 1 ) 渐开线( 极坐标) 参数方程推导：( 1 1 1 2 图2 1 中r ，为基圆半径，则渐开线上任一点k 的极坐标由展角0 “和该点向 觚舱鲫f 筹= 等= 警导只，整理腺 四川大学颂卜学位论文 吼= t g a 一吼， o “称为渐开线函数，用i n vq 。表示则上式成为： i n v0k = t gok c ik ， 当已知c i 。时即可由此式求出渐开线函数i n va 。 工程中已将不同o 。的渐开线函数列表，称为“渐开线函数表”以各查用。 齿廓上某点压力的方向线与该点速度的方向线间的夹角称为齿廓在该点的 压力角( 其意义与凸轮机构的压力角同) ，图2 1 中渐开线齿廓k 点的压力是垂 直0 b 的k b 方向( 假设不考虑摩擦) ，但k 点运动速度的方向是向径r 。圆的切线 方向( 即与o k 垂直的方向) ，因此o b 与o k 的夹角亦即渐开线齿廓在k 点的压 力角a 。，这样，由三角形o k b 可得以下关系式： c o sqk _ r o r k 口 此式表明压力角a 。的大小随k 点位罴而异，即渐开线齿廓上压力角是随k 点离圆心0 愈远( 即向径r 。愈大) 而愈增大。因此将此式与渐开线函数计算式 综合一起可得渐开线的极坐标参数方程如下： r k 。r o c o sak ， i n vqk - t gqk ok ， 2 ) 渐开线直角坐标方程：可按笛卡尔坐标系( 如图2 2 ) 推导渐开线方 程，过程从略，但斜齿轮因轴向有螺旋升角，因此其表达式是一组三维方程； 直齿轮渐开线方程：x = r o ( c o s 巾k + 由x ) ， y = r 。( s i n 中。一巾t ) 斜齿轮渐开线方程： x = r oc o s ( 中k + k ) + r 。0ks i n ( 中k + k ) y = r 。s i n ( 由k + 九k ) + r 。ekc o s ( 中k 十九k ) z = ( n 2 ) 。， p ：一导程， x 。一斜齿轮螺旋升角， 凡一基圆半径 中k = ak + ok 。 图2 2 四川i 大学硕卜学位论文 2 1 3 渐开线齿轮的加工误差 在机器制造业中，齿轮传动应用很广。凡有齿轮传动的机器，其工作性能、 承载能力及使用寿命都和齿轮制造精度有关。因此对齿轮的各项精度的把握就 显得格外重要。 ” 对齿轮传动的要求因用途的不同而异，但归纳起来有以下四项： 1 ) 传递运动的准确性即要求齿轮在一转范围内，最大的转角误差限制在 一定的范围内，以保证从动件与主动件运动协调一致。 2 ) 传动的平稳性即要求齿轮传动瞬间传动比变化不大。因为瞬间传动比 的突然变化，会引起齿轮冲击，产生噪音和振动。 3 ) 载荷分布的均匀性即要求齿轮啮合时，齿面接触良好，以免引起应力 集中，造成齿面局部磨损，影响齿轮的使用寿命。 4 ) 传动侧隙即要求齿轮啮合时，非工作齿面间应具有一定的间隙。这个 间隙对于贮存润滑油、补偿齿轮传动受力后的弹性变形、热膨胀以及补偿 齿轮及齿轮传动装置其他元件的制造误差、装配误差都是必要的。否则， 齿轮在传动过程中可能卡死或烧伤。 描述齿轮特性的精度指标有：切向综合误差、齿距累积误差、齿圈径向跳 动、径向综合误差、公法线长度变动量、一齿切向综合误差、一齿径向综合误 差、齿形误差、齿厚偏差、齿距偏差、罗纹线波度误差、齿向偏差、接触线误 差、轴向齿距偏差。 其中描述齿轮传递准确性的精度指标有：切向综合误差( a f ：) ；齿距累积 误差( a f 。) ；齿圈径向跳动( f ，) ；径向综合误差( a f ：) ；公法线长度变 动( a f ，) 。 其中描述齿轮传动稳定性的精度指标有：、一齿切向综合误差( a f ：) ；齿 径向综合误差( a f ：) ；齿形误差( a f ，) ：基节偏差( f ) ：齿距偏差( a f 。，) ：螺旋线波度误差( a f 。) 。 其中影响载荷分布均匀的精度指标有：齿向偏差( a f 。) ；接触线误差( f 。) ；轴向齿距偏差( a f 。) 。 渐开线齿轮传动保持恒定瞬时速比的关键在于应使轴的端面齿廓具有准确 的渐开线齿形，且要求这些齿廓的分布相对使用时的回转中心均匀、等分。而 心川大学碗，l 学位论文 且在轴向，此渐开线齿廓的齿向形状和位置也应是正确的。但是齿轮在加工时 其基圆是由机床一刀具一齿坯这三者间所处的相对位置状态及它们的运动关系 决定的。然而三者间相对位置和运动关系在机床运转时都在发生变化。所以加 工时齿轮的瞬时基圆半径是个变量，基圆因此就存在误差。同样，齿廓及其在 圆周上分布位置的均匀性及沿齿坯轴向也会由于这三者间相对位爱的瞬时变化 而引入误差。因此，我们研究齿轮误差就要从分析加工中基圆误差的产生开始， 搞清楚加工中基圆误差和其他各单项误差，即与齿廓偏差、基节偏差及周节累 积偏差的关系。 2 2 所测各单项误差的定义及其传统检测手段 根据测量标准和对齿轮各项性能的分析本仪器所检测的单项误差有如下几 项：径向综合误差、一齿径向综合误差、双啮中心距变动量、齿距累积误差、 齿距误差、齿厚偏差、齿向偏差、齿轮轴向锥度误差( 斜齿轮) 、毛刺。 影响齿轮精度的误差还有很多，单项误差主要介绍以上几种。通过对这几 个误差的分析可以获悉在我们设计的齿轮在线检测仪中，为了得到需要的参数 而对机构部分作出的调整。所以说设计仪器的出发点是使用仪器的具体场所和 要求。测量数据的误差是由整体机构来保证，包括制造相关零部件时制造精度 的要求、测量电路的设计、测量环境的要求。 2 2 1 径向误差的检测 双啮中心距变动量是指被测齿轮与标准齿轮双面啮合时的中心距变动量。 径向综合误差( a f ：) 是指被测齿轮与理想精确的标准齿轮双面啮合时， 在被测齿轮一转内，双啮中心距的晟大变动量。径向综合误差( f ：) 主要反 映径向误差，可代替齿圈径向跳动的指标检测，在批量生产中常用此误差指标 作为检验齿轮传递运动准确性的指标。 一齿径向综合误差( f j ) 是指被测齿轮与理想精确的标准齿轮双面啮合 时，在被测齿轮一齿距角内，双啮中心距的最大变动量。当测量啮合角与加工 啮合角相等时，f ：只反映刀具制造及安装误差引起的径向误差，而不能反映 出机床传动链短周期误差引起的周期切向误差。而当测量啮合角与加工啮合角 婴型查兰堡主兰竺笙茎 不相等时，测出的f - ，一z , ，a ：差外，还反映部分周期切向误差。【1 7 。1 8 这三项径向误差都可以通过齿轮双啮检测的方法得到，常见的齿轮双面啮 合检查仪都可以完成这三项误差的测量，通过对误差曲线的简单分析就可得到 结果，如图2 3 ： 2 2 2 齿距误差的检测 3 6 0 4 图23 齿轮在加工中不可避免地要发生偏心， 距累计误差和齿距偏差。( 如图2 4 ) 齿距误差( f ) 是指在分度圆上，任 称弧长的最大差值。 齿距累积误差( a f 。) 是指在分度 圆上。k 个齿距间的实际弧长与公称弧长 的最大差值，k 值一般选取小于z 6 或z 8 的最大整数。 齿距偏差( f 。) 是指在分度圆上， 实际齿距与公称齿距之差。 齿距误差的测量方法中分为绝对测 量法、相对测量法和对径测量法。其中以 相对测量法应用最广，中等模数的齿轮多 采用这种方法。 也一实际齿距 l l 一公称齿距 图24 双蜡中心距变动量 四川i 大学硕士学位论文 用相对法测量时，公称齿距是指所有实际齿距的平均值。f 。，允许在齿高 中部测量，但仍以分度圆上计值。在生产现场，f 通常用相对测量法测量， 故该项误差也允许在齿高中部测量。必要时还应控制齿轮k 个齿距的累计误差。 相对测量法是以齿轮上任意齿距作为基准，把仪器指示表调整为零，然后依 次测出其余各齿距相对于基准的偏差，最后通过数据处理求出齿距累积误差和 齿距偏差。按其定位基准不同，相对测量法有可分为以齿顶圆、齿根圆、齿坯 孔为定位基准的三种方法。由于篇幅所限，在此不作赘述。 2 ，2 3 齿厚偏差的检测 齿厚偏差是指在分度圆柱面上，法向齿厚的实际值与公称值之差。( 如图 2 5 ) 齿厚偏差通常用齿轮游标卡尺测量， 把垂直游标卡尺定在分度圆弦齿高上，然 后用水平游标卡尺量出分度圆弦齿厚。量 出的齿厚实际值与公称值之差就是齿厚偏 差。测量时应在齿圈上每隔9 0 度检查一个 齿，取其偏差最大者作为齿厚的实际偏差。 测量齿厚是以齿顶圆为基准的，所以 测量结果受齿顶圆偏差的影响。为了消除 齿顶圆偏差的影响，调整垂直游标卡尺时， 应在公称弦齿高中加上齿顶圆半径的实际偏差。 这种方法是齿厚偏差人工检测最传统的。 方法，原理简单，操作方便。 2 2 4 齿向偏差的检测 t 2 t l = 齿厚偏差 t 2 一公称齿厚 t l 一实际齿厚 图2 5 齿向偏差：指在接近分度圆柱上，在齿全长内容纳实际齿向的两条公称方 向的直线或螺旋线间的距离。齿向偏差反映了齿轮传动是在齿宽方向上的接触 四川大学硕= e 学位论文 精度。直齿齿轮的齿向偏差测量实质就是在测量分度圆处的齿面和齿轮轴心线 间的平行度误差。 齿向偏差通常由这几种方法测量： 1 ) 在齿圈径向跳动仪上测量齿圈径向跳动检测仪主要用来检测f r 外， 还可以用来检查直齿圆柱齿轮的齿向偏差。为了保证测量值的准确与可靠，检 查仪应定期用标准量棒检查它本身的误差。这台仪器是使用第一种方法测量齿 向偏差 2 ) 在万能工具显微镜上测量方法是首先使仪器测角目镜十字线交点大 致与两顶尖连线之间，使灵敏杠杆的测头与齿轮的接触点大致通过仪器两顶尖 连线的垂直平面，移动纵向托架，使测头大致在齿轮分度圆处与齿面的一端接 触。转动齿轮使目镜水平虚线对准在灵敏杠杆双刻线中间，记下第一次横向读 数。再纵向移动拖架重新使目镜水平十字线对准灵敏杠杆的双刻线中间，记下 横向第二次读数，两次读数之差，即为齿向偏差。 3 ) 在螺旋检测仪上测量 测量原理：斜齿轮的齿面是渐开螺旋面，它和 以形成这一渐开线螺旋面的基圆柱轴线同轴的任一圆柱面的交线都是一条螺旋 线。若一圆柱绕其轴线作匀速旋转运动，与圆柱表面相接触的一点沿轴线平行 方向匀速移动，则该点在圆柱表面上的运动轨迹为螺旋线。如果这个圆柱是被 测齿轮的分度圆柱，当螺旋面与公称螺旋面一致 时，与测头相联结的指示表示为零，或记录器记 录出一条平行方向的直线。若螺旋面与公称螺旋 面不相一致，则指示表或记录曲线就会显示其误 差值。 2 。2 。5 齿轮轴向锥度误差及毛刺 ed 在齿轮加工过程中，由于加工工具的不够精 确往往造成齿轮轴向锥面产生偏差，如图2 6 所 示线段b d 与线段b c 的夹角就是齿轮轴向锥度 误差的反映。这种误差的大小直接影响着齿轮啮 合的准确性，特别是斜齿轮啮合的效果。 b d 为实际锥面 b c 为理想锥面 图2 6 纠川大学硕士学位论文 毛刺是指在齿轮啮合面上由于加工的原因有较明显的突起。在检测过程中 表现为有粗大误差的出现，传统的检测方法是用肉眼直接观查。 一般来讲齿轮轴向锥度的检测方法跟其它类型的锥度检测方法比较接近。 下面简单介绍一下常用的几种锥度检测方法： 1 ) 用圆锥量规测量 圆锥量规用以检验内、外锥体工件的 锥度和基面距偏差。检验内锥体用锥度塞 规，检验外锥体用锥度环规。圆锥塞规的 结构型式如图2 7 所示。圆锥结合时，一 般对锥度要求比对直径要求严格，所以用 圆锥量规检验工件时，首先应用涂色法检 验工件的锥度。用涂色法检验锥度时，要 求工件锥体表面接触靠近大端，接触长度 不低于国标的规定：高精度工件为工作长 度的8 5 ；精密工件为工作长度的8 0 ；普 通工件为工作长度的7 5 。其检测原理如图 2 8 。 市场上现在很多高精度锥度测量仪都是 通过与标准件( 锥度塞规或锥度环规) 比较， 将被测锥体给定位置的锥度误差通过传感器 传递出来的。 2 ) 用平台测量 平台测量是用平板、量规、正弦尺、 指示表和滚柱( 或钢球) 等常用计量器具组 合进行测量。这种测量方法的特点是测量与 被测角度有关的线值尺寸，通过三角函数计 算出被测角度值。正弦尺是锥度测量常用的 计量器具，分宽型和窄型两类，每种型式又 按两圆柱中心距l 分为l o o m m 和2 0 0 r a m 两 种，其主要尺寸的偏差和工作部分的形状、 图2 7 圉28 支承筋 渗 四川大学硕上学位论文 位置、误差都很小。在检验锥 度时，不确定度为1 5u m ，通常测量公称锥角小于3 0 o o 测量前，首先按下式计算 平 量块组的高度( 如图2 9 ) 。 h = l