（机械电子工程专业论文）双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 渐开线齿轮由于能保证定传动比传动、受力方向不变等优点，广泛应用于航空、汽 车和自动化生产线等各种通用机械中。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。 双盘式渐开线测量仪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但由于其全手工操 作造成测量效率低、操作不便等缺点。随着计算机技术的高速发展，计算机硬件成本的 大幅降低以及可靠性的不断提高，计算机技术在检测系统中得到广泛应用，因此把计算 机技术和检测技术结合起来成为现代测量领域的发展趋势。本文就是将计算机技术和电 子技术引入双盘式渐开线测量仪，采用研华p c l - 8 1 8 l 数据采集卡，基于v c + + 6 0 编制 数据采集与控制系统软件，结合硬件电子电路控制电机与常用功能按钮，实现测量过程 的半自动化；接着对数据采集过程中的齿面等间隔采样和展开长度等间隔采样两种方法 进行了理论分析和实验验证：最后，对数据采集和齿廓偏差评定影响较大的电感测微仪 进行了标定试验，以及对一精密标准齿轮渐开线齿廓进行实际检验。 该数据采集与控制系统依照双盘式渐开线测量仪测量要求，以软件控制为主、与硬 件电路相结合，具有实时显示、数据采集与处理、自动绘图、保存打印等功能，在保证 测量精度的基础上提高了测量效率。经实际测试表明，该系统具有良好的可操作性和稳 定性。 关键词：双盘式渐开线测量仪；标准齿轮；渐开线齿廓偏差；数据采集与控制系统 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y o nd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mi nd o u b l e d i s c m e a s u r i n ga p p a r a t u so fi n v o l u t et o o t hp r o f i l ed e v i a t i o n a b s t r a c t t h ei n v o l u t eg e a rh a su s e dw i d e l yi na v i a t i o n ，a u t o m o b i l ea n da l lk i n d so fu n i v e r s a l m a c h i n ef o re x a m p l ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n eb e c a u s eo fi th a v es o m ea d v a n t a g e so f 丘x o d d r i v er a t i o ，c o n s t a n td i r e c t i o no fl o a d ，a n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r n i n 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 g h e r a n dh i g h e r t h eq u a l i t yo f g e a rm a n u f a c t u r i n gd e p e n do nm a n y p c c 峨a m o n gt h e mt h eg e a r s u r v e y i n gi n s t r u m e n ta n dt h el e v e lo f m e a s u r i n ga n dt a s t i n gt e c h n i q u e si st h eo n eo f i m p o r t a n t f h c t o 硌t h et e c h n o l o g yo fi n v o l u t et o o 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 ri si m p o r t a n t a n dd i f f i c u l ti ni t sa l lp 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 fi n v o l u t et o o t hp r o f i l em e e t st h em e a m a i n g p r i n c i p l eo f m 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 r u c t u r e ，l a s se r r o r a s p e c t s ，a n ds oo n i ti st h eo n eo fh i 曲一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 d 、v i t l lh i 曲 a c c u r a c yf o ru l t r a - p r e c i s i o nm a s t e rg e a r st o o t hp r o f i l e h o w e v e l , i tc a u s e dl o w e re f f i c i e n c y a n do p e r a t i o ni n c o n v e n i e n t l yo w i n gt om a n u a lm e a s m e m e n ta b s o l u t e l y a l o n gw i t l it h er a p i d d e v e l o p m e n t o f t h ec o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g y , t h ec o s t so f c o m p u t e rh a r d w 盯ea r er e d u c e d l a r g e l ya n dt h er e l i a b i l i t ya r ee n h a n c e dc o n t i n u o u s l y , c o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g yh a sb e e n a p p l i e de x t e n s i v e l yi n t h es y s t e mo ft e s t i n g , t h e r e f o r ec o m b i n e dt h ec o m p e e rs c i e n c e t e c h n o l o g yw i t i lt e s t i n gt e c h n o l o g yi s t h em o d e r nd e v e l o p m e n tt r e n di nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n t t h i sp a p e ri sa i m st oa p p l y i n gt h ec o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g yi n t ot 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 fi n v o l u t et o o t hp r o f i l e ，w h i c hn o t o n l ys a t i s f i e d t h en e e do fm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , b u td e s i g n e da n di m p l e m e n tt h e s e m i a u t o m a t i ct e s t i n gf o ri n v o l u t et o o t hp r o f i l e p r o g r a m m e dt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l s y s t e ms o f t w a r eb a s e do nv c + + 6 0 t h em e a s u r i n gd a t af i r s f l yw e r ec o l l e c t e db yt h e p c l - 8 1 8 ld a t aa c q u i s i t i o nc a r do fa d v a n t e c hc o m p a n yw h i c hw a sc o n t r o l l e db y m e a s u r i n gs o f t w a r e t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lc i r c u i tw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，w h i c h m a i n l yu s e dt oc o n t r o lm o t o ro p e r a t i o na n ds o m em e a s u r i n gb u t t o n s ，c o m b i n e dw i t ht h e m e a s u r e m e n ts o f i w a r e , t h ee n t i r em e a s u r e m e n tp r o c e s sh a v ea c h i e v e ds e m i a u t o m a t i c t h e e x p e r i m e n t so fi n d u c t a n c et y p et r a n s d u c e rm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tc a l i b r a t i o nh a v ed o n ef o r a s c e r t a i ni t sa c c u r a c y 。w h i c hh a sag r e a ti m p a c to nd a t aa c q u i s i t i o na n dm e a 翻l f e m 胁tr e s u l t s a n dm a k eat e s t i n gt oap r e c i s em a s t e rg e a rb yt h i sd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m i i i 双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n g t h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n to f 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 o o t hp r o f i l e ，m a i n l yc o n t r o l l e db ys o f t w a r e ， c o m b i n e dw i t hh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dh a v es o m ef u n c t i o n so fr e a l t i m e d i s p l a y , d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , a u t o m a t i cm a p p i n g , a n ds oo i l i te n h a n c e dt h em e a s u r e m e n t e f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n t h r o u g ht h ea c t u a lt e s t ss h o wt h a ti th a sg o o dm a n e u v e r a b i l i t ya n d s t a b i l i t y k e yw o r d 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 fi n v o l u t et o o t hp r o f i l e ；m a s t e rg e a r ；, i n v o l u t et o o t hp r o f i l ed e v i a t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m i v 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，也不包含为荻得大连理 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： 盈盔娣日期：2 垃zf z ：盔 大连理工大学硕十研究生学位论文 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阅。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：盔巨量毖 锄繇乌季 望2 年上三月堕日 。+ 1 一。 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 齿轮测量技术的发展及国内外现状 齿轮的应用有着悠久的历史，其中0 1 9 0 0a d 的齿轮制造发展历程如图1 1 所示。 而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 建立渐开线齿形数学分析基础后，1 8 8 7 年g r a n t 发明了滚齿机，1 8 9 0 年在欧洲和北美开 始制造钢制齿轮，1 9 0 0 年制造出了滚齿机、小齿轮插齿机，齿轮制造开始形成工业化生 产。磨制齿轮装在航空发动机上用于1 9 1 4 1 9 1 8 年的第一次世界大战。1 9 3 0 年制造出 用于透平发电机的大直径中高速精度齿轮，人们开始注意齿轮上动载荷的重要性，并产 生了在渐开线齿轮上作齿形齿向修形的概念，1 9 3 0 年后人们也开始注意到齿轮的破坏形 式和寿命。1 9 3 0 年后在汽车工业中开始采用准双曲面圆锥齿轮作为最终传动，齿轮润滑 学开始发展。1 9 4 0 年后涡轮副和斜齿轮批量工业生产。1 9 5 0 年后各类齿轮几何学计算 发展迅速，齿轮修正开始用于平衡；齿轮测量仪器用于工业生产。1 9 6 0 年后滚压和珩齿 用于工业生产，各种剃齿工艺也开始应用。各种高精度、高性能、自动化齿轮测量仪问 世。小模数齿轮进入实用阶段。磨齿工艺更加成熟。采用刮削滚刀用于硬齿面滚削。抗 高压、耐热的高性能齿轮润滑油问世。1 9 8 0 年后c b n 砂轮磨齿工艺成熟，齿轮精加工 更加强调磨齿和内啮合珩齿。齿轮箱总成噪声、振动和寿命问题日益引起重视，并从设 计和制造技术上有了成套的解决措施和经验【i | o 图1 1 齿轮发展历程 f i g 1 1 t h e h i s t o r y o f g e a r m a a u f a o t u r e 中国齿轮制造业已经走过半个世纪的旅程，行业目前的总体情况是：齿轮生产点超 过1 5 0 0 家，齿轮企业据2 0 0 0 年中国齿轮专业协会统计为6 1 8 家，其中大中型企业1 1 0 家，小型企业4 3 5 家，私有企业4 8 家，三资企业2 5 家。从业人员约3 0 万，年销售额 约三百亿元( 含汽车、机车、船舶、军品等主机厂内的齿轮产品总成) 。齿轮行业人均 年销售额约1 0 万元从年( 约合1 2 4 万美元，人年) 。行业内有各类机床设备约4 0 万 台，占全国机械制造业内总机床设备台数( 约3 7 8 万台) 的1 0 6 ；金切机床约3 2 万 取盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 台，占全国金切机床总数( 约2 9 4 万台) 的1 0 8 ；其中齿轮、螺纹、花键机床约1 0 万台，占全国金切机床总台数的3 5 ，占齿轮行业金切机床总数的3 1 。齿轮行业的 机床设备及年产值均占全国机械制造业的1 ，1 0 左右。因此按目前的状况，齿轮制造业 仍然是我国机械制造业的重要组成部分【2 1 。诚然，我国齿轮的生产量在世界上位居前列， 但总体制造质量与发达国家相比还有很大的差距。 随着精密机械与仪表业的发展，对齿轮的传动精度要求日益提高，对精密与超精密 齿轮的需求也逐渐增大，所以提高齿轮的制造质量成为紧迫的任务。齿轮制造质量的提 高取决于多种因素，其中齿轮测量仪器和测试技术水平是其中的一个重要方面。 齿轮测试技术是计量技术中的- - f l 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当时的科学技术水平有密切关系。同样，齿轮误差测量仪器也与其 息息相关。早期，在已经具有的较精密的机械加工的基础上，与齿轮各项误差相适应， 发展了测量这些误差项目的测量方法和测量仪，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，这些仪器普遍存在着测量精度低，功能不全，效率低等缺点 图1 2 齿轮检测发展历程 f i g 1 2 t h e h i s t o r y o f g e m m e a s u r i n g 齿轮测量技术及其仪器的研发已有近百年的历史，在这不短的发展历程中，有6 件 标志性事件： 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 11 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称为 t o o t hs u r f a c et 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。在此基础上经过改进，z e i s s 公司 于1 9 2 5 年推出了实用型仪器，并投入市场。该仪器的长度基准采用了光学玻璃线纹尺， 其线距为l m 。该仪器的问世，标志着齿轮精密测量的开始。在我国得到广泛使用的 v g 4 5 0 就是该仪器的改进型。 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 ) 1 9 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w f e l l o w s 公司在芝加哥博览会展出m i c r o l 0 9 5 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 3 5 ，标志 着齿轮非接触测量法的开始。 与此同时，齿轮量仪经历了从单品种单参数仪器( 典型仪器有单盘式渐开线检查 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。 我国齿轮测量技术虽然有了很大发展，但综观我国的齿轮工业中测量仪器和设备却 是十分紧缺的，由此造成我国年产2 0 0 0 多万台的齿轮箱总成质量缺乏可靠的测试数据。 为彻底改变我国齿轮行业零部件内在质量的落后状况，必须重视和加强测量仪器和设备 的发展。总的来说，齿轮量仪的发展和生产得到了我国量仪行业的重视，我国的四大量 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、机、电、计算机一体化的齿轮量仪已愈来愈多，一机多用 甚至超过国外 3 1 。 1 2 齿轮测量原理及主要测量技术 齿轮测量技术及其仪器的研发已有近百年的历史( 如图1 3 所示) ，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 “光机电”与“信息技术”综合集成的演变。 双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 ( 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，齿轮量仪经历了从单品种单参数仪器( 典型仪器有单盘式渐开线检查 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1 4 1 。 、产洼雠 光学全矗酝 ili 帅 1 9 2 3 1 9 5 0 1 9 6 51 9 7 01 9 8 01 9 9 02 伽 运；叽何竣氆 障谣i 单确、双珐 1 二 注：1 9 辨三垒嚣量机同世 图1 3 齿轮测量技术发展历程 f i g 1 3t h e e v o l u t i o n o f g e a r m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y 1 2 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【4 】： ( 1 ) 比较测量法，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； ( 2 ) 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 将展成测量思想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 1 s ，m a a gs 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 1 。 大连理工大学硕士学位论文 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。对于精确的螺旋展成机构，主要采用正弦尺原理，只是如何将正弦尺的 直线运动精确地转换为被测工件的回转运动的方式各不相同。这种机构在滚刀螺旋线测 量上应用最为典型，例如，德国f e t t e 公司生产的u w m 型滚刀测量仪，z e i s s 厂生产的万能 滚刀测量仪，前苏联b h h h 设计的万能型滚刀测量仪，意大利s a m p u t e n s i l i 厂的s u 1 3 0 型滚刀测量仪，美国m i c h i g a n 公司生产的万能滚刀测量仪。k l i n g e l n b e r g 公司的 p w f 2 5 0 3 0 0 等等。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。 但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宣告终结 嘲。 1 2 2 齿轮整体误差测量技术 齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机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”蜗杆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。 齿轮整体误差测量技术基本思想是，将被测对象作为一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。齿轮整 体误差测量技术鲜明特点是：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 7 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体误差测量技术及其仪器【6 】。 1 2 3 渊c 坐标测量技术 “坐标测量”是1 9 5 9 年夏季在法国巴黎召开的国际机床博览会上由英国f e r r a n t i 公司 首先提出的。这一概念的提出是对传统测量概念的重大突破，其重要意义在于把对测量概 双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 念的理解从单纯的“比较”引伸到“模型化测量”的新领域，从而推动了测量技术的蓬勃发 展。对齿轮而言，从真正意义上讲，坐标化测量始于7 0 年代初；之后，基于各种坐标 原理的齿轮测量技术一直是重要的研究课题。模型化坐标测量原理的实质是将被测零件 作为一个纯几何体( 相对“运动几何法”而言) ，通过测量实际零件的坐标值( 直角坐标、极 坐标、圆柱坐标等) ，并与理想要素的数学模型作比较，从而确定相应的误差。坐标测 量法的特点是：通用性强，主机结构简单，可达到很高的测量精度。 齿轮测量坐标法细分为直角坐标法、极坐标法和圆柱坐标法。实现坐标法有多种形 式，如用万能工具显微镜与分度头的组合也可以用来测量齿轮，显然，这种静态测量方 式不仅效率低，而且测量精度得不到保证。现代光电技术、微电子技术、计算机技术、 软件工程、精密机械等技术的发展才真正为坐标测量法的优越性提供了坚实的技术基 础。 齿轮的c n c 坐标测量技术起源于2 0 世纪7 0 年代的电子展成测量技术。电子展成法是 相对机械展成法而言的。所谓“电子展成”，即通过由计算机、控制器、伺服驱动装置及 传动装置组成的展成系统，取代机械展成法中的展成装置，形成某种特定曲线轨迹( 如 螺旋线、齿廓线等1 。2 0 世纪7 0 年代以来，电子展成经历了从n c n c n c 的发展过程。目 前的c n c 展成根据实际运动轨迹可分为两种，一种是展成系统形成一条非常标准的理论 轨迹，测头感受到的示值可直接作为被测齿轮的误差。这种展成系统可由闭环控制系统 或混合型( 半闭环) 控制系统来完成。由于形成理论标准轨迹的系统相对复杂，因此实际 应用中还有另一种驱动系统，即开环驱动加误差补偿( 即“粗传动+ 补偿”) 。由于计算机的 计算误差以及驱动装置与传动装置等都存在误差，开环电子展成系统中测头运动轨迹不 能直接作为测量基准，此时，测头示值中既有被测量的成份，也包含展成系统的误差， 因此，必须用位移检测元件测出各相关运动的实际位移量，再由计算机将实际位移量和 测头的示值进行合成，补偿展成系统的误差，得到被测齿面上对应点的实际坐标；然 后，计算机将实际坐标与被测量的理论模型进行比较，才能得到被测量的误差，这就是 “非标准轨迹的电子展成法”。电子展成法一般是按被测齿轮的理论方程进行控制的。 9 0 年代以后，c n c 齿轮测量技术中出现了跟踪测量法。它是按被测参数的实际值进 行控制的，可采用测头跟踪法和轴对轴跟踪法。测头跟踪法是在测量过程中根据测头的 示值对相应坐标轴的测量位置进行调节，达到测头跟踪被测齿面运动，实现对齿轮的测 量。轴对轴跟踪法是根据一根坐标轴的实际测量位置来调节其他坐标轴的位置，以完成 测量工作。跟踪测量法不仅可以减少控制调节环节，而且有较大的测量灵活性，适合参 数未知曲面，或虽然理论方程己知但工件实际误差超出测头量程的情况f 6 】 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 其它测量技术 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 3 5 ，标志 着齿轮非接触测量法的开始。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，重庆大学首次将激光扫描及双摄象机定位用 于齿轮外形曲面非接触测量等，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，虚拟仪器技术是以g e 机为核心的虚拟仪器代表着现代仪器的发展趋 势，它充分利用计算机的软硬件资源，在计算机屏幕上建立仪器面板，直接对仪器进行 控制及数据分析与显示，突破了传统仪器的概念，改变了仪器的设计、制造与使用方法， 提高了仪器的功能和使用效率，缩短了仪器的研制周期，大幅度降低了仪器的价格，使 用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。间齿齿轮式啮合分离测试技术是基于齿轮整 体误差测量，在间齿蜗杆单啮测试技术基础上，采用问齿齿轮式单啮测试技术，开发出 新型齿轮测量系统。该技术能测量端面渐开线和内齿轮，并能在啮合过程中，一个测量 周期内测得齿形、齿向、齿距和切向综合误差等，是一种快速测量方法。 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。随着计算机技术的不断发展，计算机在误差分析中的应用也日益为 人们所重视。在产品质量的分析和控制方面，计算机不仅可用于对测试全过程进行精确控 制和误差数据采集，还可以用于对测试结果进行科学分析和客观的评价【州。 1 3 渐开线齿廓偏差及其测量技术 渐开线齿轮由于能保证定传动比传动、受力方向不变等优点，广泛应用于航空、汽 车和自动化生产线等各种通用机械中i ”。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。 1 3 1 渐开线齿廓偏差 齿廓偏差是评定齿轮几何精度的基本项目之一，它是指实际齿廓偏离设计齿廓的量 值，在端面内且垂直于渐开线齿廓的方向计算值。2 0 0 2 年颁布的g b t1 0 0 9 5 1 2 0 0 1 渐 开线圆柱齿轮精度第l 部分：轮齿同侧齿面偏差的定义和允许值及g b z 1 8 6 2 0 1 2 0 0 2 圆柱齿轮检验实施规范第l 部分：轮齿同侧齿面的检验等标准对齿廓总偏差、齿廓 形状偏差、齿廓倾斜偏差进行了定义( 如图1 4 所示) 。 双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 舡舒拈却 出+ 刊ef 劁蚓 够刘劁舻郅 ( a ) 齿廓总偏差( b ) 齿廓形状偏差 ( c ) 齿廓倾斜偏差 图i 4 齿廓偏差曲线 f i g 1 4 t h ec i h v co f t o o t hp r o f i l ed e v i a t i o n 齿廓总偏差( e ) ：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，如图1 4 ( a ) 所示。 齿廓形状偏差( 几) ：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 完全相同的曲线问的距离，且两条曲线与平均齿廓迹线的距离为常数，如图1 4 ( b ) 所示。 齿廓倾斜偏差( 厶。) ：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 迹线间的距离，如图1 4 ( c ) 所示【射。 1 3 2 齿廓偏差测量技术 根据设计齿廓的形成方式，渐开线齿廓测量方法可以分为三类：( 1 ) 标准曲线法： 即实际齿廓经投影仪放大后的影像与理论齿廓的放大图进行比较，测出齿廓误差；( 2 ) 标准轨迹法：另称展成法，根据渐开线展成原理，将被测齿廓与仪器复现的理论渐开线 轨迹进行比较，从而测出齿廓误差；( 3 ) 坐标法：将被测齿廓上的若干点的实际坐标 与理论坐标进行比较，计算得出齿廓误差。 在上述渐开线齿廓测量的三种方法中，标准曲线法主要用于小模数齿轮的检测，而 且测量精度较低，在实际渐开线齿廓测量中，主要采用标准轨迹法与坐标法。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 标准轨迹法 根据理论渐开线的获得方式，标准轨迹法可分为：机械展成法和电子展成法。 机械展成法 机械展成法是通过精密的机械机构来获得理论渐开线，各国对机械展成法研究了半 个世纪，先后开发出多种机械式渐开线展成结构，应用比较广泛的有单盘式、圆盘杠杆 式掣6 】。 单盘式渐开线检查仪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。单盘式渐开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 r h 的8 8 9 ，瑞士m a a g 的f p 6 0 等。 圆盘杠杆式渐开线检测仪的原理与单盘式渐开线齿形仪基本相同，不同之处是测量 不同基圆直径的齿轮时，不需要更换基圆盘，通过杠杆来调节测头，使之处于被测齿轮 的基回半径上。其操作方便，但结构复杂，对环境温度的变化敏感，不易实现高精度测 量。属于这一类的仪器有：z e i s sv g 4 5 0 、c a r lm a h r 8 9 0 和8 9 1 s 、m a a gs p 6 0 和h p l 0 0 、 大阪精机g c - 4 h 和g c 6 h 以及哈尔滨量具刃具厂的3 2 0 1 等。 除上述两种测量仪器外，根据机械展成法测量渐开线齿形的仪器还包括圆盘正弦尺 式渐开线检查仪、靠模杠杆式渐开线检查仪、以及基圆补偿式渐开线检查仪等，但由于 测量范围小，测量精度不高，应用比较少。 电子展成法 、 甜 7 笏 1 、q - 矗 图1 5 电子展成法测量原理 f i g 1 5 t h ep r i n c i p l eo f e l e c t r o n i ct i n f o l d i n g 图1 6g l e a s o ng m x2 7 5 齿轮测量中心 f i g 1 6 t h eg e a rt e s t i n gc e n t e rg l e a s o ng m x 2 7 5 电子展成法是把数字控制技术应用于渐开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、饲服驱动装置及传动装置组成。测量原理如图 i 5 所示，首先将测头测点放置在齿廓基圆上，主轴带动齿轮旋转妒，同时测头沿t 向 按照渐开线法向极坐标方程g o = r b 矿移动，此时测头偏差即为该点的齿廓偏差，此种测量 双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 渐开线齿廓的方法也称为法向极坐标法。近年来的c h i c 齿轮测量中心测量渐开线齿廓 大多采用此方法，如g l e a s o n m a h rg m x 2 7 5 ( 图1 6 ) ，m & m 公司3 0 0 0 系列，k l i n g e l n b e r g 公司p 系列及哈尔滨量具刃具厂3 9 0 3 等。 ( 2 ) 坐标法 根据渐开线齿形方程的不同表达形式，坐标法可以分为直角坐标法和极坐标法。 直角坐标法 图1 7 直角坐标法测量原理 f i g 1 7t h e p r i n c i p l e o f m e a s u r e m e n t m e t h o d o f r i g h t - a n g l ec o o r d i n a t e 图1 8z e i s s u p m c8 5 0 坐标测量机 f i g 1 8 t h ec o o r d i n a t eg e a rt e s t i n gc e n t a o f z e i s su p m c8 5 0 直角坐标法测齿形原理是把被测齿形置于给定的直角坐标系中，测出实际齿形各点 的坐标值，经数据处理求出其与理论坐标值之差，获得齿形误差。如图1 7 所示，o 为 渐开线齿形基圆圆心，a 为渐开线齿形基圆的起始展开点，a b 为实际渐开线齿形，a c 为理论渐开线，对于理论渐开线每设定一9 值，即可计算出理论坐标j 与y ，按测量点 理论值x 确定测量点的位置，将测得的实际值y 与理论值y 相比较，其差值与展开角余 弦的乘积即为该点的齿形误差： = 0 - y ) c o s 伊- - a y c o s 9 , ( 1 1 ) 利用此方法测量齿形，可以采用坐标测量机直接进行测量，如图1 8 所示的z e i s s u p m c8 5 0 坐标测量机；也可以设计成专用的上置式或旁置式齿形仪对大齿轮进行测量。 直角坐标法测量齿形数据处理量大，由于测头不垂直于被测齿面，测量精度难于提耐9 】。 大连理工大学硕士学位论文 极坐标法 、一 图1 _ 9 极坐标法的工作原理 f i g 1 9 t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n t m e t h o do fp o l a rc o o r d i n a t e 极坐标法是采用径向长度基准，与回转基准p 形成理论渐开线，在工作台旋转同时， 测头按渐开线极坐标方程严，( 印沿径向移动，将实际测得值与理论值比较，测量原理如 图1 9 所示。这种方法测量齿形，不需要切向运动机构，可以简化齿轮测量中心机械结 构，但数据处理复杂，两轴位移非线性，对径向测量系统的精度及测头相对于齿轮轴线 的精度要求较高，因此极坐标法适合中等精度齿形测量【4 】。产品有h o f l e rz p 系列齿 轮测量中心，k l i n g e l n b e r gp e c 3 3 ，成都工具研究所c e n 4 5 0 等。 1 3 3 各种齿廓偏差测量技术比较 根据以上分析，单盘式、电子展成式与直角坐标式在各种渐开线齿形测量方法中测 量精度较高。对于g b t 1 0 0 9 5 1 2 0 0 l 或i s 0 1 3 2 8 - - 1 ：1 9 9 7 标准中的3 2 级精度圆柱齿轮 来说，其渐开线齿形的测量也主要采用这三种方式。石照耀等在“齿轮测量技术1 0 0 年 一回顾与展望”【3 】一文中，较详细地介绍和分析了c n c 坐标式齿轮测量技术的特点，如 性能上的高效率、高精度，可以测量各种齿轮与齿轮刀具单项误差的多功能性，具有数 字化控制与误差处理系统等。就单盘式渐开线测量仪来说，它完全符合渐开线发生原理， 测量精度较高，只是在数字化和多功能方面不如c n c 齿形量仪。 长春光机所通过精化m a a g 公司的f p 6 0 单盘式渐开线检查仪( 精化轴系，精调仪 器几何精度，更换5 0 0 0 倍误差记录系统等) ，在测量m = 2 、z = 6 0 、a = 2 0 0 的2 级精 度标准齿轮时，齿形误差r = 犁m ，测量系统的不确定度u 鲫达到4 - 0 7 躯m ；当齿形精度 提高到1 级，r = 1 5 m ，u 9 9 保持在士o 7 和m ，此时则显得测量系统精度不足；如果被 测齿轮模数更大一些，则无法胜任测量。 双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统研究 当今，在各国的国家计量院中一般采用电子展成或三坐标仪用于标准渐开线齿形的 检测。表1 1 列出了德国、美国和英国的国家计量院中的渐开线齿形测量仪器，及其测 量m = 8 、z = 2 5 、d = 2 0 0 m m 渐开线样板时的测量不确定度( u 9 5 ) 。表1 1 中仪器的测量 不确定度( u 9 5 ) 适合测量2 级和低于2 级精度齿轮的齿形，对于1 级渐开线齿形的测 量则显得能力不足。 表1 1 欧美国家计量院中渐开线齿形测量仪器 t a b l e 1 it h ei n s u l f f m e n ta p p a r a t u so f i n v o l u t ep r o f i l ei no c c i d e n t 1 4 课题来源、主要研究内容及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目“基准级渐开线测试技术”( n o 5 0 4 7 5 1 5 1 ) 。 单盘式渐开线测量仪、电子展成法齿轮测量中心和三坐标测量机在齿形测量中应用 比较广泛，但其测量精度只能满足g b t 1 0 0 9 5 1