齿轮综合测量方法

2010 04 25 1 报告人 汤洁指导 石照耀 齿轮综合测量 2010年全国齿轮精度 误差分析 测量及量具量仪最新技术培训及研讨会 2010 04 25 2 2010 04 25 3 综合测量作为齿轮测量主要检验方式之一 以齿轮精度理论的误差运动学为基础的 将齿轮看作刚体 认为齿轮不仅是几何体 也是个传动件 并认为齿轮误差在啮合运动中是通过啮合线方向以啮合线增量来影响齿轮的传动特性 因此啮合运动误差反映了齿面误差信息 齿轮综合测量的情形和在实际使用中的情形比较接近 所反映的是齿轮在工作时所出现的各要素偏差的综合结果 因此 相对于单项测量 综合测量能比较全面地说明齿轮的使用质量 2010 04 25 4 1单啮测量2双啮测量 主要内容 2010 04 25 5 1单啮测量 1 1误差项定义1 2常用测量方法及仪器1 3误差曲线分析及数据处理1 4产品齿轮与测量齿轮副的检测1 5应用举例 2010 04 25 6 误差项定义 1 1 切向综合偏差 2010 04 25 7 误差项定义 1 1 切向综合偏差 2010 04 25 8 常用测量方法及仪器 1 2 2010 04 25 9 常用测量方法及仪器 1 2 单面啮合测量 摩擦盘式惯性式光栅式磁分度式 2010 04 25 10 常用测量方法及仪器 1 2 摩擦盘式单啮仪德国Mahr896 日本大阪精机OFR 20 2010 04 25 11 惯性式单啮仪首台惯性式单啮仪由德国亚琛工业大学研发 2010 04 25 12 惯性式单啮仪 地震式单啮仪 成都工具研究所研制的地震式单啮仪的测量原理是在被测齿轮和测量齿轮的轴上 分别安装扭转振动传感器 被测齿轮存在偏差时 将使齿轮副传动不均匀 也就是齿轮传动的角加速度不等于零 这时 传感器中传动绝对均匀的质量块相对同轴的齿轮产生角位移 此角位移再经传感器中的电感仪转化为电信号 两路电信号经加法器处理 放大后由记录器记录 便得到被测齿轮的偏差 这种单啮仪由于不需和轴系严格同轴安装测角装置 分辨率高等优点 一开始就受到很多国家的重视 但它并没有成为广泛应用的产品 其主要有两个原因 一是受地震仪固有频率的限制 二是地震仪直接感受速度变化 测量角度时需要精密标定 2010 04 25 13 常用测量方法及仪器 1 2 光栅式单啮仪首台光栅式单啮仪由英国工程实验室研发 2010 04 25 14 常用测量方法及仪器 1 2 光栅式单啮仪六十年代 随着光电技术的应用 精密测角技术得到了飞速发展 给单面啮合技术中理论啮合运动的实现开拓了新的途径 到了六十年代末 应用光栅测角的光栅式单啮仪就投放市场 据有关资料报道 英国米克伦公司于1967年就成功开发了光栅式单啮仪 该仪器光栅由当时英国工程实验室 NEL 开发 精度达2秒 除此之外还有Klingelnberg生产的PSKE 900光栅式单啮仪 该类单啮仪的出现 不仅使精度得到了提高 而且能实现各种速比的齿轮传动偏差测量 还具有测量锥齿轮副 蜗轮副的传动偏差的功能 我国六十年代北京量具刀具厂等单位成功开发了采用测量蜗杆的单啮仪CD 320G 其测量原理是以理想的测量蜗杆代替测量齿轮 在测量蜗杆和被测齿轮的轴上分别安装圆光栅盘 由电动机驱动蜗杆带动齿轮传动 传动时 两光栅盘经指示光栅产生莫尔条纹 黑白莫尔条纹亮度的变化由光敏元件接受转换成电脉冲信号 为使两路光栅讯号能输入相位计比相 各路先经分频器分频 保证两路信号频率相等 比相后的相位差就是被测齿轮的偏差 2010 04 25 15 常用测量方法及仪器 1 2 磁分度式单啮仪捷克TOSTosMo 200 捷克StepanekIMO 在光栅式单啮仪发展的同时 也出现了其它原理的单面啮合检查仪 如采用磁分度式单啮仪 日本在大型该齿机工作台上 加工出精密圆磁栅系统 用其测量转角来实现大齿轮单啮测量 磁分度式单啮仪与光栅式单啮仪的差别是以录有磁波的磁盘代替光栅盘 用磁头代替指示光栅 构成单啮仪的标准发讯装置进行偏差测量 根据仪器对电磁感应信号的处理方法不同 磁分度式单啮仪可分为分频式和差频式两种 2010 04 25 16 常用测量方法及仪器 1 2 英国Huddersfield大学 2010 04 25 17 误差曲线分析及数据处理 1 3 美国NASA 2010 04 25 18 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 1 4 1直齿圆柱齿轮 直齿轮齿廓偏差的影响 2010 04 25 19 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 直齿轮齿廓偏差的影响 2010 04 25 20 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 直齿轮齿距偏差的影响 2010 04 25 21 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 直齿轮螺旋线偏差的影响 2010 04 25 22 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 直齿轮重合度的影响 2010 04 25 23 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 1 4 2斜齿圆柱齿轮 2010 04 25 24 产品齿轮与测量齿轮副的检测 1 4 重合度的影响 直齿轮 斜齿轮 2010 04 25 25 应用举例 1 5 缺陷的识别和定位 2010 04 25 26 应用举例 1 5 齿轮的选配啮合 2010 04 25 27 应用举例 1 5 齿轮的选配啮合 2010 04 25 28 2 1误差项定义2 2常用测量方法及仪器2 3误差评定 误差曲线分析及数据处理2 4双啮测量技术的发展2 5测量齿轮的设计与校核 2双啮测量 2010 04 25 29 能控制加工中易变的误差因素 能反映出接近齿轮工作状态下的使用质量情况 是现代齿轮批量生产中最终控制齿轮精度和侧隙的最佳检验方法 双啮测量不仅能直接获取被检齿轮的径向综合偏差 能用双啮中心距偏差代替齿厚偏差来控制侧隙 还能通过被测齿轮与测量齿轮的对滚来检测齿轮副的接触斑点 既经济高效 又比较真实的反映齿轮的使用质量 非常适合齿轮的现场检验 双啮测量 2010 04 25 30 误差项定义 2 1 径向综合偏差曲线 2010 04 25 31 径向综合偏差 即被测齿轮与理想精确的测量齿轮双面啮合时 在被测齿轮一转内的双啮中心距的最大变动量 它反映了由几何偏心所产生的长周期误差 一齿径向综合偏差 即被测齿轮与理想精确的测量齿轮双面啮合时 在被测齿轮一齿距角内的双啮中心距的最大变动量 一般用来对传动中的平稳性进行评定 误差项定义 2 1 2010 04 25 32 误差项定义 2 1 2010 04 25 33 误差项定义 2 1 检测半径 testradius 从径向综合偏差得到的齿厚偏差的代用项目 径向综合测量齿厚的优点是测得的是功能齿厚 包括了齿的所有偏差的影响 如果工件的尺寸允许 所需工装也适用 则径向综合测量是测量齿厚的最好方法 2010 04 25 34 齿轮双面啮合测量原理 以被测齿轮回转轴线为基准 用径向拉力弹簧使被测齿轮与测量齿轮作无侧隙的双面啮合传动 被测齿轮的双啮偏差转化为中心距的连续变动记录成径向综合曲线 如图所示 在一个基座上 安装有一个固定测量架和一个浮动测量架 测量齿轮安装在固定测量架的芯轴上 被测齿轮安装在浮动测量滑架的芯轴上 当被测齿轮和测量齿轮进行无侧隙啮合转动时 被测齿轮齿形 齿距或者节线偏心的误差都会导致双啮仪中心距发生变动 其变动量由数字指示表进行记录处理 常用测量方法及仪器 2 2 双啮测量原理 直接测量 2010 04 25 35 常用测量方法及仪器 2 2 德国Frenco生产的URM898 德国Hommel的ZWG8305 德国Mahr的894 896 898 美国GleasonM M生产的GRS 2齿轮双啮测量系统 日本东京技术仪器 TTI 的TF 40NC 日本大阪精机GTR 4PC 日本NiTM的DF 10MT 哈量的3100A 双啮仪 2010 04 25 36 常用测量方法及仪器 2 2 双啮仪 2010 04 25 37 双啮测量中需注意的问题 测量力测量齿轮仪器校准 平行度校准小模数齿轮双啮测量的操作 常用测量方法及仪器 2 2 2010 04 25 38 双啮径向综合偏差曲线 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 2010 04 25 39 齿厚的测量 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 齿厚游标卡尺等测齿厚 公法线长度 测定跨球 圆柱 尺寸 M值 径向综合啮合检测测量齿厚 检测半径 testradius 2010 04 25 40 2010 04 25 41 2010 04 25 42 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 径向综合偏差的本质 2010 04 25 43 齿轮双啮测量中 误差项的评定是根据测量到的误差曲线来进行的 严格地说 误差曲线反映的是测量齿轮与被测齿轮以及仪器的误差在径向相叠加综合影响的结果 另外误差曲线中有时可看到突跳点的情况 反映的是个别齿上的局部缺陷 不对测量结果的评定产生直接影响 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 2010 04 25 44 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 进一步观察和分析被测齿轮的误差在整个测量过程中表现为按一定规律变化 周期性出现的可称为 周期性系统误差 出现突跳点时 虽然在一个测量周期中只出现一次 表现为瞬态形式 但从测量的长期性来看 它的发生有具有必然性 属于系统误差范畴 可称为 瞬态系统误差 2010 04 25 45 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 2010 04 25 46 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 在双啮测量中对结果的评定主要根据误差项来进行的 可见 误差项是影响双啮测量精度的主要因素 因此测量齿轮的设计和制造非常关键 测量结果中的误差项反映的是齿轮局部个别齿上的缺陷 其存在将会为齿轮的使用埋下故障隐患 而且有时测量中的值表现很小 往往很难通过简单的观察来发现其存在的位置 2010 04 25 47 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 一般情况下 在双啮测量中 因为仪器和测量齿轮的误差相对都很小 所以通常把双啮曲线看作被测齿轮的误差曲线 当被测齿轮与测量齿轮紧密双面啮合滚动时 由于齿圈跳动 齿形偏差 齿距偏差 基节偏差 压力角偏差及齿厚偏差等引起双啮中心距的变化 综合地反映出齿轮的传动质量 具体参数即标准中的径向综合偏差和径向一齿综合偏差 2010 04 25 48 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 对于曲线上个别的突跳点 一般分为两种情况 1 当出现正方向的突跳点时 表示齿面上有脏物 毛刺或碰伤而造成凸起 2 当出现负方向的突跳点时 是因为齿面有凹痕 故图中呈现负突跳点表示该处齿面有凹陷等缺陷 2010 04 25 49 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 2010 04 25 50 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 径向综合偏差的解释 2010 04 25 51 误差评定 误差曲线分析及数据处理 2 3 径向综合偏差与切向综合误差齿轮的径向综合偏差受左 右齿面切向综合偏差影响很大 因此 我们可以在齿轮整体误差测量仪器上 测量齿轮左 右齿面相对零位的切向综合偏差值 经计算机处理后 可获得切向综合偏差曲线 见图a 根据左 右齿面两条切向综合偏差曲线间的距离变化 考虑径向和切向计值方向的不同而乘以换算系数后 即可获得图b的一条径向综合偏差曲线 与和的关系如下 设压力角a 20 a 切向综合曲线 b 径向综合曲线 2010 04 25 52 间接测量法在测量齿轮时 用整体误差测量仪通过正反转分别测量轮齿左右两侧的偏差得到切向综合偏差 然后进行叠加处理得到被测齿轮的径向综合偏差 也可以利用齿轮测量中心分别获得被测齿轮各轮齿的误差 然后进行数据处理也可以得到径向综合偏差 属于这类方法的测量仪器的齿轮测量中心 单啮仪和整体误差测量仪 典型仪器有成都工具所的整体误差测量仪CZ 150和CZ 450 2010 04 25 53 双啮测量技术的发展 2 4 传统的双啮仪 由于是纯机械装置 检测时需人工转动 人工读数 检测效率低 人为误差大 对齿轮质量的影响较大 近年来由于计算机技术 精密光栅传感器 数控技术以及信息处理技术的发展和应用 传统齿轮双面啮合检查仪 经过技术改造提升 整体水平有了质的改变 分析功能增强 过去的研究主要集中在两个方面 一是采用微电子与计算机技术 使测量过程自动化 并对测量结果进行各种分析处理 其二是研究该测量方法所蕴涵与掩盖的信息量 通过改变测量齿轮 测量蜗杆或测量齿条 的结构形式 尽可能多地挖掘出新的齿轮误差信息 近年来已经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 并且增加了偏差的频谱分析测量项目 有效地发挥了齿轮双面啮合测量技术的作用 2010 04 25 54 双啮测量技术的发展 2 4 近年来 伴随汽 摩齿轮的发展 齿轮的现场分选检测技术应运而生 所采用的也是双面啮合测量技术 由SIMENS公司制造的MOORE齿轮检测仪就是典型的代表 它采用特殊的二维测量机构和特别的Gimbal标准齿轮 不仅能进行径向综合误差项的测量 还可获得齿向锥度偏差和齿向螺旋线偏差 并且能对齿轮毛刺的位置进行判定 配置的计算机数据处理系统和 SPC 统计分析软件 能对齿轮加工过程和工艺状况进行监测和预报 国内由北京工业大学和哈量联合研制成功齿轮在线测量机 2010 04 25 55 测量齿轮的设计与校核 2 5 双啮测量使用的标准元件包括测量齿轮 测量蜗杆和测量齿条 双啮仪主要采用测量齿轮 由上面分析可知 综合测量的精度 除仪器本身的精度外 还取决于测量齿轮的结构和精度 测量齿轮的结构要素分为基本要素和辅助要素两种 基本要素是指确定正确啮合条件的那些要素 如齿数 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿厚等 辅助要素是指孔 基准端面和齿圈宽度 目前 齿轮行业迅速发展 对齿轮的要求也愈来愈严 要求齿轮进行100 检测 这正是综合测量发挥特点和优点的大好时机 测量齿轮的设计和验算无疑是实现该测量技术关键的环节之一 如何快速 准确 可靠地设计与验算测量齿轮对于双啮测量技术的普及和应用以及能否最大限度地揭露被测齿轮的加工误差具有重要的意义 2010 04 25 56 测量齿轮的设计与校核 2 5 国内外关于测量齿轮的设计没有统一标准 只有一些齿轮行业比较认同的设计原则 我国目前大多数齿轮生产厂家都是结合自己产品特色采用不同的设计方法自己进行测量齿轮的设计 保持 一种产品对应一种测量齿轮 的处境 或者根据自身设计意图 要求国外测量齿轮制造商进行设计制造或者直接购买 这种状况不仅使齿轮生厂商之间和用户之间的沟通 测量 检验 交货等问题 变得比较困难 而且造成测量齿轮成本增加 种类繁多 管理混乱 利用率不高 浪费严重等问题 因此 测量齿轮的设计和验算成为齿轮各界关心和关注的问题之一 2010 04 25 57 测量齿轮的设计与校核 2 5 测量齿轮的特点 1 齿顶圆半径的确定应保证测量时的啮合长度大于工作时的啮合长度 中模数齿轮取大于0 25mm 但不能与被测齿轮的齿根接触 2 齿数最好取等于或大于与被测齿轮的相配齿轮齿数 同时保证被测齿轮的齿顶与测量齿轮的齿根无边缘啮合 3 齿根圆半径的选择应保证不与被测齿轮齿顶相接触 一般取大于或等于法向模数的十分之一的径向间隙 4 被测齿轮和测量齿轮的啮合角与被测齿轮和相配齿轮的啮合角之差必须在范围内 5 齿顶厚度应大于法向模数的十分之四 否则应减小外径 6 齿宽通常比被测齿轮宽大2 4mm 7 测量齿轮的精度高于被测齿轮2 3级 2010 04 25 58 测量齿轮的设计与校核 2 5 测量齿轮设计方法 测量齿轮的设计方法比较多 常见的有如下几种 1 先规定测量齿轮分度圆弧尺厚的常规计算方法 用这种方法计算的双啮测量齿轮 双啮检验时的啮合角近似等于刀具原始齿形的齿形角 被测齿轮压力角 用这种测量齿轮双啮检验时 不能反映切向误差 2 先规定双啮检验时啮合角的计算方法 3 取测量齿轮齿厚等于配对齿轮分度圆弧齿厚公称值与齿厚上偏差数值之和的设计方法 4 取测量齿轮齿厚等于配对齿轮分度圆弧齿厚公称值且考虑被测齿轮公法线长度上下偏差及测量齿轮公法线长度磨损量的设计方法 2010 04 25 59 测量齿轮的设计与校核 2 5 测量齿轮设计算法 下面介绍采用先确定变位系数或法向分圆弧齿厚的设计方法 具体公式和步骤如下 2010 04 25 60 2010 04 25 61 2 测量齿轮齿数测量齿轮的齿数最好取得等于相配齿轮的齿数z1 或大于z1 齿数选择的是否合适 要按有无边缘啮合这个条件进行验算 被测齿轮的齿顶与测量齿轮的齿根无边缘啮合的条件 可用下式表示 2010 04 25 62 2010 04 25 63 2010 04 25 64 2010 04 25 65 2010 04 25 66 2010 04 25 67 2010 04 25 68 2010 04 25 69 2010 04 25 70 2010 04 25 71 测量齿轮的设计与校核 2 5 测量齿轮验算 测量齿轮验算是指对新设计的测量齿轮或已有测量齿轮进行验算 判断能否满足