齒輪量儀的技術發展

　　齒輪量儀是一個內含較為豐富的概念，它不僅包括檢測各種齒輪的儀器，也將檢測蝸輪、蝸桿、齒輪刀具、傳動鏈的儀器涵蓋其中。齒輪種類繁多，幾何形狀復雜，表征其誤差的參數眾多。所以，齒輪量儀的品種也很多。

　　齒輪測量技術及其儀器的研究已有近百年的歷史，在這不短的發展歷程中，有6件標志性事件：

(1)1923年，德國Zeiss公司在世界上首次研究成功一種稱為“Toooth Surface Tester”的儀器，實際上是機械展成式萬能漸開線檢查儀。在此基礎上經過改進，Zeiss于1925年推出了實用性儀器，并投放市場。該儀器的長度基準采用了光學玻璃線紋尺，其線距為1微米。該儀器的問世，標志著齒輪精密測量的開始，在我國得到廣泛使用的VG450就是該儀器的改進型產品。

(2)50年代初，機械展成式萬能螺旋線標準儀的出現標志著全面控制齒輪質量成為現實。

(3)1965年，英國的R·Munro博士研制成功光柵式單嚙儀，標志著高精度測量齒輪動態性能成為可能。

(4)1970年，以黃潼年為主的中國工程技術人員研制開發的齒輪整體誤差測量技術，標志著運動幾何法測量齒輪的開始。

(5)1970年，美國Fellow公司在芝加哥博覽會展出Microlog50，標志著數控齒輪測量中心開始投入使用。

(6)80年代末，日本大阪精機推出了基于光學全息原理的非接觸齒面分析機PS-35，標志著齒輪非接觸測量法的開始。

從整體上考察過去一個世紀齒輪測量技術的發展，主要表現在以下幾個方面：

(1)在測量原理方面，實現了由“比較測量”到“嚙合運動測量”，直至“模型化測量”的發展；

(2)在實現測量原理的技術手段上，歷經了“以機械為主”到“機電結合”，直至當今的“光—機—電”與信息技術綜合集成的演變；

(3)在測量結果的表述與利用方面，歷經了“指示表加目視讀取”到“記錄儀器記錄加人工研判”，直至“計算機自動分析并將測量結果反饋到制造系統”的飛躍。與此同時，齒輪量儀經歷了從單品種單參數的儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀)、單品種多參數的儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀)到多品種多參數儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。

　　70年代以前的近50年內，世界上已開發出測量齒廓、螺旋線、齒距等基本參數的各種類型、各種規格的機械展成式儀器。這些儀器借助一些精密機構形成指定標準運動，然后與被測量進行比較，從而獲得被測誤差的大小。世界上曾開發出多種機械式漸開線展成機構，如單盤式、基圓杠桿式、靠模式等。其中以圓盤杠桿式應用最廣，屬于這一類的儀器有：Zeiss VG450、Carl Mahr 890和891S、MAAG SP60和HP100、大阪精機GC-4H和GC-6H以及哈爾濱量具刃具廠的3201等。對齒廓誤差測量而言，機械展成式測量技術僅限于漸開線齒廓誤差測量。對非漸開線齒輪的端面齒厚測量，采用展成法測量是很困難的，因為展成機構太復雜并缺乏通用性。對精確的螺旋展成機構而言，主要采用正弦尺原理，只是如何將正弦尺的直線運動精確地轉換為被測工件的回轉運動的方式各不相同，這種機構在滾刀螺旋線測量上應用最為典型，如德國Fette公司生產的UWM型滾動測量儀、Zeiss廠生產的萬能滾動測量儀、前蘇聯BHИИ設計的萬能型滾動測量儀、意大利Samputensili廠的SU-130型滾刀測量儀、美國Michigan公司生產的萬能滾刀測量儀以及Klingelberg公司的PWF250/300等。70年代以前，機械展成式測量技術已經發展成熟，并在生產實踐中經受了考驗。盡管這樣，也存在一些不足之處：其測量精度仍依賴于展成機構的精度，機械結構復雜，柔性較差，且測量一個齒輪需多臺儀器。迄今，基于這些技術的儀器仍是我國一些工廠檢驗齒輪的常用手段。

　　1970年是齒輪測量技術的轉折點。齒輪整體誤差測量技術和齒輪測量機(中心)的出現解決了齒輪測量領域的一個難題，即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項技術雖然都基于現代光、機、電、計算機等技術，但走上了不同的技術路線。齒輪整體誤差測量技術是從綜合測量中提取單項誤差和其它有用信息。經過30年的完善與推廣，齒輪整體誤差測量方法在我國已發展成為傳統元件的運動幾何測量法，其基本思想是將被測對象作為一個剛性的功能元件或傳動元件與另一標準元件作嚙合運動，通過測量嚙合運動誤差來反求被測量的誤差。運動幾何測量法的鮮明特點是形象地反映了齒輪嚙合傳動過程并精確地揭示了齒輪單項誤差的變化規律以及誤差間的關系，特別適合齒輪工藝誤差分析和動態性能預報。采用這種方法的儀器的優點是測量效率高，適用于大批量生產中的零件檢測。典型儀器是成都工具研究所生產的CZ450齒輪整體誤差測量儀、CSZ500錐齒輪測量機和CQB700擺線齒輪測量儀。而齒輪測量中心采用坐標測量原理，實際上是圓柱(極)坐標測量機，“坐標測量”實質是“模型化測量”。對齒輪而言，模型化的坐標測量原理是將被測零件作為一個純幾何體(相對“運動幾何法”而言)，通過測量實際零件的坐標值(直角坐標、柱坐標、極坐標等)，并與理想形體的數學模型作比較，從而確定被測量的誤差。坐標測量法的特點是通用性強，主機結構簡單，測量精度很高。坐標法測量齒輪的思想早已有之，如用萬能工具顯微鏡與分度頭的組合也可用來測量齒輪。但是，這種靜態測量方式不僅效率低，且測量精度得不到保證。現代光電技術、微電子技術、計算機技術、軟件工程、精密機械等技術的發展才真正為坐標測量法顯示其優越性提供了堅實的技術基礎。迄今已有美國、德國、日本、瑞士、中國、意大利等幾個國家生產CNC齒輪測量中心，國外的典型產品是M＆M公司的3000系列、Klingelberg的P系列；國產的典型產品是成都工具研究所的CGW300臥式測量中心和哈爾濱量具刃具廠的3903型齒輪測量中心。

　　各國的齒輪測量中心雖然原理上大同小異，但實現方式卻存在一定差距。主要表現在：

(1)在測量傳感器等方面，雖然測角一般采用高精度圓光柵，但測長因被測對象不同而有所差異。精度要求很高的齒輪或軸向尺寸很長的工件等，一般采用雙頻(或單頻)激光干涉儀作為長度基準(如測量漸開線或螺旋線樣板等)；而其它情況，則采用高精度長光柵。

(2)在機械系統的精度方面，高精度的軸承是必須的；而直線導軌的精度有靠機械精度保證的，也有采用誤差修正技術達到的。

(3)在數控系統方面，70年代常為NC開環控制；80年代后，全為CNC控制，大多采用直流伺服電機或步進電機。目前已有采用交流伺服系統或直線電機的。

(4)在測頭方面，有電感式的，也有光柵式的；有一維的，也有三維的，甚至有剛性的。剛性測頭是不帶測微傳感器的。若采用剛性測頭，則儀器通常是專用的。

　　齒輪測量中心一般由主機、CNC數控單元、數據采集單元、機間通訊接口、計算機及外設、測量軟件和數據處理軟件等部分組成。當今最新的CNC齒輪測量中心的主要特點是：①性能上是高效、高精度、易操作。所采取的措施有精密機械的優化設計、32位的CNC4-5軸數控系統、直線電機、三維測頭和誤差修正技術。②在功能上，包括齒輪(內、外)、齒輪刀具(滾刀、插齒刀、剃齒刀)、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、螺桿、凸齒輪、拉刀等回轉類零件的主要誤差項目測量；軸類零件的形位公差測量；強大的分析功能，如接觸分析、工藝誤差分析、齒根形狀分析、參數反求等；可耦合到加工系統中，實時數據通信。③在可維修性方面，具有故障自診斷、網絡遠程故障診斷能力。④可升級性。包括軟件的可升級和硬件的可升級。

　　與機械展成式測量儀器相比，CNC齒輪測量中心的優點是不言而喻的，其質的飛躍是為任意形狀的齒廓測量提供了可能，而不僅僅局限于漸開線或直線齒廓。錐齒輪、K蝸桿(滾刀)、C蝸桿(滾刀)的測量就是明證。CNC齒輪測量中心為測控非線性螺旋曲面提供了工具。

　　1990年以來，在世界范圍內，齒輪測量技術領域出現了幾種值得注意的現象：①齒輪整體誤差測量技術與齒輪坐標測量技術合二為一。成都工具研究所推出了既有標準蝸桿又有測頭的齒輪測量機CZN450，而國外的CNC齒輪測量中心也能給出“虛擬整體誤差”。②齒輪測量中心與三坐標測量機的合二為一，如美國TSK公司的Rdaiance和Process Equipement Company的ND430。③功能測試與分試測試的合二為一。簡化測量是齒輪量儀的發展趨勢之一，齒輪整體誤差測量儀因能高效率地給出齒輪全信息而被齒輪制造業所接受。

　　展望未來，齒輪量儀的相關研發重點是：齒輪網絡化測量技術；基于實測結果的齒輪性能虛擬分析技術(智能配對、動力學性能預報等)；齒輪整體誤差測量技術(指標量化、性能優化等)；齒輪誤差的智能分析技術；齒輪統計誤差概念體系的建立及其相應的測量技術；生產現場的齒輪快速測量與分析技術(目前ITW的Model4823為450～600件/小時；目標：1000件/小時)；精密機械、光電技術、微電子技術、軟件工程等技術在齒輪上的應用。