齒輪測量技術新進展

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:30:50 來源：

　　目前常用的齒輪精度測量方法有兩種，一種是齒輪嚙合試驗法，用以判斷一對齒輪副的回轉傳動性能；另一種是幾何解析測量法，它將被測量齒輪實際齒面形狀和理論值進行比較測量。齒輪大多為漸開線齒輪，其測量原理和非漸開線齒輪的測量原理是不同的。

漸開線齒輪的測量漸開線齒輪的測量原理

　　測量漸開線齒輪的齒面形狀時，測頭置于被測齒輪基圓的切線上，被測齒輪的回轉和測頭的直線運動，按照展成關系進行控制。在以往機械式齒輪測量儀中采用了基圓盤；如今儀器的軸系導軌上都裝有圓編碼器或長編碼器(長刻度尺)，由計算機按展成關系實現高速、高精度的NC控制(見圖1)。

圖1 漸開線齒輪的測量原理

漸開線齒輪測量的可溯源性

　　近年來，因生產工程集團化，ISO9000得以普及，圖2所示的測量值可溯源體系的有關問題得到重視。目前，ISO正對齒輪測量儀器的精度評定方法制訂有關標準，德、美兩國已經確立了溯源體系頂端的國家機構。在日本，企業是用基于ISO標準建立起的JIS標準來確立齒輪精度的等級，由于沒有建立如圖2所示的可溯源體系，因而測量誤差值的保證體系還沒有建立起來。所以，日本齒輪工業協會組建了一個項目組，對“超精密齒輪精度檢驗評定方法的標準化”進行了研究，開發了高精度齒輪測量儀器，它適用于檢驗一般齒輪測量儀器用樣板。

圖2 精度溯源體系

由大阪精機承擔制造的高精度CNC齒輪測量儀，其測量精度(重復性)為0.2～0.3μm，我們進行了如下技術開發：

(1)上下頂尖采用氣浮軸承，提高了主軸回轉精度；
(2)主軸氣浮軸承中內裝有高精度圓光柵，提高了輸出性能；
(3)齒形和齒向的測量滑座都采用了氣浮導軌，提高了測量運動性能；
(4)采用激光測長儀來檢查誤差，測量放大倍數可達10000倍。

　　該儀器的驅動系統，主軸回轉運動采用步進電機驅動，測頭的直線運動也采用步進電機驅動，二者用NC控制來實現漸開線或齒向的展成運動，以實現測量。齒距誤差按齒距等分、與齒面接觸的測頭的位移變化量，通過激光測長系統進行檢測。位移檢測元件安裝在平行簧片上，而測座上裝有反射鏡，激光束照射其上進行齒面精度的測量(見圖3)。

圖3 利用激光測量齒面

目前，該儀器已安置于日本電氣通訊大學內，進行儀器測試、數據采集，以分析測量的不確定度。

非漸開線齒輪的測量

　　在所討論的漸開線齒輪齒面的檢測中，其檢測儀器主軸的回轉和測頭的直線運動均采用CNC控制以實現同步，而非漸開線齒形的齒輪，特別是錐齒輪等，其齒面形狀是三元函數的，測量時，必須將實際齒面的坐標位置和預先計算出來的理論齒面三維坐標值進行比較測量。準雙曲面齒輪齒面的測量以及用測量的結果來評定準雙曲面齒輪的性能就是一典型事例。

準雙曲面齒輪齒面的測量

　　準雙曲面齒輪的齒面形狀是復雜的三元形狀，它由準雙曲面齒輪制造商提供的參數而確定、用計算機計算得到。通常情況下，用計算得到的切齒機的調整參數作為切齒齒面三維坐標的測量基準，在三維坐標機上按圖4左所示的格子點的位置上進行測量。

　　在大阪精機生產的準雙曲面齒輪測量儀(HYB-35)上測量大齒輪時，和其它測量儀器一樣，將依據機床的安裝調整參數而建立的幾何齒面作為基準值；而對與大齒輪相嚙合的小齒輪，則以和大齒輪齒面共軛的齒面作為基準。這樣就可能通過測量來證實齒輪副是否處于理想嚙合狀態。在同一臺儀器上，用三維測量儀測量不同的離散點(測量點)，就能如測量漸開線齒輪一樣，從齒輪的一個端面到另一個端面，沿不同的測量軌跡測量不同的齒形和齒向(圖4右)。這樣就可測量到齒面上的凹凸、研磨留下的臺階突跳及齒輪端部的飛邊毛刺等。如圖5所示，對齒形和齒向進行測量，就可以采用與漸開線齒輪相同的方法來對準雙曲面齒輪的質量實施管理。

圖4 準雙曲面齒輪測量方法的比較

圖5 HyB-35齒面測量圖案

齒輪的性能分析

　　作為齒輪性能分析的實例，基于上述采用準雙曲面齒輪測量儀的齒面測量結果進行嚙合模擬仿真的相關技術介紹如下。

　　在該仿真中，基于準雙曲面齒輪副的齒面測量數據，是相對于大齒輪理論齒面的誤差和相對于小齒輪齒面的共軛齒面的誤差二者合成的結果，是求出的齒輪副總的齒面誤差——稱其為相對齒面誤差。然后再求出嚙合瞬間接觸點的軌跡。在嚙合區的一個齒距內，按照各個接觸點周圍5μm嚙合間隙范圍來預測齒面的接觸形狀。進而求出基于相對誤差的回轉傳動誤差(運動誤差)。利用富里哀變換，可求得傳動誤差的1～6次嚙合諧波分量。

圖6為仿真結果。利用該技術就有可能用實測值來進行仿真，而以往僅依據理論齒面數據是無法做到的。

圖6 準雙曲面齒輪的性能預測

近年來發表的齒輪測量技術成果

單面嚙合齒形測量法

　　德國FRENCO公司的齒輪嚙合掃描測量法，如圖7所示。通常，中間為被測齒輪，兩側配置測量齒輪(齒形測量齒輪和齒向測量齒輪)進行單面嚙合測量。測量齒輪的齒面經特殊處理，使它在限定范圍內進行嚙合，從其嚙合誤差數據中得到圖8所示的齒面誤差拓樸圖。其測量齒輪的制作需要極高的制造技術。

圖7 齒輪嚙合掃描測量

圖8 齒輪嚙合掃描測量得到的齒面誤差拓樸圖

激光全息齒輪測量法

　　AMTEC公司發表了采用激光全息技術進行齒輪非接觸測量的方法。在該裝置上采用了圖9所示的CONO光學傳感器測頭。齒輪回轉時，根據測頭位置的變化，可以測出齒輪的截面形狀。圖10表示采用該方法和現有的觸針式測量方法，它們的測量結果是相一致的。非接觸測量既不會劃傷齒面，又不會因測力而使齒面產生彎曲變形。

圖9 CONO干涉測頭

圖10 齒輪測量比較

光干涉齒面形狀測量法

　　圖11是大阪精機公司開發的、利用激光全息法對齒輪全齒面進行測量的裝置構成圖。圖12為齒面形狀測量結果。該方法能夠一次測出全齒面的形狀誤差，但是全齒面的反射光會受到其它齒的干涉，而感光元件必須要能感受到反射光才行。因而它不能測量大螺角齒輪。

圖11 激光全息齒面測量的結構圖

圖12 齒面測量實例

用原子力測頭對齒形精度的測量

　　圖13為在該儀器上測量大阪精機公司制造的齒輪漸開線樣板的結果。所用測針的頂端曲率半徑為2μm，因而可以測量齒面的粗糙度。圖14為松下電器產業開發的采用原子力測頭的超精密三維測量儀。由于測頭按直線方向配置，故齒輪測量受到一定限制，但在測量限定齒數的齒輪樣板時，其測量精度可達到納米級。