基于双面啮合多维测量原理的齿轮在线测量机

1、第30卷第2期2009年2月仪器仪表学报ChineseJournalofScientificInstrumentVol130No12Feb.2009基于双面啮合多维测量原理的齿轮在线测量机石照耀,汤洁,魏华亮,高玉明,刘长荣(1北京工业大学机电学院2150040)112223摘要:,不能获取评定齿轮质量的关键指标的齿向精度信息()。,研制了新型的齿轮在线测量机。介绍了该测量机的测量原理、系统组成及其关键技术。本测量机是针对大批量成品齿轮的现场快速检测需求而研制的新型齿轮测量仪器,其突出特点是在被测齿轮与测量齿轮啮合一转的过程中,可同时获得径向综合偏差及齿轮齿向精度信息。关键词:齿轮;双面啮合;

2、齿向偏差;快速测量中图分类号:TH132.413文献标识码:A国家标准学科分类代码:460.4030Gearin2linemeasuringmachinebasedondouble2flankgearrollingtestwithmulti2degreesoffreedomShiZhaoyao,TangJie,WeiHualiang,GaoYumin,LiuChangrong2HarbinMeasuring&CuttingToolGroupCo.Ltd.,Harbin150040,China)11222(1CollegeofMechanicalEngineeringandApplied

3、ElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China;Abstract:Traditionaldouble2flankgearrollingtestercanobtaintheradialcompositedeviationsofthegear,butitishardtoobtainaxialdeviations(helix,taper,etc.)ofthegeartobemeasured.Gearin2linemeasuringmachine(GMM)basedontheprincipleofdoubl

4、e2flankgearrollinginspectionwithmanydegreesoffreedomsolvestheprob2lem.Thispaperpresentsthemeasurementprinciple,axialdeviationassessingmethod,configurationandthecriticaltechniquesofgearin2linemeasuringmachine(GMM),whichisanewmachinedevelopedaccordingtothedemandofhigh2speedinspectioninmass2productiong

5、earworkshops.ThestrongfeatureoftheGMMisthattheradialcom2positedeviationsandhelicaldeviationsofthegearcanbeassessedinoneturnduringhigh2speedinspection.Keywords:gear;double2flank;helicaldeviation;high2speedinspection的分析式测量2;以综合测量(双啮、单啮测量)3为基1引言齿轮质量是影响整机性能的关键因素之一,因此,诸如美国的车辆齿轮的行业质量标准规定,应对成品齿轮进行100%的测量,以

6、满足对其质量的要求。据报道,美国的车辆齿轮生产厂家几乎都配备了快速高精度检测系统。在这方面,我国的研究与应用几乎是空白1础的功能式测量以及将单项和综合集成于一体的齿轮整体误差测量4。5齿轮测量技术的研究有悠久的历史。从整体上考察,其发展主要表现在3个方面:第一,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;第二,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2机2电”与“信息技术”综合集成的演变;第三,在测量结果的表述与。齿轮测量一般分为:以齿廓、齿向和齿距测量为基础收稿日期:2007212ReceivedDate:20072

7、123基金项目:国家自然科学基金(50375006)资助项目304仪器仪表学报第30卷利用方面,历经了“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,齿轮量仪经历了单品种单参数的仪器(典型仪器有单盘渐开线检查仪)、单品种多参数的仪器(典型仪器有齿形齿向检查仪)到多品种多参数的6仪器(典型仪器有齿轮测量中心)的演变。目前世界上应用在生产现场的齿轮自动测量机通常都采用齿轮双面啮合测量原理。究其原因,主要是齿轮双面啮合测量的原理简单(一维测量、准)、测量效率高、等特点,测量的要求。(如螺旋线偏差)是否合格;而齿轮齿向精度是与齿轮寿命

8、、振动和噪声相关联的。由此本文提出了齿轮双面啮合多维测量原理,并开发出基于该测量原理的齿轮在线测量机(gearin2linemeasur2ingmachine,GMM)。7293齿向精度评定指标基于齿轮双面啮合多维测量原理所获得的齿轮齿向精度信息,是左右齿面误差的综合作用结果,需要对它所包含的信息进行分离与评定。为此,建立评定齿轮齿向,如:、径向综合齿;,2。在图2(a)中,AB为;图2(b)中,由齿向线在切平面ZAB中产生的偏差得出径向综合齿向锥度偏差;图2(c)中,由齿向线在切平面ZAB中发生的偏差得出径向综合齿向倾斜偏差。2双面啮合多维测量原理齿轮双面啮合多维测量原理如图1所示:当被测齿

9、轮3与测量齿轮2及特殊测量齿轮4作无侧隙啮合滚动时,通过径向传感器1、齿向倾斜传感器5、齿向锥度传感器6同时测量中心距的变化量a和齿轮的轴线偏摆C和L;通过对多路测量信号进行处理,同时获量取齿轮的径向综合偏差与齿向偏差(如螺旋线偏差、锥度偏差等)信息。实质上是在传统的双面啮合测量方法上为齿轮增加自由度,通过新增的自由度来反映被测齿轮的齿向精度信息。其关键是改变了传统双啮测量的一维测量本质。图1中左侧为传统双啮测量,右侧为双啮多维测量。由于可以用线性测微传感器来获得齿轮轴线的偏摆量,而不需要精密测角传感器,因此,本测量技术具有传统双啮测量技术的优点,又能在一次快速测量中同时得到被测齿轮的齿向精度

10、信息。各齿向精度新指标的定义如下:1)径向综合齿向锥度偏差:被测齿轮与理想精确的图2齿向精度评定示意图Fig.2Schematicrepresentationofradialcompositehelicaldeviations10测量齿轮双面啮合时,齿轮轴线在径向发生的角度偏差的最大变动量。2)径向综合齿向倾斜偏差:被测齿轮与理想精确的测量齿轮双面啮合时,齿轮轴线在切向发生的角度偏差的最大变动量。3)一齿径向综合齿向锥度偏差: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,齿轮轴线在径向发生的角度偏差的最大变动量。4)一齿径向综合齿向倾斜偏差:被测齿轮与理想精确的测量齿轮双面啮合

11、时,在被测齿轮一齿距角内,齿轮轴线在切向发生的角度偏差的最大变动量。4测量机的组成及关键技术4.1仪器组成齿轮在线测量机由机械系统、测量与控制系统、测量软件系统等部分组成(见图3)。图1测量原理Fig.1Measurementprinciple第2期石照耀等:基于双面啮合多维测量原理的齿轮在线测量机305图3系统构成Fig.3Sturctureofthemeasuringsystem仪器工作过程如下:硬件初始化成功后,气缸6夹紧被测齿轮轴7,气缸1、气缸11前进施加测量力,电机3旋转,带动被测齿轮7、测量齿轮4、特殊测量齿轮8旋转,通过径向传感器2、齿向倾斜传感器10、齿向锥度传感器9进行测量

12、采样,测量结束停电机,退回气缸,对采样获得的数据进行误差分析与处理,分离出各误差项目,测量结果可保存并供报表打印和查询。1)机械系统3)测量软件系统测量软件系统完成参数输入、仪器标定、测量过程的自动控制、数据采集、齿轮误差评定与分析、测量结果的保存、报表打印等功能。进入齿轮在线测量机的测量软件进行操作时,可编辑、查阅测量齿轮、特殊测量齿轮的参数。在测量同一批量的被测齿轮前或系统重启后,需设置好其相关参数,并对系统进行标定,重复被测齿轮参数的连续测量中可不必重复系统标定过程。之后可进入自动测量阶段,获得的测量结果需保存的可存入测量记录列表并可查询、报表打印。4.2关键技术1)多维测量机构设计机械

13、系统主要由以下几个部分组成:支承架、花岗岩基座、标准测量滑架、固定轴系、回转轴系、多维测量机构、摆动测量滑架等。花岗岩基座位于支承架上,由减振垫相连。标准测量滑架和摆动测量滑架安装在线形导轨的滑块上,可沿固定在花岗岩基座上的直线导轨纵向移动。多维测量机构固定在摆动测量滑架上,可实现径向和切向的微转浮动,两个固定轴系分别装在标准测量滑架和多维机构结构上,回转轴系装在花岗岩基座上,交流伺服电机安装在回转轴系的下方。各传感器分别安装在标准测量滑架、花岗岩基座和多维测量机构上。测量时,电机驱动回转轴系,带动两个固定轴系上的测量齿轮旋转。2)测量与控制系统在齿轮在线测量机中,多维测量机构是最关键的部件,

14、体现了该仪器的设计特色和创新点,是实现多维测量原理、获得齿轮齿向精度的基础部件。多维测量机构在测量过程中要同时测量齿向倾斜偏差和齿向锥度偏差,所以要安装两个传感器。为便于介绍,先建立一个三维坐标系,如图4所示,以通过测量轴线和多维壳体水平轴线的平面为XY面(径向平面),以水平向左的方向为X轴正向,测量轴线向上为Y轴正向,按照笛卡尔坐标原则,垂直于XY平面为YZ平面(切向平面),指向纸内的方向为Z轴的正向。测量齿向锥度偏差的传感器的布置在X轴方向上,测量齿向倾斜偏差的传感器布置在Z轴方向上。测量控制系统包括标准量系统、气动系统、伺服系统。被测齿轮由伺服电机驱动;被测齿轮的夹紧、径向测量力的施加由

15、气动系统完成;标准量系统包括主轴圆光栅、径向传感器RS、齿向倾斜传感器LS、齿向锥度传感器CS、数据采集卡。306仪器仪表学报第30卷(见图7)。特殊测量齿轮采用中凹结构,只在两端与被测齿轮进行双面啮合。图4多维测量机构三维图Fig.4Multi2dimensional图5多维。多维壳体4可以随滑块2沿直线导轨1运动;多维壳体与测量架通过水平主轴5连接,实现切向平面的微转浮动,测量架上的多维底板6通过微型轴7实现径向平面的微转浮动。为了计算方便,在结构设计中采取“三心共面”的方式,即被测齿轮齿宽方向的中心、径向平面回转中心和的切向平面回转中心位于同一个平面上。另外,齿轮在线测量机在对被测齿轮进

16、行测量之前,需要对系统进行标定。本系统需要标定的量包括径向传感器RS、齿向倾斜传感器LS、齿向锥度传感器CS的初始位置。用于标定的齿轮需要从精度、特征上进行特殊的设计,从而满足本系统的标定需求。3)实现快速测量为确保测量装置具有较高的稳定性,采取以下技术措施:采用花岗岩基座和高精度直线滚珠导轨;采用精密密珠轴系,并具有主轴安装偏差自动补偿功能,确保具有足够的刚性和精度;驱动控制系统与测量系统分离,避免动力源对测量过程的影响;将传感器进行标定,然后在测量过程中对测量数据用软件进行修正。为实现快速测量,进一步采取以下措施:整个测量过程采用自动夹紧、自动标定、自动测量和计算机数据采集和处理,避免人工

17、参与;采用光栅式位移传感器和高速数据采集卡。5实测结果在研制的齿轮在线测量机上,对齿轮进行测量。在实验中用到的各齿轮的参数见表1。在齿轮双面啮合多维测量中,考虑到被测零件和测量齿轮及其啮合位置、测量力、转速、转向、操作等因素对测量结果均产生影响,因此在考查齿轮在线测量机的测量重复性时,每次测量时将被测齿轮置于同一起测点,对被测齿轮进行连续多次1直线导轨;2滑块;3移动平板;4多维壳体;5水平主轴;6多维底板;7微型轴测量,其他测量条件不变,得到的测量结果见表2,其偏差曲线如图8所示。表1实验用齿轮参数Table1Gearparametersusedinthetest名称被测齿轮测量齿轮特殊测量

18、齿轮参数模数2.5齿数17压力角20°(左旋)螺旋角24°齿宽28图5多维测量机构组成图Fig.5Drawingofmulti2dimensionalmeasuringmechanism2)特殊齿轮设计齿轮在线测量机在每次测量过程中用到2个测量齿轮,测量齿轮是实现双啮多维测量原理的关键元件。这两个测量齿轮需要单独设计,其中测量齿轮用于一维双啮测量中(见图6),特殊测量齿轮用于双啮多维测量中模数2.5齿数33压力角20°(右旋)螺旋角24°齿宽24第2期石照耀等:基于双面啮合多维测量原理的齿轮在线测量机表2测量结果Table2Inspectionresul

19、ts名称径向综合总偏差一齿径向综合偏差径向跳动径向综合齿向倾斜偏差径向综合齿向锥度偏差测得值/m34.017.525.062.573.3307measurementinChinaC.ProceedingsofInter.Conf.ofGearing,1989:25231.5SHIZHY,FEIYT,XIEHK.100yearsofgearmeas2urementtechnologyReview&prospectJ.Engineer2ingScience,2003,5(9):13217.6RUDOLFO.Historyofgearmeasuringmachinesandtraceabil

20、ity190022006J.ProductNews,2006,(1020225.72on.Developmentofanewau2selectingmachineforautomobiletransaxlemanufacturingC.AnnalsoftheCIRP,1984,33(1):3632368.9徐王全,谷延辉.齿轮付动态运动误差的测量和分析J.仪器仪表学报,1985,6(2):1722184.HSUWCH,KUYH.ThemeasurementandanalysisofthedynamictransmissionerrorofagearpairJ.Chi2neseJournalof

21、ScientificInstrument,1985,6(2):1722184.10SHIZHY,ZHAOSHZH,TANGJ.Newmeasurementprincipleofin2linefastspeedinspectionforvehiclegearJ.ModernComponents,2005,(10):88289.作者简介石照耀,1984年于合肥工业大学获得学士学位,1988年于陕西机械学院获得硕士学位,2001年于合肥工业大学获得博士学位,现为北京工业大学机电学院教授、博士生导师,主要研究方向为精密测试技术及仪器。电话:010267390989;E2mail:shizhaoyao6

22、结论齿轮双面啮合多维测量是在传统的齿轮双面啮合测量基础上的创新,其原理新颖,是传统的齿轮双面啮合测量技术的发展新趋势。基于双面啮合多维测量原理的齿轮在线测量机(GMM)在被测齿轮与测量齿轮、特殊测量齿轮啮合一转的过程中,可同时获得被测齿轮的径向综合偏差和齿向精度信息。经多次实验验证其原理可行、测量结果稳定,可应用于批量齿轮的现场检测中。参考文献1SHIZHY.GearmeasuringmachineM.Beijing:Bei2jingInstituteofTechnologyPress,2006:1832187.2GOCHG.GearmetrologyC.AnnalsoftheCIRP,2003,52(2):6592695.3BAIYX,GearaccuracyandcompositeinspectionM.