大型齒輪在機(jī)測量原理與技術(shù)

前言第1章緒論11.1概述11.2齒輪制造技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢41.2.1齒輪加工技術(shù)的發(fā)展51.2.2齒輪測量技術(shù)的發(fā)展91.3CNC齒輪加工機(jī)床的在機(jī)檢測191.4齒輪精度制的發(fā)展201.4.1國際齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展211.4.2我國齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀231.4.3新舊齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)的比較分析24第2章漸開線圓柱齒輪測量的理論基礎(chǔ)272.1回轉(zhuǎn)運(yùn)動群與圓矢量函數(shù)272.1.1回轉(zhuǎn)運(yùn)動群272.1.2圓矢量函數(shù)312.2曲面的標(biāo)架及其微分形式332.3漸開線螺旋面及其性質(zhì)352.3.1漸開線螺旋面方程352.3.2漸開線螺旋面的性質(zhì)382.4漸開線齒輪嚙合原理412.4.1漸開線齒輪線嚙合原理412.4.2漸開線斜齒輪點(diǎn)嚙合原理44第3章大型齒輪單項(xiàng)偏差在機(jī)測量技術(shù)503.1大型齒輪在機(jī)測量的特點(diǎn)與難點(diǎn)503.2齒距累積總偏差在機(jī)測量技術(shù)523.2.1絕對測量法533.2.2相對測量法533.3齒廓總偏差在機(jī)測量技術(shù)563.3.1投影比較法563.3.2滾動比較法563.3.3坐標(biāo)測量法573.3.4刃邊齒條測頭在機(jī)測量原理623.4螺旋線總偏差在機(jī)測量技術(shù)633.4.1展成法測量643.4.2坐標(biāo)法測量64第4章大齒輪在機(jī)綜合測量原理與技術(shù)674.1大齒輪在機(jī)綜合測量原理的提出674.1.1單項(xiàng)偏差測量存在的問題674.1.2特征線偏差的分析與組合694.1.3用測量直母線偏差代替測量螺旋線偏差704.2大型齒輪在機(jī)綜合測量的原理與方案704.2.1刃邊齒條測頭測量直母線偏差的原理704.2.2在機(jī)綜合測量的方案744.3大型齒輪在機(jī)綜合測量的數(shù)學(xué)模型774.3.1被測齒輪與刃邊齒條的廓面方程774.3.2理想條件下的嚙合過程804.3.3誤差模型834.4關(guān)于上置式直母線偏差測量儀的討論85第5章在機(jī)測量儀的關(guān)鍵技術(shù)研究及精度分析875.1刃邊齒條測頭的設(shè)計875.2線位移精密測量機(jī)械系統(tǒng)的確定885.2.1切向與軸向測量導(dǎo)軌885.2.2輔助基準(zhǔn)面905.2.3測量坐標(biāo)系的確定905.2.4線位移測量系統(tǒng)的精度分析925.3角位移精密測量機(jī)械系統(tǒng)的確定965.3.1拾取齒輪轉(zhuǎn)角信號——摩擦圓盤角分度裝置965.3.2摩擦圓盤角分度裝置的精度分析975.3.3刃邊齒條測頭轉(zhuǎn)角信號的拾取與精度分析1045.4被測齒輪安裝偏心對測量結(jié)果的影響1055.5精度分析與驗(yàn)算107第6章大型齒輪在機(jī)測量儀與實(shí)驗(yàn)研究1096.1測量系統(tǒng)的組成1096.2測量系統(tǒng)電氣控制原理1116.3測量儀系統(tǒng)軟件設(shè)計1146.3.1軟件的總體設(shè)計1146.3.2測量程序設(shè)計1156.4大型齒輪在機(jī)測量實(shí)驗(yàn)1196.4.1在機(jī)測量系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)測量與標(biāo)定1196.4.2大型齒輪齒廓總偏差測量實(shí)驗(yàn)1206.4.3大型齒輪螺旋線總偏差測量實(shí)驗(yàn)1246.4.4大型齒輪直母線偏差測量實(shí)驗(yàn)與誤差綜合分析127附錄133參考文獻(xiàn)135

對直徑大于3m的大型齒輪，其誤差在計量室內(nèi)是無法檢測的，需采用在機(jī)測量。針對大型齒輪模數(shù)大、質(zhì)量大、慣性大等特點(diǎn)，以滾齒加工為例，本書研究了在機(jī)測量的原理與技術(shù)。以嚙合原理為核心理論，分析研究漸開線廓面的可展性及具有代表的曲線族漸開線族、直母線族、螺旋線族和接觸跡族，其偏差直接影響齒輪傳動質(zhì)量。

1)、齒輪單項(xiàng)幾何形狀誤差測量技術(shù)

它采用坐標(biāo)式幾何解析測量法，將齒輪作為一個具有復(fù)雜形狀的幾何實(shí)體，在所建立的測量坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系或圓柱坐標(biāo)系)上，按照設(shè)計幾何參數(shù)對齒輪齒面的幾何形狀偏差進(jìn)行測量。測量方式主要有兩種：離散坐標(biāo)點(diǎn)測量方式和連續(xù)幾何軌跡點(diǎn)掃描(如展成)測量方式。所測得的齒輪誤差是被測齒輪齒面上被測點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)(實(shí)際軌跡或形狀)和按設(shè)計參數(shù)所建立的理想齒輪齒面上相應(yīng)點(diǎn)的理論位置坐標(biāo)(理論軌跡或形狀)之間的差異，通常也就是和幾何坐標(biāo)式齒輪測量儀器對應(yīng)測量運(yùn)動所形成的測量軌跡之間的差異。測量的誤差項(xiàng)目是齒輪的單項(xiàng)幾何偏差，以齒廓、齒向和齒距等三項(xiàng)基本偏差為主。由于坐標(biāo)測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強(qiáng)，三維齒面形貌偏差、分解齒輪單項(xiàng)幾何偏差和頻譜分析等誤差項(xiàng)目的測量得到了推廣。單項(xiàng)幾何偏差測量的優(yōu)點(diǎn)是便于對齒輪(尤其是首件)加工質(zhì)量進(jìn)行分析和診斷、對機(jī)床加工工藝參數(shù)進(jìn)行再調(diào)整；儀器可借助于樣板進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)的傳遞。

2)、齒輪綜合誤差測量技術(shù)

它采用嚙合滾動式綜合測量法，把齒輪作為一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳動元件，在理論安裝中心距下，和測量齒輪嚙合滾動，測量其綜合偏差。綜合測量又分為齒輪單面嚙合測量，用以檢測齒輪的切向綜合偏差和單齒切向綜合偏差；以及齒輪雙面嚙合測量，用以檢測齒輪的徑向綜合偏差和單齒徑向綜合偏差。為了更有效地發(fā)揮齒輪雙面嚙合測量技術(shù)的質(zhì)量監(jiān)控作用，增加了偏差的頻譜分析測量項(xiàng)目;還從徑向綜合偏差中分解出徑向綜合螺旋角偏差和徑向綜合齒向錐度偏差。這是齒輪徑向綜合測量技術(shù)中的一個新發(fā)展。綜合運(yùn)動偏差測量的優(yōu)點(diǎn)是測量速度快，適合批量產(chǎn)品的質(zhì)量終檢，便于對齒輪加工工藝過程進(jìn)行及時監(jiān)控。儀器可借助于標(biāo)準(zhǔn)元件(如標(biāo)準(zhǔn)齒輪)進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)的傳遞。上述兩項(xiàng)測量技術(shù)基于傳統(tǒng)的齒輪精度理論，然而隨著對齒輪質(zhì)量檢測要求的不斷增加和提高，這些傳統(tǒng)的齒輪測量技術(shù)也在不斷細(xì)化、豐富、更新、提高。

3)、齒輪整體誤差測量技術(shù)

它所基于的齒輪整體誤差理論，是由我國機(jī)床工具行業(yè)、尤其是成都工具研究所的科研技術(shù)人員共同努力創(chuàng)建和不斷完善的一種新型齒輪測量理論。把齒輪作為一個用于實(shí)現(xiàn)傳動功能的幾何實(shí)體,或采用坐標(biāo)式幾何解析法對其單項(xiàng)幾何精度進(jìn)行測量,并按齒輪嚙合傳動順序和位置,集成為一條“靜態(tài)”齒輪整體誤差曲線；或按單面嚙合綜合測量方式，使用特殊測量齒輪，采用滾動點(diǎn)掃描測量法對其進(jìn)行測量，得到齒輪“運(yùn)動”整體誤差曲線。上述兩種齒輪整體誤差曲線，經(jīng)過運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，都可以得到齒輪綜合運(yùn)動偏差、各單項(xiàng)幾何偏差、三維齒面形貌偏差，以及接觸區(qū)狀態(tài)，從而能更全面、準(zhǔn)確的評定齒輪質(zhì)量和齒輪加工工藝的分析和診斷。齒輪整體誤差測量技術(shù)是對傳統(tǒng)齒輪測量技術(shù)的繼承和發(fā)展。尤其是采用單面嚙合、滾動點(diǎn)掃描測量的齒輪整體誤差測量技術(shù)更具有測量信息豐富、測量速度快、測量精度更接近使用狀態(tài)的特點(diǎn)，特別適合批量產(chǎn)品齒輪精度的檢測與質(zhì)量的控制。在汽車齒輪要求100%全部檢測的態(tài)勢下，這種由我國首先開發(fā)出來的齒輪整體誤差測量技術(shù)得到了重視和推廣，其中，成都工具研究所開發(fā)的錐齒輪整體誤差測量技術(shù)曾于90年代轉(zhuǎn)讓給德國KLINGELNBERG公司。德國FRENCO公司推向市場的齒輪單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量儀器，采用了完全類同的技術(shù)。

當(dāng)前齒輪制造業(yè)的一個發(fā)展趨勢，是將齒輪測量技術(shù)和齒輪設(shè)計、加工制造進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)齒輪制造信息的融合及CAD/CAM/CAT的集成，從而構(gòu)建一個先進(jìn)的齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)(由于通常由數(shù)字化信息來實(shí)現(xiàn)，可稱為數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng))。美國GLEASON和德國KLINGELNBERG開發(fā)的錐齒輪閉環(huán)制造技術(shù)和系統(tǒng)是個典型實(shí)例。

此外，在儀器測量形態(tài)和檢測系統(tǒng)方面，現(xiàn)代齒輪測量技術(shù)還有如下的進(jìn)展。

4)、齒輪在機(jī)測量技術(shù)

該技術(shù)有了較快的發(fā)展，是一個重要發(fā)展趨勢。直接將齒輪測量裝置集成于齒輪加工機(jī)床，齒輪試切或加工后不用拆卸，立即在機(jī)床上進(jìn)行在機(jī)測量，根據(jù)測量結(jié)果對機(jī)床(或滾輪)參數(shù)及時調(diào)整修正(主要針對磨齒)。這對于成形磨齒加工和大齒輪磨齒加工而言，在提高生產(chǎn)效率、降低成本方面，尤其具有重要意義。德國KAPP廠的數(shù)控磨齒機(jī)就是一個典型代表。CNC齒輪加工機(jī)床的迅速發(fā)展，為推動齒輪在機(jī)測量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了可靠的工作平臺。

由于對大批量生產(chǎn)的汽車轎車齒輪質(zhì)量要求的提高，齒輪在線測量分選技術(shù)的應(yīng)用已是必不可少。上海汽車齒輪廠首次從美國ITW公司引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)和相應(yīng)儀器裝備，取得了預(yù)期效果，據(jù)稱還將陸續(xù)購進(jìn)該類檢測儀器。

5)、齒輪激光測量技術(shù)

通常是指在齒輪的幾何尺寸和形狀位置精度的測量中，采用了激光技術(shù)，包括采用激光測長系統(tǒng)(如采用雙頻激光干涉儀作為齒輪測量儀器的長度基準(zhǔn)或傳感器)、激光測量頭系統(tǒng)(如采用非接觸點(diǎn)反射式激光測量頭作為齒輪誤差的檢測傳感器)、以及激光全息式齒輪測量系統(tǒng)(如采用激光全息技術(shù)對齒輪的齒面幾何形狀誤差進(jìn)行測量的系統(tǒng))等。由于激光是長度溯源基準(zhǔn)，不少高精度齒輪計量系統(tǒng)或齒輪測量基準(zhǔn)儀器，采用激光測量系統(tǒng)作為其長度坐標(biāo)測量系統(tǒng)。美國FELLOWS廠70年代開發(fā)的MICROLOG60就是一個實(shí)例。加拿大溫莎精密測量儀器廠在80年代初生產(chǎn)的齒輪測量儀器就采用了非接觸點(diǎn)反射式激光測量頭，可用于測量塑料制成的軟齒面齒輪。齒輪激光測量技術(shù)在日本倍受重視，并逐步完善成為產(chǎn)品推向市場。日本AMTEC公司的G3齒輪測量系統(tǒng)，采用的是CONO激光測量頭，齒輪回轉(zhuǎn)，測頭位置相應(yīng)變化，測出齒輪的截面形狀。大阪精機(jī)開發(fā)的激光齒輪測量儀，采用激光全息技術(shù)，用光干涉法對被測齒輪的全齒面形狀進(jìn)行精度測量。