齿轮测量技术的发展的发展

齿轮测量技术的发展,主要表现在三个方面:

　　1)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。

　　2)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-机-电”与“信息技术”综合集成的演变。

　　3)在测量结果的表述与利用方面,历经了从“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,齿轮量仪经历了从单品种单参数仪器(典型仪器有单盘渐开线检查仪) ,单品种多参数仪器(典型仪器有齿形齿向检查仪) ,到多品种多参数仪器(典型仪器有齿轮测量中心)的演变。

　　1　 机械展成式测量技术

　　20世纪70年代以前,齿轮测量原理主要以比较测量为主,其实质是相对测量。具体方式有两种:一是将被测齿轮与一标准齿轮进行实物比较,从而得到各项误差;二是展成测量法,就是将仪器的运动机构形成的标准特征线与被测齿轮的实际特征线作比较,来确定相应误差;而精确的展成运动是借助一些精密机构来实现的。不同的特征线需要不同的展成机构,同一展成运动可用不同的机械结构来实现。比较测量的主要缺点是:测量精度依赖于标准件或展成机构的精度,机械结构复杂,柔性较差,同一个齿轮需要多台仪器测量。

　　从20世纪20年代至60年代末,各国对机械展成式测量技术的研究历经了近半个世纪。早期着重于渐开线展成测量技术的研究,后来将展成测量思想移植到了螺旋线测量上,先后开发出多种机械式渐开线展成机构,如单盘式、圆盘杠杆式、正弦杠杆式、靠模式等。尤以圆盘杠杆式应用最广,属于这一类的仪器有: Zeiss V G450 , Carl Mahr 890和891S , MAAG SP60和HP100 ,大阪精机GC -4H和GC - 6H以及哈量3201。对于齿廓误差测量而言,机械展成式测量技术仅限于渐开线齿廓误差测量上。对于非渐开线齿轮的端面齿廓测量,采用展成法测量是十分困难的,因为展成机构太复杂并且缺乏通用性。对于精确的螺旋展成机构,主要采用正弦尺原理,只是如何将正弦尺的直线运动精确地转换为被测工件的回转运动的方式各不相同。这种机构在滚刀螺旋线测量上应用最为典型,例如,德国Fet te公司生产的UWM型滚刀测量仪, Zeiss厂生产的万能滚刀测量仪,前苏联ВНИИ设计的万能型滚刀测量仪,意大利Samputensili厂的Su - 130型滚刀测量仪,美国Michigan公司生产的万能滚刀测量仪, Klingelnberg公司的PWF250/ 300 ,等等。

　　20世纪70年代以前,机械展成式测量技术已经发展成熟,并在生产实践中经受了考验。迄今,基于这些技术的仪器仍是一些工厂检测齿轮的常用工具。但70年代以后,随着电子展成式测量技术的出现,机械展成式测量技术的发展宣告终结。

　　2　 齿轮整体误差测量技术

　　1970年是齿轮测量技术的转折点。齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机(中心)的出现解决了齿轮测量领域的一个难题,即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。这两项技术虽然都基于现代光、机、电、计算机等技术,但走上了不同的技术路线。齿轮整体误差测量技术是从齿轮综合测量中提取单项误差和其他有用信息。1970年,我国在齿轮测量技术方面取得突破,发明了基于“跳牙”蜗杆的齿轮整体误差测量原理。

　　经过30多年的完善与推广[11 ],这种起源于渐开线圆柱齿轮测量的方法现已成为传动元件的运动几何测量法[12 ],采用的标准元件也从蜗杆扩展到齿轮、齿条等。其基本思想是,将被测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一标准元件作啮合运动,通过测量啮合运动误差来反求被测对象的误差。其鲜明特点是:形象地反映齿轮啮合传动过程并精确地揭示了齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系,特别适合于齿轮工艺误差分析和动态性能预报。采用这种方法的仪器测量效率高,适用于大批量生产中的零件检测和在线分选测量。但该方法需要标准元件并且测量精度不仅与测量仪器相关,更取决于标准元件的精度。典型仪器是成都工具研究所生产的CZ450齿轮整体误差测量仪、CSZ500锥齿轮测量机和CQB700摆线齿轮测量仪。我国开发的锥齿轮整体误差测量技术的专利已经卖到德国,德国也开发了圆柱齿轮整体误差测量技术及其仪器。

3 　CNC坐标测量技术

　　“坐标测量”是1959年夏季在法国巴黎召开的国际机床博览会上由英国Ferranti公司首先提出的。这一概念的提出是对传统测量概念的重大突破,其重要意义在于把对测量概念的理解从单纯的“比较”引伸到“模型化测量”的新领域,从而推动了测量技术的蓬勃发展。对齿轮而言,从真正意义上讲,坐标化测量始于70年代初;之后,基于各种坐标原理的齿轮测量技术一直是重要的研究课题。模型化坐标测量原理的实质是将被测零件作为一个纯几何体(相对“运动几何法”而言) ,通过测量实际零件的坐标值(直角坐标、极坐标、圆柱坐标等) ,并与理想要素的数学模型作比较,从而确定相应的误差。坐标测量法的特点是:通用性强,主机结构简单,可达到很高的测量精度。齿轮测量坐标法细分为直角坐标法、极坐标法和圆柱坐标法。实现坐标法有多种形式,如用万能工具显微镜与分度头的组合也可以用来测量齿轮,显然,这种静态测量方式不仅效率低,而且测量精度得不到保证。现代光电技术、微电子技术、计算机技术、软件工程、精密机械等技术的发展才真正为坐标测量法的优越性提供了坚实的技术基础。齿轮的CNC坐标测量技术起源于20世纪70年代的电子展成测量技术[13 ]。电子展成法是相对机械展成法而言的。所谓“电子展成”,即通过由计算机、控制器、伺服驱动装置及传动装置组成的展成系统,取代机械展成法中的展成装置,形成某种特定曲线轨迹(如螺旋线、齿廓线等)[14 ]。

　　20世纪70年代以来,电子展成经历了从NC到CNC的发展过程。目前的CNC展成根据实际运动轨迹可分为两种,一种是展成系统形成一条非常标准的理论轨迹,测头感受到的示值可直接作为被测齿轮的误差。这种展成系统可由闭环控制系统或混合型(半闭环)控制系统来完成。由于形成理论标准轨迹的系统相对复杂,因此实际应用中还有另一种驱动系统,即开环驱动加误差补偿(即“粗传动+补偿”)。由于计算机的计算误差以及驱动装置与传动装置等都存在误差,开环电子展成系统中测头运动轨迹不能直接作为测量基准,此时,测头示值中既有被测量的成份,也包含展成系统的误差,因此,必须用位移检测元件测出各相关运动的实际位移量,再由计算机将实际位移量和测头的示值进行合成,补偿展成系统的误差,得到被测齿面上对应点的实际坐标;然后,计算机将实际坐标与被测量的理论模型进行比较,才能得到被测量的误差,这就是“非标准轨迹的电子展成法”[15 ]。电子展成法一般是按被测齿轮的理论方程进行控制的。

　　90年代以后, CNC齿轮测量技术中出现了跟踪测量法。它是按被测参数的实际值进行控制的,可采用测头跟踪法和轴对轴跟踪法。测头跟踪法是在测量过程中根据测头的示值对相应坐标轴的测量位置进行调节,达到测头跟踪被测齿面运动,实现对齿轮的测量。轴对轴跟踪法是根据一根坐标轴的实际测量位置来调节其他坐标轴的位置,以完成测量工作。跟踪测量法不仅可以减少控制调节环节,而且有较大的测量灵活性,适合参数未知曲面,或虽然理论方程已知但工件实际误差超出测头量程的情况。当然,跟踪法的测量效率相对较低。CNC坐标测量技术在齿轮刀具、蜗轮蜗杆、锥齿轮、小模数齿轮、大齿轮和齿轮在线测量中也得到广泛采用。70年代以来,坐标测量法是齿轮测量技术的世界性主要潮流。

　　4 　 测量数据的处理与利用

　　在早期的齿轮测量中,人工读指示表(如千分表等)获取齿轮误差,得到的是误差幅值,仅仅能用来评判被检项目合格与否;电动记录器的出现,靠人工读曲线,使工艺误差分析成为可能;计算机的采用使自动处理测量结果、分析工艺误差并将分析结果反馈到加工系统进而修正加工参数成为现实。集专家系统、知识工程于一体的齿轮误差智能分析系统也开始得到应用。迄今,在齿轮测量数据处理方面,广泛使用的是最小二乘法,同时数字滤波技术也得到应用。虽然现代信号处理的一些方法已逐渐应用于齿轮测量数据处理中,但尚未实用化。

　　5 　 其他齿轮测量技术

　　进入20世纪90年代,基于各种光学原理(特别是相移原理)的非接触式齿轮测量技术得到了一定发展[16 ],这种可称为“并联测量”的新方法代表着齿轮测量技术发展的一个新方向。