錐齒輪測量技術(shù)的最新進(jìn)展

1 概述

    錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在汽車、直升飛機(jī)、機(jī)床及電動(dòng)工具制造業(yè)中，得到了廣泛的應(yīng)用。不同的用途對錐齒輪性能質(zhì)量的要求也不同，歸納起來包括：①有良好的接觸區(qū)，能可靠的傳遞動(dòng)力扭矩；②有良好匹配的幾何形狀，能平穩(wěn)的傳遞運(yùn)動(dòng)，從而保證載荷均勻、傳動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低。工廠通常采用雙嚙儀及檢測接觸斑點(diǎn)的滾動(dòng)檢查儀來控制錐齒輪的質(zhì)量，但實(shí)際上很難精確判定錐齒輪的使用性能。

錐齒輪的精度測量方法和圓柱齒輪類同，通�？煞譃槿�種：①坐標(biāo)式幾何解析測量法。即把錐齒輪作為一個(gè)幾何實(shí)體，對其幾何元素分別進(jìn)行單項(xiàng)幾何精度的測量；齒輪測量中心是其主要測量儀器。②嚙合式綜合精度測量法。即把錐齒輪作為一個(gè)傳動(dòng)元件，對其傳動(dòng)精度、接觸斑點(diǎn)、振動(dòng)噪音進(jìn)行綜合測量。其測量儀器主要有錐齒輪單面嚙合檢查儀、錐齒輪雙面嚙合測量儀及錐齒輪滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)。③錐齒輪整體誤差測量法。它將錐齒輪作為一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能的幾何實(shí)體，或用坐標(biāo)測量法按單項(xiàng)幾何精度測量方式測量出錐齒輪的整體誤差，實(shí)現(xiàn)錐齒輪單項(xiàng)幾何誤差和傳動(dòng)精度、質(zhì)量之間內(nèi)在聯(lián)系的分析研究；或按單面嚙合測量方式、采用嚙合點(diǎn)掃描測量方法，對錐齒輪的整體誤差進(jìn)行測量，得到錐齒輪的綜合運(yùn)動(dòng)精度、接觸斑點(diǎn)以及各單項(xiàng)幾何精度。因此，錐齒輪整體誤差測量法是前兩種測量方法的集成和發(fā)展。

隨著坐標(biāo)測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制與測量技術(shù)的發(fā)展，近年來對錐齒輪整體誤差測量技術(shù)的研究得到很快的發(fā)展。由于齒輪測量中心等圓柱式多坐標(biāo)多功能測量儀器的測量性能、數(shù)據(jù)處理能力的提高，錐齒輪的坐標(biāo)式幾何解析測量技術(shù)，已由單項(xiàng)幾何誤差測量發(fā)展到錐齒輪整體誤差測量，提高了錐齒輪設(shè)計(jì)、加工、精度質(zhì)量的檢測判定以及使用性能的預(yù)測等整個(gè)錐齒輪制造技術(shù)的水平。由我國自行開發(fā)、基于“可控點(diǎn)運(yùn)動(dòng)—幾何測量原理”的錐齒輪單面嚙合點(diǎn)掃描測量技術(shù)及基于該技術(shù)開發(fā)的錐齒輪整體誤差測量儀，也正在更多地走向生產(chǎn)第一線，使我國錐齒輪測量理論、測量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用得到了進(jìn)一步的提高和發(fā)展。

2 錐齒輪精度主要測量方法及儀器

2．1坐標(biāo)式幾何解析測量方法及儀器

    機(jī)械展成坐標(biāo)式直錐齒輪測量儀較早就有產(chǎn)品，以瑞士馬格KP42型為代表，精度很高但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。自1990年前后，CNC齒輪測量中心推向市場，坐標(biāo)式弧錐齒輪幾何形狀誤差測量方法才有了迅速發(fā)展并得到推廣應(yīng)用�，F(xiàn)今市場上國外的齒輪測量中心，無論是德國克林伯格的P63，還是美國格里森/馬爾的 GMX275、M＆M的西格馬3，都已具備了測量錐齒輪的功能。這些儀器都達(dá)到VDI/VDE等級規(guī)定的1級，空間測量不確定度在2微米以上；可對錐齒輪的單項(xiàng)幾何誤差進(jìn)行檢測，如齒距偏差（包括單個(gè)齒距偏差、齒距累計(jì)偏差、齒距累計(jì)總偏差）、齒廓偏差（包括齒廓總偏差、齒廓形狀偏差、齒廓傾斜偏差）、齒向偏差（包括齒向總偏差、齒向形狀偏差、齒向傾斜偏差）并可輸出三維齒面形狀偏差形貌圖等。

2．2 單面嚙合滾動(dòng)檢驗(yàn)綜合測量方法及儀器

    錐齒輪單面嚙合滾動(dòng)檢測方法在生產(chǎn)中已經(jīng)使用多年。以美國格里森N0.513滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)為例，在被測錐齒輪副單面嚙合的情況下，模擬其工作狀態(tài)，加以一定的速度和載荷，調(diào)整V/H，進(jìn)行著色接觸區(qū)（斑點(diǎn)）的檢測，以判定該被測錐齒輪副的接觸狀況；借助于加速度傳感器、拾音器測量其振動(dòng)和噪音，對齒頻諧波進(jìn)行掃描檢測。這種方法屬于“準(zhǔn)動(dòng)態(tài)”測量方法，它對于錐齒輪的精度檢測是不夠完整、不夠準(zhǔn)確的。而采用光電編碼器作為角度基準(zhǔn)、用于錐齒輪切向綜合精度檢測的錐齒輪單面嚙合檢查儀，如德國克林伯格公司的PSKE900，因其檢測項(xiàng)目單一，尤其難以根據(jù)檢測結(jié)果對錐齒輪加工機(jī)床參數(shù)的調(diào)整給以指導(dǎo)、以改進(jìn)錐齒輪加工質(zhì)量。性價(jià)比較差，故生產(chǎn)中不多采用。

近年來格里森公司推出的鳳凰500HCT數(shù)控錐齒輪滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)則同時(shí)具備了滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)和單面嚙合檢查儀的測量功能，既能測量錐齒輪的切向綜合誤差，又能數(shù)字化測量錐齒輪接觸區(qū)、進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)噪音分析等。該機(jī)型功能先進(jìn)，代表了該類產(chǎn)品當(dāng)代的發(fā)展水平，雖價(jià)格昂貴，但在國內(nèi)已有個(gè)別用戶。與此類似的還有克林伯格GKC60、奧立孔T50等數(shù)控錐齒輪檢驗(yàn)機(jī)。

2．3 整體誤差測量方法及儀器

    錐齒輪整體誤差測量是在同一個(gè)回轉(zhuǎn)角度位移坐標(biāo)上按嚙合順序?qū)㈠F齒輪工作齒面上各檢測點(diǎn)所測得的所有單項(xiàng)幾何誤差集成為一個(gè)錐齒輪整體誤差圖，并以此為基礎(chǔ)，完成對于錐齒輪單項(xiàng)幾何精度、綜合運(yùn)動(dòng)精度以及錐齒輪副接觸狀態(tài)的分析計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對于錐齒輪使用性能和質(zhì)量的評估和監(jiān)控。錐齒輪整體誤差測量方法和儀器，目前可分為二類三種。一類為坐標(biāo)式幾何解析測量法，該方法又分為“點(diǎn)到點(diǎn)測量法”和“點(diǎn)掃描測量法”，兩種方法采用的儀器都為CNC齒輪測量中心，但配用的測量軟件包有所不同；另一類為嚙合式運(yùn)動(dòng)幾何測量法（即嚙合式點(diǎn)掃描測量法，該方法為我國首創(chuàng)），所采用的儀器為錐齒輪單面嚙合檢查儀，配有專用的測量錐齒輪和測量軟件包。

（1）坐標(biāo)式點(diǎn)到點(diǎn)錐齒輪整體誤差的測量

    在齒輪測量中心上，用三維測頭沿錐齒輪的齒廓和齒向兩個(gè)方向，按預(yù)先確定的間距，對被測齒面各檢測點(diǎn)（通常為齒廓上5處、齒向上9處，共45點(diǎn)）的幾何形狀誤差進(jìn)行一點(diǎn)一點(diǎn)的測量。這種方法可以避免三維測頭和被測齒面間在測量時(shí)產(chǎn)生摩擦力而影響測量結(jié)果。該測量方法采用的是“直接測量” 原理，具體步驟為：首先根據(jù)錐齒輪加工機(jī)床的調(diào)整參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，通過計(jì)算得到被加工大、小錐齒輪理想加工齒面的幾何參數(shù)；將該齒面作為參照齒面，分別與實(shí)際加工（或經(jīng)熱處理后）的大、小齒輪的齒面進(jìn)行比較，測得實(shí)際齒面與理想齒面的幾何偏差。借助于專用的MATCH程序，確定相應(yīng)于被測實(shí)際齒面的假象機(jī)床加工參數(shù)；再按照嚙合模型進(jìn)行TCA分析，計(jì)算得到錐齒輪副的切向綜合偏差和接觸狀況，檢驗(yàn)是否滿足要求。如有必要，相應(yīng)軟件將根據(jù)測量結(jié)果，重新計(jì)算并調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，以便再次試切時(shí)，能加工出質(zhì)量更滿意的產(chǎn)品。

（2）坐標(biāo)式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差的測量

    日本大阪精機(jī)近來提出的、采用二維測頭對錐齒輪齒面進(jìn)行點(diǎn)掃描測量的方法，得到了可靠滿意的測量結(jié)果。該方法具有以下特點(diǎn)：通過控制工件的回轉(zhuǎn)、測頭的平行位移運(yùn)動(dòng)，避免了測頭與齒面間的摩擦力對測量的不利影響；由于采用掃描測量方式，測量區(qū)域可覆蓋整個(gè)齒面包括齒頂以及接近大、小端的區(qū)域；測量路徑可有多種選擇，通常齒形數(shù)及齒向數(shù)各為3條，共6條；每條掃描線上的采樣數(shù)可達(dá)113個(gè)點(diǎn)，由于采樣密度大，能夠反映齒面上的微小波紋度（該波紋往往是不悅耳噪音的主要來源，用常規(guī)的點(diǎn)到點(diǎn)測量方法難以測量）。該方法采用的是“共軛測量”原理，其具體步驟為：首先根據(jù)機(jī)床加工參數(shù)和刀具參數(shù)計(jì)算得到大齒輪理想加工齒面的幾何參數(shù)，計(jì)算出與它相共軛、無傳動(dòng)誤差的虛擬共軛小齒輪的齒面幾何參數(shù)；將實(shí)際加工的大齒輪齒面與理想加工大齒輪齒面進(jìn)行對比測量，檢測出齒廓及齒向上的相對偏差；將實(shí)際加工的小齒輪齒面與計(jì)算得到的虛擬共軛小齒輪齒面進(jìn)行對比測量，檢測出齒廓及齒向上的相對偏差。根據(jù)所測得的相對偏差，計(jì)算得到該錐齒輪副的三維齒面綜合偏差形貌圖、切向綜合偏差和接觸形態(tài)（包括接觸路徑，接觸區(qū)域形狀、大小位置等）。經(jīng)實(shí)物測量、比對驗(yàn)證，點(diǎn)到點(diǎn)測量法和點(diǎn)掃描測量法的測量計(jì)算結(jié)果是一致的。

（3）嚙合式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差的測量

    成都工具研究所提出的錐齒輪嚙合式點(diǎn)掃描測量法，是在錐齒輪單面嚙合檢查儀上，按設(shè)計(jì)安裝位置、采用特殊測量錐齒輪與被測錐齒輪進(jìn)行單面嚙合的滾動(dòng)測量。這種測量錐齒輪副的“基礎(chǔ)”幾何參數(shù)和被測錐齒輪副的幾何參數(shù)是完全一樣的。測量時(shí)采用腐蝕方法或粘貼方法，在大、小測量齒輪相間的輪齒上做成所需的齒廓或齒向測量棱線，通過測量錐齒輪的齒廓或齒向測量棱線與相配對的被測錐齒輪齒面接觸傳動(dòng)，完成錐齒輪的嚙合點(diǎn)掃描整體誤差測量。測量路徑數(shù)與測量齒輪齒數(shù)有關(guān)，一般為3+3共6條。錐齒輪嚙合式點(diǎn)掃描整體誤差測量采用的是“局部基準(zhǔn)相對測量”原理。具體測量步驟如下：根據(jù)錐齒輪副實(shí)際跑車/試車實(shí)驗(yàn)（或經(jīng)驗(yàn)），由廠方選出能最佳滿足使用要求的錐齒輪副作為“基準(zhǔn)”錐齒輪副（稱為局部基準(zhǔn)），它的切向綜合偏差、一齒切向綜合偏差及接觸區(qū)形態(tài)被確認(rèn)為評定該對錐齒輪副精度的主要參照指標(biāo)。測量錐齒輪和局部基準(zhǔn)錐齒輪相嚙合，在錐齒輪單面嚙合檢查儀上測得綜合齒廓偏差局—測(局部基準(zhǔn)錐齒輪副—測量基準(zhǔn)錐齒輪副，下同)、綜合齒向偏差局—測、切向綜合偏差局— 測、一齒綜合偏差局—測、接觸區(qū)形態(tài)局—測以及三維齒面綜合偏差形貌圖局—測等，并被確認(rèn)為批量錐齒輪檢測時(shí)評定該單個(gè)錐齒輪主要精度指標(biāo)的參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。被測工件錐齒輪和測量錐齒輪按同樣方法進(jìn)行測量，得到各項(xiàng)偏差的工件錐齒輪—測量錐齒輪數(shù)據(jù)；經(jīng)運(yùn)算得到相應(yīng)各項(xiàng)偏差工—局?jǐn)?shù)據(jù)（即工件錐齒輪相對于局部基準(zhǔn)錐齒輪的相應(yīng)各項(xiàng)精度指標(biāo)的偏差）。然后根據(jù)所測得的工—局偏差數(shù)據(jù)和制定的精度指標(biāo)公差范圍，來判定錐齒輪的質(zhì)量及可互換性水平。

    錐齒輪整體誤差測量方法簡便，快捷可靠，測量信息豐富，特別適用于大批量生產(chǎn)。由于測量時(shí)必須采用特殊測量齒輪，因此這種測量方法不宜用于單件小批量的測量。然而，由于錐齒輪整體誤差測量儀同時(shí)還具備錐齒輪滾動(dòng)檢查儀的功能，因此它完全可用于單件小批錐齒輪副綜合精度檢測及批量生產(chǎn)工件的試切及機(jī)床調(diào)試。

3 結(jié)語

    通過回顧近年來錐齒輪測量技術(shù)研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外錐齒輪整體誤差測量技術(shù)、方法及開發(fā)的相應(yīng)儀器。我國自行開發(fā)的嚙合式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差測量技術(shù)的不斷發(fā)展，已逐步得到國內(nèi)外同行的認(rèn)可；依據(jù)該技術(shù)開發(fā)的錐齒輪整體誤差測量儀正在推向生產(chǎn)一線并在測量實(shí)踐中繼續(xù)完善�？梢韵嘈�，依托嚙合式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差測量技術(shù)，建立錐齒輪批量產(chǎn)品精度數(shù)據(jù)庫，完全有可能根據(jù)使用要求采用計(jì)算機(jī)輔助測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)弧錐齒輪的自動(dòng)快速配對。