齒輪測量技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展

齒輪測量技術(shù)的發(fā)展,主要表現(xiàn)在三個方面:

　　1)在測量原理方面,實現(xiàn)了由“比較測量”到“嚙合運(yùn)動測量”,直至“模型化測量”的發(fā)展。

　　2)在實現(xiàn)測量原理的技術(shù)手段上,歷經(jīng)了“以機(jī)械為主”到“機(jī)電結(jié)合”,直至當(dāng)今的“光-機(jī)-電”與“信息技術(shù)”綜合集成的演變。

　　3)在測量結(jié)果的表述與利用方面,歷經(jīng)了從“指示表加肉眼讀取”,到“記錄器記錄加人工研判”,直至“計算機(jī)自動分析并將測量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。與此同時,齒輪量儀經(jīng)歷了從單品種單參數(shù)儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀) ,單品種多參數(shù)儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀) ,到多品種多參數(shù)儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。

　　1　 機(jī)械展成式測量技術(shù)

　　20世紀(jì)70年代以前,齒輪測量原理主要以比較測量為主,其實質(zhì)是相對測量。具體方式有兩種:一是將被測齒輪與一標(biāo)準(zhǔn)齒輪進(jìn)行實物比較,從而得到各項誤差;二是展成測量法,就是將儀器的運(yùn)動機(jī)構(gòu)形成的標(biāo)準(zhǔn)特征線與被測齒輪的實際特征線作比較,來確定相應(yīng)誤差;而精確的展成運(yùn)動是借助一些精密機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的。不同的特征線需要不同的展成機(jī)構(gòu),同一展成運(yùn)動可用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。比較測量的主要缺點(diǎn)是:測量精度依賴于標(biāo)準(zhǔn)件或展成機(jī)構(gòu)的精度,機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,柔性較差,同一個齒輪需要多臺儀器測量。

　　從20世紀(jì)20年代至60年代末,各國對機(jī)械展成式測量技術(shù)的研究歷經(jīng)了近半個世紀(jì)。早期著重于漸開線展成測量技術(shù)的研究,后來將展成測量思想移植到了螺旋線測量上,先后開發(fā)出多種機(jī)械式漸開線展成機(jī)構(gòu),如單盤式、圓盤杠桿式、正弦杠桿式、靠模式等。尤以圓盤杠桿式應(yīng)用最廣,屬于這一類的儀器有: Zeiss V G450 , Carl Mahr 890和891S , MAAG SP60和HP100 ,大阪精機(jī)GC -4H和GC - 6H以及哈量3201。對于齒廓誤差測量而言,機(jī)械展成式測量技術(shù)僅限于漸開線齒廓誤差測量上。對于非漸開線齒輪的端面齒廓測量,采用展成法測量是十分困難的,因為展成機(jī)構(gòu)太復(fù)雜并且缺乏通用性。對于精確的螺旋展成機(jī)構(gòu),主要采用正弦尺原理,只是如何將正弦尺的直線運(yùn)動精確地轉(zhuǎn)換為被測工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動的方式各不相同。這種機(jī)構(gòu)在滾刀螺旋線測量上應(yīng)用最為典型,例如,德國Fet te公司生產(chǎn)的UWM型滾刀測量儀, Zeiss廠生產(chǎn)的萬能滾刀測量儀,前蘇聯(lián)ВНИИ設(shè)計的萬能型滾刀測量儀,意大利Samputensili廠的Su - 130型滾刀測量儀,美國Michigan公司生產(chǎn)的萬能滾刀測量儀, Klingelnberg公司的PWF250/ 300 ,等等。

　　20世紀(jì)70年代以前,機(jī)械展成式測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟,并在生產(chǎn)實踐中經(jīng)受了考驗。迄今,基于這些技術(shù)的儀器仍是一些工廠檢測齒輪的常用工具。但70年代以后,隨著電子展成式測量技術(shù)的出現(xiàn),機(jī)械展成式測量技術(shù)的發(fā)展宣告終結(jié)。

　　2　 齒輪整體誤差測量技術(shù)

　　1970年是齒輪測量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機(jī)(中心)的出現(xiàn)解決了齒輪測量領(lǐng)域的一個難題,即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項技術(shù)雖然都基于現(xiàn)代光、機(jī)、電、計算機(jī)等技術(shù),但走上了不同的技術(shù)路線。齒輪整體誤差測量技術(shù)是從齒輪綜合測量中提取單項誤差和其他有用信息。1970年,我國在齒輪測量技術(shù)方面取得突破,發(fā)明了基于“跳牙”蝸桿的齒輪整體誤差測量原理。

　　經(jīng)過30多年的完善與推廣[11 ],這種起源于漸開線圓柱齒輪測量的方法現(xiàn)已成為傳動元件的運(yùn)動幾何測量法[12 ],采用的標(biāo)準(zhǔn)元件也從蝸桿擴(kuò)展到齒輪、齒條等。其基本思想是,將被測對象作為一個剛性的功能元件或傳動元件與另一標(biāo)準(zhǔn)元件作嚙合運(yùn)動,通過測量嚙合運(yùn)動誤差來反求被測對象的誤差。其鮮明特點(diǎn)是:形象地反映齒輪嚙合傳動過程并精確地揭示了齒輪單項誤差的變化規(guī)律以及誤差間的關(guān)系,特別適合于齒輪工藝誤差分析和動態(tài)性能預(yù)報。采用這種方法的儀器測量效率高,適用于大批量生產(chǎn)中的零件檢測和在線分選測量。但該方法需要標(biāo)準(zhǔn)元件并且測量精度不僅與測量儀器相關(guān),更取決于標(biāo)準(zhǔn)元件的精度。典型儀器是成都工具研究所生產(chǎn)的CZ450齒輪整體誤差測量儀、CSZ500錐齒輪測量機(jī)和CQB700擺線齒輪測量儀。我國開發(fā)的錐齒輪整體誤差測量技術(shù)的專利已經(jīng)賣到德國,德國也開發(fā)了圓柱齒輪整體誤差測量技術(shù)及其儀器。

3 　CNC坐標(biāo)測量技術(shù)

　　“坐標(biāo)測量”是1959年夏季在法國巴黎召開的國際機(jī)床博覽會上由英國Ferranti公司首先提出的。這一概念的提出是對傳統(tǒng)測量概念的重大突破,其重要意義在于把對測量概念的理解從單純的“比較”引伸到“模型化測量”的新領(lǐng)域,從而推動了測量技術(shù)的蓬勃發(fā)展。對齒輪而言,從真正意義上講,坐標(biāo)化測量始于70年代初;之后,基于各種坐標(biāo)原理的齒輪測量技術(shù)一直是重要的研究課題。模型化坐標(biāo)測量原理的實質(zhì)是將被測零件作為一個純幾何體(相對“運(yùn)動幾何法”而言) ,通過測量實際零件的坐標(biāo)值(直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)等) ,并與理想要素的數(shù)學(xué)模型作比較,從而確定相應(yīng)的誤差。坐標(biāo)測量法的特點(diǎn)是:通用性強(qiáng),主機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,可達(dá)到很高的測量精度。齒輪測量坐標(biāo)法細(xì)分為直角坐標(biāo)法、極坐標(biāo)法和圓柱坐標(biāo)法。實現(xiàn)坐標(biāo)法有多種形式,如用萬能工具顯微鏡與分度頭的組合也可以用來測量齒輪,顯然,這種靜態(tài)測量方式不僅效率低,而且測量精度得不到保證。現(xiàn)代光電技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件工程、精密機(jī)械等技術(shù)的發(fā)展才真正為坐標(biāo)測量法的優(yōu)越性提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。齒輪的CNC坐標(biāo)測量技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代的電子展成測量技術(shù)[13 ]。電子展成法是相對機(jī)械展成法而言的。所謂“電子展成”,即通過由計算機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動裝置及傳動裝置組成的展成系統(tǒng),取代機(jī)械展成法中的展成裝置,形成某種特定曲線軌跡(如螺旋線、齒廓線等)[14 ]。

　　20世紀(jì)70年代以來,電子展成經(jīng)歷了從NC到CNC的發(fā)展過程。目前的CNC展成根據(jù)實際運(yùn)動軌跡可分為兩種,一種是展成系統(tǒng)形成一條非常標(biāo)準(zhǔn)的理論軌跡,測頭感受到的示值可直接作為被測齒輪的誤差。這種展成系統(tǒng)可由閉環(huán)控制系統(tǒng)或混合型(半閉環(huán))控制系統(tǒng)來完成。由于形成理論標(biāo)準(zhǔn)軌跡的系統(tǒng)相對復(fù)雜,因此實際應(yīng)用中還有另一種驅(qū)動系統(tǒng),即開環(huán)驅(qū)動加誤差補(bǔ)償(即“粗傳動+補(bǔ)償”)。由于計算機(jī)的計算誤差以及驅(qū)動裝置與傳動裝置等都存在誤差,開環(huán)電子展成系統(tǒng)中測頭運(yùn)動軌跡不能直接作為測量基準(zhǔn),此時,測頭示值中既有被測量的成份,也包含展成系統(tǒng)的誤差,因此,必須用位移檢測元件測出各相關(guān)運(yùn)動的實際位移量,再由計算機(jī)將實際位移量和測頭的示值進(jìn)行合成,補(bǔ)償展成系統(tǒng)的誤差,得到被測齒面上對應(yīng)點(diǎn)的實際坐標(biāo);然后,計算機(jī)將實際坐標(biāo)與被測量的理論模型進(jìn)行比較,才能得到被測量的誤差,這就是“非標(biāo)準(zhǔn)軌跡的電子展成法”[15 ]。電子展成法一般是按被測齒輪的理論方程進(jìn)行控制的。

　　90年代以后, CNC齒輪測量技術(shù)中出現(xiàn)了跟蹤測量法。它是按被測參數(shù)的實際值進(jìn)行控制的,可采用測頭跟蹤法和軸對軸跟蹤法。測頭跟蹤法是在測量過程中根據(jù)測頭的示值對相應(yīng)坐標(biāo)軸的測量位置進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到測頭跟蹤被測齒面運(yùn)動,實現(xiàn)對齒輪的測量。軸對軸跟蹤法是根據(jù)一根坐標(biāo)軸的實際測量位置來調(diào)節(jié)其他坐標(biāo)軸的位置,以完成測量工作。跟蹤測量法不僅可以減少控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),而且有較大的測量靈活性,適合參數(shù)未知曲面,或雖然理論方程已知但工件實際誤差超出測頭量程的情況。當(dāng)然,跟蹤法的測量效率相對較低。CNC坐標(biāo)測量技術(shù)在齒輪刀具、蝸輪蝸桿、錐齒輪、小模數(shù)齒輪、大齒輪和齒輪在線測量中也得到廣泛采用。70年代以來,坐標(biāo)測量法是齒輪測量技術(shù)的世界性主要潮流。

　　4 　 測量數(shù)據(jù)的處理與利用

　　在早期的齒輪測量中,人工讀指示表(如千分表等)獲取齒輪誤差,得到的是誤差幅值,僅僅能用來評判被檢項目合格與否;電動記錄器的出現(xiàn),靠人工讀曲線,使工藝誤差分析成為可能;計算機(jī)的采用使自動處理測量結(jié)果、分析工藝誤差并將分析結(jié)果反饋到加工系統(tǒng)進(jìn)而修正加工參數(shù)成為現(xiàn)實。集專家系統(tǒng)、知識工程于一體的齒輪誤差智能分析系統(tǒng)也開始得到應(yīng)用。迄今,在齒輪測量數(shù)據(jù)處理方面,廣泛使用的是最小二乘法,同時數(shù)字濾波技術(shù)也得到應(yīng)用。雖然現(xiàn)代信號處理的一些方法已逐漸應(yīng)用于齒輪測量數(shù)據(jù)處理中,但尚未實用化。

　　5 　 其他齒輪測量技術(shù)

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代,基于各種光學(xué)原理(特別是相移原理)的非接觸式齒輪測量技術(shù)得到了一定發(fā)展[16 ],這種可稱為“并聯(lián)測量”的新方法代表著齒輪測量技術(shù)發(fā)展的一個新方向。