齒輪測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

齒輪測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:

　　1)在測(cè)量原理方面,實(shí)現(xiàn)了由“比較測(cè)量”到“嚙合運(yùn)動(dòng)測(cè)量”,直至“模型化測(cè)量”的發(fā)展。

　　2)在實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)自動(dòng)分析并將測(cè)量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。與此同時(shí),齒輪量?jī)x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(cè)量中心)的演變。

　　1　 機(jī)械展成式測(cè)量技術(shù)

　　20世紀(jì)70年代以前,齒輪測(cè)量原理主要以比較測(cè)量為主,其實(shí)質(zhì)是相對(duì)測(cè)量。具體方式有兩種:一是將被測(cè)齒輪與一標(biāo)準(zhǔn)齒輪進(jìn)行實(shí)物比較,從而得到各項(xiàng)誤差;二是展成測(cè)量法,就是將儀器的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形成的標(biāo)準(zhǔn)特征線與被測(cè)齒輪的實(shí)際特征線作比較,來確定相應(yīng)誤差;而精確的展成運(yùn)動(dòng)是借助一些精密機(jī)構(gòu)來實(shí)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(dòng)可用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。比較測(cè)量的主要缺點(diǎn)是:測(cè)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(gè)齒輪需要多臺(tái)儀器測(cè)量。

　　從20世紀(jì)20年代至60年代末,各國(guó)對(duì)機(jī)械展成式測(cè)量技術(shù)的研究歷經(jīng)了近半個(gè)世紀(jì)。早期著重于漸開線展成測(cè)量技術(shù)的研究,后來將展成測(cè)量思想移植到了螺旋線測(cè)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(duì)于齒廓誤差測(cè)量而言,機(jī)械展成式測(cè)量技術(shù)僅限于漸開線齒廓誤差測(cè)量上。對(duì)于非漸開線齒輪的端面齒廓測(cè)量,采用展成法測(cè)量是十分困難的,因?yàn)檎钩蓹C(jī)構(gòu)太復(fù)雜并且缺乏通用性。對(duì)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(dòng)精確地轉(zhuǎn)換為被測(cè)工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式各不相同。這種機(jī)構(gòu)在滾刀螺旋線測(cè)量上應(yīng)用最為典型,例如,德國(guó)Fet te公司生產(chǎn)的UWM型滾刀測(cè)量?jī)x, Zeiss廠生產(chǎn)的萬能滾刀測(cè)量?jī)x,前蘇聯(lián)ВНИИ設(shè)計(jì)的萬能型滾刀測(cè)量?jī)x,意大利Samputensili廠的Su - 130型滾刀測(cè)量?jī)x,美國(guó)Michigan公司生產(chǎn)的萬能滾刀測(cè)量?jī)x, Klingelnberg公司的PWF250/ 300 ,等等。

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

　　2　 齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)

　　1970年是齒輪測(cè)量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)和齒輪測(cè)量機(jī)(中心)的出現(xiàn)解決了齒輪測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)難題,即在一臺(tái)儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項(xiàng)技術(shù)雖然都基于現(xiàn)代光、機(jī)、電、計(jì)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(cè)量技術(shù)是從齒輪綜合測(cè)量中提取單項(xiàng)誤差和其他有用信息。1970年,我國(guó)在齒輪測(cè)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(cè)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(cè)量的方法現(xiàn)已成為傳動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)幾何測(cè)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(cè)對(duì)象作為一個(gè)剛性的功能元件或傳動(dòng)元件與另一標(biāo)準(zhǔn)元件作嚙合運(yùn)動(dòng),通過測(cè)量嚙合運(yùn)動(dòng)誤差來反求被測(cè)對(duì)象的誤差。其鮮明特點(diǎn)是:形象地反映齒輪嚙合傳動(dòng)過程并精確地揭示了齒輪單項(xiàng)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(dòng)態(tài)性能預(yù)報(bào)。采用這種方法的儀器測(cè)量效率高,適用于大批量生產(chǎn)中的零件檢測(cè)和在線分選測(cè)量。但該方法需要標(biāo)準(zhǔn)元件并且測(cè)量精度不僅與測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x、CSZ500錐齒輪測(cè)量機(jī)和CQB700擺線齒輪測(cè)量?jī)x。我國(guó)開發(fā)的錐齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)的專利已經(jīng)賣到德國(guó),德國(guó)也開發(fā)了圓柱齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)及其儀器。

3 　CNC坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)

　　“坐標(biāo)測(cè)量”是1959年夏季在法國(guó)巴黎召開的國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上由英國(guó)Ferranti公司首先提出的。這一概念的提出是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量概念的重大突破,其重要意義在于把對(duì)測(cè)量概念的理解從單純的“比較”引伸到“模型化測(cè)量”的新領(lǐng)域,從而推動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的蓬勃發(fā)展。對(duì)齒輪而言,從真正意義上講,坐標(biāo)化測(cè)量始于70年代初;之后,基于各種坐標(biāo)原理的齒輪測(cè)量技術(shù)一直是重要的研究課題。模型化坐標(biāo)測(cè)量原理的實(shí)質(zhì)是將被測(cè)零件作為一個(gè)純幾何體(相對(duì)“運(yùn)動(dòng)幾何法”而言) ,通過測(cè)量實(shí)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(cè)量法的特點(diǎn)是:通用性強(qiáng),主機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可達(dá)到很高的測(cè)量精度。齒輪測(cè)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(shí)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(cè)量齒輪,顯然,這種靜態(tài)測(cè)量方式不僅效率低,而且測(cè)量精度得不到保證。現(xiàn)代光電技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)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(cè)量法的優(yōu)越性提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。齒輪的CNC坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代的電子展成測(cè)量技術(shù)[13 ]。電子展成法是相對(duì)機(jī)械展成法而言的。所謂“電子展成”,即通過由計(jì)算機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置及傳動(dòng)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(shí)際運(yùn)動(dòng)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(cè)頭感受到的示值可直接作為被測(cè)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(duì)復(fù)雜,因此實(shí)際應(yīng)用中還有另一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),即開環(huán)驅(qū)動(dòng)加誤差補(bǔ)償(即“粗傳動(dòng)+補(bǔ)償”)。由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算誤差以及驅(qū)動(dòng)裝置與傳動(dòng)裝置等都存在誤差,開環(huán)電子展成系統(tǒng)中測(cè)頭運(yùn)動(dòng)軌跡不能直接作為測(cè)量基準(zhǔn),此時(shí),測(cè)頭示值中既有被測(cè)量的成份,也包含展成系統(tǒng)的誤差,因此,必須用位移檢測(cè)元件測(cè)出各相關(guān)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位移量,再由計(jì)算機(jī)將實(shí)際位移量和測(cè)頭的示值進(jìn)行合成,補(bǔ)償展成系統(tǒng)的誤差,得到被測(cè)齒面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo);然后,計(jì)算機(jī)將實(shí)際坐標(biāo)與被測(cè)量的理論模型進(jìn)行比較,才能得到被測(cè)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(cè)齒輪的理論方程進(jìn)行控制的。

　　90年代以后, CNC齒輪測(cè)量技術(shù)中出現(xiàn)了跟蹤測(cè)量法。它是按被測(cè)參數(shù)的實(shí)際值進(jìn)行控制的,可采用測(cè)頭跟蹤法和軸對(duì)軸跟蹤法。測(cè)頭跟蹤法是在測(cè)量過程中根據(jù)測(cè)頭的示值對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)軸的測(cè)量位置進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到測(cè)頭跟蹤被測(cè)齒面運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪的測(cè)量。軸對(duì)軸跟蹤法是根據(jù)一根坐標(biāo)軸的實(shí)際測(cè)量位置來調(diào)節(jié)其他坐標(biāo)軸的位置,以完成測(cè)量工作。跟蹤測(cè)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(cè)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(shí)際誤差超出測(cè)頭量程的情況。當(dāng)然,跟蹤法的測(cè)量效率相對(duì)較低。CNC坐標(biāo)測(cè)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(cè)量中也得到廣泛采用。70年代以來,坐標(biāo)測(cè)量法是齒輪測(cè)量技術(shù)的世界性主要潮流。

　　4 　 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與利用

　　在早期的齒輪測(cè)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(píng)判被檢項(xiàng)目合格與否;電動(dòng)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(jì)算機(jī)的采用使自動(dòng)處理測(cè)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(shí)。集專家系統(tǒng)、知識(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)處理方面,廣泛使用的是最小二乘法,同時(shí)數(shù)字濾波技術(shù)也得到應(yīng)用。雖然現(xiàn)代信號(hào)處理的一些方法已逐漸應(yīng)用于齒輪測(cè)量數(shù)據(jù)處理中,但尚未實(shí)用化。

　　5 　 其他齒輪測(cè)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(cè)量技術(shù)得到了一定發(fā)展[16 ],這種可稱為“并聯(lián)測(cè)量”的新方法代表著齒輪測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。