齒輪測量技術(shù)的發(fā)展歷程

1 　起源與歷程

　　齒輪的應(yīng)用有著悠久的歷史,而齒輪的科學研究卻始于17世紀M1Camus發(fā)現(xiàn)齒輪傳動的節(jié)點原理; 1765年, LlEuler將漸開線齒形引入齒輪,100多年后, Fellows等人應(yīng)用范成法高效地生產(chǎn)出漸開線齒輪,從此漸開線齒輪得到了廣泛應(yīng)用。由于制造與安裝等方面的原因,實際齒輪總是存在著誤差。這種誤差對傳動系統(tǒng)的精度與動態(tài)特性(特別是振動與噪聲)有直接的影響。因此,如何表征、測量、分析、利用和控制齒輪誤差一直是不斷探索的課題。齒輪測量的基礎(chǔ)是齒輪精度理論[1 ]。

　　齒輪測量技術(shù)的發(fā)展歷程是以齒輪精度理論的發(fā)展為前提的。齒輪精度理論的發(fā)展實質(zhì)上反映了人們對齒輪誤差認識的深化。迄今,齒輪精度理論經(jīng)歷了齒輪誤差幾何學理論、齒輪誤差運動學理論和齒輪誤差動力學理論的發(fā)展過程。其中,齒輪誤差動力學理論還處在探索中。第一種理論將齒輪看作純幾何體,認為齒輪是一些空間曲面的組合,任一曲面都可由三維空間中點的坐標來描述,實際曲面上點的位置和理論位置的偏差即為齒輪誤差。第二種理論將齒輪看作剛體,認為齒輪不僅僅是幾何體,也是個傳動件,并認為齒輪誤差在嚙合運動中是通過嚙合線方向影響傳動特性的,因此嚙合運動誤差反映了齒面誤差信息。第三種理論將齒輪看作彈性體,對齒廓進行修形,“有意地”引入誤差,用于補償輪齒承載后的彈性變形,從而獲取最佳動態(tài)性能,由此形成了齒輪動態(tài)精度的新概念。齒輪精度理論的發(fā)展,導(dǎo)致了齒輪精度標準的不斷豐富和更新,如傳動誤差、設(shè)計齒廓的引入等。反過來,齒輪測量技術(shù)的發(fā)展也為齒輪精度理論的應(yīng)用和齒輪標準的貫徹提供了技術(shù)支撐。齒輪測量技術(shù)及其儀器的研發(fā)已有近百年的歷史。在這不短的發(fā)展歷程中,有6件標志性事情:

　　1) 1923年,德國Zeiss公司在世界上首次研制成功一種稱為“Tooth Surface Tester”的儀器,它實際上是機械展成式萬能漸開線檢查儀。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過改進, Zeiss公司于1925年推出了實用型儀器,并投入市場。該儀器的長度基準采用了光學玻璃線紋尺,其線距為1μm。該儀器的問世,標志著齒輪精密測量的開始。在我國得到廣泛使用的V G450就是該儀器的改進型。

　　2) 50年代初,機械展成式萬能螺旋線檢查儀的出現(xiàn),標志著全面控制齒輪質(zhì)量成為現(xiàn)實。

　　3) 1965年,英國研制出光柵式單嚙儀,標志著高精度測量齒輪動態(tài)性能成為可能。

　　4) 1970年,以黃潼年為主的中國工程師研發(fā)的齒輪整體誤差測量技術(shù),標志著運動幾何法測量齒輪的開始。

　　5) 1970年,美國Fellows公司在芝加哥博覽會展出Microlog 50 ,標志著數(shù)控齒輪測量中心的開始。

　　6) 80年代末,日本大阪精機推出基于光學全息原理的非接觸齒面分析機FS - 35 ,標志著齒輪非接觸測量法的開始。

　　2 　齒輪測量技術(shù)的演變

　　整體上考察過去一個世紀里齒輪測量技術(shù)的發(fā)展,主要表現(xiàn)在三個方面[8 ]:

　　1)在測量原理方面,實現(xiàn)了由“比較測量”到“嚙合運動測量”,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“以機械為主”到“機電結(jié)合”,直至當今的“光-機-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。

　　2.1　 機械展成式測量技術(shù)[ 9]

　　20世紀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準齒輪進行實物比較,從而得到各項誤差;二是展成測量法,就是將儀器的運動機構(gòu)形成的標準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;而精確的展成運動是借助一些精密機構(gòu)來實現(xiàn)的。不同的特征線需要不同的展成機構(gòu),同一展成運動可用不同的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。比較測量的主要缺點是:測量精度依賴于標準件或展成機構(gòu)的精度,機械結(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20年代至60年代末,各國對機械展成式測量技術(shù)的研究歷經(jīng)了近半個世紀。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)出多種機械式漸開線展成機構(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GC -4H和GC - 6H以及哈量3201。對于齒廓誤差測量而言,機械展成式測量技術(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,因為展成機構(gòu)太復(fù)雜并且缺乏通用性。對于精確的螺旋展成機構(gòu),主要采用正弦尺原理,只是如何將正弦尺的直線運動精確地轉(zhuǎn)換為被測工件的回轉(zhuǎn)運動的方式各不相同。這種機構(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70年代以前,機械展成式測量技術(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),機械展成式測量技術(shù)的發(fā)展宣告終結(jié)。

　　2.2 　 齒輪整體誤差測量技術(shù)[ 10]

　　1970年是齒輪測量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點。齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機(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、電、計算機等技術(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動幾何測量法[12 ],采用的標準元件也從蝸桿擴展到齒輪、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準元件作嚙合運動,通過測量嚙合運動誤差來反求被測對象的誤差。其鮮明特點是: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。但該方法需要標準元件并且測量精度不僅與測量儀器相關(guān),更取決于標準元件的精度。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。

2.3 　CNC坐標測量技術(shù)

　　“坐標測量”是1959年夏季在法國巴黎召開的國際機床博覽會上由英國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,坐標化測量始于70年代初;之后,基于各種坐標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“運動幾何法”而言) ,通過測量實際零件的坐標值(直角坐標、極坐標、圓柱坐標等) ,并與理想要素的數(shù)學模型作比較,從而確定相應(yīng)的誤差。坐標測量法的特點是:通用性強,主機結(jié)構(gòu)簡單,可達到很高的測量精度。齒輪測量坐標法細分為直角坐標法、極坐標法和圓柱坐標法。實現(xiàn)坐標法有多種形式,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)、計算機技術(shù)、軟件工程、精密機械等技術(shù)的發(fā)展才真正為坐標測量法的優(yōu)越性提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。齒輪的CNC坐標測量技術(shù)起源于20世紀70年代的電子展成測量技術(shù)[13 ]。電子展成法是相對機械展成法而言的。所謂“電子展成”,即通過由計算機、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)實際運動軌跡可分為兩種,一種是展成系統(tǒng)形成一條非常標準的理論軌跡,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。由于形成理論標準軌跡的系統(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)動加誤差補償(即“粗傳動+補償”)。由于計算機的計算誤差以及驅(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)中測頭運動軌跡不能直接作為測量基準,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)運動的實際位移量,再由計算機將實際位移量和測頭的示值進行合成,補償展成系統(tǒng)的誤差,得到被測齒面上對應(yīng)點的實際坐標;然后,計算機將實際坐標與被測量的理論模型進行比較,才能得到被測量的誤差,這就是“非標準軌跡的電子展成法”[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)坐標軸的測量位置進行調(diào)節(jié),達到測頭跟蹤被測齒面運動,實現(xiàn)對齒輪的測量。軸對軸跟蹤法是根據(jù)一根坐標軸的實際測量位置來調(diào)節(jié)其他坐標軸的位置,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。當然,跟蹤法的測量效率相對較低。CNC坐標測量技術(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,坐標測量法是齒輪測量技術(shù)的世界性主要潮流。

　　2.4 　 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。

　　2.5 　 其他齒輪測量技術(shù)

　　進入20世紀90年代,基于各種光學原理(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。

　　3 　CNC齒輪測量中心及其特點[17～18 ]

　　齒輪測量中心采用坐標測量原理,實際上是圓柱(極)坐標測量機。迄今已有美國、德國、日本、瑞士、中國、意大利等幾個國家生產(chǎn)CNC齒輪測量中心。國產(chǎn)的典型產(chǎn)品是哈量的3903型齒輪測量中心;國外的典型產(chǎn)品是Klingelnberg的P系列, M &M公司的3000系列。各國的齒輪測量中心雖然原理上大同小異、功能相近,但實現(xiàn)方式卻存在一定差異。主要表現(xiàn)在四個方面:

　　1)在測量傳感器等方面,測角一般采用高精度圓光柵,但測長因被測對象不同而有差異。精度要求很高的齒輪或很長的工件,一般采用雙頻(或單頻)激光干涉儀作長度基準(如測量漸開線或螺旋線樣板等) ;其他情況,則采用高精度長光柵。

　　2)在機械系統(tǒng)的精度方面,高精度的軸系(氣浮軸系)是必須的;而直線導(dǎo)軌的精度有靠機械精度保證的,也有采用誤差修正技術(shù)達到的。

　　3)在數(shù)控系統(tǒng)方面, 70年代常為NC開環(huán)控制; 80年代后,全為CNC控制,大多采用直流伺服電機或步進電機。目前已有采用交流伺服系統(tǒng)或直線電機的。

　　4)在測頭方面,有電感式的,也有光柵式的;有一維的,也有三維的,甚至有剛性的。剛性測頭是不帶測微傳感器的。若采用剛性測頭,則儀器通常是專用的。齒輪測量中心一般由主機、CNC數(shù)控單元、數(shù)據(jù)采集單元、機間通訊接口、計算機及外設(shè)、測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。當今最新的CNC齒輪測量中心的主要特點是:

　　1)在性能上是高效率、高精度、易操作的,所采取的措施有精密機械的優(yōu)化設(shè)計, 32位的CNC 4或5軸數(shù)控系統(tǒng),直線電機,三維測頭和誤差修正技術(shù)。

　　2)在功能上,包括齒輪(內(nèi)、外)、齒輪刀具(滾刀、插齒刀、剃齒刀)、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、螺桿、凸齒輪、拉刀等回轉(zhuǎn)類零件的主要誤差項目測量;軸類零件形位公差測量;強大的分析功能,如接觸分析、工藝誤差分析、齒根形狀分析、參數(shù)反求等;可耦合到加工系統(tǒng)中,實時數(shù)據(jù)通信。

　　3)在可維修性方面,能故障自診斷、網(wǎng)絡(luò)遠程故障診斷。

　　4)在可升級性方面,包括軟件的可升級和硬件的可升級。與機械展成式測量儀器相比, CNC齒輪測量中心的優(yōu)點是不言而喻的,其質(zhì)的飛躍是為任意形狀的齒廓測量提供了可能,而不僅僅局限于漸開線或直線齒廓。錐齒輪、K蝸桿(滾刀)、C蝸桿(滾刀)的測量就是明證。CNC齒輪測量中心為測控非線性螺旋曲面提供了工具

　　4 　 潮流與展望

　　20世紀90年代以來,在世界范圍內(nèi),齒輪測量技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了值得注意的幾股潮流:

　　1)齒輪整體誤差測量與齒輪坐標測量合二為一。我國推出了既有標準蝸桿又有測頭的齒輪測量機CZN450 ;而國外的CNC齒輪測量中心也能給出“虛擬整體誤差”。

　　2)齒輪測量中心與三坐標測量機合二為一。美國TSK公司的Radiance和Process EquipmentCompany的ND430就是按這種理念研制的。

　　3)功能測試與分析測試合二為一。簡化齒輪測量是發(fā)展趨勢[19 ],齒輪整體誤差測量儀因高效率地給出齒輪全信息而會為世界接受。

　　4)齒輪加工與測量合二為一(一體化)。自從1988年MAAG公司在CNC齒輪磨床SE202E上耦合CNC齒輪測量技術(shù)以來,齒輪在機測量技術(shù)在齒輪磨床上得到普通采用。展望未來,與齒輪測量技術(shù)相關(guān)的研發(fā)重點包括:齒輪非接觸絕對測量技術(shù);齒輪虛擬測量技術(shù)[20 ];齒輪的網(wǎng)絡(luò)化測量與診斷技術(shù);基于實測結(jié)果的齒輪性能虛擬分析技術(shù)(智能配對、動力學性能預(yù)報等) ;齒輪整體誤差測量技術(shù)的進一步發(fā)展(指標量化、性能優(yōu)化等) ;齒輪誤差的智能分析技術(shù);齒輪統(tǒng)計誤差概念體系的建立及其相應(yīng)的測量技術(shù);生產(chǎn)現(xiàn)場的齒輪高速分選測量與分析技術(shù)(目前ITW的Model4823為450～600件/ h ;目標為800件/ h) ;精密機械、光電技術(shù)、微電子技術(shù)、軟件工程等技術(shù)在齒輪量儀上的應(yīng)用。