齒輪測量技術的發展的發展

齒輪測量技術的發展,主要表現在三個方面:

　　1)在測量原理方面,實現了由“比較測量”到“嚙合運動測量”,直至“模型化測量”的發展。

　　2)在實現測量原理的技術手段上,歷經了“以機械為主”到“機電結合”,直至當今的“光-機-電”與“信息技術”綜合集成的演變。

　　3)在測量結果的表述與利用方面,歷經了從“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果反饋到制造系統”的飛躍。與此同時,齒輪量儀經歷了從單品種單參數儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀) ,單品種多參數儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀) ,到多品種多參數儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。

　　1　 機械展成式測量技術

　　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,來確定相應誤差;而精確的展成運動是借助一些精密機構來實現的。不同的特征線需要不同的展成機構,同一展成運動可用不同的機械結構來實現。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的精度,機械結構復雜,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的研究歷經了近半個世紀。早期著重于漸開線展成測量技術的研究,后來將展成測量思想移植到了螺旋線測量上,先后開發出多種機械式漸開線展成機構,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,因為展成機構太復雜并且缺乏通用性。對于精確的螺旋展成機構,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換為被測工件的回轉運動的方式各不相同。這種機構在滾刀螺旋線測量上應用最為典型,例如,德國Fet te公司生產的UWM型滾刀測量儀, Zeiss廠生產的萬能滾刀測量儀,前蘇聯ВНИИ設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已經發展成熟,并在生產實踐中經受了考驗。迄今,基于這些技術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的出現,機械展成式測量技術的發展宣告終結。

　　2　 齒輪整體誤差測量技術

　　1970年是齒輪測量技術的轉折點。齒輪整體誤差測量技術和齒輪測量機(中心)的出現解決了齒輪測量領域的一個難題,即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項技術雖然都基于現代光、機、電、計算機等技術,但走上了不同的技術路線。齒輪整體誤差測量技術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方面取得突破,發明了基于“跳牙”蝸桿的齒輪整體誤差測量原理。

　　經過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律以及誤差間的關系,特別適合于齒輪工藝誤差分析和動態性能預報。采用這種方法的儀器測量效率高,適用于大批量生產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,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。我國開發的錐齒輪整體誤差測量技術的專利已經賣到德國,德國也開發了圓柱齒輪整體誤差測量技術及其儀器。

3 　CNC坐標測量技術

　　“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”的新領域,從而推動了測量技術的蓬勃發展。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一直是重要的研究課題。模型化坐標測量原理的實質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) ,并與理想要素的數學模型作比較,從而確定相應的誤差。坐標測量法的特點是:通用性強,主機結構簡單,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,這種靜態測量方式不僅效率低,而且測量精度得不到保證?，F代光電技術、微電子技術、計算機技術、軟件工程、精密機械等技術的發展才真正為坐標測量法的優越性提供了堅實的技術基礎。齒輪的CNC坐標測量技術起源于20世紀70年代的電子展成測量技術[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、伺服驅動裝置及傳動裝置組成的展成系統,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,電子展成經歷了從NC到CNC的發展過程。目前的CNC展成根據實際運動軌跡可分為兩種,一種是展成系統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。這種展成系統可由閉環控制系統或混合型(半閉環)控制系統來完成。由于形成理論標準軌跡的系統相對復雜,因此實際應用中還有另一種驅動系統,即開環驅動加誤差補償(即“粗傳動+補償”)。由于計算機的計算誤差以及驅動裝置與傳動裝置等都存在誤差,開環電子展成系統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,也包含展成系統的誤差,因此,必須用位移檢測元件測出各相關運動的實際位移量,再由計算機將實際位移量和測頭的示值進行合成,補償展成系統的誤差,得到被測齒面上對應點的實際坐標;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齒輪測量技術中出現了跟蹤測量法。它是按被測參數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測頭的示值對相應坐標軸的測量位置進行調節,達到測頭跟蹤被測齒面運動,實現對齒輪的測量。軸對軸跟蹤法是根據一根坐標軸的實際測量位置來調節其他坐標軸的位置,以完成測量工作。跟蹤測量法不僅可以減少控制調節環節,而且有較大的測量靈活性,適合參數未知曲面,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坐標測量技術在齒輪刀具、蝸輪蝸桿、錐齒輪、小模數齒輪、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的世界性主要潮流。

　　4 　 測量數據的處理與利用

　　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,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果、分析工藝誤差并將分析結果反饋到加工系統進而修正加工參數成為現實。集專家系統、知識工程于一體的齒輪誤差智能分析系統也開始得到應用。迄今,在齒輪測量數據處理方面,廣泛使用的是最小二乘法,同時數字濾波技術也得到應用。雖然現代信號處理的一些方法已逐漸應用于齒輪測量數據處理中,但尚未實用化。

　　5 　 其他齒輪測量技術

　　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得到了一定發展[16 ],這種可稱為“并聯測量”的新方法代表著齒輪測量技術發展的一個新方向。