CN101357444A - 刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪 - Google Patents
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本发明是一种刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪。它解决了直径≥2.5米的大型齿轮测量中遇到的测量基准选择困难、齿轮惯性大、测量效率低等难点。它包括：机械系统和控制系统，线位移精密测量系统的垂直机架安装在齿轮加工机床的刀架或特制的辅助支撑架上，水平支架上装有切向测量导轨，切向光栅和测头基座，测头基座上安装刃边齿条测头，垂直机架上安装轴向导轨和轴向光栅，切向导轨顶端平面为辅助基准面，角位移精密测量系统的圆光栅共同安装在轴上，摩擦圆盘与滚齿机工作台对压，摩擦圆盘安装在可动支架上，通过下部滑块及导轨与底座连接，利用空心轴上的压缩弹簧保证摩擦圆盘与滚齿机工作台的接触。
Description
技术领域
本发明涉及成套设备中大型齿轮测量的技术领域，确切的说是刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的方法及其在机测量仪。
背景技术
齿轮测量技术在齿轮制造中占有很重要的地位，没有先进的检测技术和仪器，不可能制造出性能优良、高质量、高精度的齿轮。
大型齿轮的测量方式通常有两种，一是在专用齿轮测量仪上进行测量，二是就地或在机测量。第二种测量方式，按其测量的形式，还可分为上置式量仪和在机式量仪。对于直径≥2.5米的大型齿轮的偏差项目进行检测，利用专用的台式量仪是不具有可行性的。解决的办法是采用上置式量仪或在机测量。而前者的测量精度较低，而且不易分析齿轮加工过程中误差成因的工艺因素；况且目前尚不易解决斜齿轮的螺旋线偏差测量。在机式量仪不仅克服了台式量仪测量大型齿轮的局限性，同时克服了上置式量仪测量精度低、不利于齿轮加工的工艺因素分析的特点。但常规在机式量仪受加工机床的限制，如机床的原始误差影响测量精度、测量条件与测量环境等问题的影响，测量精度、实施措施仍有待于进一步提高。
中国专利申请号CN85102874A发明名称为“就地测量大齿轮齿形精度的方法”，其说明书中提到“1981年东京国际齿轮及动力传动学术讨论会论文集中一篇题为‘一种新的大齿轮测量系统’的文章提出了一种就地测量系统，该系统对大齿轮齿形精度的测量是通过在滚齿机上加上几部分辅助系统来实现的，辅助系统包括将直径2200毫米的超大型环形磁尺安装在滚齿机工作台上被加工齿轮的外圆表面，用以测量被测齿轮的角位移，一个齿形传感器，用于测量在齿轮基圆切线方向运动的角位移，一个控制和数据处理装置，控制自动测量和计算误差。该系统实现了在滚齿机床上就地自动测量大齿轮的精度，但在测齿轮角位移时，为避开由于被测齿轮尺寸大引起结构上和精度上测量的困难，没有采用现成的角位移传感器，而是特制了一个超大型环形磁尺与工作台合为一体，这种超大型磁尺的制造、安装、录磁、调整等工艺相对于采用现成的角位移传感器来说要困难的多，而且难以做成一个附件在车床、磨床等其它类型加工齿轮的机床上通用，另外特别重要的是，就地测量是在加工机床上进行的，测量的齿形误差中包含了机床的回转误差，上述误差系统没有设法消除这种误差的影响，这种测量结果的可靠性在很大程度上要依赖于机床的回转精度，而对一般机床来说，回转误差对所测的齿形误差的影响是不能忽略的。
在机测量大齿轮的齿廓偏差与螺旋线偏差中，由于齿轮的重量大而产生的惯性大，致使测量过程中产生相应的麻烦，如完成一个轮齿廓面的齿廓偏差或螺旋线偏差的测量后，想要测量其相邻廓面的偏差时就很困难。因为测量过程是从齿轮开始转动到测头划出齿顶，或测头从轮齿的一端走到另一端。由于齿轮惯性大，完成一个轮齿的测量后，即使停止工作台的回转，其位置已经不在测头的正确位置，需重新调整正确位置，才能开始一个齿轮廓面的测量，且由于齿轮模数大，点测头沿基圆切线展开时行程长，致使量仪结构大。而在螺旋线偏差的测量中，采用点测头随齿轮转动同步跟踪的测量，当角度信号发出，转变为伺服电机的驱动信号，电机旋转由滚珠丝杠带动测头位移时总是存在着滞后的问题，尤其在螺旋角较小的情况下，影响更突出。即使具有较强刚度的点测头，在测量中，由于点测头与廓面的接触点的实际位置和理论位置不一致，也会对齿轮精度测量产生影响，且点测头在测量时，由于大型齿轮的惯性大，存在不安全因素，点测头容易折断。
发明内容
为了克服直径≥2.5米的大型齿轮测量中遇到的测量基准选择困难、齿轮惯性大、测量效率低、测量条件差等难点，本发明提供刃边齿条测头在机测量大齿轮综合偏差的方法及其在机测量仪。
本发明在机测量仪由机械系统和控制系统组成，利用机床刀架(或特制的辅助支撑架)作为测量装置的安装定位支撑，机床刀架的垂直运动，径向运动及刀架转动实现测量装置调整定位，利用滚齿机的工作台及其回转运动，实现被测齿轮的支撑定位、转动及其角位移测量。参见附图1-8，测量时，齿条测头直线刃边与被测齿轮某渐开线齿廓在横截面内啮合，在被测齿轮静止不动的条件下，伺服电机23通过滚珠丝杠副24驱动水平支架3并带动齿条测头沿被测齿轮轴线移动，在重锤25的作用下测头直线刃边与廓面时刻保持相切的接触，在被测齿轮廓面的约束下，齿条测头将被推动而沿齿轮切向平移，这时测头的直线刃边在空间形成了斜齿条廓面，采用此方法获得了直母线偏差。它包括：切向与轴向线位移精密测量系统，角位移精密测量系统、刃边齿条测头及控制系统。其特征在于：线位移精密测量系统的垂直机架1安装在齿轮加工机床的刀架(或特制的辅助支撑架)2上，垂直机架1与水平支架3垂直安装，水平支架3上装有切向测量导轨4，切向光栅5和测头基座6，测头基座6上安装刃边齿条测头7，垂直机架1上安装轴向导轨8和轴向光栅9，切向导轨8的顶端平面为辅助基准面10，角位移精密测量系统的与圆光栅12共同安装在轴13上，摩擦圆盘与滚齿机工作台的外圆周表面22对压，摩擦圆盘11安装在可动支架14上，通过下部滑块17及导轨18与底座19连接，利用空心轴15上的压缩弹簧16保证摩擦圆盘11与滚齿机工作台的外圆周表面22的接触。
本发明的有益效果是，显著缩短了测量导轨尺寸，大大减小在机测量仪结构的尺寸；不存在测头对正误差，且测量时展成长度减小，对提高测量精度很有利，可确保测量精度；量仪机构简单、安装定位及操作方便；在展成的条件下可测量齿廓偏差，在齿轮不动的情况下可测量对于齿轮传动品质分析的直母线偏差；通过对齿轮廓面上直母线族偏差的误差分离可获得齿轮的齿廓总偏差和螺旋线总偏差，扩大了量仪的测量功能。
附图说明：
图1是本发明的测量系统原理图。
图2是本发明刃边齿条测头示意图。
图3是本发明线位移测量装置主视图。
图4是本发明线位移测量装置俯视图。
图5是本发明线位移测量装置左视图。
图6是本发明测角装置主视图。
图7是本发明测角装置俯视图。
图8是本发明测角装置左视图。
图9是本发明测量坐标系的示意图1。
图10是本发明测量坐标系的示意图2。
图11是本发明测角装置对正示意图。
图12是本发明测量程序框图。
图13是本发明硬件电路原理图。
具体实施方式
实施例1
刃边齿条测头7是测量仪机械系统的重要部件之一，设计制造的测头实体顶刃为4毫米，刃边的长度为80毫米，可测量的模数范围为16-32毫米，其制造的精度直接影响测量精度，考虑到工程实际应用的多为压力角α＝20度的齿轮，故将测头的齿角也设计为20度，其重要的几何精度是齿条刃边的直线度和其角度偏差，测头刃边的直线度误差≤2μm，两刃边的角度偏差除在制造中控制外，待安装在测量装置上时还需要近一步检测各自的偏差，以便测量时修正补偿。
线位移测量系统中，切向测量导轨4是完成齿廓偏差与直母线偏差测量、决定测头沿齿廓端截面法向展成位移运动精度的测量导轨；轴向测量导轨8是完成直母线偏差测量、决定测头7沿被测齿轮21轴向位移精度的测量导轨，切向导轨4与轴向导轨8均采用韩国TAIJING直线导轨，经调整，其组合滑块所支撑的两拖板相对于理论直线的走行直线精度和两导轨走行时垂直精度均≤10μm/1000mm，两测量导轨的基座选用受温度、实效影响很小，且可达到很高制造精度的花岗岩材料，成为保证测量系统高精度的重要基础。在轴向测量导轨基座上建立辅助基准面10，其法线与测量装置的垂直测量导轨8平行，与水平测量导轨4垂直，在实际的制造、装配中，辅助基准面10的平面度精度达到2μm，水平测量导轨4与辅助基准面10的平行度误差为4μm，垂直测量导轨8与辅助基准面10在双方向上的垂直度误差为10μm/1000mm。
线位移精密测量机械系统的测量坐标系的确定方法，见附图9将被测齿轮21置于O1坐标系，测量装置置于O2坐标系，两个坐标系的各对应坐标轴分别平行。Z1轴为工作台回转平面的法线，X1轴为机床径向导轨方向的轴线，Y1轴是与Z1轴、X1轴正交的轴。Z2轴为测量装置垂直导轨的运动方向，Y2平行水平测量导轨方向，X2轴为与Z2、Y2正交的轴。O1系设定在机床的工作台上，O2系设定在测量装置上。
(1)O1系的确定
将电子水平仪置于工作台面上，在机床径向(X1轴)的0度位和旋转180度位分别读取水平仪的示值，两示值的代数和即表征为工作台回转轴线在径向与铅垂线(Z1轴)所夹得角度αr(见附图10)。同理可得工作台回转轴线在切向与铅垂线所夹的角度αt。由此找到了O1系的Z1轴，确定了O1系。
(2)O2系的确定
将电子水平仪置于辅助基准面10上，且使示值方向与机床的径向(Z1轴)平行，调整测量装置的微调机构使水平仪示值与(1)中αr的大小相等、符号相同。同理在机床的切向(Y1轴)通过调整刀架转盘使水平仪示值与(1)中的αt相同。这样就保证了垂直于辅助基准面的Z2与Z1轴平行的正确位置，即确定了Z2轴的位置，确定了O2系。
实施例2
在机测量齿轮廓面的直母线族，需要完成三个运动、获取三路测量信号，即沿齿轮轴向(Z轴)和沿齿轮切向(Y轴)的线位移，以及为获取廓面上不同位置的直母线所需的微小转角Δφ和Δα，由于角位移信号获取不同，可分为两个在机综合测量方案。
1、展开角(相位角)测量
该方法的实质是通过改变刃边齿条测头7与被测齿轮21啮合时的初始相位角测量不同的直母线，称为展开角(相位角)测量。
(1)被测齿轮21处于工作台22上，齿条测头7沿齿轮轴向(Z轴)从一端移向另一端的同时沿齿轮切向(Y轴)移动，接触点在齿轮上的轨迹即为一条直母线；
(2)被测齿轮21转动一分度角Δφ，齿条测头7沿Y向移动ΔY，二者仍然保持相切接触，此时齿轮保持固定，重复上述测量过程，可测得另一条直母线；
(3)循环上述过程，可测得一个廓面上的直母线族的各个偏差。
2、压力角(啮合角)测量
该方法的实质是通过改变齿条与齿轮的啮合角测量不同的直母线，因此称为压力角(啮合角)测量。
(1)在整个测量过程中，被测齿轮21不动。齿条测头7沿齿轮21轴向(Z轴)从一端移向另一端的同时沿齿轮21切向(Y向)移动，接触点在齿轮21上的轨迹即为一条直母线；
(2)齿条7绕Z2轴回转一个角度Δα(需在此轴加装分度装置)，仍然保持与齿轮21相切接触，重复上述测量过程，可测得另一条直母线；
(3)循环上述过程，可测得一个廓面上的直母线族的各个偏差。
由于测头在轴向位移的位置由轴向光栅9准确计数，因此在齿轮一个廓面上测得的多条直母线可形成测量网格，由此可通过对齿轮廓面上直母线族偏差的误差分离获得齿轮的齿廓总偏差和螺旋线总偏差。
实施例3
由于被测齿轮21与工作台22同轴安装，测量齿轮转角转化为测量工作台转角，将测角装置中的精密摩擦圆盘11与滚齿机工作台22的外圆表面对压，并调整二者的轴线平行，摩擦圆盘11同轴安装圆光栅12，由压力弹簧16对摩擦圆盘11施压，在两对滚圆盘作无滑动的纯滚动时，只要精确得到两滚圆盘的直径，通过其传动比可以精确获得工作台的回转角度，即大齿轮的回转角位移，而此时圆光栅11的示值误差实质上是按两对滚圆盘的传动比例缩小的，对测量是有利的，此时圆光栅的精密测角装置置于机床工作台外侧固定的基台上，采用螺栓顶拉结合的方法实现微调、紧固，达到整体装置的精密位置调整，将表盘置于摩擦圆盘的端面上，打表工作台面上A、B、C三点，调整测角装置的位置使其三点示值相同(见附图11)，实现对滚的两轮轴线平行，使对滚两圆柱的素线接触良好。
实施例4
本发明的软件程序设计中采用<SHELL>命令来实现VB6.0和C语言这两种编程语言的结合。整个测量程序框图见说明书附图12。参照说明书和实施例可以很容易编出发明的软件程序。
硬件电路的总体设计方案见附图13，测量系统中，需要有一路转角信号，实现齿轮或刃边齿条测头的微转动，满足齿轮廓面上不同直母线的测量；二路线位移信号，即测头沿齿轮轴向位移和切向位移信号；一路伺服电机控制系统和数据处理系统。
Claims (4)
1、刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪，它包括：切向与轴向线位移精密测量系统，角位移精密测量系统、刃边齿条测头及控制系统，其特征在于：线位移精密测量系统的垂直机架(1)安装在齿轮加工机床的刀架或特制的辅助支撑架(2)上，垂直机架(1)与水平支架(3)垂直安装，水平支架(3)上装有切向测量导轨(4)，切向光栅(5)和测头基座(6)，测头基座(6)上安装刃边齿条测头(7)，垂直机架(1)上安装轴向导轨(8)和轴向光栅(9)，切向导轨(8)的顶端平面为辅助基准面(10)，角位移精密测量系统的圆光栅(12)共同安装在轴(13)上，摩擦圆盘与滚齿机工作台的外圆周表面(22)对压，摩擦圆盘(11)安装在可动支架(14)上，通过下部滑块(17)及导轨(18)与底座(19)连接，利用空心轴(15)上的压缩弹簧(16)保证摩擦圆盘(11)与滚齿机工作台的外圆周表面(22)的接触。
2、一种如权利要求1所述的刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪测量大齿轮的方法，其特征在于：利用机床刀架或特制的辅助支撑架(2)作为测量装置的安装定位支撑，机床刀架的垂直运动，径向运动及刀架转动实现测量装置调整定位，利用滚齿机的工作台及其回转运动，实现被测齿轮的支撑定位、转动及其角位移测量，测量时，齿条测头直线刃边与被测齿轮某渐开线齿廓在横截面内啮合，在被测齿轮静止不动的条件下，伺服电机(23)通过滚珠丝杠副(24)驱动水平支架(3)并带动齿条测头沿被测齿轮轴线移动，在重锤(25)的作用下测头直线刃边与廓面时刻保持相切的接触，在被测齿轮廓面的约束下，齿条测头将被推动而沿齿轮切向平移，这时测头的直线刃边在空间形成了斜齿条廓面，采用此方法获得了直母线偏差，进而分离出齿廓偏差和螺旋线偏差。
3、根据权利要求2所述的刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪测量大齿轮的方法，其特征在于：直母线偏差是利用刃边齿条测头测量测量齿轮廓面上不同位置测量的，由于测头(7)在轴向位移的位置由轴向光栅(9)准确计数，因此在齿轮一个廓面上测得的多条直母线可形成测量网格，由此可通过对齿轮廓面上直母线族偏差的误差分离获得齿轮的齿廓总偏差和螺旋线总偏差。
4、根据权利要求1所述的刃边齿条测头在机测量大齿轮偏差的在机测量仪测量大齿轮的方法，其特征在于：在机测量齿轮廓面的多条直母线形成的直母线族，需要完成三个运动、获取三路测量信号，即沿齿轮轴向Z轴和沿齿轮切向Y轴的线位移，以及为获取廓面上不同位置的直母线所需的微小转角Δφ和Δα，由于角位移信号获取不同，可分为两个在机综合测量方法，即展开角测量和压力角测量的方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20090204 |