CN101476980B - 非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置，被测非圆齿轮安装在被测齿轮轴系上，该轴上同轴安装第一角编码器；测量元件安装在测量元件回转主轴上，该轴上同轴安装有第二角编码器；测量元件回转主轴安装在固定床身上，由主轴伺服电机驱动；被测非圆齿轮主轴部件安装在径向测量滑板上，该径向测量滑板按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径，由径向测量滑板伺服电机驱动，实现精确的节曲线径向运动；主轴电机和径向测量滑板伺服电机转动之间保持有严格的设计传动关系，实现被测非圆齿轮和测量元件之间的单面啮合传动。在一次安装的情况下，完成对非圆齿轮的单项几何偏差、切向综合偏差以及整体误差的测量。
Description
技术领域
本发明与非圆齿轮误差测量技术和装置有关，属于精密测试技术及仪器、机械传动技术领域。
背景技术
非圆齿轮可以认为是圆柱齿轮的一种变型，它的滚动节圆为非圆形，称之为节曲线。中心距保持不变的一对非圆齿轮啮合时，其传动比是变化的。因此非圆齿轮可用于实现变速比传动。与圆柱齿轮相似，非圆齿轮误差可分为两大类：即单项几何误差和综合传动误差。非圆齿轮的单项几何误差包括非圆齿轮的齿廓偏差、齿向(螺旋线)偏差和齿距偏差；非圆齿轮的综合传动误差包括非圆齿轮的切向综合偏差和非圆齿轮的径向综合偏差。
现已开发的非圆齿轮误差测量原理和装置分为二大类：按照非圆齿轮几何参数进行测量的单项几何误差测量原理和方法，其中包括：采用坐标测量机(如齿轮测量中心)、按照每个轮齿的理论几何形状对非圆齿轮逐齿/或择齿进行轮廓测量的极坐标测量法，采用齿厚千分尺的跨齿测量法和量柱测量距测量法；采用标准圆柱齿轮与非圆齿轮啮合转动进行非圆齿轮的综合精度测量，包括：采用机械量表指示的机械式双面啮合测量仪，机电式的双面啮合测量仪，光学式非圆齿轮副转角误差测量法，以及国内近年提出的计算机数字控制单面啮合测量方案等。
日本也曾发表文章介绍采用光电传感器的非圆齿轮副单面啮合检查装置，以及采用磁性传动的周节曲线盘和标准齿轮节圆盘的非圆齿轮测量装置，用来测量非圆齿轮的周节曲线误差以及切向综合误差等；并采用齿条形测头实现了对非圆齿轮齿形误差的测量。
综合现有的非圆齿轮单面啮合测量仪，其测量原理如图1所示。图中：1为圆光栅Y，2为长光栅E，3为长光栅S，4为滑块，5为立柱，6为底座，7为标准元件，8为被测齿轮，9为蜗轮，10为蜗杆，11为伺服电机，12为圆光栅S。
图中被测齿轮8与标准元件7的中心距由伺服电机驱动立柱5在底座6上运动来实现，利用长光栅E2可准确地测量出当前中心距A值，被测齿轮8的转角Φ1也同样由伺服电机控制，并由圆光栅S12可测得准确值，标准元件7为一被动运动件，其转角可由圆光栅Y1测得。当给定被测齿轮转角Φ1值及此时中心距A值为理论计算值时，可以测得标准元件7的转角的实际值Φ2′，将该值与此条件下标准元件的理论转角Φ2进行比较，就可得到误差值ΔΦ＝Φ2-Φ2′。
由于非圆齿轮的节曲线为非圆形，非圆齿轮上各个齿的理论轮廓形状(包括齿廓、齿向和齿距)，相对于节曲线位置的不同而会有所不同，因此，对于非圆齿轮每个轮齿的轮廓形状进行逐齿测量、来获取非圆齿轮的各个单项几何精度是非常困难、非常费事的；而非圆齿轮综合传动误差的测量，只能获得非圆齿轮或非圆齿轮副的综合误差，而不能获得非圆齿轮的单项几何误差，从而难以对单个非圆齿轮的质量进行正确的评定和误差分析，也难以对非圆齿轮的加工工艺系统进行诊断。因此有必要开发一种新型非圆齿轮测量技术和装置，它能够在非圆齿轮工件的一次装夹过程中，快速准确的测量出非圆齿轮的单项几何误差和综合传动误差。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置，以达到基于非圆齿轮和圆柱齿轮/圆柱蜗杆/齿条的变中心距、变传动比单面啮合传动原理，采用滚动点扫描测量方式，在一次装夹的情况下，对非圆齿轮的单项几何误差和综合传动误差实施测量。
就测量装置的结构和测量的原理而言，它是在计算机数字控制非圆齿轮单面啮合测量仪器/装置上，采用带有特定测量棱线的测量元件与被测非圆齿轮啮合，进行“间齿”式滚动点扫描测量来实现的。所述的“间齿”，指的是在啮合滚动测量期间的任意一个瞬间，测量元件上只有一个齿面上的一条测量棱线上的某个点和被测非圆齿轮的一个齿面上相应一个点接触，实现了点啮合传动，而被测齿面其他部分以及相邻齿面均不同时参于接触和啮合传动，即正常测量传动时的重叠系数不大于1，以实现非圆齿轮的单项几何误差和综合误差的测量。这一测量技术是传统圆柱齿轮整体误差测量技术的补充和扩展。
在被测非圆齿轮和特殊结构测量元件(例如：测量圆柱齿轮、测量圆柱蜗杆或测量齿条)单面啮合传动(例如：测量元件主动回转，被测非圆齿轮被动回转)的情况下，装置上与被测非圆齿轮同轴安装有第一角编码器，与测量元件同轴安装有第二角编码器，按照非圆齿轮和测量元件间的理论传动比关系(变传动比函数)，实现测量元件对被测非圆齿轮齿面轮廓的滚动点扫描测量(一般情况下，测量元件作主动匀速回转或直线匀速运动，被测非圆齿轮按其节曲线函数作相应的被动非匀速回转运动)；同时采用计算机数字控制高精度驱动系统，按照非圆齿轮理论节曲线的函数关系，使非圆齿轮(或测量元件)的回转中心在它们之间的中心连线上产生相应的直线运动(使非圆齿轮和测量元件的中心距对应于非圆齿轮的理论节曲线函数而相应变化——变中心距)，以使被测非圆齿轮和测量元件间按照理论的变传动比、变中心距进行单面啮合传动。
本发明是采用以下技术手段实现的：
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法，其特征在于：
被测非圆齿轮2精确同轴安装在被测齿轮轴系4上，该轴上同轴安装有精密的第一角编码器3；测量元件10精确安装在测量元件回转主轴12上，该轴上同轴安装有精密的第二角编码器11；测量元件回转主轴12安装在固定床身基础上，由主轴电机14驱动回转，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮2转动；被测齿轮轴系4安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6的数控驱动的径向测量滑板5上，该径向测量滑板5按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径由伺服电机7驱动，实现精确的节曲线径向运动；主轴电机14和伺服电机7转动之间保持有严格的传动函数关系；径向测量滑板5的径向位移按照被测非圆齿轮理论节曲线函数的变化矢径值精确运动，实现被测非圆齿轮2和测量元件10之间的非圆齿轮单面啮合传动；主轴电机14和伺服电机7之间通过计算机控制二轴联动实现传动函数关系。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，被测齿轮轴系4上同轴安装有精密的第一角编码器3；测量元件10安装在测量元件回转主轴12上，该轴上同轴安装有精密的第二角编码器11；测量元件回转主轴12安装在固定床身上，并通过传动机构13与主轴电机14相连，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮2转动；而被测非圆齿轮主轴部件1安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6的数控驱动的径向测量滑板5上，该径向测量滑板5与伺服电机7相连；伺服电机7和主轴电机14与计算机相连，第一角编码器3和第二角编码器11以及中心距长光栅6与前置数据处理装置相连，前置数据处理装置与计算机相连。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用于非圆齿轮测量的具有多条规律分布的齿形或/和齿向测量棱线的圆柱测量齿轮，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用于非圆齿轮测量的具有一条测量螺旋面的多头测量圆柱蜗杆，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用于非圆齿轮测量的具有多条规律分布的齿形或/和齿向测量棱线的单齿或多齿测量齿条，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用于非圆齿轮测量的薄型间齿(或间多齿)圆柱齿轮，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
1，采用了齿轮副(或蜗杆副或齿条副等)单面啮合滚动测量的运动形式，其中一个是主动匀速回转(或直线)运动，另一个是按照被测非圆齿轮的理论设计传动关系作被动非匀速回转(或直线)运动；
2，被测元件是非圆齿轮工件，测量元件是具有高精度测量棱线的特殊测量齿轮(或测量蜗杆及测量齿条)，在该测量元件和非圆齿轮进行单面啮合滚动测量的整个过程中，测量元件上将只有其测量棱线上的一点与被测非圆齿轮齿廓相啮合接触，实现点扫描测量；
3，非圆齿轮与测量元件间的中心距按照非圆齿轮理论节曲线进行相应变化，变化中心距的直线运动(R轴)和非圆齿轮的回转运动(θ轴)二者之间的联动关系，由计算机数字控制伺服驱动系统按照非圆齿轮的理论节曲线R(θi)＝F(θi-θ0)进行控制；
4，二个轴系圆光栅和一个中心距长光栅的测量信号传至计算机，经相应测量软件的数据处理后，可以在一次安装测量过程中，测量出被测非圆齿轮的单项几何误差和综合传动误差。
从而在一次安装的情况下，完成对非圆齿轮的单项几何偏差、切向综合偏差以及整体误差的测量，实现对非圆齿轮的、至今最为完整全面的精度测量和评定。
附图说明
图1为现有的非圆齿轮单面啮合测量原理装置示意图；
图2为本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置示意图；
图3为本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置俯视示意图；
图4为本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量原理图；
图5-1为圆柱齿轮测量元件；
图5-2为圆柱齿轮测量元件齿向棱线示意图；
图5-3为圆柱齿轮测量元件齿廓棱线示意图；
图6为多头蜗杆测量元件；
图7-1为齿条形测量元件；
图7-2为齿条形测量元件齿向棱线示意图；
图7-3为齿条形测量元件齿廓棱线示意图；
图8为薄型间齿圆柱齿轮测量元件。
具体实施方法
下面结合附图2、3、4、5-1、5-2、5-3、6、7-1、7-2、7-3、8对本发明作进一步说明：
图2、图3和图4中：1为被测非圆齿轮主轴部件，2为被测非圆齿轮，3为第一角编码器，4为被测齿轮轴系，5为径向测量滑板，6为中心距长光栅，7为伺服电机，8为工作基座，9为测量元件轴系部件，10为测量元件，11为第二角编码器，12为测量元件回转主轴，13为传动机构，14为主轴电机，20为仪器基座；
图5-2中，200为圆柱齿轮测量元件齿向棱线；
图5-3中，201为圆柱齿轮测量元件齿廓棱线；
图6中，60为多头蜗杆测量元件，61为角编码器A(即图2、3、4中的第二角编码器)，62为被测非圆齿轮A(即图2、3、4中的被测非圆齿轮)，63为角编码器B(即图2、3、4中的第一角编码器)；
图7-1中，71为长光栅A，72为角编码器C；
图7-2中，700为齿条形测量元件齿向棱线；
图7-3中，701为齿条形测量元件齿廓棱线；
图8中，80为修形齿，81为标准渐开线轮齿；
仪器结构说明：被测齿轮轴系4上同轴安装有精密的第一角编码器3(例如高精度圆光栅)；测量元件10(例如具有齿形及/或齿向测量棱线的圆柱测量齿轮)精确安装在测量元件回转主轴12上，该轴上同轴安装有精密的第二角编码器11(例如高精度圆光栅)。测量元件回转主轴12(或被测齿轮轴系4)安装在固定床身基础上，并通过传动机构13与主轴电机14相连，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮2(或测量元件10)转动；而被测非圆齿轮主轴部件1(或测量元件轴系部件9)安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6(例如高精度长光栅)的数控驱动的径向测量滑板5上，该径向测量滑板5与伺服电机7相连；伺服电机7和主轴电机14与计算机相连，第一角编码器3和第二角编码器11以及中心距长光栅6与前置数据处理装置相连，前置数据处理装置与计算机相连。
仪器工作原理：
被测非圆齿轮2精确同轴安装在被测齿轮轴系4上，该轴上同轴安装有精密的第一角编码器3(例如高精度圆光栅)；测量元件10(例如具有齿形及/或齿向测量棱线的圆柱测量齿轮)精确安装在测量元件回转主轴12上，该轴上同轴安装有精密的第二角编码器11(例如高精度圆光栅)。测量元件回转主轴12(或被测齿轮轴系4)安装在固定床身基础上，由主轴电机14驱动回转，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮2(或测量元件10)转动；而被测非圆齿轮主轴部件1(或测量元件轴系部件9)安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6(例如高精度长光栅)的、数控驱动的径向测量滑板5上，该径向测量滑板5按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径、由径向测量滑板伺服电机7驱动，实现精确的节曲线径向运动。主轴电机14和伺服电机7转动之间保持有严格的传动函数关系，它使径向测量滑板5的径向位移既能按照被测非圆齿轮理论节曲线函数的变化矢径值精确运动，又能准确符合被测非圆齿轮的角相位关系，换言之，实现被测非圆齿轮2和测量元件10(如圆柱齿轮)之间正确的非圆齿轮单面啮合传动。主轴电机14和伺服电机7之间通过计算机控制(计算机数字控制二轴联动)来实现上述严格的传动函数关系。
在仪器实施测量过程中，与被测非圆齿轮同轴安装的精密第一角编码器3、与测量元件同轴安装的精密第二角编码器11、以及径向测量滑板上5安装的中心距长光栅6等三个编码器的位移测量传感信号，经过放大、整形、细分等信号处理以及接口电路，分别传送至计算机进行相应数据处理。按照基于被测非圆齿轮的理论模型所建立的非圆齿轮误差测量模型进行数学运算，得到被测非圆齿轮的齿形、齿向以及齿距偏差等非圆齿轮的单项几何偏差，同时得到被测非圆齿轮的切向综合偏差，并得到被测非圆齿轮的整体误差曲线。从而在一次安装的情况下，完成对非圆齿轮的单项几何偏差、切向综合偏差以及整体误差的测量，实现对非圆齿轮的、完整全面的精度测量和评定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法，其特征在于：将被测非圆齿轮(2)同轴安装在被测齿轮轴系(4)上，该轴上同轴安装有第一角编码器(3)；将测量元件(10)安装在测量元件回转主轴(12)上，该轴上同轴安装有第二角编码器(11)；测量元件回转主轴(12)安装在固定床身基础上，由主轴电机(14)驱动回转，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮(2)转动；将被测齿轮轴系(4)安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅(6)的数控驱动的径向测量滑板(5)上，该径向测量滑板(5)按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径由伺服电机(7)驱动，实现节曲线径向运动；使主轴电机(14)和伺服电机(7)转动之间保持有理论设计的传动关系；所述的径向测量滑板(5)的径向位移按照被测非圆齿轮理论节曲线函数的变化矢径值运动，实现被测非圆齿轮(2)和测量元件(10)之间的非圆齿轮单面啮合传动；所述的主轴电机(14)和伺服电机(7)之间通过计算机控制二轴联动实现传动函数关系。
2.一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于：被测齿轮轴系(4)上同轴安装有第一角编码器(3)；测量元件(10)安装在测量元件回转主轴(12)上，该轴上同轴安装有第二角编码器(11)；测量元件回转主轴(12)安装在固定床身上，并通过传动机构(13)与主轴电机(14)相连，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮(2)转动；而被测非圆齿轮主轴部件(1)安装在带有线位移编码器-中心距长光栅(6)的数控驱动的径向测量滑板(5)上，该径向测量滑板(5)与伺服电机(7)相连；伺服电机(7)和主轴电机(14)与计算机相连，第一角编码器(3)和第二角编码器(11)以及中心距长光栅(6)与前置数据处理装置相连，前置数据处理装置与计算机相连。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20101201 Termination date: 20150116 |
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