CN101750006A - 环面蜗杆误差检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环面蜗杆误差检测装置，包括机身、主轴单元和测量单元，主轴单元包括主轴伺服电机、主轴和被测工件夹具及尾座，主轴伺服电机驱动主轴转动，被测工件夹具与主轴在圆周方向固定配合；测量单元包括底座、旋转台、测量触头、数据采集系统和计算机，旋转台以可绕z轴转动的方式设置在底座上，测量触头以沿x轴、y轴和z轴方向位置可调的方式设置在旋转台上，并且测量触头可绕平行于z轴的轴线转动；本发明对环面蜗杆采用圆弧测量方式进行坐标测量，可以逐线测量，比现有技术的逐点测量的效率高，避免人为参与的主观性和标准蜗杆的机械误差对检测结果的影响，采用不同类型的测量触头，可精确的检测蜗杆的各类误差，通用性强。

Description

环面蜗杆误差检测装置

技术领域

本发明涉及一种蜗杆检测装置，特别涉及一种环面蜗杆误差检测装置。

背景技术

蜗杆传动是机械装备中常用的传动类型，具有传动比范围宽(通常一级传动比可达5～100)、结构紧凑、体积小、运动平稳、噪声低等特点。环面蜗杆传动(如平面包络环面蜗杆传动、锥面包络环面蜗杆传动、直廓环面蜗杆传动等)具有更高的承载能力、传动效率，寿命长，平均分度误差小等特点，因此得到比较广泛的应用。

蜗杆误差检测是保证成品蜗杆用于机械设备并正常运转的关键程序，而蜗杆的误差检测比较复杂，比如，平面包络环面蜗杆齿部螺旋面是一个不等距变径空间螺线的直纹渐开螺面，齿面非常复杂，蜗杆的一侧齿面在任何方向的截面中，不存在相同的齿形，因而误差检测也比较复杂。现有技术中，平面包络环面蜗杆的检测一般采用蜗杆与蜗轮配对滚动后观察接触区的大小和位置地方法，这种方法虽然能比较直观的控制蜗轮副的啮合质量，但检验人员的主管参与较多，仅凭经验判断，而且检测结果对于分析误差来源和提高啮合质量的指导作用不大。随着科学技术的发展，侧隙可调式平面包络环面蜗杆传动作为一种新型传动在精密传动领域有着广泛的应用前景，作为精密蜗杆传动，靠观察齿面接触斑点来判断制造精度和凭经验进行修正加工是不现实的。

为解决以上问题，分别检测被测蜗杆与标准蜗杆，并将二者数据进行对比，得到误差值即为被测蜗杆的误差。所用的标准蜗杆是精度较高的蜗杆，不同参数的蜗杆需要配置不同的标准蜗杆，成本极高。并且，这种检测方法将标准蜗杆自身存在的误差传递给被测蜗杆，虽然避免了人为参与，但是检测结果并不精确。

另外还有仪器在被测量蜗杆副啮合传动过程中测量出蜗杆副传动的运动误差及周期误差，用于蜗轮、蜗杆零件选配及产品蜗杆副的综合精度检验等，不能用于蜗杆零件精度的检测和分析。

因此，需要一种蜗杆误差检测装置，检测时避免人为参与的主观性、标准蜗杆的高成本和标准蜗杆的机械误差，精确的检测蜗杆的齿面几何误差和综合误差，具有较强的通用性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供环面蜗杆误差检测装置，检测时避免人为参与的主观性、标准蜗杆的高成本和标准蜗杆的机械误差，精确的检测蜗杆的齿面几何误差和综合误差，具有较强的通用性，检测过程不需要标准蜗杆，降低检测成本，使用简单方便，提高工作效率。

本发明的环面蜗杆误差检测装置，包括机身、主轴单元和测量单元，所述主轴单元包括主轴伺服电机、主轴和被测工件夹具及尾座，所述主轴伺服电机驱动主轴转动，所述被测工件夹具与主轴在圆周方向固定配合；

所述测量单元包括底座、旋转台、测量触头、数据采集系统和计算机，所述底座设置在机身上，旋转台以可绕z轴转动的方式设置在底座上，所述测量触头以沿x轴、y轴和z轴方向位置可调的方式设置在旋转台上，并且测量触头可绕平行于z轴的轴线转动；其中x轴、y轴和z轴构成三维直角坐标系，x轴为被测工件轴向，y轴和z轴为被测工件径向；

主轴伺服电机的控制电路与计算机的命令输出端连接用于接收计算机的输出命令。

进一步，所述旋转台上固定设置有y轴方向导轨，与y轴方向导轨相配合设置y轴方向拖板，y轴方向拖板上固定设置x轴方向导轨，与x轴方向导轨相配合设置x轴方向拖板；还包括与x轴方向拖板转动配合的z轴方向调节导轨，与z轴方向调节导轨相配合设置z轴方向调节拖板；所述z轴方向调节拖板上沿y轴方向设置回转半径调节导轨，与回转半径调节导轨相配合设置回转半径调节拖板，测量触头以可拆卸的方式固定设置在回转半径调节拖板上；

进一步，所述旋转台通过推力轴承设置在底座上，y轴方向拖板采用滚珠丝杠结构I驱动，x轴方向拖板通过滚珠丝杠结构II驱动，z轴方向调节拖板通过z轴方向齿轮齿条副驱动，回转半径调节拖板通过回转半径齿轮齿条副驱动；所述底座通过沿被测蜗杆轴向设置的轨道设置在机身上，底座可沿轨道移动或锁定在轨道上；

进一步，所述数据采集系统包括被测工件角度传感器、旋转台角度传感器、y轴方向位移传感器、x轴方向位移传感器、z轴方向位移传感器、回转半径传感器和触头倾角传感器；所述被测工件角度传感器与被测工件对应设置，用于采集被测工件的转动数据；旋转台角度传感器与旋转台对应设置，用于采集旋转台的转动数据；y轴方向位移传感器与y轴方向拖板对应设置，用于采集y轴方向拖板的y轴方向位移数据；x轴方向位移传感器与x轴方向拖板对应设置，用于采集x轴方向拖板的x轴方向位移数据；z轴方向位移传感器与z轴方向调节拖板对应设置，用于采集z轴方向调节拖板的z轴方向位移数据；回转半径传感器与回转半径调节拖板对应设置，用于采集触头的回转半径数据；触头倾角传感器与转轴对应设置，用于采集测量触头的倾角数据；所述被测工件角度传感器、旋转台角度传感器、y轴方向位移传感器、x轴方向位移传感器、z轴方向位移传感器、回转半径传感器和触头倾角传感器的信号输出端与计算机的信号输入端相连；

进一步，所述x轴方向拖板上固定设置立柱，z轴方向调节导轨固定连接有转轴，转轴沿横向穿过立柱与其转动配合；

进一步，被测工件通过被测工件夹具和尾座的顶尖轴向固定，所述被测工件角度传感器设置在主轴上采集主轴的旋转数据；

进一步，所述测量触头为将数据信号输入至计算机的电感测微仪，所述旋转台设置用于驱动其绕z轴旋转的旋转台驱动装置，所述旋转台驱动装置包括驱动电机和蜗轮蜗杆副，所述驱动电机固定设置在底座上，驱动电机的动力输出轴与蜗轮蜗杆副的蜗杆驱动配合，蜗轮蜗杆副的蜗轮与旋转台同轴设置并在圆周方向固定配合；驱动电机的控制电路与计算机命令输出端连接用于接收计算机的控制命令；

进一步，所述蜗轮蜗杆副的蜗杆转动配合外套偏心轴套，所述驱动电机与偏心轴套外侧端部固定连接，所述偏心轴套沿轴向穿入底座与其转动配合；所述偏心轴套设置锁紧杆，所述锁紧杆螺纹配合旋入底座顶住偏心轴套外圆。

进一步，测量触头为球形、平面、圆锥面或圆柱面，所述测量触头靠在被测蜗杆的齿面上并在被测蜗杆的驱动下绕旋转台轴线转动。

本发明的有益效果是：本发明的环面蜗杆误差检测装置，在测量误差时，对环面蜗杆采用圆弧测量方式进行坐标测量，更符合环面蜗杆形状特点，因此可以逐线测量，比现有技术的逐点测量的效率高，采用检测触头多个自由度的结构，采用不同类型的测量触头，可精确的检测蜗杆的各类误差，检测过程不需要现有技术的标准蜗杆，降低检测成本，使用简单方便，提高工作效率；使用过程中，运用计算机建模技术来构造理论上没有误差的标准蜗杆，并与采集的实验数据比较，消除标准蜗杆的机械误差对检测结果的影响，使测得的误差即为绝对误差；当配备不同的测量触头和分析软件后，可推广应用于直廓环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆等各种环面蜗杆，具有广泛的应用价值和原理的普遍性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1沿A向视图；

图3为图2沿C向视图；

图4为图2沿D向视图；

图5为图1沿B-B向剖视图；

图6为图1I处放大图；

图7为数据传输原理方框图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为图1沿A向视图，图3为图2沿C向视图，图4为图2沿D向视图，图5为图1沿B-B向剖视图，图6为图1I处放大图，如图所示：本实施例的环面蜗杆误差检测装置，包括机身1、主轴单元和测量单元，主轴单元包括主轴伺服电机2、主轴5和被测工件夹具6及尾座9，主轴伺服电机2驱动主轴5转动，被测工件夹具6与主轴5在圆周方向固定配合；

所述测量单元包括底座14、旋转台15、测量触头17、数据采集系统和计算机34，所述底座14设置在机身1上，旋转台15以可绕z轴转动的方式设置在底座14上，所述旋转台设置用于驱动其绕z轴旋转的旋转台驱动装置，所述测量触头17以沿x轴、y轴和z轴方向位置可调的方式设置在旋转台15上，并且测量触头17可绕平行于z轴的轴线转动；其中x轴、y轴和z轴构成三维直角坐标系，x轴为被测工件7轴向，y轴和z轴为被测工件7径向；本实施例中，y轴为水平轴；主轴伺服电机2的控制电路2a与计算机34的命令输出端连接用于接收计算机34的输出命令。

所述旋转台15通过推力轴承11设置在底座14上，旋转台15固定设置有y轴方向导轨16，与y轴方向导轨16相配合设置y轴方向拖板3，y轴方向拖板3采用滚珠丝杠I 24驱动，y轴方向拖板3固定设置与滚珠丝杠I 24配合的螺母I 25；y轴方向拖板3上固定设置x轴方向导轨，与x轴方向导轨相配合设置x轴方向拖板4，x轴方向拖板4通过滚珠丝杠II 31驱动，x轴方向拖板4固定设置与滚珠丝杠II 31配合的螺母II 32；所述底座14通过沿被测蜗杆7轴向设置的轨道13设置在机身1上，且底座14可沿轨道13移动或锁定在轨道13上；滚珠丝杠I 24和滚珠丝杠II 31分别设置驱动手柄(图中分别为驱动手柄24a和驱动手柄31a)，方便手动驱动；底座14通过轨道13设置在机身1上，可以完成轴向驱动，可以用来检测圆柱蜗杆，提高装置的通用性；当然，滚珠丝杠I24和滚珠丝杠II31也可以分别通过伺服电机进行驱动，而伺服电机通过计算机进行控制，实现自动化。

还包括与x轴方向拖板4转动配合的z轴方向调节导轨20，本实施例中，x轴方向拖板4上固定设置立柱8，z轴方向调节导轨20通过转轴21间隙配合径向穿过立柱8与其转动配合，所述转轴21与调节导轨20固定连接；可以根据被测工件7的测量需要调整测量触头倾斜角；与z轴方向调节导轨20相配合设置z轴方向调节拖板19，z轴方向调节拖板19通过z轴方向齿轮齿条副30驱动，当然，z轴方向调节拖板19也可以通过滚珠丝杠等其它传动方式进行驱动，并可以采取手动或伺服电机驱动，实现自动化或简单的手动，都能实现发明目的；z轴方向调节拖板19上沿y轴方向设置回转半径调节导轨，与回转半径调节导轨相配合设置回转半径调节拖板18，回转半径调节拖板18通过回转半径齿轮齿条副30驱动，在调节回转半径时，通过回转半径调节拖板18，可以根据被测工件7齿面的检测情况和被测蜗杆7的规格调节测量触头17的回转半径沿y轴方向逐线进行测量检测，调节方式简单精确，避免直接调节y轴方向拖板3导致的位置关系误差大，从而避免增大测量误差；测量触头17以可拆卸的方式固定设置在回转半径调节拖板18上，可以根据需要更换不同测量面的测量触头，实现多功能以及一定的通用性；采用轨道和拖板的形式使测量触头17沿x轴、y轴和z轴方向位置可调，采用旋转台结构使测量触头17可绕z轴转动，结构简单紧凑，节约制造成本，采用滚珠丝杠结构驱动相应的x轴方向和y轴方向拖板，结构简单紧凑，节约成本并保证传动精度；采用齿轮齿条副驱动z轴方向调节拖板和回转半径调节拖板，利于保证调节精度，并方便直接手动调节，使用方便简单；

测量单元还包括数据采集系统和计算机34，数据采集系统包括被测工件角度传感器10、旋转台角度传感器12、y轴方向位移传感器33、x轴方向位移传感器26、z轴方向位移传感器28、回转半径传感器27和触头倾角传感器23；被测工件角度传感器10与被测工件7对应设置，用于采集被测工件7的转动数据，被测工件7通过被测工件夹具6和尾座9的顶尖轴向固定，被测工件角度传感器10设置在主轴5上采集主轴5的旋转数据；旋转台角度传感器12与旋转台15对应设置，用于采集旋转台15的转动数据；y轴方向位移传感器33与y轴方向拖板3对应设置，用于采集y轴方向拖板3的y轴方向位移数据；x轴方向位移传感器26与x轴方向拖板4对应设置，用于采集x轴方向拖板4的x轴方向位移数据；z轴方向位移传感器28与z轴方向调节拖板19对应设置，用于采集z轴方向调节拖板19的z轴方向位移数据；回转半径传感器27与回转半径调节拖板18对应设置，用于采集触头17的回转半径数据；触头倾角传感器23与转轴21对应设置，用于采集测量触头17的倾角数据；被测工件角度传感器10、旋转台角度传感器12、y轴方向位移传感器33、x轴方向位移传感器26、z轴方向位移传感器28、回转半径传感器27和触头倾角传感器23的信号输出端与计算机的信号输入端相连，通过设置上述传感器，可以综合考虑该检测工件7的各种相关外来影响检测精度的数据，从而达到精确检测的目的。

本实施例中，所述测量触头17为将数据信号输入至计算机34的电感测微仪，所述旋转台15设置用于驱动其绕z轴旋转的旋转台驱动装置，所述旋转台驱动装置包括驱动电机36和蜗轮蜗杆副，所述驱动电机36固定设置在底座14上，驱动电机36的动力输出轴与蜗轮蜗杆副的蜗杆35驱动配合，蜗轮蜗杆副的蜗轮38与旋转台15同轴设置并在圆周方向固定配合；所述驱动电机36的控制电路36a用于接收计算机34的控制命令。

本实施例中，蜗轮38位于旋转台15外圆与其设置为一体，结构简单紧凑，安装方便；采用电感测微仪来测量蜗杆齿面，被测蜗杆及回转工作台分别由各自的电机带动回转，其运动状态由安装其上的角度位移传感器测量，并作为其运动控制的反馈信息；蜗杆每转至一个采样点，电感测微仪所在回转工作台同时按照理论对应的转角转至相应的理论位置；如果被测蜗杆没有误差则此时测头就应该在该理论位置，而电感测微仪上的读数也应该保持原始状态不变。但是，由于蜗杆误差的存在，电感测微仪会因为该误差而产生一个附加的读数，表示电感测微仪状态发生变化(可以理解为与原设计方案中测量触头支撑发生了弯曲变形等效)，从而体现出齿面误差；避免蜗杆主动驱动造成的测量触头支撑变形问题，电感应球测头能够直接测得被测蜗杆齿面其经过轨迹的表面缺陷，并传至计算机与标准蜗杆数学模型比较，能够较好的保证测量精度。

本实施例中，所述蜗轮蜗杆副的蜗杆35转动配合外套偏心轴套37，所述驱动电机36与偏心轴套37外侧端部固定连接，所述偏心轴套37沿轴向穿入底座14与其转动配合；所述偏心轴套37设置锁紧杆39，所述锁紧杆39螺纹配合旋入底座14顶住偏心轴套37外圆；使用时，驱动电机通过偏心轴套37和锁紧杆39的共同作用固定设置在底座14上；正常使用时，偏心轴套37是通过锁紧杆39锁死，当需要转台被动转动时，松开锁紧杆39，转动偏心轴套37，即可连同电机和蜗杆一起与蜗轮脱开；使用简单方便。

当然，测量触头17的测量面采用球面，球面触头可以对任何类型的蜗杆进行齿面坐标测量，以得到蜗杆齿面的误差；当然，测量触头也可以是平面、圆锥面或圆柱面；当触头为平面、圆锥面、圆柱面等曲面形状时，可以测量不同类型蜗杆的综合误差，使本装置具有一定的通用性；但是此时测量触头靠在被测蜗杆的齿面上并在被测蜗杆的驱动下绕旋转台轴线转动，因而需要转台被动转动，此时松开锁紧杆39，转动偏心轴套37，即可连同电机和蜗杆一起与蜗轮脱开；使用简单方便。

图7为数据传输原理方框图，如图所示：测量触头17为将数据信号输入至计算机34的电感测微仪，被测工件角度传感器10、旋转台角度传感器12、y轴方向位移传感器33、x轴方向位移传感器26、z轴方向位移传感器28、回转半径传感器27和触头倾角传感器23的信号输出端与计算机34的信号输入端相连。

本发明在使用时，测量触头17与被测工件7的齿面接触，当被测工件7转动时，电感测微仪所在回转工作台同时按照理论对应的转角转至相应的理论位置；被测工件7和电感测微仪的转角信号分别由被测工件角度传感器10和旋转台角度传感器12输出至计算机34，同时电感测微仪本身采集的信号输出至计算机34，由计算机34进行采集处理，得到两组转角值以及电感测微仪的读数值，如果被测蜗杆没有误差则此时测头就应该在该理论位置，而电感测微仪上的读数也应该保持原始状态不变。但是，由于蜗杆误差的存在，电感测微仪会因为该误差而产生一个附加的读数，表示电感测微仪状态发生变化，同时综合y轴方向位移传感器33、x轴方向位移传感器26、z轴方向位移传感器28、回转半径传感器27和触头倾角传感器23的信号进行计算分析，与标准蜗杆模型进行对比，得到被测工件7的误差，对被测工件7的精度检测和分析。

当然，将本实施例中的测量触头由电感测微仪更换为球形测量触头，同时将旋转台驱动装置与旋转台的传动链断开，通过被测蜗杆驱动测量触头旋转，对环面蜗杆采用圆弧测量方式进行坐标测量，符合环面蜗杆形状特点，因此可以逐线测量，得到被测蜗杆的齿面误差，比现有技术的逐点测量的效率高。

也可以将测量触头更换为平面测头、圆锥面测头、圆柱面测头或其它曲面测头，同时将旋转台驱动装置与旋转台的传动链断开，通过被测蜗杆驱动测量触头旋转，根据测得的参数计算被测蜗杆与测量触头之间的传动比，与标准蜗杆模型的传动比进行对比，也可以对比转角等误差，从而得出综合误差；使用简单方便。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：包括机身、主轴单元和测量单元，所述主轴单元包括主轴伺服电机、主轴和被测工件夹具及尾座，所述主轴伺服电机驱动主轴转动，所述被测工件夹具与主轴在圆周方向固定配合；

所述测量单元包括底座、旋转台、测量触头、数据采集系统和计算机，所述底座设置在机身上，旋转台以可绕z轴转动的方式设置在底座上，所述测量触头以沿x轴、y轴和z轴方向位置可调的方式设置在旋转台上，并且测量触头可绕平行于z轴的轴线转动；其中x轴、y轴和z轴构成三维直角坐标系，x轴为被测工件轴向，y轴和z轴为被测工件径向；

主轴伺服电机的控制电路与计算机的命令输出端连接用于接收计算机的输出命令。

2.根据权利要求1所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：所述旋转台上固定设置有y轴方向导轨，与y轴方向导轨相配合设置y轴方向拖板，y轴方向拖板上固定设置x轴方向导轨，与x轴方向导轨相配合设置x轴方向拖板；还包括与x轴方向拖板转动配合的z轴方向调节导轨，与z轴方向调节导轨相配合设置z轴方向调节拖板；所述z轴方向调节拖板上沿y轴方向设置回转半径调节导轨，与回转半径调节导轨相配合设置回转半径调节拖板，测量触头以可拆卸的方式固定设置在回转半径调节拖板上。

3.根据权利要求2所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：所述旋转台通过推力轴承设置在底座上，y轴方向拖板采用滚珠丝杠结构I驱动，x轴方向拖板通过滚珠丝杠结构II驱动，z轴方向调节拖板通过z轴方向齿轮齿条副驱动，回转半径调节拖板通过回转半径齿轮齿条副驱动；所述底座通过沿被测蜗杆轴向设置的轨道设置在机身上，底座可沿轨道移动或锁定在轨道上。

4.根据权利要求3所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：所述数据采集系统包括被测工件角度传感器、旋转台角度传感器、y轴方向位移传感器、x轴方向位移传感器、z轴方向位移传感器、回转半径传感器和触头倾角传感器；所述被测工件角度传感器与被测工件对应设置，用于采集被测工件的转动数据；旋转台角度传感器与旋转台对应设置，用于采集旋转台的转动数据；y轴方向位移传感器与y轴方向拖板对应设置，用于采集y轴方向拖板的y轴方向位移数据；x轴方向位移传感器与x轴方向拖板对应设置，用于采集x轴方向拖板的x轴方向位移数据；z轴方向位移传感器与z轴方向调节拖板对应设置，用于采集z轴方向调节拖板的z轴方向位移数据；回转半径传感器与回转半径调节拖板对应设置，用于采集触头的回转半径数据；触头倾角传感器与转轴对应设置，用于采集测量触头的倾角数据；所述被测工件角度传感器、旋转台角度传感器、y轴方向位移传感器、x轴方向位移传感器、z轴方向位移传感器、回转半径传感器和触头倾角传感器的信号输出端与计算机的信号输入端相连。

5.根据权利要求4所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：所述x轴方向拖板上固定设置立柱，z轴方向调节导轨固定连接有转轴，转轴沿横向穿过立柱与其转动配合。

6.根据权利要求5所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：被测工件通过被测工件夹具和尾座的顶尖轴向固定，所述被测工件角度传感器设置在主轴上采集主轴的旋转数据。

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：所述测量触头为将数据信号输入至计算机的电感测微仪，所述旋转台设置用于驱动其绕z轴旋转的旋转台驱动装置，所述旋转台驱动装置包括驱动电机和蜗轮蜗杆副，所述驱动电机固定设置在底座上，驱动电机的动力输出轴与蜗轮蜗杆副的蜗杆驱动配合，蜗轮蜗杆副的蜗轮与旋转台同轴设置并在圆周方向固定配合；驱动电机的控制电路与计算机命令输出端连接用于接收计算机的控制命令。

8.根据权利要求7所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：所述蜗轮蜗杆副的蜗杆转动配合外套偏心轴套，所述驱动电机与偏心轴套外侧端部固定连接，所述偏心轴套沿轴向穿入底座与其转动配合；所述偏心轴套设置锁紧杆，所述锁紧杆螺纹配合旋入底座顶住偏心轴套外圆。

9.根据权利要求1至6任一权利要求所述的环面蜗杆误差检测装置，其特征在于：测量触头为球形、平面、圆锥面或圆柱面，所述测量触头靠在被测蜗杆的齿面上并在被测蜗杆的驱动下绕旋转台轴线转动。

Images