CN102135470B - 直线测头式小齿轮误差差动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为直线测头式小齿轮误差差动测量方法，解决测量运动状态不符合齿轮使用状态，测量元件易变形，测量精度差的问题。直线测头式小齿轮误差差动测量方法，测量头位于测量拖板上通过第1电机的传动相对基座平移，差动测量装置位于测头拖板上，或者位于第2电机的轴套上，当差动测量装置位于测头拖板上时，差动测量装置检测出测量头相对于测头拖板的位移值L₁，位于基座上的第1位移传感器检测出测头拖板相对于基座的位移值L₂，位于第2电机的轴套上的第2角位移传感器测出被测量齿轮相对于基座的旋转角位移值Φ₁，将上述三个数据送入计算机进行数据处理得到被测齿轮的综合叠加误差δ，δ＝(L₁+L₂)Cosα-r_bΦ₁，其中α为被测齿轮压力角值，r_b是被测齿轮基圆半径值。

Description

直线测头式小齿轮误差差动测量方法

技术领域：

本发明涉及一种小齿轮误差测量方法，属于精密测试技术及仪器、机械传动技术领域。

背景技术：

小齿轮通常是指模数小于1mm，或分度圆直径小于30mm的齿轮。小齿轮在精密量具、航空仪表、计时钟表中应用广泛。我国是小齿轮生产大国，但质量不高、精度不稳定。

现有的小齿轮测量方法有接触法和非接触测量法。接触测量法按测量元件的不同可分为点测头式、蜗杆啮合式和齿轮啮合式三类。

点测头坐标式测量法，如齿轮测量中心，采用点测头和坐标测量方式。其典型测头如图1。这种大头、细颈和长杆状特点的点测头刚性弱、制造难。因此用该方法，国内通常可测量齿轮模数仅小至0.4mm。再者，点测头坐标测量法的测量运动状态不符合齿轮使用状态，测得的误差信息较片面。

蜗杆啮合式测量法，如图2，采用单轴驱动方式，即电机驱动测量蜗杆，被测齿轮和其固连的轴系因与测量蜗杆单面啮合而被动旋转。该方法通常可以测量模数小至0.5mm的齿轮。但对于更小的模数，弱刚性被测齿轮就不足以无变形地带动与其固连的大转动惯量轴系。这种“直接测量”系统的测量精度和测量灵敏度，对于测量小齿轮来说太差而不能采用。

齿轮啮合式测量法中的双轴主动驱动单面啮合差动测量法，亦称之为差动式测量方法，是发明专利200710049601.1中的方法，如图3。其基本思想是将测量元件和被测齿轮由两套电机分别驱动，测量元件相对于测量元件部件轴系的差动误差由差动联轴器加差动传感器测量出来。该方法首次解决了小齿轮单啮测量的世界性难题。但该方法存在测量齿轮制造精度的难点，因此目前测量精度不高。

综上所述，目前小齿轮测量方法有三大不足点：

第一点是，点测头受加工工艺限制而不能做到更小即不能测量更小齿轮，且点测头坐标测量法的测量运动状态不符合齿轮使用状态，测得的误差信息较片面；

第二点是，蜗杆啮合式测量法是单轴驱动式“直接测量”，其测量精度和测量灵敏度不能用于小齿轮测量；

第三点是，齿轮啮合式测量法中，测量齿轮制造精度的难点，因此目前测量精度不高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种测量运动状态符合齿轮使用状态，测量元件和被测齿轮不易变形，测量精度高的直线测头式小齿轮误差差动测量方法。

本发明的另一个目的是使测量头更适合齿轮测量，刚性好，便于加工。

本发明是这样实现的：

本发明直线测头式小齿轮误差差动测量方法，测量头1位于测头拖板15上通过第1电机2的传动相对基座13平移，差动测量装置位于测头拖板15上，差动测量装置检测出测量头1相对于测头拖板15的位移值L₁，位于基座上13的第1位移传感器3检测出测头拖板相对于基座的位移值L₂，位于第2电机7与被测齿轮5的轴套24上的第2角位移传感器6测出被测齿轮相对于基座的旋转角位移值Φ₁，将上述三个数据送入计算机进行数据处理得到被测齿轮的综合叠加误差δ，

δ＝(L₁+L₂)Cosα-r_bΦ₁

其中α为被测齿轮的压力角值，

r_b是被测齿轮基圆半径值，

所述差动测量装置为平行簧片型差动联轴器16和差动传感器17，基座13上有直线导轨14与测头拖板15动配合，第1电机2与测头拖板15传动连接，测头拖板上有差动联轴器16，测量头1和差动传感器17的读数头固连于差动联轴器16的平行簧片运动端上，差动传感器17的主栅尺和第1位移传感器3的主栅尺固连于测头拖板上，第1位移传感器3的读数头固连于基座13的托架上，第2电机7的动力输出轴与被测齿轮5连接，测量头因差动联轴器16的簧片预压力而贴合于被测齿轮的测量点上，当测量头1随测头拖板15移动，差动传感器17的读数头与其主栅尺之间产生相对移动，差动传感器17的读数头读取出相对移动的位移值L₁，第1位移传感器3的读数头读取测头拖板15相对于基座13的位移值L₂，第2角位移传感器6检测出被测齿轮5相对于基座13旋转的角位移值Φ₁。

测量头1位于测头拖板15上通过第1电机2的传动相对基座13平移，差动测量装置位于第2电机7与被测齿轮5的轴套上，

差动测量装置检测出被测齿轮相对于被测齿轮轴系间的相对位移值L₃，第1位移传感器3检测出测量头1相对于基座13的位移值L₄，第2角位移传感器6检测出被测齿轮轴系相对于基座13旋转的角位移值Φ₂，将上述三个数据送入计算机进行数据处理得到被测齿轮的综合叠加误差δ，

δ＝(L₃+L₄)Cosα-r_bφ₂

其中α为被测齿轮的压力角值，

r_b是被测齿轮基圆半径值，

所述的基座13上有直线导轨14与测头拖板15动配合，第1电机2与测头拖板15传动连接，测头拖板15上有测头连接块19与测量头1连接，第1位移传感器3的主栅尺固连于测头拖板15上，其读数头固连于基座13的托架上，所述差动测量装置由差动测力杆20、感应臂21、差动测力杆支架22和差动位移传感器23组成，被测齿轮5与感应臂21固连，差动测力杆支架22与轴套24固连，差动测力杆支架22上固连有差动位移传感器23和差动测力杆20，感应臂21的一侧通过弹簧与差动测力杆20接触，另一侧与差动位移传感器23接触，第2电机7通过轴套24与轴套24上的被测齿轮5和差动测量装置连接，第1位移传感器、第2角位移传感器和差动位移传感器23与计算机连接，当第1，2电机按传动比驱动进行齿轮测量时，第1位移传感器3的读数头读到测量头1相对于基座13的位移值L₄，第2角位移传感器6检测出轴套24相对于基座13的旋转角位移值Φ₂，差动位移传感器23读取被测齿轮5相对于轴套24的相对位移值L₃。

所述的测量头为圆柱前端扁型测头，圆柱直径D＝1mm，圆柱前端的切削截面与圆柱轴线夹角β＝20°，弦高h＝0.02mm，测量头总长L＝8mm。

所述的所述测量头为圆锥型测头，圆锥角θ＝2α，圆锥后端有圆柱段，圆柱直径D＝1mm，测量头总长L＝8mm。

所述测量头为跳牙齿条型测头，模数m＝0.15915mm，压力角α＝20°，每间隔1个正常齿槽加宽1个齿槽，单侧齿槽加宽量Y＝0.03mm。

被测齿轮5的模数范围是0.05-1mm，或分度圆直径为1-30mm。

针对前文提到的目前小齿轮测量的第一和第三个不足点，本发明使用特殊测量头，包含但不仅限于准齿条型测头和跳牙齿条型测头，如图8、图9、图10。

与传统点测头的比较如下。众所周知，单面啮合测量原理比坐标测量原理有许多优点，如测量状态接近被测齿轮使用状态、能测得的误差信息全面等。本发明中的特殊测量头就符合单面啮合测量原理，并且刚性好。因此，本测量头比传统点测头更适合齿轮测量。

与传统的单面啮合测量元件比较如下。在测量过程中，本测量头是以其直线型的直母线参与啮合测量，且空间几何形状比功能相对应的传统单面啮合测量元件简单。传统的单面啮合测量元件有测量蜗杆、多齿测量齿条、单齿测量齿条和单齿测量齿轮。它们都是基于基准齿条与齿轮啮合原理，具有两个特点：啮合廓面间为点啮合，啮合中心距和轴交角两个自由度的可分性。前者有利于准确获取测量点处误差信息，后者给测量带来方便。瞬时啮合点在两廓面上的集合就是接触迹，其形状仅与齿廓面的固有参数有关，与相啮合的另一廓面参数及中心距、轴交角无关。基准齿条测量元件的接触迹线是其直母线。根据上述原理和特点，本发明优化基准齿条测量元件成如下三种：以被测齿轮压力角角度值倾斜安置的圆柱削扁型测头，以被测齿轮压力角角度值为半锥角值的圆锥型测头，和每间隔几个加宽齿槽有一个正常齿槽的跳牙齿条型测头。如图8、图9、图10。本测量头的空间几何形状比功能相对应的传统单面啮合测量元件简单、易于加工到更高精度，从而提高齿轮测量精度。

本发明是对专利200710049601.1微小齿轮误差的差动测量装置的改进。

针对前文提到的目前小齿轮测量的第二个不足点，即单轴驱动式“直接测量”不能用于小齿轮测量，且考虑到使用本发明的测量头，本发明将专利200710049601.1微小齿轮误差的差动测量装置的平行轴差动原理改变为：直线加圆周双向主动驱动、单面啮合差动测量。

即，当差动传感部件可置于测量头部件处时，如图4、5，第1电机在被测齿轮分度圆切线方向上驱动测量头、差动传感部件和第1位移传感器作直线运动，第2电机驱动被测齿轮和第2角位移传感器作回转运动。差动传感部件中的差动联轴器保证测量头与被测齿轮单面啮合。测量头的位移值由差动传感部件和第1位移传感器获测量出，被测齿轮的位移值由第2角位移传感器获测量出，经数据处理得到齿轮误差。这就避免了弱刚性的测量元件易变形的弊病，还避免了弱刚性的被测小齿轮带动大质量轴系回转的弊病。差动传感部件也可置于被测齿轮部件处，如图6、7，两者基本原理一致。

附图说明：

图1为传统的点测头示意图。

图2为蜗杆啮合式测量原理示意图。

图3为专利200710049601.1双轴主动驱动单面啮合差动测量原理示意图。

图4为差动传感部件置于测量头部件处的直线测头式小齿轮误差差动测量方法示意图。

图5为差动传感部件置于测量头部件处的直线测头式小齿轮误差差动测量方法装置图。

图6为差动传感部件置于被测齿轮部件处的直线测头式小齿轮误差差动测量方法示意图。

图7为差动传感部件置于被测齿轮部件处的直线测头式小齿轮误差差动测量方法装置图。

图8为准齿条型测头示意图之一。

图9为准齿条型测头示意图之二。

图10为跳牙齿条型测头示意图。

图中：1、测量头，2、第1电机，3、第1位移传感器，4、差动传感部件，5、被测齿轮，6、第2角位移传感器，7、第2电机，8、测量蜗杆，9、测量齿轮，10、差动传感器和差动联轴器，11、测量头部件，12、被测齿轮部件，13、基座，14、直线导轨，15、测头拖板，16、平行簧片型差动联轴器，17、差动传感器，18、被测齿轮轴系与弹簧夹头，19、测头连接块，20、差动测力杆，21、感应臂，22、差动测力杆支架，23、差动位移传感器，24、轴套。

具体实施：

实施例1：

本测量方法，避免了弱刚性的测量头易变形的弊病，还避免了弱刚性的被测小齿轮带动大质量轴系回转的弊病，实现了对小齿轮的精密测量。

本例中差动传感部件可置于测量头部件处。

本实施例的测量原理是将双轴主动驱动单面啮合测量法改变为在被测齿轮分度圆切线方向上直线驱动测量头和差动传感部件，实现小齿轮高效精密测量。

如图4、5、8、9、10所示，测量头1使用本发明的特殊测量头，第1电机2和第2电机7可选用日本松下公司的MINAS-A4-100W型伺服电机，第1位移传感器3可选用英国雷尼绍公司的RESR20型圆光栅加RGH20型读数头，差动传感部件4由平行簧片型差动联轴器16与差动传感器17的组成，第2角位移传感器6可选用英国雷尼绍公司的RG2光栅主尺加RGH25读数头，直线导轨14可选用日本THK公司的常规产品，差动联轴器16可选用传统平行簧片结构，差动传感器17可选用英国雷尼绍公司的RG2光栅主尺加RGH25读数头。

测量头部件11由基座13、直线导轨14、测头拖板15、第1电机2和传动丝杠、平行簧片型差动联轴器16、差动传感器17和测量头1依次连接，并构成第一套驱动系统。被测齿轮部件12由第2电机7、第2角位移传感器6、轴系与弹簧夹头18、被测齿轮5依次连接，并构成第二套驱动系统。第1电机2通过测头拖板15和平行簧片型差动联轴器16带动测量头1；第2电机7通过轴系与弹簧夹头18带动被测齿轮5。测量头1和被测齿轮5分别由第1电机2和第2电机7按规定传动比驱动。测量头1因差动联轴器16的簧片预压力而贴合于被测齿轮5的测量点上，即“浮动”，构成单面啮合。

差动传感器17的主栅尺固连于测头拖板15上、差动传感器17的读数头与测量头1同时固连于差动联轴器16的平行簧片运动端上，则当测量头1测量到被测齿轮5的误差而沿被测齿轮5的切线方向移动时，差动传感器17的读数头亦沿被测齿轮5的切线方向同步移动，这时差动传感器17的读数头与其固连于测头拖板15上的主栅尺之间产生相对移动，即“差动”，差动传感器17读取出该相对移动量即为测量头1相对于测头拖板15的位移值L₁。类似地，第1位移传感器3的主栅尺固连于测头拖板15上、读数头固连于基座13的托架上，则第1位移传感器3可检测出测头拖板15相对于基座13的位移值L₂。第2角位移传感器6检测出被测齿轮5相对于基座13旋转的角位移值φ₁。经数据处理，得到被测齿轮5的综合叠加误差δ，并从中分离出各相应误差。基本关系式为：

δ＝(L₁+L₂)Cosα-r_bφ₁

式中，α是被测齿轮压力角值，r_b是被测齿轮基圆半径值。

对于测量头1的三种形式，即圆柱削扁型测头、圆锥型测头和跳牙齿条型测头，本实施例是这样的：

第一，圆柱削扁型测头是，圆柱直径D＝1mm，圆柱一端被削扁，该切削截面与圆柱轴线成夹角β，β＝20°，该切削截面与圆柱端面的相交线是圆柱端面圆形的一条弦，其弦高h＝0.02mm，测头总长L＝8mm。

第二，圆锥型测头是，一端为圆锥型，其圆锥角θ＝2α，其中α是被测齿轮的压力角角度值，圆锥的后方是一段圆柱，该圆柱直径D＝1mm，测头总长L＝8mm。

第三，跳牙齿条型测头是，其特征在于m＝0.15915mm，压力角α＝20°，其齿槽部分每间隔1个正常齿槽加宽1个齿槽，单侧齿槽加宽量Y＝0.03mm。

实施例2：

具体实施方法的第二种类型：差动传感部件可置于被测齿轮部件处。

本实施例的测量原理是将双轴主动驱动单面啮合测量法改变为在被测齿轮分度圆切线方向上直线驱动测量头，差动传感部件置于被测齿轮部件处，实现小齿轮高效精密测量。

如图6、7所示，差动传感部件使用专利200710049601.1微小齿轮误差的差动测量装置中的差动部分，即由压簧差动测力杆20、感应臂21、差动测力杆支架22和差动位移传感器23组成。差动位移传感器23可选用日本三丰公司的519-322#电感测头。

第一套驱动系统由基座13、直线导轨14、测头拖板15、第1电机2和传动丝杠、第1位移传感器3、测头连接块19和测量头1依次连接构成。基座13上有直线导轨14与测头拖板15动配合，第1电机2与测头拖板15传动连接，测头连接块19把测量头1固定连接在测头拖板15上，第1位移传感器3的主栅尺固连于测头拖板15上，其读数头固连于基座13的托架上。则第1电机2可以驱动测量头1沿被测齿轮分度圆切线方向上相对于基座13作直线运动，此时第1位移传感器3检测出该的位移值L₄。

第二套驱动系统由第2电机7、第2角位移传感器6、轴套24、被测齿轮5、感应臂21、差动测力杆支架22、差动位移传感器23和压簧差动测力杆20依次连接构成。轴套24的外壳安装在基座13上，并可以由第2电机7驱动作相对于基座13的圆周转动，轴套24转动角位移值φ₂由第2角位移传感器6检测出。轴套与传动轴连接。

所述的差动测量装置由差动测力杆20、感应臂21、差动测力杆支架22和差动位移传感器23组成，它们在轴套24之上构成一套所谓“轴上轴结构”的轴系，这个上层轴系可以相对于其下层的轴套24作圆周转动。被测齿轮5就位于该“轴上轴结构”中上层轴系处，它与感应臂21固连，它的轴两端顶尖定位于轴套的顶尖孔之间，故被测齿轮5和感应臂21可以相对于轴套24作圆周转动。差动位移传感器23的外壳和差动测力杆20固连在差动测力杆支架22上，差动测力杆支架22又固连在轴套24的主轴上。差动测力杆20的弹力通过作用于感应臂21而使被测齿轮5与测量头1接触。被测齿轮5相对于轴套24的角位移，就反映在感应臂21相对于差动位移传感器23间的位移值L₃上，并由差动位移传感器23检测出。

在进行测量时，测量头1和被测齿轮5分别由第1电机2和第2电机7按规定传动比驱动，测量头1测量到被测齿轮5的自身误差和旋转位移而沿被测齿轮5的切线方向移动，被测齿轮5和与其固连的感应臂21沿圆周转动，第2角位移传感器6、轴套24、差动测力杆支架22、差动位移传感器23外壳和差动测力杆20亦作圆周转动，但它们与被测齿轮5及感应臂21的固连体之间可以有相对移动，即“差动”。

差动位移传感器23读取出被测齿轮5相对于轴套24间的相对位移值L₃，第1位移传感器3检测出测量头1相对于基座13的位移值L₄，第2角位移传感器6检测出轴套24相对于基座13旋转的角位移值φ₂。经数据处理，得到被测齿轮5的综合叠加误差δ，并从中分离出各相应误差。

基本关系式为：

δ＝(L₃+L₄)Cosα-r_bφ₂

式中，α是被测齿轮压力角值，r_b是被测齿轮基圆半径值。

测量头的形式，同于实施例1中的测量头。

Claims (6)

1.直线测头式小齿轮误差差动测量方法，其特征在于测量头(1)位于测头拖板(15)上通过第1电机(2)的传动相对基座(13)平移，差动测量装置位于测头拖板(15)上，差动测量装置检测出测量头(1)相对于测头拖板(15)的位移值L₁，位于基座上(13)的第1位移传感器(3)检测出测头拖板相对于基座的位移值L₂，位于第2电机(7)与被测齿轮(5)的轴套(24)上的第2角位移传感器(6)测出被测齿轮相对于基座的旋转角位移值Φ₁，将上述三个数据送入计算机进行数据处理得到被测齿轮的综合叠加误差δ，

δ＝(L₁+L₂)Cosα-r_bΦ₁

其中α为被测齿轮的压力角值，

r_b是被测齿轮基圆半径值，

所述差动测量装置为平行簧片型差动联轴器(16)和差动传感器(17)，基座(13)上有直线导轨(14)与测头拖板(15)动配合，第1电机(2)与测头拖板(15)传动连接，测头拖板上有差动联轴器(16)，测量头(1)和差动传感器(17)的读数头固连于差动联轴器(16)的平行簧片运动端上，差动传感器(17)的主栅尺和第1位移传感器(3)的主栅尺固连于测头拖板上，第1位移传感器(3)的读数头固连于基座(13)的托架上，第2电机(7)的动力输出轴与被测齿轮(5)连接，测量头因差动联轴器(16)的簧片预压力而贴合于被测齿轮的测量点上，当测量头(1)随测头拖板(15)移动，差动传感器(17)的读数头与其主栅尺之间产生相对移动，差动传感器(17)的读数头读取出相对移动的位移值L₁，第1位移传感器(3)的读数头读取测头拖板(15)相对于基座(13)的位移值L₂，第2角位移传感器(6)检测出被测齿轮(5)相对于基座(13)旋转的角位移值Φ₁。

2.直线测头式小齿轮误差差动测量方法，其特征在于测量头(1)位于测头拖板(15)上通过第1电机(2)的传动相对基座(13)平移，差动测量装置位于第2电机(7)与被测齿轮(5)的轴套上，

差动测量装置检测出被测齿轮相对于被测齿轮轴系间的相对位移值L₃，第1位移传感器(3)检测出测量头(1)相对于基座(13)的位移值L₄，第2角位移传感器(6)检测出被测齿轮轴系相对于基座(13)旋转的角位移值Φ₂，将上述三个数据送入计算机进行数据处理得到被测齿轮的综合叠加误差δ，

δ＝(L₃+L₄)Cosα-r_bφ₂

其中α为被测齿轮的压力角值，

r_b是被测齿轮基圆半径值，

所述的基座(13)上有直线导轨(14)与测头拖板(15)动配合，第1电机(2)与测头拖板(15)传动连接，测头拖板(15)上有测头连接块(19)与测量头(1)连接，第1位移传感器(3)的主栅尺固连于测头拖板(15)上，其读数头固连于基座(13)的托架上，所述差动测量装置由差动测力杆(20)、感应臂(21)、差动测力杆支架(22)和差动位移传感器(23)组成，被测齿轮(5)与感应臂(21)固连，差动测力杆支架(22)与轴套(24)固连，差动测力杆支架(22)上固连有差动位移传感器(23)和差动测力杆(20)，感应臂(21)的一侧通过弹簧与差动测力杆(20)接触，另一侧与差动位移传感器(23)接触，第2电机(7)通过轴套(24)与轴套(24)上的被测齿轮(5)和差动测量装置连接，第1位移传感器、第2角位移传感器和差动位移传感器(23)与计算机连接，当第1，2电机按传动比驱动进行齿轮测量时，第1位移传感器(3)的读数头读到测量头(1)相对于基座(13)的位移值L₄，第2角位移传感器(6)检测出轴套(24)相对于基座(13)的旋转角位移值Φ₂，差动位移传感器(23)读取被测齿轮(5)相对于轴套(24)的相对位移值L₃。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的测量头为圆柱前端扁型测头，圆柱直径D＝1mm，圆柱前端的切削截面与圆柱轴线夹角β＝20°，弦高h＝0.02mm，测量头总长L＝8mm。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的所述测量头为圆锥型测头，圆锥角θ＝2α，圆锥后端有圆柱段，圆柱直径D＝1mm，测量头总长L＝8mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述测量头为跳牙齿条型测头，模数m＝0.15915mm，压力角α＝20°，每间隔1个正常齿槽加宽1个齿槽，单侧齿槽加宽量Y＝0.03mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在被测齿轮(5)的模数范围是0.05-1mm，或分度圆直径为1-30mm。

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