CN104759943A - 检测齿轮形貌及性能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

检测齿轮形貌及性能的装置和方法，该装置精度高、刚度大，且具有高可靠性。床身基座遵循绿色机床设计理念，重量轻、刚度大、散热效果好；斜床身固定在所述床身基座上；斜床身的斜面上安装有所述十字滑台；所述十字滑台上安装有直驱电机；斜床身上与斜面相邻的竖直面上也安装有所述直驱电机；所述两个直驱电机内可安装心轴；所述心轴能夹紧齿轮；装置上安装有所述环形编码器、加速度传感器和拾音器；斜床身基座旁安装有机械臂系统，机械臂上安装有磨削烧伤传感器；传感器能检测所述齿轮的振动、噪声、传动误差和磨削烧伤；本发明装置稳定性好，占地面积小，精度、刚度和可靠性都很高，很好的保证了所述传感器对所述齿轮形貌和性能的检测。

Description

检测齿轮形貌及性能的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种齿轮检测的装置和方法，具体而言，本发明是对锥齿轮的形貌和性能检查的装置和方法，属于精密测量领域。
背景技术
齿轮作为一种重要的传动件，已广泛的应用到工业、交通、能源等重大领域。我国是齿轮制造和使用的大国，但不是齿轮制造强国，究其原因，除了齿轮加工技术的不完善，一个重要的原因就是齿轮检测技术较落后，无法对生产的齿轮的质量做出客观正确的评价，以指导加工生产。
传统的齿轮质量检测方式是通过有经验的工人手动控制机床上被测齿轮正反转，并通过人耳听噪声和人眼检查接触斑点的方式，判断齿轮是否合格，这种方法的主观性大，容易受到外界干扰，因此无法全面客观的评价齿轮的质量和性能。目前，常用的齿轮质量检测技术和仪器有齿轮坐标测量中心、单啮仪、双啮仪、滚动检查机，这些仪器或多或少的存在着测量参数单一和效率低等特点。
机械动力是通过齿轮副啮合线上的力传递的，没有力的变化就不会有振动和噪声的产生，传统机床采用皮带传动的方式，虽然这可以隔离部分驱动电机的振动和噪声，但皮带的变形和打滑会对被测齿轮形成冲击，而采用齿轮传动则会引进更多未知的振动和冲击，降低机床动态性能，并且待测齿轮的不良设计、加工误差及磨削烧伤等都会引起轮齿接触刚度及疲劳强度变化，都将会影响齿轮传动的平稳性，产生振动，并发射出噪声。一般认为，传动误差是齿轮振动和噪声的主要来源，因此在保证检测机床精度和稳定性的条件下，通过多种传感器的组合应用，就可以快速地采集到丰富的齿面信息，并指导齿轮加工生产。
发明内容
本发明能实现对齿轮形貌和性能的快速测量，它包括所述高精度数控装置和所述多种不同功能的传感器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是检测齿轮形貌及性能的装置，该装置包括高精密机床系统(1)和机械臂系统(2)。
具体而言，高精密机床系统(1)包括基座(3)、斜床身(4)、减重孔(5)、斜面(6)、斜面的相邻面(7)、滑台(8)、V向导轨副(9)、G向导轨副(10)、V向丝杠电机(11)、G向丝杠电机(12)、第一直驱电机主轴箱(13)、H向导轨副(14)、H向丝杠电机(15)、第二直驱电机主轴箱(16)、环形编码器a(17)、环形编码器b(18)、加速度传感器a(19)、加速度传感器b(20)、槽(21)、第一直驱电机(22)、第二直驱电机(23)、L型基座(30)；
机械臂系统(2)包括底座(24)、转座(25)、大臂(26)、小臂(27)、手腕体(28)、磨削烧伤检测仪(29)。
所述基座(3)为高精密机床系统(1)的底部支撑结构，基座(3)上设有减重孔(5)或桁架结构，以实现对高精密机床系统(1)的整体隔振，并起到减重作用，也利于机床散热与走线；
斜床身(4)和基座(3)通过螺纹连接配合，所述斜床身(4)为大截面倾斜结构，斜床身(4)的倾斜角取值范围为0°～90°，(常见的有30°、45°、60°、75°、90°)所述斜床身(4)的背后开有槽(21)，槽(21)内放置有用以平衡滑台(8)重量的配重模块，同时槽(21)可减轻斜床身(4)的整体重量。
斜面(6)为斜床身(4)的倾斜面，斜面(6)上安装有一对并列的V向导轨副(9)，两V向导轨副(9)中间设置有V向丝杠电机(11)；滑台(8)安装在两V向导轨副(9)上，且在V向丝杠电机(11)的驱动下沿斜面(6)实现V向运动。
滑台(8)上安装有一对并列的G向导轨副(10)，第一直驱电机箱(13)安装在G向导轨副(10)上，第一直驱电机箱(13)与G向丝杠电机(12)连接，且在G向丝杠电机(12)作用下实现G向运动；第一直驱电机(22)安装在第一直驱电机箱(13)内部；第一直驱电机(22)输出轴端安装有环形编码器a(17)，第一直驱电机(22)用于驱动待测齿轮旋转；第一直驱电机(22)的外壳上安装有加速度传感器a(19)，用于采集待测齿轮的振动信号。
斜面的相邻面(7)为与斜床身(4)的一个侧面，斜面的相邻面(7)上安装有一对H向导轨副(14)，第二直驱电机箱(16)安装在H向导轨副(14)上，第二直驱电机箱(16)与H向丝杠电机(15)连接，且在H向丝杠电机(15)作用下实现H向运动；第二直驱电机(23)安装在第二直驱电机箱(16)内部；第二直驱电机(23)输出轴端安装有环形编码器b(18)，第二直驱电机(23)用于驱动另一待测齿轮旋转；第二直驱电机(23)的外壳上安装有加速度传感器b(20)，用于采集另一待测齿轮的振动信号。
所述第一直驱电机(22)与第二直驱电机(23)的两主轴交汇点处安装有拾音器，用以采集两齿轮啮合时的噪声。
所述第一直驱电机(22)与第二直驱电机(23)采用电机直驱技术，并且所采用的直驱电机要严格的控制其噪声和振动，因为主轴的跳动会成倍的反映在齿轮切向误差上，从而影响装置的检测精度。
底座(24)为机械臂系统(2)的固定结构，转座(25)安装在底座(24)上；大臂(26)一端与小臂(27)一端连接，大臂(26)的另一端与转座(25)连接；小臂(27)的另一端通过手腕体(28)夹紧磨削烧伤检测仪(29)。
机械臂系统(2)为多自由度机械结构，机械臂系统(2)的大臂(26)、小臂(27)、手腕体(28)和转座(25)通过联动控制将磨削烧伤检测仪(29)送到待检测位置，用以实现对齿轮复杂曲面磨削烧伤情况的检测。
本发明的检测齿轮形貌及性能的装置和方法有以下显著特点：
1、所述装置精度高，刚度大，稳定性好；
2、所述装置A、B轴的旋转运动采用了所述直驱电机，相对于常用的带传动方式来说，不仅结构紧凑，而且少了中间传动环节之后，精度也大为提高。
3、所述装置上安装的两个所述直驱电机沿不完全垂直的G、V、H轴移动范围大，能满足多种尺寸齿轮的测量；
4、斜面倾角不仅可以平衡部分十字滑台的重力，降低机床重心，而且相对于平床身和立柱式床身，斜床身的斜面面积较大，可以布置更多的相关模块，使机床变得更加紧凑；
5、所述装置上安装有所述环形编码器、所述拾音器和所述加速度传感器，测量信息丰富，能客观公正的反映出齿面形貌信息；
6、所述机械臂具有多个自由度，能应对各种复杂曲面的齿轮；
7、所述磨削烧伤检测仪可以检查出齿轮表面的磨削烧伤情况，能客观评定齿轮的烧伤等级。
附图说明
图1本发明装置结构图。
图2共平面的滑台结构。
图3本发明的另一种改进方案图。
图4斜床身坐标系与正交坐标系的转化图。
图5检查齿轮形貌及性能的流程图。
图中：1、高精密机床系统，2、机械臂系统，3、基座，4、斜床身，5、减重孔，6、斜面，7、斜面的相邻面，8、滑台，9、V向导轨副，10、G向导轨副，11、V向丝杠电机，12、G向丝杠电机，13、第一直驱电机箱，14、H向导轨副，15、H向丝杠电机，16、第二直驱电机箱，17、环形编码器a，18、环形编码器b，19、加速度传感器a，20、加速度传感器b，21、槽，22、第一直驱电机，23、第二直驱电机，24、底座，25、转座，26、大臂，27、小臂，28、手腕体，29、磨削烧伤检测仪，30、L型基座，31、基座上表面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明：
本发明结构如图1所示，检测齿轮形貌及性能的装置，该装置包括高精密机床系统(1)和机械臂系统(2)。
具体而言，高精密机床系统(1)包括基座(3)、斜床身(4)、减重孔(5)、斜面(6)、斜面的相邻面(7)、滑台(8)、V向导轨副(9)、G向导轨副(10)、V向丝杠电机(11)、G向丝杠电机(12)、第一直驱电机主轴箱(13)、H向导轨副(14)、H向丝杠电机(15)、第二直驱电机主轴箱(16)、环形编码器a(17)、环形编码器b(18)、加速度传感器a(19)、加速度传感器b(20)、槽(21)、第一直驱电机(22)、第二直驱电机(23)、L型基座(30)。
机械臂系统(2)包括底座(24)、转座(25)、大臂(26)、小臂(27)、手腕体(28)、磨削烧伤检测仪(29)。
所述基座(3)为高精密机床系统(1)的底部支撑结构，基座(3)上设有减重孔(5)或桁架结构，以实现对高精密机床系统(1)的整体隔振，并起到减重作用，也利于机床散热与走线。
斜床身(4)和基座(3)通过螺纹连接配合，所述斜床身(4)为大截面倾斜结构，斜床身(4)的倾斜角取值范围为0°～90°，(常见的有30°、45°、60°、75°、90°)所述斜床身(4)的背后开有槽(21)，槽(21)内放置有用以平衡滑台(8)重量的配重模块，同时槽(21)可减轻斜床身(4)的整体重量。
斜面(6)为斜床身(4)的倾斜面，斜面(6)上安装有一对并列的V向导轨副(9)，两V向导轨副(9)中间设置有V向丝杠电机(11)；滑台(8)安装在两V向导轨副(9)上，且在V向丝杠电机(11)的驱动下沿斜面(6)实现V向运动。
滑台(8)上安装有一对并列的G向导轨副(10)，第一直驱电机箱(13)安装在G向导轨副(10)上，第一直驱电机箱(13)与G向丝杠电机(12)连接，且在G向丝杠电机(12)作用下实现G向运动；第一直驱电机(22)安装在第一直驱电机箱(13)内部；第一直驱电机(22)输出轴端安装有环形编码器a(17)，第一直驱电机(22)用于驱动待测齿轮旋转；第一直驱电机(22)的外壳上安装有加速度传感器a(19)，用于采集待测齿轮的振动信号。
斜面的相邻面(7)为与斜床身(4)的一个侧面，斜面的相邻面(7)上安装有一对H向导轨副(14)，第二直驱电机箱(16)安装在H向导轨副(14)上，第二直驱电机箱(16)与H向丝杠电机(15)连接，且在H向丝杠电机(15)作用下实现H向运动；第二直驱电机(23)安装在第二直驱电机箱(16)内部；第二直驱电机(23)输出轴端安装有环形编码器b(18)，第二直驱电机(23)用于驱动另一待测齿轮旋转；第二直驱电机(23)的外壳上安装有加速度传感器b(20)，用于采集另一待测齿轮的振动信号；
所述第一直驱电机(22)与第二直驱电机(23)的两主轴交汇点处安装有拾音器，用以采集两齿轮啮合时的噪声。
所述第一直驱电机(22)与第二直驱电机(23)采用电机直驱技术，并且所采用的直驱电机要严格的控制其噪声和振动，因为主轴的跳动会成倍的反映在齿轮切向误差上，从而影响装置的检测精度。
底座(24)为机械臂系统(2)的固定结构，转座(25)安装在底座(24)上；大臂(26)一端与小臂(27)一端连接，大臂(26)的另一端与转座(25)连接；小臂(27)的另一端通过手腕体(28)夹紧磨削烧伤检测仪(29)；
机械臂系统(2)为多自由度机械结构，机械臂系统(2)的大臂(26)、小臂(27)、手腕体(28)和转座(25)通过联动控制将磨削烧伤检测仪(29)送到待检测位置，用以实现对齿轮复杂曲面磨削烧伤情况的检测。
如图2所示，是对精密机床系统(1)关键部件的进一步改进，所述G向导轨副(10)和V向导轨副(9)采用共平面结构，用以消除多项阿贝误差，提高检测系统精度。
如图3所示，是对精密机床系统(1)关键部件的更进一步改进，基座(3)改进为L型基座(30)，L型基座(30)与斜床身(4)固连在一起，并将原本安装在斜面相邻面(7)上的直驱电机(23)安装在L型基座(30)的另一条边上。L型基座(30)稳定性高，并且使得本装置的精密机床系统(1)可分为更多的子模块进行生产加工，缩短了加工周期。采用L型基座(30)的另一个优点就是机械臂系统(2)可安装在基座上表面(31)上，由此就将本装置各功能模块高效地集成在一起。
本发明机床坐标系采用的是普通数控机床上常用的G/V/H命名法，由于三根坐标轴不完全垂直，因此可进行如图4所示的坐标变换，实现机床坐标系到正交坐标系的转化，具体实施公式如下：
x y z = h g v 1 0 0 0 1 0 0 0 cos θ
其中，θ为斜面(6)与竖直方向的夹角；(h,g,v)为精密机床在G/V/H坐标系下的各坐标点；(x,y,z)为精密机床在笛卡尔正交坐标系下的各坐标点。
为了实现机床的精确定位，所有的直线运动均采用光栅尺进行闭环反馈控制，所述各个直线运动既可以是独立的，也可以联动。在建立好机床坐标系后，通过电机驱动器控制V向丝杠电机(11)、G向丝杠电机(12)和H向丝杠电机(15)，实现第一直驱电机(22)和第二直驱电机(23)的相对运动，从而调整两个待测齿轮在坐标系中的位置；在位置确定之后，第一直驱电机(22)和第二直驱电机(23)开始旋转，带动待测齿轮副滚动，并开始对待测齿轮形貌和性能的各项检测。
本装置可模拟齿轮的正常工况进行检测，具体的检测流程如图5所示，在检测装置启动后，系统会先自检和复位，若有新的数据库输入，则先读取新数据库中数据，反之，则直接读取原始数据库；系统各开机项检查无误后，将待测齿轮安装在心轴中并夹紧，调整机床参数，选择待检项目，然后按下测试按钮；启动按钮后，系统首先通过控制各丝杠电机将待测齿轮调整到目标位置，并自动对齿，实现齿轮副的柔性啮合，然后启动主轴电机，并按照输入的转速和载荷控制待测齿轮副旋转；在主轴电机转速和载荷稳定之后，系统自动调整齿轮副的安装距，并采集各个传感器信号，再使用快速傅里叶变换等方法对信号进行处理，分析频谱图中各特征频率(如转频和啮频等)，当特征频率幅值超过设定的阈值时，则判定该齿轮不合格并发出报警，反之，在确定齿轮没有缺陷之后，系统将自动检查该齿轮副的最佳安装距，以使齿轮在其传动误差、振动和噪声综合评价最佳处啮合转动；检查完齿轮的传动误差、振动和噪声后，直驱电机停止运动，机械臂系统开始自动沿齿面检查齿轮的磨削烧伤情况，以进一步判断齿轮的使用性能，最后综合评判并打印报表，并停机。
以汽车齿轮为例，在汽车正常行驶时，锥齿轮会在高速、低速和轻载、重载的各种工况下啮合运动，因此设定高精密机床系统(1)的两直驱电机主轴相交，且调节转速在0～4500rpm，载荷最高为300Nm，另一电机转速和载荷可通过齿轮副的传动比计算出来。
以上结合实例描述了本发明的基本原理和主要特征，但应予理解的是，本发明并不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和所述权利要求范围内，对本发明各种改变都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.检测齿轮形貌及性能的装置，其特征在于：该装置包括高精密机床系统(1)和机械臂系统(2)；
具体而言，高精密机床系统(1)包括基座(3)、斜床身(4)、减重孔(5)、斜面(6)、斜面的相邻面(7)、滑台(8)、V向导轨副(9)、G向导轨副(10)、V向丝杠电机(11)、G向丝杠电机(12)、第一直驱电机主轴箱(13)、H向导轨副(14)、H向丝杠电机(15)、第二直驱电机主轴箱(16)、环形编码器a(17)、环形编码器b(18)、加速度传感器a(19)、加速度传感器b(20)、槽(21)、第一直驱电机(22)、第二直驱电机(23)、L型基座(30)；
机械臂系统(2)包括底座(24)、转座(25)、大臂(26)、小臂(27)、手腕体(28)、磨削烧伤检测仪(29)；
所述基座(3)为高精密机床系统(1)的底部支撑结构，基座(3)上设有减重孔(5)或桁架结构，以实现对高精密机床系统(1)的整体隔振，并起到减重作用，也利于机床散热与走线；
斜床身(4)和基座(3)通过螺纹连接配合，所述斜床身(4)为大截面倾斜结构，斜床身(4)的倾斜角取值范围为0°～90°，(常见的有30°、45°、60°、75°、90°)所述斜床身(4)的背后开有槽(21)，槽(21)内放置有用以平衡滑台(8)重量的配重模块，同时槽(21)可减轻斜床身(4)的整体重量；
斜面(6)为斜床身(4)的倾斜面，斜面(6)上安装有一对并列的V向导轨副(9)，两V向导轨副(9)中间设置有V向丝杠电机(11)；滑台(8)安装在两V向导轨副(9)上，且在V向丝杠电机(11)的驱动下沿斜面(6)实现V向运动；
滑台(8)上安装有一对并列的G向导轨副(10)，第一直驱电机箱(13)安装在G向导轨副(10)上，第一直驱电机箱(13)与G向丝杠电机(12)连接，且在G向丝杠电机(12)作用下实现G向运动；第一直驱电机(22)安装在第一直驱电机箱(13)内部；第一直驱电机(22)输出轴端安装有环形编码器a(17)，第一直驱电机(22)用于驱动待测齿轮旋转；第一直驱电机(22)的外壳上安装有加速度传感器a(19)，用于采集待测齿轮的振动信号；
斜面的相邻面(7)为与斜床身(4)的一个侧面，斜面的相邻面(7)上安装有一对H向导轨副(14)，第二直驱电机箱(16)安装在H向导轨副(14)上，第二直驱电机箱(16)与H向丝杠电机(15)连接，且在H向丝杠电机(15)作用下实现H向运动；第二直驱电机(23)安装在第二直驱电机箱(16)内部；第二直驱电机(23)输出轴端安装有环形编码器b(18)，第二直驱电机(23)用于驱动另一待测齿轮旋转；第二直驱电机(23)的外壳上安装有加速度传感器b(20)，用于采集另一待测齿轮的振动信号；
所述第一直驱电机(22)与第二直驱电机(23)的两主轴交汇点处安装有拾音器，用以采集两齿轮啮合时的噪声；
所述第一直驱电机(22)与第二直驱电机(23)采用电机直驱技术，并且所采用的直驱电机要严格的控制其噪声和振动，因为主轴的跳动会成倍的反映在齿轮切向误差上，从而影响装置的检测精度；
底座(24)为机械臂系统(2)的固定结构，转座(25)安装在底座(24)上；大臂(26)一端与小臂(27)一端连接，大臂(26)的另一端与转座(25)连接；小臂(27)的另一端通过手腕体(28)夹紧磨削烧伤检测仪(29)；
机械臂系统(2)为多自由度机械结构，机械臂系统(2)的大臂(26)、小臂(27)、手腕体(28)和转座(25)通过联动控制将磨削烧伤检测仪(29)送到待检测位置，用以实现对齿轮复杂曲面磨削烧伤情况的检测。
2.根据权利要求1所述的检测齿轮形貌及性能的装置，其特征在于：所述滑台(8)改进成G向导轨副(10)和V向导轨副(9)共平面的结构。
3.根据权利要求1所述的检测齿轮形貌及性能的装置，其特征在于：基座(3)改进为L型基座(30)，L型基座(30)与斜床身(4)固连在一起，并将原本安装在斜面相邻面(7)上的直驱电机(23)安装在L型基座(30)的另一条边上；L型基座(30)稳定性高，并且使得本装置的精密机床系统(1)可分为更多的子模块进行生产加工，缩短了加工周期；采用L型基座(30)的另一个优点就是机械臂系统(2)安装在基座上表面(31)上，由此就将本装置各功能模块高效地集成在一起。
4.根据权利要求1所述的检测齿轮形貌及性能的装置，其特征在于：机床坐标系采用的是普通数控机床上常用的G/V/H命名法，由于三根坐标轴不完全垂直，因此可进行如坐标变换，实现机床坐标系到正交坐标系的转化，具体实施公式如下：
x y z = h g v 1 0 0 0 1 0 0 0 cos θ
其中，θ为斜面(6)与竖直方向的夹角；(h,g,v)为精密机床在G/V/H坐标系下的各坐标点；(x,y,z)为精密机床在笛卡尔正交坐标系下的各坐标点。
5.根据权利要求1所述的检测齿轮形貌及性能的装置，其特征在于：为了实现机床的精确定位，所有的直线运动均采用光栅尺进行闭环反馈控制，所述各个直线运动是独立或联动的；在建立好机床坐标系后，通过电机驱动器控制V向丝杠电机(11)、G向丝杠电机(12)和H向丝杠电机(15)，实现第一直驱电机(22)和第二直驱电机(23)的相对运动，从而调整两个待测齿轮在坐标系中的位置；在位置确定之后，第一直驱电机(22)和第二直驱电机(23)开始旋转，带动待测齿轮副滚动，并开始对待测齿轮形貌和性能的各项检测。
6.检测齿轮形貌及性能的方法，其特征在于：在整个检测装置启动后，检测装置的系统会先自检和复位，若有新的数据库输入，则先读取新数据库中数据，反之，则直接读取原始数据库；系统各开机项检查无误后，将待测齿轮安装在心轴中并夹紧，调整机床参数，选择待检项目，然后按下测试按钮；启动按钮后，系统首先通过控制各丝杠电机将待测齿轮调整到目标位置，并自动对齿，实现齿轮副的柔性啮合，然后启动主轴电机，并按照输入的转速和载荷控制待测齿轮副旋转；在主轴电机转速和载荷稳定之后，系统自动调整齿轮副的安装距，并采集各个传感器信号，再使用快速傅里叶变换等方法对信号进行处理，分析频谱图中各特征频率，当特征频率幅值超过设定的阈值时，则判定该齿轮不合格并发出报警，反之，在确定齿轮没有缺陷之后，系统将自动检查该齿轮副的最佳安装距，以使齿轮在其传动误差、振动和噪声综合评价最佳处啮合转动；检查完齿轮的传动误差、振动和噪声后，直驱电机停止运动，机械臂系统开始自动沿齿面检查齿轮的磨削烧伤情况，以进一步判断齿轮的使用性能，最后综合评判并打印报表，并停机。
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