CN105716554B - 一种用于直齿标准齿轮螺旋线测量的高精度定位装置 - Google Patents
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Abstract
一种提高直齿标准齿轮螺旋线测量精度的高精度定位装置及其调整方，采用一面固定，一面可调的双V型块定位方式，V型块一侧面为固定的且倾斜20°的平面，与测量芯轴的接触状态为线接触；另一侧面为轴线垂直于固定平面的圆柱面，且位置可微调，该面与测量芯轴的接触状态为点接触。该装置的调整基准、齿轮的安装基准及螺旋线的测量基准统一。本发明提供的用于直齿标准齿轮螺旋线测量精度高精度定位装置的综合定位误差能够减小到0.5μm以下，满足1级精度直齿标准齿轮螺旋线测量装置对定位精度的要求，并可用于高精度轴类零件和导轨类零件的定位，具有良好的推广价值与市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于精密加工与测试技术领域，涉及一种提高直齿标准齿轮螺旋线测量精度的高精度定位装置及其调整方法。
背景技术
齿轮是机械零件中非常重要的基础件之一，尤其是圆柱渐开线齿轮广泛应用于在常规机械、地面交通、船舶、航空航天、兵器、精密机床与仪器等领域。齿轮国家标准GB/T10095.1-2008定义了齿轮13个精度等级，0级最高，12级最低；齿轮国际标准ISO1328-1:2013定义了齿轮12个精度等级，1级最高，12级最低。我国标准齿轮鉴定规程JJG 1008-2006中规定：标准齿轮的精度等级是根据单个齿距偏差fpt、齿距累积总偏差Fp、齿廓总偏差Fα、螺旋线总偏差Fβ和径向跳动Fr五个项目的检定结果划分的。标准齿轮的精度等级一般要达到1～5级，用于检查4～8级精度的普通齿轮。1～2级精度的标准齿轮称为基准级标准齿轮，作为齿轮量值传递的实体基准，主要用于校对和标定高精度的齿轮测量仪器。对于基准级标准齿轮，考虑到螺旋线的加工难易程度，一般设计螺旋角β＝0°，即直齿圆柱标准齿轮。
螺旋线总偏差Fβ是标准齿轮必检项目之一，要提高基准级标准齿轮螺旋线的测量精度，必须同时提高标准齿轮的定位精度、位移传感器的精度及传感器的直线运动精度。对于中模数齿宽25mm左右的1级精度标准齿轮而言，螺旋线总偏差约为2μm，按照测量仪器的测量不确定度不大于被测量的1/3估计，测量仪器的测量不确定度要达到0.7μm左右。考虑到位移传感器的精度、传感器运动的直线度等误差源的影响，标准齿轮的定位误差必须小于0.5μm，否则螺旋线测量装置难以胜任1级精度标准齿轮螺旋线的测量。
现有齿轮的测量装置的定位方式大都采用双顶尖和中心孔定位，顶尖的加工误差、中心孔的加工误差、顶尖和中心孔定位面的锥度误差、动顶尖的运动误差等都会影响定位精度的提高。顶尖和中心孔的定位方式难以达到不大于0.5μm的定位要求。发明专利【201410786345.4】公开了一种可调高度的V型块工装，采用正反向螺纹控制左右支撑块相向运动，实现定位轴心高度方向的变化。由于该装置采用螺栓驱动，不具备高精度的调节和精确定位的能力。
发明内容
为解决此难题，本发明提供了一种用于直齿标准齿轮螺旋线测量的高精度齿轮定位装置，如图1所示。该装置采用一面固定，一面可调的双V型块定位方式，V型块一侧面为固定的且倾斜20°的平面，与测量芯轴(4)的接触状态为线接触；另一侧面为轴线垂直于固定平面的圆柱面，且位置可微调，该面与测量芯轴的接触状态为点接触。该装置的调整基准、齿轮的安装基准及螺旋线的测量基准统一，均为测量芯轴(4)中间精加工轴段。在杠杆作用和倾斜角度的影响下，可使动滑块沿倾斜导轨运动的位移分辨率(1μm)作用到测量基准的垂直方向的分辨率提高一个数量级到0.1μm，调整精度也显著提高。该定位装置可通过两个动滑块的调整改变齿轮轴线的位置来适应不同分度圆的直齿标准齿轮螺旋线的测量，而不改变齿轮螺旋线的测量位置(齿轮分度圆上)与测量方向(基圆切线方向)；测头仅沿齿轮轴线方向作单自由度直线运动。测头运动自由度的减少，使测头系统的结构变得简单。测头系统的误差源减小，有益于提高直齿标准齿轮螺旋线的测量精度。
本发明的主要内容如下：
发明了一种用于直齿标准齿轮螺旋线测量的高精度定位装置，其特征在于：该定位装置由固定的两个导轨、两个动滑块、两个挡块、两个微分头和测量芯轴组件组成。
导轨A和导轨B通过连接板固定到一起组成导轨组件，统一热处理与精加工，然后装配到一起，如图2所示。也可以将三者设计成一个零件。导轨A和导轨B的上工作面与定位用的底平面成20°夹角，该值也是标准齿轮的压力角。导轨采用GCr15材料通过热处理达到HRC58～60硬度要求；上工作面通过装配后整体研磨，使其平面度达到不高于0.5μm的要求，它与测量芯轴(4)的接触为线接触；每个导轨工作面中间位置开有燕尾槽，外侧沿平行于导轨工作面方向开有螺纹孔，用于微分头(10，11)、动滑块(12，14)和挡块(13，15)的安装定位；固定导轨组件通过螺钉连接固定到工作台上。为消除螺钉连接产生的微变形，固定导轨组件的上工作面需要进行在位精研，确保双导轨上工作面的平面精度。
两个动滑块的工作面为一直径大于定位芯轴2～5倍的圆柱面，它与测量芯轴(4)的接触为点接触；上述的动滑块圆柱面的母线与导轨的底平面垂直，动滑块背侧平面为一与圆柱面中截面母线成20°的平面，便于通过挡块上的螺钉对其进行微调；动滑块的底平面有不大于1μm的平面度要求，中间通过螺钉连接梯形块(17)。挡块上的螺纹轴线方向与动滑块的背侧平面呈一定角度，受力的一分量可使动滑块压到导轨工作面上，增加动滑块的定位刚度；受力的另一分量推动滑块沿导轨工作面移动，便于动滑块的位置调节。动滑块沿导轨工作面的运动位移，可通过分辨率为1μm的微分头读出。动滑块调整到位后，通过固定到导轨外侧的螺钉将其固定到导轨上。动滑块和挡块如图3所示。
芯轴组件包含芯轴(4)、密珠轴套(5)、平垫圈(6)、十字垫圈(7)和锁紧螺母(8)，如图4所示。芯轴两端的定位轴段左右对称，两端20mm长度内缩颈并滚花，该结构除了保护芯轴定位轴段外，还便于芯轴组件的手持搬运。调整平垫圈(6)和十字垫圈(7)的厚度，使测量芯轴组件在齿轮安装后其结构和重量分布大致左右对称，如图5所示。测量芯轴组件的重心大致通过齿轮齿宽的中截面，以消除因两点支撑下的自重变形对齿轮螺旋线测量的影响。芯轴有3个圆柱面和一个轴台端面需要精加工。圆柱面的圆柱度要求小于0.5μm，表面粗糙度小于0.2μm。为提高齿轮的定位精度，轴台端面相对于中间轴段的垂直度可通过研磨减小到0.2μm；密珠轴套选用G5级及以上精度、硬度大于HRC60的钢球或陶瓷球，与齿轮和芯轴的单边过盈量控制在2～5μm。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种用于直齿标准齿轮螺旋线测量的高精度定位装置，具有结构简单、结构刚度高、调整分辨率率高、调整方便，误差源少的优点，能够达到不超过0.5μm的定位要求；本发明提供的定位装置在调整过程中测点位置与测量方向不发生改变，紧靠改变动滑块的位置适应不同分度圆标准齿轮的测量；采用该定位装置，测头无需做径向运动与旋转运动，使测头运动自由度的减小，使测头系统的结构变得简单，误差源显著减小，从而减轻了测头系统的精度负担。该定位装置满足1级精度标准齿轮的定位要求，并可用于高精度轴类零件和导轨类零件的定位，具有良好的推广价值与市场应用前景。
附图说明
图1标准齿轮螺旋线测量定位装置。
图2固定导轨组件。
图3动滑块和挡块结构图。
图4测量芯轴组件。
图5标准齿轮在芯轴上的装配。
图6定位装置的调整示意图。
1导轨A；2连接板；3导轨B；4测量芯轴；5密珠轴套；6平垫圈；
7十字垫圈；8锁紧螺母；9标准齿轮；10微分头A；11微分头B；
12动滑块A；13挡块A；14动滑块B；15挡块B；16测头；17梯形块；
18调整量计算测量位置；19精调测量位置。
具体实施方式
固定导轨组件的加工方式有两种：采用分体式加工和整体式加工。采用分体式加工是，由于两个导轨为对称结构，为确保其尺寸一致性，两个导轨研磨前采用整体加工，然后用线切割一分为二。研磨两导轨与连接板的连接基准面，在基准平板上用螺钉将导轨和连接板连接到一起。在连接过程中，只要保证三者的底平面共面，一侧端面共面，则导轨的工作平面基本上共面。装配完的固定导轨组件统一时效处理，以减小螺钉连接产生的内应力，提高组件整体尺寸稳定性。整体式加工是将导轨和连接板看成一个零件进行加工。不管采用哪种加工方式，在研磨加工前导轨组件都要经过充分时效处理，然后将固定导轨组件通过螺钉连接固定到平整的工作台上，为减小螺钉连接产生的内应力，及消除装配误差，在位继续精研固定导轨组件的上工作面，确保导轨工作面的平面度。使用1级平晶测量导轨的平面度，单个导轨莫尔条纹数不超过两条(导轨两端10mm塌边区域不计)，平面度可达到0.5μm。实际导轨的工作区域为与测量芯轴母线接触的直线段，由于该直线段较短，因此直线度误差更小。
动滑块的工作面为一圆柱面，它与测量芯轴的接触为点接触，且接触点的位置仅与定位轴段的直径有关，动滑块在导轨槽内的微小旋转运动不影响该定位装置的精度。动滑块的底面为定位基准面，需对其进行研磨加工，以达到1μm的平面度要求，然后将其与梯形块通过两个螺钉连接到一起。由于固定导轨工作面与水平面成20°，芯轴组件和被测齿轮的总重量约有94％由固定导轨承担，34％由动滑块承担。
通过螺钉将两个分辨率为1μm的微分头分别固定到两个导轨燕尾槽中。根据基准标准齿轮分度圆的大小，确定动滑块的大体位置，然后调整微分头的示值，使其一致。拧动挡块中的调整螺钉，使动滑块上的梯形块(17)以均匀的力度分别靠到各自的微分头(10，11)上，然后将动滑块(1，2)通过螺钉固定到各自的导轨槽中。
以导轨组件的上工作面为基准，调整测头运动方向与导轨的工作面平行。在30mm长度内的不行度误差中的倾斜误差不大于0.5μm。然后将测头系统固定到工作台上。在此后的调整中，固定导轨组件和测头运动导轨的相对位置不再发生变化。
为了减小测量芯轴齿轮安装轴段的锥度误差对测量结果的影响，应通过精密测试手段，准确计算出该轴段的锥度误差Δ0/m，其中m为测量长度。将精加工后的测量芯轴置于定位装置上，如图6所示。然后以测头的导轨运动方向为基准，用测量精度为0.1μm的电感测微仪和平测头在竖直方向上测量芯轴齿轮安装轴段母线的直线度误差中的斜率误差Δ/m。
为增大调整的灵敏度，测量芯轴较低端定位轴段竖直方向上的微位移E作为调整依据。假设定位装置的支撑跨度为M，(取M＝4m)，由于测量芯轴另一端固定，利用杠杆原理计算出该端竖直方向上的调整量E＝M(Δ-Δ0)/m/tan(20°)，即E≈11*(Δ-Δ0)。可见，采用本发明提供的调整方法可使动滑块的调整分辨率提高了约一个数量级。松开该端动滑块的固定螺钉，在该端挡块调整螺钉和微分头的共同作用下，使该端定位轴段的竖直方向上的位移达到计算的E值。若调整误差为0.5μm，则该值对螺旋线测量的影响不到0.05μm。调整误差达到0.5μm以下后，将动滑块用螺钉固定到导轨组件上。由于密珠轴套选用的球的精度为G5级，同批次的G5级球的粒间直径差小于0.2μm，多球均布的误差均化效应，使齿轮内孔轴线和测量轴线的不行度误差大大减小。另外过盈配合的密珠轴套能够吸收一定的锥度误差，大大提高标准齿轮的安装精度。
采用上述的精密调整方法，本发明提供的高精度定位装置的综合定位误差能够减小到0.5μm以下，满足1级精度直齿标准齿轮螺旋线测量装置对的定位精度的要求。
Claims (1)
1.一种用于直齿标准齿轮螺旋线测量的高精度定位装置，其特征在于：该定位装置由固定的两个导轨、两个动滑块、两个挡块、两个微分头和测量芯轴组件组成；
导轨A和导轨B通过连接板固定到一起组成导轨组件；导轨A和导轨B的上工作面与定位用的底平面成20°夹角，该值也是标准齿轮的压力角；上工作面通过装配后整体研磨，使其平面度达到不高于0.5μm的要求，它与测量芯轴(4)的接触为线接触；每个导轨工作面中间位置开有燕尾槽，外侧沿平行于导轨工作面方向开有螺纹孔，用于微分头(10，11)、动滑块(12，14)和挡块(13，15)的安装定位；固定导轨组件通过螺钉连接固定到工作台上；
两个动滑块的工作面为一直径大于定位芯轴2～5倍的圆柱面，它与测量芯轴(4)的接触为点接触；动滑块圆柱面的母线与导轨的底平面垂直，动滑块背侧平面为一与圆柱面中截面母线成20°的平面；动滑块的底平面有不大于1μm的平面度要求，中间通过螺钉连接梯形块(17)；挡块上的螺纹轴线方向与动滑块的背侧平面呈一定角度，受力的一分量可使动滑块压到导轨工作面上，增加动滑块的定位刚度；动滑块沿导轨工作面的运动位移，通过分辨率为1μm的微分头读出；动滑块调整到位后，通过固定到导轨外侧的螺钉将其固定到导轨上；
芯轴组件包含芯轴(4)、密珠轴套(5)、平垫圈(6)、十字垫圈(7)和锁紧螺母(8)；芯轴两端的定位轴段左右对称，两端20mm长度内缩颈并滚花；调整平垫圈(6)和十字垫圈(7)的厚度，使测量芯轴组件在齿轮安装后其结构和重量分布大致左右对称；芯轴有3个圆柱面和一个轴台端面需要精加工；圆柱面的圆柱度要求小于0.5μm，表面粗糙度小于0.2μm；为提高齿轮的定位精度，轴台端面相对于中间轴段的垂直度通过研磨减小到0.2μm；密珠轴套选用G5级及以上精度、硬度大于HRC60的钢球或陶瓷球，与齿轮和芯轴的单边过盈量控制在2～5μm。
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