CN106556366A - 一种解决微小齿轮测量的柱形测头及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种解决微小齿轮测量的柱形测头及测量方法,其技术要点是:在沿齿轮“啮合线”方向,由X、Y、Φ三个坐标轴联动控制,按照啮合线原理形成的比例关系同时运动。该测量方法为:先将齿轮安装在齿轮测量中心回转轴上,再将测头的测杆安装方向与齿轮测量中心的Y轴方向平行,测针的起测位置为齿轮齿根部起始测量点处,按照齿轮啮合线的展成原理,控制测头沿X、Y轴同步运动,同时,齿轮绕φ轴作回转运动,测针则跟随齿轮的齿面沿齿顶的啮合线方向运动到终测位置。本发明切向测头的感应误差即是测量齿轮的齿廓误差,避免了传统测量方法由于齿轮齿槽微小,测头进入不了齿轮根部起始测量点位置及测量过程中测杆与齿面不必要的干涉现象。

Description

一种解决微小齿轮测量的柱形测头及测量方法
技术领域:
[0001] 本发明涉及齿轮精密仪器测量领域,具体涉及一种解决微小模数齿轮测量的柱形 测头及测量方法。
背景技术:
[0002] 齿轮测量中心是由机械系统、数控系统、数据采集系统以及测量软件构成,能够实 现X、Y、Z轴方向及回转轴Φ轴的四轴联动,可以测量不同结构外形的圆柱齿轮和各种刀具, 比如锥齿轮、蜗轮、蜗杆、滚刀、剃齿刀、插齿刀和压缩机转子等,主要用于齿轮单项几何精 度的检测。齿轮测量中心的测量精度主要取决于测头、光栅等传感器的精度和4个相对独立 的导向结构(3个直线导轨和1个主轴)的导向精度,易于实现齿轮及各种回转体零件的高精 度测量,如图1所示。从原理上讲,小模数齿轮测量中心与常见的中大模数齿轮测量中心是 完全一样的,只是针对小模数齿轮,由于其齿槽微小、要求测量齿轮的测头尺寸就必须微 小,如果测头不够小,也会进入不了齿面的测量位置,产生测头非测量部分与齿面干涉,而 制造微小的测头除工艺难度大之外,即使制造出来,也会存在刚度小、受力易变形等缺点, 影响测量精度以致完全不能测量,这是行业多年存在小模数齿轮测量困难的主要原因。另 外,在仪器的机械结构,特别是测头方面,必须进行专门设计。测头的关键技术是微小测量 力的控制与微细测杆测头的设计制造。
[0003] 如图2所示,现有齿轮测量中心的测头形状通常为球形或者倒锥形,首先微型球及 倒锥测头(一般直径在0.2~0.5mm)制造在工艺上很难实现,再次是由于球形测头或倒锥测 头很难做的很小,对于微小齿轮,由于齿槽间距小,测头进不到齿廓根部位置,限制了微小 齿轮齿廓的测量。
[0004] 目前齿轮测量中心上检测渐开线齿轮齿形误差常用的测量方法为法向极坐标测 量方法,该方法是根据齿轮齿廓的展成原理,规定渐开线的展长方向为测量方向,并测量展 长长度。如图3所示,法向极坐标方程为L=R,A其中L为展长长度,R b为基圆半径#为被测 点的展开角。基圆切线为测头测量时的轨迹线,且与X轴平行。测量动作由切向X轴与旋转Φ 轴两轴联动完成,测头测量的误差方向与齿面上被测量点的法线方向相同。"法向极坐标" 将复杂的渐开线转换成为展开长度X与旋转Φ轴的线性关系,测量控制简单,X向测头误差 方向既是齿廓误差方向,同时,也与大部分齿轮加工原理一致。
[0005] 参见图3,法向极坐标法,在齿轮测量中心进行渐开线齿轮齿形测量时,齿轮的回 转中心与齿轮测量中心的回转中心重合,展长方向与齿轮测量中心的切向(X轴)平行。将齿 轮安装在齿轮测量中心的主轴回转台上,使测头位于齿轮测量中心的径向(Y轴)上,由主轴 回转台带动齿轮作回转运动,测头沿X轴并朝着离开X轴中心方向上(齿轮测量中心切向)运 动,测量得到一系列的渐开线上的点,从而得到齿形误差。图3中1^为齿顶圆半径,R为分度 圆直径,R b为基圆半径,为展角,A点起测点,B点为终测点。
[0006] 但是,如图2中a和b所示,1)对于微小模数齿轮,由于齿槽间距小,受测头直径大小 的影响,难以进入齿廓根部测量。2)测量过程中测杆会与齿面干涉。为避免这种现象,测头 测杆直径要比测球直径或倒锥直径更小,这不但使测杆的刚度变差,也增加了测头的制造 难度,从而无法保证测量精度,甚至完全无法进行测量。
发明内容:
[0007] 本发明为克服上述不足,提供了一种解决微小齿轮测量的柱形测头及测量方法, 其优化了测量方法,避免测杆与齿面干涉而无法测量整个齿廓;在保证测杆刚度的前提下, 测头能进入齿轮的起始测量点;针对微小模数齿轮齿槽小、空间小等特点,在各个轴设置控 制微小测量力的功能,增加多层次测量判断及操作保护功能。
[0008] 本发明提供了一种新的渐开线测量轨迹的控制方法,该方法是结合区别于现有微 小齿轮测量仪所用的传统球形及倒锥形测头的新型柱形测头实施测量的。
[0009] 本发明渐开线测量轨迹的控制方法所用的测头是由测杆1和镶嵌在测杆前端的圆 柱形的测针2组成,测针的针尖研磨成与测针的轴线相垂直的圆形端面,测针采用材质为高 硬度钨钢圆柱的型材,可以有效提高测针的刚度。
[0010] 为实现上述目的所采用的技术方案在于:该方法包括采用在传统"法向极坐标"测 量轨迹控制方法的基础上,将测量线沿齿轮基圆旋转一个压力角α角度,测量线形成在齿轮 "啮合线"方向测量;
[0011] 作为本发明的测量轨迹控制,在沿齿轮"啮合线"方向,由Χ、Υ、Φ三个坐标轴联动 控制,同时按照啮合线原理形成的比例关系,控制运动,与传统的法向极坐标方式测量相 比,相当于将齿轮旋转了一个角度进行测量,使测头与齿面形成了一个夹角,避开测杆与齿 面最尚点不必要的接触,如图4、图5所不。
[0012] 应用上述测量轨迹控制及柱形测头进行微小齿轮测量的方法,采用的技术方案在 于由以下步骤构成:
[0013] -、将待测齿轮安装在齿轮测量中心的回转轴上,由回转台带动待测齿轮做回转 运动;
[0014] 二、将测头的测杆的安装方向与齿轮测量中心的Υ轴方向平行,测针的起测位置为 齿轮齿根啮合线处,测头沿Χ、Υ轴同步运动,与此同时,齿轮绕Φ轴作回转运动,测针则跟随 着齿轮的齿面沿着齿轮的啮合线方向运动到终测位置;
[0015] 三、控制齿轮的回转角度与测头直线X方向和Υ方向按照啮合线原理的比例关系运 动,即可实现渐开线齿形的自动测量。三轴联动测量方法改变了传统测量方法的起始位置、 终止位置和测量角度。如图4,此测量方法测量的角度和位置不同于两轴联动测量方法,测 头移动的轨迹是齿轮啮合线,测头轨迹Α'Β'与切向X轴的夹角为压力角α。进行齿廓测量时, 起测点的坐标(Χα,Υα)和终测点坐标(Χβ,Υβ)如公式⑴、⑵所示。
Figure CN106556366AD00041
[0018] 其中R为齿轮分度圆半径、Rb为基圆半径、α为齿轮压力角,被测点的展开角(Φ轴 转角)。
[0019] 本发明的有益效果是:本发明针对传统法向极坐标测量方法的不足,采取一种新 的渐开线展成的测量控制方法,具体是测头沿着齿轮啮合线方向由齿轮测量中心形成三轴 联动控制渐开线(齿廓)展成,这种测量方法在传统的切向X轴与旋转Φ轴两轴联动的基础 上,增加了切向Y轴的配合,由三轴联动完成齿轮齿廓的测量动作。如图4和图5所示,该测量 方法可以缩短齿轮测量中心沿着切向坐标轴方向的测量行程,优化了仪器的机械结构,提 高了机械精度。采用该测量方法进行内齿轮测量时,可以避免测杆与齿面的"干涉"现象,针 对不同模数齿轮进行测量时,降低了更换不同直径测头的频率,提高了测量效率。本发明的 测量轨迹控制与微小直径圆柱形测针的测头相结合,控制测针沿齿轮啮合线的轨迹方向切 向测量齿轮的齿廓误差,可有效解决现有技术无法满足测量微小模数齿轮的问题,使测量 结果稳定,精度和准确度高。
[0020] 本发明利用测头测针的圆柱端面的棱线与齿面接触测量,基本符合在齿面法向方 向接触,并且在整个齿廓测量过程中棱边与齿面法向方向保持不变,棱边的磨损对测量精 度损失不敏感,从而保证了测量的精度;测针的圆柱直径可以做的更小,保证进入到齿轮根 部的起始测量位置,由于三轴测量避免了在齿廓测量过程中测杆与被测齿面的干涉现象, 不需要把测头后面的测杆部分的直径减细,提高了测头整体刚性;该测针极易制造,可以直 接采用高硬度微小直径的圆柱型材,研磨型材的端面,保证端面与其轴线垂直,任意控制圆 柱直径,然后将圆柱部分镶嵌到测杆上,形成微小齿轮测头。
附图说明:
[0021] 图1为四坐标齿轮测量中心的结构示意图;
[0022] 图2为现有法向极坐标测量方法示意图,其中1为齿顶圆半径,R为分度圆直径,Rb 为基圆半径,P为展角,A点起测点,B点为终测点;
[0023] 图3为现有法向极坐标微小齿轮测量会出现问题情况的示意图,其中图(a)为倒锥 形测头示意图,图(b)为球形测头示意图,Rb为基圆半径,Θ为被测点对应的展开角,I为测头 进入到最里面与齿轮根部的干涉点,无法达到测量位置要求,Π 为测头与齿面的干涉点;
[0024] 图4为三轴联动测量方法示意图,其中RaS齿顶圆半径,R为分度圆直径,R b为基圆 半径,Θ为被测点对应的展开角,A'点起测点,点为终测点,α为分度圆压力角;
[0025] 图5为三轴联动测量方法测量内齿示意图,其中匕为齿顶圆半径,R为分度圆直径, Rb为基圆半径,Rf为齿根圆半径,Θ为被测点对应的展开角,Α'点起测点,Β'点为终测点,α为 分度圆压力角;
[0026] 图6为圆柱测针结构示意图,1为测杆,2为测针;
[0027] 图7为采用本发明专利进行模数0.2_齿轮的测量示意图,其中1为齿顶圆半径,R 为分度圆直径,Rb为基圆半径,Θ为被测点对应的展开角,α为分度圆压力角。
具体实施方式:
具体实施方式 [0028] :
[0029] 参照图7,本发明提供了一种新的渐开线测量轨迹的控制方法,该方法是区别于现 有微小齿轮测量仪所用的传统球形及倒锥形测头的新型柱形测头实施测量的。
[0030] 参照图6,本发明渐开线测量轨迹的控制方法所用的测头是由测杆1和镶嵌在测杆 前端的圆柱形的测针2组成,测针的针尖研磨成与测针的轴线相垂直的圆形端面,测针采用 材质为尚硬度妈钢圆柱的型材,可以有效提尚测针的刚度。
[0031] 应用上述渐开线测量轨迹的控制方法进行微小齿轮测量的方法,由以下步骤构 成:
[0032] -、参照图1,将待测齿轮工件安装在齿轮测量中心的回转Φ轴上,由回转台带动 待测齿轮工件做回转运动;
[0033] 二、将测头的测杆1的安装方向与齿轮测量中心的Y轴方向平行,参照图7,测针2的 起测位置为齿轮齿根啮合线处,测头沿XY轴同步运动,与此同时,齿轮绕轴Φ作回转运动, 测针2则跟随着齿轮的齿面沿着齿轮齿顶的啮合线方向运动到终测位置;
[0034] 三、按照齿轮啮合线的原理控制齿轮的回转角度与测头直线X方向和Y方向运动, 按照X方向等间隔连续进行数据采集,即可实现渐开线齿形的自动测量,测量的区间起始位 置与终止位置符合公式(1)、(2)所表达的位置坐标;
[0035]以下以模数为 Mn = 0.2mm、齿数为 Z= 190mm、压力角 α = 20°00'00〃、齿宽 B = 4.5mm、 测头直径的dc = 0.2mm的小模数齿轮作为待测齿轮来进行微小齿轮的测量实验,将该待测 齿轮进行四等分,利用上述测量方法分别测量四分齿的左右齿面的齿廓、螺旋线及齿距。测 量结果如表1和表2所不。
[0036] 表1齿廓、螺旋线测量表
[0037]
Figure CN106556366AD00071
[0038] 表2齿距测量表
[0039]
Figure CN106556366AD00081
[0040] 由表1和表2可以看出,测得四分齿的Fa、Fe值分别都在同一精度等级范围内,齿的 左右齿面匕值也都在同一精度等级范围内。由此可以得出,应用本发明的测头和本发明的 测量方法可以有效测量模数为ο. 2的齿轮。
[0041] 对上述待测齿轮的同一齿做5组测量。测量结果如表3和表4所示。
[0042] 表3齿廓误差测量结果
Figure CN106556366AD00091
[0044] 表4螺旋线误差测量结果
Figure CN106556366AD00092
[0046] 从表3和表4可以看出,5次测量结果的齿廓误差最大差值分别为fHa = 0.4ym、Fa = 0.3μηι及;ffa = 0.2μηι。螺旋线误差最大差值分别为fHP = 0.3ym、Fp = 0.3μηι及;ffp = 0. Ιμπι。由此 可以得出,应用本发明的测头和本发明的测量方法对微小齿轮进行测量,其测量结果稳定, 精度和准确度高。

Claims (4)

1. 一种解决微小齿轮测量的柱形测头,其特征在于:包括测杆(1)和镶嵌在测杆(1)前 端的测针(2),所述测针(2)的针尖研磨成与测针(2)的轴线相垂直的圆形端面。
2. 如权利要求1所述的一种解决微小齿轮测量的柱形测头,其特征在于:所述测针(2) 为高硬度钨钢圆柱测针。
3. -种基于权利要求1或2所述测头的微小齿轮的测量方法,其特征在于:是在传统法 向极坐标基础上将测量线旋转一个α角度形成在齿轮啮合线方向测量的方法,具体由以下 步骤构成: 一、 将待测齿轮安装在齿轮测量中心的回转轴上,由回转台带动待测齿轮做回转运动; 二、 将测头的测杆(1)的安装方向与齿轮测量中心的Υ轴方向平行,测针(2)的起测位置 为齿轮齿根啮合线处,测头沿ΧΥ轴同步运动,与此同时,齿轮绕Φ轴作回转运动,测针⑵则 跟随着齿轮的齿面沿着齿轮齿顶的啮合线方向运动到终测位置; 三、 按照齿轮啮合线的原理控制齿轮的回转角度与测头直线X方向和Υ方向运动,按照X 方向等间隔连续进行数据采集,实现渐开线齿形的自动测量,使测量区间得起始位置与终 止位置符合公式(1)、⑵所表达的位置坐标,
Figure CN106556366AC00021
其中R为齿轮分度圆半径、Rb为基圆半径、α为齿轮压力角4被测点的展开角。
4. 如权利要求3所述的微小齿轮的测量方法,其特征在于:测量线可进行任意角度旋 转。
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