CN114485534B - 截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法 - Google Patents

截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及齿轮测量方法技术领域，具体涉及一种截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法。本发明要克服现有技术无法同时满足效率和精度的要求，普遍存在的测量效率低下的问题。本发明所采用的技术方案是：首先在齿轮轮齿上选取测量特征；其次确定出测量基准，在CNC齿轮测量中心上对测量特征进行检测；最后得到人字齿轮对称度误差。本发明可以实现人字齿轮对称度误差的精确测量，从齿轮轮齿的齿廓特征角度出发，通过测量齿线上少数测量齿距点的位置坐标，省去了测量整条齿线上所有测量点的位置坐标，实现了快速测量，可适用于修行前齿轮的测量，同时也适用于修行后齿轮的测量。

Description

截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法
技术领域：
本发明涉及齿轮测量方法技术领域，具体涉及一种截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法。
背景技术：
人字齿轮因其具有承载能力高，轴向载荷小等特点，广泛应用于重型船舶、航空航天等大型动力装备中。人字齿轮两侧轮齿齿面关于中心平面的对称度直接影响接触载荷分布的均匀性，致使其在传动过程中产生振动、噪声，从而影响人字齿轮的使用寿命。因此，研究人字齿轮两侧轮齿对称度误差的检测与评定方法对其设计与制造有着重要的理论意义和工程应用价值。
目前对人字齿轮对称度误差的测量技术，例如杨德文[1]发表的名称为《人字齿轮对中误差检测方法》的专利提出将两侧轮齿对称度误差转换为轮齿同侧齿面上对应的两点关于中心平面对称。可评定人字齿轮的对称度误差。王建华[2]发表的名称为《基于CNC齿轮测量中心的双螺旋齿轮对称度测量方法》的专利提出人字齿轮的两侧轮齿关于中心平面对称，则左、右旋齿轮同侧齿面的接触线也关于中心平面对称。也可评定人字齿轮的对称度误差。
一、文献[1]提出测量人字齿轮左、右旋同侧齿面上的两点，保证两点的Y坐标值相等、Z坐标值大相等方向相反，求出该两点在X方向的坐标值之差Δx,通过公式Δz＝Δx/2tgβ即可求得人字齿轮在轴向的对中误差Δz(对称度误差)。通过螺旋角换算为对称度误差，此偏差的存在就是导致齿面不对称的主要因素。
文献[1]提出的测量方法存在以下缺点，如左、右旋齿面上对应点的高度较难控制，选择同一高度点的过程会引入误差，从而使得测量结果精确度较低；为了确定相同高度的测点，需要反复更新触测点坐标，所以测量效率较低。
二、文献[2]从齿轮啮合角度出发，提出通过测量人字齿轮两侧轮齿同侧齿面接触线上测量点的位置坐标，并对测量点数据进行线性拟合，计算所拟合的实际接触线交点距离中心平面的距离ΔTh，即可得到人字齿轮的对称度误差，从而得出齿轮副实际运转过程中的径向跳动量，进一步分析出齿轮副运转时振动的来源。
文献[2]提出的测量方法存在以下缺点，测量人字齿轮两侧轮齿同侧齿面上对应的两条接触线时，测头运动速度不能过快，否则会造成测量精度下降，因此此方法测量效率较低；只提出对称度误差的测量方法，没有提出对称度误差的评定方法，从而无法对所测得的数据进行处理，进而无法计算出对称度误差。
三、洪荣晶发表的名称为《一种人字齿轮对中度在线测量及修正方法》的专利提出了一种人字成形铣刀(棒刀)加工人字齿轮过程中对中度误差的在线检测方法，并实现对人字齿轮对中度误差的修正。在齿轮加工过程中，以刀具从下端面运动到中间位置时，刀具在Y轴方向移动Y1个距离时齿廓在X轴上的坐标X1；从上端面运动到中间位置时，取Y方向刀具运动距离为Y1时与齿廓相交点的横坐标为X2，得出切向对中度误差，通过公式ΔY＝|x1-x2|/tanβ,即可求得人字齿轮在轴向的对中误差ΔY(对称度误差)。
文献[3]提出的测量方法存在以下不足：只能在加工齿轮的过程中控制其对称度偏差，无法在其他设备上测量已加工完成的齿轮；通过螺旋角换算对称度误差时，也会引入误差，而且测量速度也较慢。
发明内容
本发明要提供一种截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，以克服现有技术无法同时满足效率和精度的要求，普遍存在的测量效率低下的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，包括以下步骤：
(1)选择测头；
(2)将待测齿轮安装在齿轮测量中心的回转工作台上，设置齿轮测量中心的各运动轴：齿轮沿轴向方向设置为Z轴，齿轮径向方向设置为R轴，齿轮圆周的切向设置为T轴，绕齿轮轴旋转方向设置为θ轴，计算出基准中心平面的Z值Mid_Z＝(Z1+Z2)/2；
(3)启动齿轮测量中心，调整测头运动至齿宽中部，通过测量齿轮齿面与分度圆柱面交线上至少4个以上、偶数个且对称的截面处点的位置坐标，得到齿距点；
(4)求解出齿面与分度圆的交线，用同样方法求解出另一侧轮齿的齿面与分度圆的交线；
(5)求解两条交线的交点距离中心平面的距离即为人字齿轮单个轮齿的对称度误差，所得人字齿轮所有轮齿对称度误差的均值即为人字齿轮的对称度总误差。
上述(3)的具体步骤：1)控制测头采集第一截面中第一个齿的左侧齿面齿距点位置坐标。
2)回转工作台即θ轴方向转过一个角度后，测头继续进入齿槽，触测第一截面中第二个齿的左侧齿面齿距点。
3)重复上述步骤1)和2)，逐齿测量直至第一截面中所有齿的齿距点坐标采集完毕。
4)测头分别运动至其它截面上，重复上述步骤1)～3)，完成对所有截面的齿距点坐标采集。
上述步骤(5)的具体步骤是：将齿轮沿分度圆柱面展开，以θ轴示值为横坐标(记为x轴)，Z轴示值为纵坐标(记为y轴)。
设直线AA和直线BB的方程分别为
y＝k1x+b1 (3)
y＝k2x+b2 (4)
联立上述直线方程求得交点坐标的x值和y值分别为
同理，计算其余交点坐标，y值与齿轮的基准中心平面的距离即为人字齿轮单个轮齿的对称度偏差fAi。
上述步骤(3)中，测量位置的选取为距离齿宽中部截面0.1～0.4B处。
上述(3)中，选取测量位置为距离齿宽中部截面0.3B，即第一截面～第四截面，其中B为单侧齿轮齿宽。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：
1、本发明通过测量齿距点的位置坐标，并利用误差评定方法得到人字齿轮的对称度误差，可以实现人字齿轮对称度误差的精确测量。
2、可实现快速测量；本发明从齿轮轮齿的齿廓特征角度出发，通过测量齿线上少数测量齿距点的位置坐标，省去了测量整条齿线上所有测量点的位置坐标，实现了快速测量。基于CNC齿轮测量中心实现了人字齿轮对称度的自动化和高精度测量。
3、本发明在截面的选取时，截面必须两两对称，例如四个截面时，即第一截面和第四截面对称，第二截面和第三截面对称，这样不论齿轮沿齿宽方向修形与否，都不影响测量结果。
4、适用范围广，可适用于修行前齿轮的测量，同时也适用于修行后齿轮的测量。
附图说明：
图1是文献[2]对称度定义及其误差计算的示意图；
图2是文献[3]人字齿轮的对中度误差偏移示意图；
图3是本发明对称度误差测量原理图；
图4测量位置示意图；
图5确定基准中心平面测量路径；
图6是实施例的四截面法测量结果。
附图标记：
1—第一截面；2—第二截面；3—第三截面；4—第四截面；5—左旋轮齿；6—退刀槽；7—测头；8—右旋轮齿；9—右旋轮齿2号齿；10—分度圆齿距点；11—右旋轮齿1号齿。
具体实施方式：
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。
参见图1，文献[2]从齿轮啮合角度出发，提出通过测量人字齿轮两侧轮齿同侧齿面接触线上测量点的位置坐标，并对测量点数据进行线性拟合，计算所拟合的实际接触线交点距离中心平面的距离ΔTh，即可得到人字齿轮的对称度误差。
参见图2，文献[3]提出的一种在线检测方法，是在齿轮加工过程中，以刀具从下端面运动到中间位置时，刀具在Y轴方向移动Y1个距离时齿廓在X轴上的坐标X1；从上端面运动到中间位置时，取Y方向刀具运动距离为Y1时与齿廓相交点的横坐标为X2，得出切向对中度误差，通过公式ΔY＝|x1-x2|/tanβ,即可求得人字齿轮在轴向的对中误差ΔY(对称度误差)。
本发明提供的方法，需要测量齿面上齿距点的位置坐标，且需要具有多方向运动测头以及自动化程度高的检测设备，故使用CNC齿轮测量中心进行测量。所采用的技术方案是：首先，在齿轮轮齿上选取测量特征；其次，确定出测量基准，在CNC齿轮测量中心上对测量特征进行检测；最后，得到人字齿轮对称度误差。
一种截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，包括以下步骤：
(1)选择测头：测头的选择原则是在保证不发生干涉和碰撞的前提下，尽可能选择直径较大的测头。
(2)将待测齿轮安装在齿轮测量中心的回转工作台上，参见图3，左旋轮齿5在下，右旋轮齿8在上，退刀槽6在左旋轮齿5和右旋轮齿8之间，第一截面1距离右旋轮齿齿宽中部上侧0.3B位置处，第二截面2右旋轮齿齿宽中部下侧0.3B位置处，第三截面3距离左旋轮齿齿宽中部上侧0.3B位置处，第四截面4距离左旋轮齿齿宽中部下侧0.3B位置处，右旋轮齿1号齿11是右旋轮齿逆时针测量的第一个齿，右旋轮齿2号齿9是右旋轮齿逆时针测量的第二个齿，分度圆齿距点10是轮齿左侧齿面与齿轮分度圆柱面和第n截面(n分别取一、二、三、四)的交点，测头7是齿轮测量机的测头。
根据齿轮设计和加工基准，以齿轮两定位端面的基准中心平面为测量基准。要测得人字齿轮对称度偏差，其基准中心平面的确定尤为关键。设置齿轮测量中心的各运动轴：齿轮沿轴向方向设置为Z轴，齿轮径向方向设置为R轴，齿轮圆周的切向设置为T轴，绕齿轮轴旋转方向设置为θ轴，测量路径如图5所示，在齿轮测量中心上，将测头手动调至齿轮的上端面，测头自动接触齿轮的上端面，并记录测量值Z1，测头从齿轮的外圆抽离，移至齿轮的下端面，自动接触齿轮下端面，并记录测量值Z2。计算出基准中心平面的Z值Mid_Z＝(Z1+Z2)/2，将基准面中心平面的Z坐标置零，即测量基准面。
(3)启动齿轮测量中心，手动调整测头运动至齿宽中部，系统开始自动建立θ轴零点。参见图4,本实施例中选取测量位置为距离齿宽中部截面0.3B，即第一截面1～第四截面4，其中B为单侧齿轮齿宽。通过测量齿轮分度圆柱面上4个且两两对称的截面处的位置坐标，得到齿距点。
参见图3，本发明的测量原理为：θ轴控制齿轮当前齿面触碰测头，R轴控制测头位于齿轮分度圆柱面内，Z轴控制测头位于第一截面1处，依次逐个齿测量第一截面1处分度圆齿距点10的坐标；同理，分别测量第二截面2，第三截面3和第四截面4处齿距点10的坐标。
具体步骤描述如下：
1)控制测头采集第一截面1中第一个齿的左侧齿面齿距点位置坐标。
2)回转工作台即θ轴方向转过一个角度后，测头继续进入齿槽，触测第一截面1中第二个齿的左侧齿面齿距点。
3)重复上述步骤1)和2)，逐齿测量直至第一截面1中所有齿的齿距点坐标采集完毕。
4)测头分别运动至其它截面上，重复上述步骤1)～3)，完成对第二截面2～第四截面4中的所有齿齿距点10坐标采集。
(4)求解出齿面与分度圆的交线，用同样方法求解出另一侧轮齿的齿面与分度圆的交线；
(5)求解两条交线的交点距离中心平面的距离即为人字齿轮单个轮齿的对称度误差，所得人字齿轮所有轮齿对称度误差的均值即为人字齿轮的对称度总误差，具体步骤是：
将齿轮沿分度圆柱面展开，则齿面上的点由一个θ轴示值和Z轴示值唯一确定。以θ轴示值为横坐标(记为x轴)，Z轴示值为纵坐标(记为y轴)。设第一截面1～第四截面4处齿距点的坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)和(x4,y4)。其中x＝Point.R×Point.Thata，y＝Point.Z。Point.R，Point.Thata和Point.Z分别为齿轮测量中心R轴，Z轴和θ轴的采样值。
设直线AA和直线BB的方程分别为
y＝k1x+b1 (3)
y＝k2x+b2 (4)
联立上述直线方程求得交点坐标的x值和y值分别为
同理，计算其余交点坐标，如图6所示，横坐标为分度圆周展开长度，纵坐标为齿轮轴线方向Z轴示值，图中斜的直线即为齿轮分度圆柱面上测得的两点所确定的直线，纵轴零线附近的点即为左、右旋向齿轮齿面对应直线的交点，其中y值反映的则是人字齿轮两侧轮齿不对称造成的结果。
求y值与齿轮的基准中心平面的距离即为人字齿轮单个轮齿的对称度误差(式1)，记为fAi
fAi＝ΔTh(1)
整个人字齿轮的对称度误差fA可通过式(2)求得。
式中z为齿轮齿数，i为轮齿标记的第i号齿。

Claims (5)

1.截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)选择测头；
(2)将待测齿轮安装在齿轮测量中心的回转工作台上，设置齿轮测量中心的各运动轴：齿轮沿轴向方向设置为Z轴，齿轮径向方向设置为R轴，齿轮圆周的切向设置为T轴，绕齿轮轴旋转方向设置为θ轴，计算出基准中心平面的Z值Mid_Z＝(Z1+Z2)/2；
(3)启动齿轮测量中心，调整测头运动至齿宽中部，通过测量齿轮齿面与分度圆柱面交线上至少4个以上、偶数个且对称的截面处点的位置坐标，得到齿距点(10)；
(4)求解出齿面与分度圆的交线，用同样方法求解出另一侧轮齿的齿面与分度圆的交线；
(5)求解两条交线的交点距离中心平面的距离即为人字齿轮单个轮齿的对称度误差，所得人字齿轮所有轮齿对称度误差的均值即为人字齿轮的对称度总误差。
2.根据权利要求1所述的截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤：
1)控制测头(7)采集第一截面(1)中第一个齿的左侧齿面齿距点位置坐标；
2)回转工作台即θ轴方向转过一个角度后，测头(7)继续进入齿槽，触测第一截面(1)中第二个齿的左侧齿面齿距点；
3)重复上述步骤1)和2)，逐齿测量直至第一截面(1)中所有齿的齿距点(10)坐标采集完毕；
4)测头分别运动至其它截面上，重复上述步骤1)～3)，完成对所有截面的齿距点坐标采集。
3.根据权利要求1或2所述的截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤(5)的具体步骤是：将齿轮沿分度圆柱面展开，以θ轴示值为横坐标记为x轴，Z轴示值为纵坐标记为y轴；
设直线AA和直线BB的方程分别为
y=k1x+b1 (3)
y=k2x+b2 (4)
联立上述直线方程求得交点坐标的x值和y值分别为
同理，计算其余交点坐标，y值与齿轮的基准中心平面的距离即为人字齿轮单个轮齿的对称度偏差fAi。
4.根据权利要求3所述的截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，测量位置的选取为距离齿宽中部截面0.1～0.4B处。
5.根据权利要求4所述的截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，选取测量位置为距离齿宽中部截面0.3B，即第一截面～第四截面，其中B为单侧齿轮齿宽。
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