CN201575903U - 面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量技术和装置，属于精密测试计量技术及仪器领域。本实用新型将具有特定测量棱线的“间齿”测量元件与被测面齿轮组合，形成单面啮合传动，分别采集与测量元件和被测面齿轮同轴安装的圆光栅信号，然后通过计算机处理，从而得到被测面齿轮的单项几何误差和综合传动误差。本实用新型实现了在面齿轮的一次装夹过程中，快速准确的测量出该齿轮的单项几何误差和综合传动误差，也能精确快速测量出面齿轮传动副的综合运动精度。

Description

面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置，属于精密测试计量技术及仪器领域。

背景技术

所谓面齿轮传动(Face Gear Drive)，是一种圆柱齿轮与圆锥齿轮相啮合的齿轮传动。图1是面齿轮传动的示意图，其中齿轮1为普通的圆柱齿轮(小齿轮)，齿轮2为面齿轮(圆锥齿轮)，该圆锥齿轮是用与齿轮1相同尺寸的刀具经展成法加工出来的。根据小齿轮和面齿轮两轴线的关系，可将面齿轮传动分为正交与非正交、偏置与非偏置等几种类型。通常情况下，面齿轮传动具有如下几方面的优点：

1)小齿轮为渐开线圆柱齿轮，其轴向位置误差对传动性能没有影响，其它方向误差的影响也极小，无需防错位设计；

2)面齿轮传动比锥齿轮传动具有较大的重合度，承载能力高，传动平稳；

3)小齿轮为直齿圆柱齿轮时，小齿轮上无轴向力作用，可简化支承，减轻重量；

4)小齿轮为渐开线齿轮，同时啮合齿对的公法线相同，对于动力传动极其有利。

为了保证面齿轮传动正确，其误差测量则显得尤为重要。与其他齿轮类似，面齿轮的误差也分为两大类：单项几何误差和综合传动误差。单项几何误差包括齿廓偏差、齿向(螺旋线)偏差和齿距偏差，而相应的测量方法主要有坐标测量法，如采用坐标测量机(三坐标测量机、齿轮测量中心等)，按照轮齿的理论几何形状/参数，对面齿轮逐齿或择齿进行测量。面齿轮的综合传动误差包括切向综合偏差和径向综合偏差。前者是通过采用配对的、单面啮合检测用的测量齿轮与该面齿轮、按照理论设计位置进行单面啮合传动，检测出其相应的切向综合偏差；后者是通过采用配对的、双面啮合检测用的测量齿轮与该面齿轮进行双面啮合传动，检测出该齿轮的径向综合偏差。

由于面齿轮轮齿的理论轮廓形状因不同位置(如不同半径或齿高处)而不同，因此对面齿轮而言，为了评定其精度和使用质量，采用传统的坐标测量法，对单个轮齿的几何参数坐标进行全齿宽“点-点”测量、或全扫描测量是很困难的；进而，如果要对面齿轮每个轮齿的轮廓形状进行逐齿测量、来获取面齿轮各个单项几何精度就更为困难费事；同时也难从面齿轮的单项几何误差中来获取面齿轮的综合传动精度，从而难以评估该面齿轮的综合传动质量。

而对面齿轮综合传动误差的测量而言，虽然能通过单面啮合检测仪获得齿轮切向综合偏差、或通过双面啮合检测仪获得齿轮径向综合偏差，但又都不能从相应测量中获得面齿轮的单项几何误差，从而难以对面齿轮误差进行分析，也难以对齿轮加工工艺系统进行诊断和分析。

因此有必要开发一种针对面齿轮误差检测的新装置，它能够在面齿轮的一次装夹过程中，快速准确的测量出该面齿轮的单项几何误差和综合传动误差；也能精确快速测量出面齿轮传动副的综合运动精度。

实用新型内容

本实用新型针对目前面齿轮精度检测所存在的不足，提出了一种面齿轮的滚动点扫描式整体误差测量装置。

本实用新型是基于面齿轮与圆柱齿轮/蜗杆/齿条的单面啮合传动原理，采用滚动点扫描测量方式，在一次装夹的情况下，对面齿轮的单项几何误差和综合传动误差实施测量的一种数字化测量装置。其测量原理见图2、装置结构简图见图3、4和5。就测量原理和测量装置的结构而言，它是在面齿轮单面啮合测量仪器/装置上，采用带有特定测量棱线的测量元件(图6)与被测面齿轮啮合，进行“间齿”式滚动点扫描测量来实现的。“间齿”指的是在啮合滚动测量时，测量元件只有一个齿面且只有一条测量棱线和被测面齿轮的一个齿面进行点啮合传动，而相邻齿面不参加啮合传动，也就是使测量传动时的重叠系数ξ≤1，这样就能实现面齿轮的单项几何误差和综合误差的点扫描测量。

本实用新型的技术方案为：

面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置，包括有被测面齿轮、面齿轮精密轴系、面齿轮轴圆光栅、测量元件、测量元件精密轴系、测量元件轴圆光栅、主轴电机、数据采集卡及计算机，其中面齿轮精密轴系3、面齿轮轴圆光栅4和被测面齿轮2同轴安装，测量元件精密轴系28、测量元件轴圆光栅6和测量元件7同轴安装，被测面齿轮2与测量元件7单面啮合形成齿轮传动副，测量元件7由主轴电机5驱动进而带动被测面齿轮2旋转，由数据采集卡28同时采集面齿轮轴圆光栅4和测量元件轴圆光栅6的信号，并传送到计算机30进行处理，得到测量结果。

本实用新型所提供的面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置中的测量元件7可以采用以下三种元件之一：

1)具有多条齿廓测量棱线23和齿向测量棱线22的圆柱测量齿轮27，齿廓测量棱线23在啮合面上从左到右跳牙连续分布，齿向测量棱线22在啮合面上从上到下跳牙连续分布，圆柱测量齿轮能满足对面齿轮进行间齿滚动点扫描测量；

2)具有一个测量螺旋面的多头测量蜗杆24，它能满足对面齿轮进行间齿滚动点扫描测量；

3)具有多条齿形测量棱线或/和齿向测量棱线的单齿或多齿测量齿条25，它也能满足对面齿轮进行间齿滚动点扫描测量。

另外，本实用新型所提供的面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置可以有以下三种安装结构型式：

1)卧式结构，即测量元件安装轴系28和面齿轮安装轴系3水平安装，通过调整测量元件角度摆轴9可以调整测量元件7和被测面齿轮2的啮合角度，通过调整面齿轮轴向驱动电机10和径向驱动电机13可以调节被测面齿轮的位置；

2)立式结构，即面齿轮安装轴系3铅垂方向安装、测量元件安装轴系28倾斜安装，通过旋转高度调整手柄16可以调整测量元件7的高度，通过调整径向调整手柄19可以调整被测面齿轮2的径向位置；

3)变异立式结构，即面齿轮安装轴系3在铅垂面内倾斜安装、测量元件安装轴系28水平安装，被测面齿轮2通过角度调整机构21可以调整和测量元件7的啮合角度。

本实用新型具有以下有益效果：

1)采用了齿轮副(或蜗杆副或齿条副等)单面啮合滚动测量的运动形式，其中测量元件(测量圆柱齿轮、测量蜗杆或测量齿条)起主传动作用，被测面齿轮从动作单面滚动啮合运动；

2)被测对象是面齿轮工件，测量元件是具有高精度测量棱线的特殊测量圆柱齿轮(或测量蜗杆及测量齿条)，在该测量元件和被测面齿轮进行单面啮合滚动测量的整个过程中，测量元件上将只有其测量棱线上的一点与被测面齿轮齿廓相啮合接触，实现点扫描测量；

3)面齿轮与测量元件轴线间的相互位置，按照该面齿轮传动副的理论位置进行调整；

4)可以在一次安装测量过程中，测量出被测面齿轮的单项几何误差和综合传动误差。

本实用新型中可采用的测量元件如图6至图10所示，测量元件可以是齿轮测量元件(图6或图10)、多头蜗杆测量元件(图8)、齿条形测量元件(图9)。其中图7是对图6所示圆柱测量齿轮的局部进一步清晰化。在一个轮齿齿面上只能有一条测量棱线，或者为齿向测量棱线，或者为齿廓测量棱线。没有测量棱线的减薄轮齿并不参与误差测量，而是确保测量元件和被测面齿轮能进行单面啮合传动。为了实现连续的滚动点扫描测量，必须使测量齿轮和被测面齿轮在测量过程中的重叠系数ξ≯1，为此采用了“跳牙”“间齿”方式来制作测量棱线(如图6所示)。当然，为了增加测量的密度，可以在一个测量元件齿轮上“间齿”制作齿廓测量棱线，包括测量左右不同齿面的齿廓测量棱线；而在另外一个测量元件齿轮上，“间齿”制作齿向测量棱线，包括测量左右不同齿面的齿向测量棱线。测量元件齿轮上测量棱线之间的间齿数，则主要视被测面齿轮和测量元件齿轮的几何参数和传动参数而定。

以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为面齿轮传动示意图

图2为面齿轮误差测量原理简图

图3为面齿轮误差测量装置机械结构简图之一(卧式)

图4为面齿轮误差测量装置机械结构简图之二(立式)

图5为面齿轮误差测量装置机械结构简图之三(变异立式)

图6为测量元件简图

图7为圆柱齿轮测量元件的两种测量棱线示意图

图8为多头蜗杆测量元件

图9为齿条形测量元件

图10为薄片“间齿”齿轮测量元件

图中：1、圆柱齿轮，2、面齿轮，3、面齿轮精密轴系，4面齿轮轴圆光栅，5主轴电机，6、测量元件轴圆光栅，7、测量元件，8、摆角测量光栅，9、测量元件角度摆轴，10、轴向驱动电机，11、轴向调整拖板，12、径向调整拖板，13、径向驱动电机，14、测量元件支撑尾架，15、仪器基座，16、高度调整手柄，17、高度调整拖板，18、高度测量长光栅，19、径向调整手柄，20、高度拖板立柱，21、角度调整机构，22、齿向测量棱线，23、齿廓测量棱线，24、多头蜗杆测量元件，25、齿条形测量元件，26、齿条长光栅，27、圆柱测量齿轮，28、测量元件精密轴系，29、数据采集卡，30、计算机。

具体实施方式

实施例1

实施例1采用了如图3所示的卧式结构，测量元件安装轴系28和面齿轮安装轴系3均水平安装。被测面齿轮2精确安装在被测齿轮精密轴系3上，该轴上同轴安装有高精度圆光栅4。测量元件7(具有齿廓/或齿向测量棱线)精确安装在测量元件回转主轴系28上并由支撑尾架14支撑，轴系28上也同轴安装有高精度圆光栅6。被测面齿轮2与测量元件7的位置调整：被测面齿轮轴系部件3安装在带有高精度长光栅的轴向拖板11上，拖板由电机10驱动。轴向拖板同时又固定在径向调整拖板12上，拖板由电机13驱动，两个调整拖板的位置根据面齿轮传动的理论位置确定。对于被测面齿轮2与测量元件7的夹角调整：测量元件轴系部件可以绕角度摆轴9在水平面内摆动，摆动的角度可以通过摆轴上安装的角编码器8测量出来。待被测面齿轮2和测量元件7的相对位置调整好后，测量元件7由主轴电机5驱动回转，并带动与之相啮合的被测面齿轮2转动，两者的速度比即为传动比，当面齿轮2没有误差时，其传动比是常数；当面齿轮2有误差时，其瞬时传动比是变化的，该装置的目的既是把瞬时传动比变化量的大小检测出来。面齿轮2和被测元件7啮合过程中，面齿轮轴圆光栅4和测量元件轴圆光栅6由各自的光栅读数头检测出位移脉冲信号，计算机30通过数据采集卡29采集面齿轮轴圆光栅4和测量元件轴圆光栅6的传感器信号φ₁和φ₂。由于面齿轮2和测量元件7角速度并不相等，相应的两路脉冲信号的频率f₁和f₂是不等的，因此两路脉冲信号要经过分频成为频率相等的采样脉冲信号φ′₁和φ′₂。当面齿轮2没有误差时，两路对应的采样脉冲信号φ′₁和φ′₂保持固定的相位关系；而当面齿轮2存在误差时，则φ′₁和φ′₂相位差的变化代表了面齿轮相对测量元件的回转速比的变化，利用数字比相法即可测出两路脉冲信号φ′₁和φ′₂的相位变化量，以传动旋转角度值为横坐标，相位变化量为纵坐标即可绘制被测面齿轮的整体误差曲线，从整体误差曲线又可提取出各单项误差，从而在一次安装的情况下，完成对面齿轮的单项几何误差、切向综合偏差以及整体误差的测量。

实施例2

实施例2采用了如图4所示的立式结构，面齿轮安装轴系3铅垂方向安装、测量元件安装轴28倾斜安装。同样，面齿轮2和测量元件7均安装在精密轴系上3，各轴系上均同轴安装圆光栅。被测面齿轮2与测量元件7的位置调整：被测面齿轮轴系部件3安装在带有高精度长光栅的径向调整拖板12上，拖板通过旋转手柄19驱动在径向方向移动，拖板的位置根据面齿轮传动的理论位置确定；另外可以通过高度调整手柄16调整测量元件7和面齿轮2的相对高度，高度调整拖板17也带有长光栅18，高度调整拖板17可在立柱20内上下移动。对于被测面齿轮与测量元件的夹角调整：测量元件轴系部件3可以绕摆轴9在垂直面内摆动，摆动的角度可以通过摆轴上安装的角编码器8测量出来。其信号的采集与处理过程与实施例1相同。

实施例3

实施例3采用了如图5所示的变异立式结构，面齿轮安装轴系3在铅垂面内倾斜安装、测量元件安装轴系28水平安装。其和立式机构不同之处在于，被测面齿轮轴系部件3可以在铅垂面内摆动，被测面齿轮2与测量元件7的夹角调整是通过角度调整机构21进行调节的。其信号的采集与处理过程与实施例1相同。

以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但本实用新型不局限于上述具体实施方式，因此任何对本实用新型进行修改或等同替换，而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置，包括有被测面齿轮、面齿轮精密轴系、面齿轮轴圆光栅、测量元件、测量元件精密轴系、测量元件轴圆光栅、主轴电机、数据采集卡及计算机，其特征在于面齿轮精密轴系(3)、面齿轮轴圆光栅(4)和被测面齿轮(2)同轴安装，测量元件精密轴系(28)、测量元件轴圆光栅(6)和测量元件(7)同轴安装，被测面齿轮(2)与测量元件(7)单面啮合形成齿轮传动副，测量元件(7)由主轴电机(5)驱动进而带动被测面齿轮(2)旋转，由数据采集卡(28)同时采集面齿轮轴圆光栅(4)和测量元件轴圆光栅(6)的信号，并传送到计算机(30)进行处理，得到测量结果。

2.根据权利要求1所述的面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于所述的测量元件(7)可以为以下三种之一：

1)用以对面齿轮进行间齿滚动点扫描测量的具有多条齿廓测量棱线(23)和齿向测量棱线(22)的圆柱测量齿轮(27)，齿廓测量棱线(23)在啮合面上从左到右跳牙连续分布，齿向测量棱线(22)在啮合面上从上到下跳牙连续分布；

2)用以对面齿轮进行间齿滚动点扫描测量的具有一个测量螺旋面的多头测量蜗杆(24)；

3)用以对面齿轮进行间齿滚动点扫描测量的具有多条齿形测量棱线或/和齿向测量棱线的单齿或多齿测量齿条(25)。

3.根据权利要求1或2所述的面齿轮误差的单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于测量元件(7)和被测面齿轮(2)可以按照以下三种结构型式中的任一种进行安装：

1)卧式结构，即测量元件安装轴系(28)和面齿轮安装轴系(3)水平安装，通过调整测量元件角度摆轴(9)可以调整测量元件(7)和被测面齿轮(2)的啮合角度，通过调整面齿轮轴向驱动电机(10)和径向驱动电机(13)可以调节被测面齿轮的位置；

2)立式结构，即面齿轮安装轴系(3)铅垂方向安装、测量元件安装轴系(28)倾斜安装，通过旋转高度调整手柄(16)可以调整测量元件(7)的高度，通过调整径向调整手柄(19)可以调整被测面齿轮(2)的径向位置；

3)变异立式结构，即面齿轮安装轴系(3)在铅垂面内倾斜安装、测量元件安装轴系(28)水平安装，被测面齿轮(2)通过角度调整机构(21)可以调整和测量元件(7)的啮合角度。

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