CN201811840U - 小模数齿轮误差的单面啮合测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，属于精密测试计量技术及仪器、机械传动技术领域。测量齿轮、圆光栅、测量齿轮轴系、联轴器和同轴安装，由电机驱动，圆光栅、被测齿轮轴系、滑环、联轴器同轴安装，由电机驱动，连接被测齿轮、微角位移测量装置、顶尖机构，两电机按测量齿轮与被测齿轮的理论传动比同步驱动，测量齿轮与被测齿轮单面啮合转动。数据采集卡将圆光栅、圆光栅和微位移传感器的测量信号，传送到计算机处理，得到被测齿轮的传动误差。本实用新型解决了微小齿轮的装夹定位及微小角位移的无测力精密测量等技术难题，克服了现有单面啮合测量仪在小模数齿轮测量上存在的不足，实现了小模数齿轮传动误差的快速精密测量。

Description

小模数齿轮误差的单面啮合测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，属于精密测试计量技术及仪器、机械传动技术领域。

背景技术

小模数齿轮，通常指模数0.1～1mm的齿轮，多为塑料齿轮，是一种重要的运动、传动件，广泛应用于OA设备、电动工具、汽车仪表、航空航天等仪器仪表领域。随着科学技术的发展，小模数齿轮的尺寸越来越小，而精度要求却越来越高，特别是微型齿轮的出现，对小模数齿轮的测量提出了新挑战。然而，目前小模数齿轮缺乏可靠有效的测量技术和手段，远不能满足目前的科学技术发展的需求。究其原因，主要是(微)小模数齿轮的齿槽间隙小、轮齿刚性差等几何和机械特点决定的。齿轮尺寸小、齿槽间隙小，影响齿轮的分析式测量；齿轮惯性小、轮齿刚性差，影响齿轮的功能性测量。

齿轮单面啮合测量是最符合齿轮使用状态的高效精密测量方式。齿轮单面啮合测量原理是指被测齿轮与理想精确的标准齿轮(可用标准蜗杆、标准齿条等测量元件代替)在公称中心距下做有侧隙的单面啮合转动时，测量被测齿轮的实际转角与理论转角的差值。

如图1所示，现有的齿轮单面啮合测量仪都采用单向传动测量方式，即计算机12向控制器10发出指令，控制器10控制驱动器9驱动电机1按一定转速旋转，联轴器2，圆光栅3、测量齿轮轴系4和测量齿轮5转动，带动被测齿轮6做单面啮合转动，同时带动被测齿轮轴系7和圆光栅8回转。圆光栅8的测量值为θ₁，圆光栅3的测量值为θ₂，测量齿轮5与被测齿轮6的传动比为i，则被测齿轮6的实际转角与理论转角的差值为

获得被测齿轮6的传动误差。但这种方式主要用于大中模数齿轮的测量，在测量小模数齿轮时，由于回转轴系和圆光栅的转动惯量大、回转阻力大，刚性很弱的小模数齿轮不足以无变形的带动大惯量的回转轴和圆光栅，即小模数齿轮的微角位移误差很难、甚至不能被惯量大得多的圆光栅直接检测出来。所以，因测量精度和灵敏度不够理想，现有的齿轮单面啮合测量仪未能用于小模数齿轮的测量。

因此有必要开发一种小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，实现小模数齿轮误差的高效精密测量。

实用新型内容

本实用新型针对现有齿轮单面啮合测量仪在小模数齿轮测量上存在的弊端，提出了一种测量效率高，测量精度高的小模数齿轮误差的单面啮合测量装置。

本实用新型是基于齿轮单面啮合测量原理，将单向传动测量方式改为双向同步传动测量方式，即采用两台电机同步驱动测量齿轮和被测齿轮及其轴系和圆光栅。由于被测齿轮和电机传动误差的存在，两齿轮在啮合过程会发生干涉或游离，所以允许被测齿轮相对其轴系有微小位移的转动，同时必须保证两齿轮单面啮合。因此采用了顶尖机构装夹被测小模数齿轮，微位移传感器测量被测齿轮相对其轴系的微小角位移，弹簧机构保证两齿轮始终单面啮合。将与被测齿轮轴系和测量齿轮轴系同轴安装的圆光栅、微位移传感器的测量信号，通过数据采集卡传送到计算机进行处理，得到被测齿轮的传动误差。其本实用新型的测量原理如图2所示，测量装置结构简图如图3所示。

本实用新型的技术方案为：

小模数齿轮误差的单面啮合测量装置采用二轴系同步驱动的原理，两轴系平行但不在同一端，因为小模数齿轮外径很小，为了保证齿轮的中心距采用直线式轴系布局。

小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，包括被测齿轮、被测齿轮轴系、圆光栅、测量齿轮、测量齿轮轴系、电机、联轴器、滑环、微角位移测量装置、上顶尖机构、驱动器、控制器、数据采集卡和计算机。电机1、联轴器2、测量齿轮轴系4、圆光栅3由上至下依次同轴安装，测量齿轮5通过测量齿轮芯轴23固定在测量齿轮轴系4上；电机17、联轴器16、滑环31、被测齿轮轴系7、圆光栅8、由下至上依次同轴安装，被测齿轮6通过被测齿轮芯轴24和顶尖浮动连接在被测齿轮轴系7上，被测齿轮芯轴24装夹在上顶尖26和下顶尖25之间，下顶尖固定在主轴38上；电机1、电机17按照理论传动比分别驱动测量齿轮5与被测齿轮6，被测齿轮6与测量齿轮5单面啮合；圆光栅3、圆光栅8、微位移传感器19的测量信号同时由数据采集卡13采集并传送到计算机12进行处理。

上述述的微角位移测量装置14包括：摆动悬臂20、旋转圆盘28、弹簧支架27、弹簧机构21、传感器支架29、传感器信号放大器30和微位移传感器19；其中：摆动悬臂20同轴安装在被测齿轮芯轴24上，旋转圆盘28同轴固定在下顶尖25上，弹簧支架27、传感器支架29、传感器信号放大器30固定在旋转圆盘28上，微位移传感器19和弹簧机构21分别安装在传感器支架29和弹簧支架27上，采用螺钉夹紧；弹簧机构由弹簧支杆33、弹簧驱动杆32、压簧34和调整螺钉35构成，压簧34装在弹簧支杆33内，一端连接弹簧驱动杆32，另一端连接调整螺钉35；微位移传感器19通过电缆与传感器信号放大器30连接，信号放大器通过导线连接滑环31。

上述的上顶尖机构22可垂直移动，安装在立柱51上，上顶尖轴系45采用密珠轴系结构，固定在上顶尖支架46上，通过平行簧片机构连接在立柱51上，顶尖支架46和移动平板50通过簧片压板47、簧片55和簧片压板49连接，簧片55通过螺钉被簧片压板49分别压紧在簧片压板47、顶尖支架45和移动平板50上。拉簧53的一端通过弹簧支架48固定在移动平板50上，另一端通过弹簧支架54固定在顶尖支架46上，调整销52通过螺钉被夹紧在弹簧支架48上。

上述的圆光栅3与圆光栅8的读数头分别连接细分器11，细分器11通过数据采集卡13与计算机12连接，微位移传感器19通过滑环17和数据采集卡13与计算机12连接。电机1和电机17分别通过驱动器9和驱动器18和控制器10连接计算机12。计算机12发出测量指令给控制器10，通过驱动器9和驱动器18分别启动电机1和电机17，电机1和电机17按测量齿轮5与被测齿轮6的理论传动比同步驱动。

上述的微位移传感器(19)和弹簧机构(21)与传感器支架(29)和弹簧支架(27)之间采用螺钉加紧。

上述的连接传感器信号放大器(30)和滑环(31)的电缆穿过被测齿轮主轴(38)的内孔。

本实用新型可以取得如下有益效果：

本实用新型采用平行簧片机构支撑上顶尖轴系45，不仅简化了结构，而且满足了微小齿轮需要很小夹紧力的要求。上顶尖26相对移动平板50可以垂直移动，通过拉簧53的拉力变化微量调整上顶尖26相对移动平板50的垂直位置，进而达到更精确控制上顶尖26对被测齿轮芯轴24夹紧力大小的目的。

测量齿轮与被测齿轮处于理论中心距的位置，弹簧驱动杆32受到压簧34的推力而施加力于摆动悬臂20的一端，弹簧作用力指向被测齿轮6回转方向，保证两齿轮在传动过程中始终单面啮合。调整微位移传感器19的位置，微位移传感器19的测量端与摆动悬臂20的另一端的距离在量程范围内，在回转过程中，微位移传感器19测得被测齿轮6(按实际转角转动)相对被测齿轮轴系(理论转角转动)7在微位移传感器旋转圆周切向上的位移量，该位移量由被测齿轮6的传动误差和两电机的联动误差(可以忽略)引起。微位移传感器19测得的线位移量代替角位移量，由此引起的原理误差非常小，可以忽略不计。

本实用新型将被测齿轮安装在微角位移测量装置这一端，这样安装的优点是：

(1)被测小模数齿轮外径较小，两齿轮啮合传动时被测齿轮的转角比测量齿轮大，被测齿轮的微量角位移更容易测出，测量精度更高。

(2)微位移传感器直接测量被测齿轮相对其轴系的角位移差值在摆动悬臂圆周切向上的位移量，简化了测量数据的处理。

(3)由于结构设计的需要，测量齿轮的芯轴比较长，将被测齿轮安装在微角位移测量装置这一端将避免被测齿轮芯轴过长受力变形(小模数齿轮的轴或孔径很小)。

总结以上，本实用新型采用测量齿轮轴系与被测齿轮轴系的双电机同步驱动方式，克服了现有齿轮单面啮合测量仪中质量小的多的小模数齿轮带动大转动惯量轴系和圆光栅回转的弊病，采用上顶尖平行簧片支撑机构和微角位移测量装置解决了微小齿轮的装夹定位及微小角位移的无测力精密测量等技术难题，实现了小模数齿轮传动误差的精密测量。

附图说明

图1为已有的齿轮误差单面啮合测量原理简图

图2为小模数齿轮误差单面啮合测量原理简图

图3为小模数齿轮误差测量装置的结构简图

图4为微角位移测量装置的机械结构图

图5为图4的俯视图

图6为被测齿轮轴系的机械结构图

图7为上顶尖机构的机械结构图

图中：1、电机，2、联轴器，3、圆光栅，4、测量齿轮轴系，5、测量齿轮，6、被测齿轮，7、被测齿轮轴系，8、圆光栅，9、驱动器，10、控制器，11、细分器，12、计算机，13、数据采集卡，14、微角位移测量装置，15、长光栅，16、联轴器，17、电机，18、驱动器，19、微位移传感器，20、摆动悬臂，21、弹簧机构，22、上顶尖机构，23、测量齿轮芯轴，24、被测齿轮芯轴，25、下顶尖，26、上顶尖，27弹簧支架，28、旋转圆盘，29、传感器支架，30、传感器信号放大器，31、滑环，32、弹簧驱动杆，33、弹簧支杆，34、压簧，35、调整螺钉，36、光栅读数头，37、端面保持架，38、被测齿轮主轴，39、滚珠，40、保持架，41、主轴套，42、轴向压环，43、锁紧螺母，44、电机支架，45、上顶尖轴系，46、上顶尖支架，47、簧片压板，48、弹簧支架，49、簧片压板，50、移动平板，51、立柱，52、调整销，53、拉簧，54、弹簧支架，55、簧片

具体实施方式

下面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。

本实用新型的测量原理如图2所示，结构简图如图3所示，包括被测齿轮、被测齿轮轴系、被测齿轮圆光栅、测量齿轮、测量齿轮轴系、测量齿轮圆光栅、电机、联轴器、滑环、微角位移测量装置、上顶尖机构、驱动器、控制器、数据采集卡和计算机。其中测量齿轮轴系4、圆光栅3和联轴器2(日本三木金属板簧式联轴器或刚性联轴器)固连，由电机1(Parker SM232AQ-FLCN伺服电机)驱动。测量齿轮芯轴23通过螺钉固定在测量齿轮轴系4上，测量齿轮5用螺母固定在测量齿轮芯轴23上。被测量齿轮轴系7、圆光栅8和联轴器16(同联轴器2)固连，由电机17(同电机1)驱动。被测齿轮轴系7的机械结构如图6所示，被测齿轮主轴38与主轴套41之间装有保持架40和滚珠39，轴向装有端面保持架37和滚珠39，轴向压环42和锁紧螺母43进行轴向压紧。滑环31采用过孔式结构，内环固定在被测齿轮主轴38上，与其同轴回转，外环固定在电机支架44上。电机支架44固定在主轴套41上，电机17固定在电机支架44上。圆光栅8(选用Renishaw(雷尼绍)公司SIGNUM^TMRESM 20μm的新型光栅盘，外径75mm，双SR050A读数头，圆光栅3同上)固定在被测齿轮主轴38上，与其同步回转，两个光栅读数头36固定在主轴套41上。下顶尖25固定在被测齿轮主轴38上，与其同轴回转。

微角位移测量装置的具体结构如下：

如图4、5所示，摆动悬臂20同轴安装在被测齿轮芯轴24(或被测齿轮轴)上，采用四个螺钉固定。旋转圆盘28通过螺钉固定在下顶尖25上，与其同轴回转。弹簧支架27、传感器支架29、传感器信号放大器30通过螺钉固定在旋转圆盘28上，微位移传感器19(采用德国米依capaNCDT电容式测量系统，包括CS05电容式传感器探头、DT6019-C传感器信号放大器和电缆，量程0.5mm，分辨率0.5um。)和弹簧机构21分别固定在弹簧支架27和传感器支架29上，采用螺钉夹紧，微位移传感器19通过电缆与传感器信号放大器30连接，信号放大器通过导线(穿过被测齿轮主轴38的内孔)连接滑环31。弹簧机构由弹簧支杆33、弹簧驱动杆32、压簧34和调整螺钉35构成，压簧34装在弹簧支杆33内，一端连接弹簧驱动杆32，另一端连接调整螺钉35。弹簧驱动杆32受到压簧34的推力而施加力于摆动悬臂20的一端，作用力指向回转方向，保证两齿轮始终处于单面啮合的正确测量状态。旋转调整螺钉35可以对压簧作用力大小进行调整。另一个弹簧机构用于回转方向相反时使用，根据需要选择合适的压簧。调整微位移传感器19的测量端与摆动悬臂20的另一端的相对位置，使之间的距离在量程范围内。在测量过程中，微位移传感器19测得被测齿轮6(按实际转角转动)相对被测齿轮轴系7(按理论转角转动)在微位移传感器旋转圆周切向的位移量，该位移量由被测齿轮6的传动误差和两电机的联动误差(可以忽略)引起。

设

分别为被测齿轮轴系、测量齿轮轴系的位移，

为被测齿轮相对于其轴系的位移，被测齿轮与测量齿轮的理论传动比为i，于是被测齿轮的实际位移理论位移

则被测小模数齿轮的传动误差为：

上顶尖机构的具体结构如下：

被测齿轮6通过顶尖和被测齿轮芯轴24浮动连接在被测齿轮轴系7上，允许被测齿轮6相对其轴系7有微量角位移差值。本实用新型采用顶尖装夹的方式，上顶尖机构22安装在立柱51上，可沿立柱垂直方向移动。如图7所示，上顶尖轴系45的结构与被齿轮轴系7结构类似，同样采用密珠轴系，上顶尖26可以灵活转动。上顶尖轴系45固定在上顶尖支架46上，通过平行簧片机构连接在立柱51上。平行簧片结构属于弹性导轨的一种，可以保证顶尖支架46连同顶尖轴系45在运动的过程中保持垂直移动，其中顶尖支架45相当于平动板，移动平板50(相对顶尖支架45固定不动)相当于固定板，两者通过簧片压板47、簧片55(厚度0.2mm的弹性钢片)和簧片压板49连接，簧片55通过螺钉被簧片压板49压紧在簧片压板47、顶尖支架45和移动平板50上。拉簧53的一端通过弹簧支架48固定在移动平板50上，另一端通过弹簧支架54固定在顶尖支架45上，调整销52通过螺钉被夹紧在弹簧支架48上，松开螺钉调整销52可以垂直移动，调整拉簧53的作用力大小。于是，拉簧53的拉力作用在顶尖支架45和移动平板50之间，拉力的变化将改变上顶尖26相对移动平板50的垂直位置，进而更加精确地控制上顶尖26对被测齿轮芯轴24的夹紧力大小。换言之，拉簧53对顶尖夹紧力的大小起到微调的作用。

计算机12发出测量指令给控制器10，通过驱动器9和驱动器18分别启动电机1和电机17，电机1和电机17的转速比等于测量齿轮5与被测齿轮6的理论传动比，测量齿轮5与被测齿轮6做单面啮合转动。数据采集卡13采集圆光栅3、圆光栅8、微位移传感器19的测量信号，传送到计算机12进行处理，获得被测齿轮6的切向综合偏差曲线，获取切向综合偏差、一齿切向综合偏差、齿距累计总偏差等误差项目，实现了小模数齿轮的传动误差的精密测量。

Claims (3)

1.小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，包括被测齿轮、被测齿轮轴系、圆光栅、测量齿轮、测量齿轮轴系、电机、联轴器、滑环、微角位移测量装置、上顶尖机构、驱动器、控制器、数据采集卡和计算机，其特征在于：电机(1)、联轴器(2)、测量齿轮轴系(4)、圆光栅(3)由上至下依次同轴安装，测量齿轮(5)通过测量齿轮芯轴(23)固定在测量齿轮轴系(4)上；电机(17)、联轴器(16)、滑环(31)、被测齿轮轴系(7)、圆光栅(8)由下至上依次同轴安装，被测齿轮(6)通过被测齿轮芯轴(24)和顶尖浮动连接在被测齿轮轴系(7)上，被测齿轮芯轴(24)装夹在上顶尖(26)和下顶尖(25)之间，下顶尖固定在主轴(38)上；电机(1)、电机(17)按照理论传动比分别驱动测量齿轮(5)与被测齿轮(6)，被测齿轮(6)与测量齿轮(5)单面啮合；圆光栅(3)、圆光栅(8)、微位移传感器(19)的测量信号同时由数据采集卡(13)采集并传送到计算机(12)进行处理；

所述的上顶尖机构(22)安装在立柱(51)上，可沿垂直方向移动，上顶尖轴系(45)采用密珠轴系结构，固定在上顶尖支架(46)上，通过平行簧片机构连接在立柱(51)上；上顶尖支架(46)和移动平板(50)通过簧片压板(47)、簧片(55)和簧片压板(49)连接，簧片(55)通过螺钉被簧片压板(49)分别压紧在簧片压板(47)、顶尖支架(45)和移动平板(50)上。拉簧(53)的一端通过弹簧支架(48)固定在移动平板(50)上，另一端通过弹簧支架(54)固定在顶尖支架(45)上，调整销(52)通过螺钉被夹紧在弹簧支架(48)上；

所述的微角位移测量装置(14)包括：摆动悬臂(20)、旋转圆盘(28)、弹簧支架(27)、弹簧机构(21)、传感器支架(29)、传感器信号放大器(30)和微位移传感器(19)；其中：摆动悬臂(20)同轴安装在被测齿轮芯轴(24)上，旋转圆盘(28)同轴固定在下顶尖(25)上，弹簧支架(27)、传感器支架(29)、传感器信号放大器(30)固定在旋转圆盘(28)上，微位移传感器(19)和弹簧机构(21)分别安装在传感器支架(29)和弹簧支架(27)上；弹簧机构由弹簧支杆(33)、弹簧驱动杆(32)、压簧(34)和调整螺钉(35)构成，压簧(34)装在弹簧支杆(33)内，一端连接弹簧驱动杆(32)，另一端连接调整螺钉(35)；微位移传感器(19)通过电缆与传感器信号放大器(30)连接，信号放大器通过导线连接滑环(31)；

所述的圆光栅(3)与圆光栅的读数头(8)分别连接细分器(11)，细分器(11)通过数据采集卡(13)与计算机(12)连接，微位移传感器(19)通过滑环(17)和数据采集卡(13)与计算机(12)连接；电机(1)和电机(17)分别通过驱动器(9)和驱动器(18)和控制器(10)连接计算机(12)。计算机(12)发出测量指令给控制器(10)，通过驱动器(9)和驱动器(18)分别启动电机(1)和电机(17)，电机(1)和电机(17)按测量齿轮(5)与被测齿轮(6)的理论传动比同步驱动。

2.根据权利要求1所述的小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，其特征在于：微位移传感器(19)和弹簧机构(21)与传感器支架(29)和弹簧支架(27)之间采用螺钉加紧。

3.根据权利要求1所述的小模数齿轮误差的单面啮合测量装置，其特征在于：连接传感器信号放大器(30)和滑环(31)的电缆穿过被测齿轮主轴(38)的内孔。

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