一種齒輪雙面嚙合測量系統(tǒng)的設(shè)計*

王 鍇 劉 波 管曉光 李 帥 邵文冕

(①黑龍江科技學(xué)院工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，黑龍江哈爾濱 150027;②哈爾濱智達測控技術(shù)有限公司，黑龍江哈爾濱 150078;③哈電集團阿城繼電器股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150302)

齒輪傳動是一種重要的機械能量與信息的傳遞形式，齒輪產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種自動控制設(shè)備、儀器儀表和工程機械當中。例如煤礦機械中的掘進機就大量采用各種不同類型的齒輪零部件。如果這些齒輪在制造過程中存在較大誤差，就會造成掘進機在實際工作過程中，齒輪之間的相互嚙合不好，裝配后減速器噪聲大，機械效率降低，有時甚至引發(fā)故障。因此，如何有效地對齒輪產(chǎn)品進行測量，將齒輪的誤差控制在合理的精度范圍之內(nèi)，對于機電設(shè)備的正常運行來說，是非常重要的。本文討論一種新研發(fā)的齒輪雙面嚙合測量系統(tǒng)，主要用于齒輪的徑向綜合誤差的測量與分析。

1 測量系統(tǒng)的工作原理

在齒輪制造過程中，由于加工齒輪的工作臺回轉(zhuǎn)中心與齒坯基準孔中心并不是嚴格重合的，這就使得生產(chǎn)出來的齒輪都存在一定程度上的幾何偏心。因此當兩個齒輪做相互嚙合轉(zhuǎn)動時，這兩個齒輪軸之間的中心距a并不是1個常量，而是隨齒輪轉(zhuǎn)角的改變而不斷變化，中心距的變化量用Δa表示，如圖1所示。另外在每個輪齒的加工過程中也必然存在著誤差，這種誤差集中體現(xiàn)為圖1中誤差曲線圖上大小不一的鋸齒狀凸凹。

齒輪徑向綜合誤差的測量通常采用雙面嚙合的測量方法，也就是在被測齒輪與標準齒輪做無間隙的雙面嚙合的轉(zhuǎn)動過程中，同時測量中心距的變化量Δa和齒輪轉(zhuǎn)過的角度。然后根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，利用計算機繪制出齒輪徑向綜合誤差曲線，再由誤差曲線計算出一轉(zhuǎn)齒輪徑向綜合誤差Fi″和一齒齒輪徑向綜合誤差fi″。這些測量項目可以用于齒輪批量生產(chǎn)現(xiàn)場的質(zhì)量檢測和生產(chǎn)工藝的監(jiān)控。近年來，小模數(shù)、小直徑齒輪的使用日趨廣泛，例如打印機中的塑料齒輪。在小模數(shù)齒輪的測量中，主要關(guān)心的是齒輪的幾何偏心和齒厚方面的誤差，而這些誤差均可通過雙面嚙合測量得到。因此，雙面嚙合測量是目前小模數(shù)齒輪特別是塑料齒輪的主要測量方法，最小模數(shù)已達到0.1 mm左右。

2 測量系統(tǒng)的構(gòu)成

齒輪雙面嚙合測量系統(tǒng)主要由測量齒輪轉(zhuǎn)角的圓光柵、測量中心距變化量的光柵尺、伺服電動機和儀器主機組成。通過儀器主機的上下頂針機構(gòu)完成裝卡齒輪之后，就可以進行測量，測量結(jié)果可以由計算機和打印機輸出，如圖2所示。

測量系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系以及系統(tǒng)中信號的流向如圖3所示。其中測量元件采用了Renishaw公司的光柵，與同類產(chǎn)品中普遍采用的差動傳感器相比，光柵的精度高，線性度好，輸出信號是標準的數(shù)字信號，更為重要的是它的基座材料采用不漲銅，可以保證光柵在外界溫度發(fā)生變化的情況下只產(chǎn)生微小形變，因此測量精度可以達到1 μm。

3 齒輪徑向綜合誤差的測量與分析

在齒輪徑向綜合誤差的測量技術(shù)方面，德國Klingelnberg公司的ZW系列產(chǎn)品和日本騰馬精機(TMax)有限公司的DF系列產(chǎn)品處于世界的領(lǐng)先水平。究其原因，筆者認為他們的測量儀器越來越依重計算機技術(shù)在提高測量精度和對測量數(shù)據(jù)進行分析方面的應(yīng)用。為了緊跟國際先進技術(shù)的發(fā)展，掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的齒輪測量產(chǎn)品，我們著重在人機交互界面和控制、測量軟件的開發(fā)方面進行了深入研究。主要體現(xiàn)為測量系統(tǒng)中的計算機不僅可以對整個測量過程進行實時控制，還可以對測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以全面評價齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量。更重要的是，能夠為可以返修的齒輪提供用來指導(dǎo)機械加工的數(shù)據(jù)，降低了廢品率。進行測量時，首先要在圖4中測量系統(tǒng)左上角的對話框中輸入齒輪的模數(shù)、標準齒輪和被測齒輪的齒數(shù)以及代表測量精度要求的一轉(zhuǎn)齒輪徑向綜合誤差ΔFi″和一齒齒輪徑向綜合誤差 Δfi″(如果測量數(shù)據(jù)大于這兩個值，則認為產(chǎn)品不合格)。然后用鼠標點擊測量按鈕開始測量，在測量的過程中，表盤上的指針實時顯示中心距的變動量，表盤下方的數(shù)碼管記錄變動范圍，同時在軟件界面的右上角根據(jù)已經(jīng)測得的數(shù)據(jù)繪制出誤差曲線圖。測量過程結(jié)束后，系統(tǒng)會對測量數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)測量結(jié)果是合格、可修或超差這3種情況，點亮對應(yīng)的1盞小燈來指示被測齒輪的測量結(jié)果。

以圖4中的被測齒輪為例，測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量結(jié)果

用鼠標點擊測量系統(tǒng)界面中打印按鈕，則可通過打印機輸出該被測齒輪測量報告，報告中除了上面的測量結(jié)果外，還包括測量誤差誤差曲線和齒輪的毛刺分析，如圖5所示。由于齒輪在加工過程中不可避免的存在磕碰、劃傷，所以被測齒輪可能存在著毛刺。我們開發(fā)的這套齒輪測量系統(tǒng)特意在軟件部分增加計算毛刺位置和大小的功能。從測量結(jié)果和誤差曲線中我們可以看出在被測齒輪的115.6°轉(zhuǎn)角處，存在1個大小為22.6 μm的毛刺。這種毛刺在誤差曲線圖上表現(xiàn)為突然出現(xiàn)的尖峰。根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)提供的信息就可以指導(dǎo)齒輪的返修，處理掉已測得的毛刺，進一步提高齒輪的質(zhì)量和精度。

4 結(jié)語

筆者計劃下一步的研發(fā)工作將增加齒輪測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能，使得計算機能夠?qū)⒔?jīng)過分析、統(tǒng)計后的測量數(shù)據(jù)及時反饋到齒輪制造系統(tǒng)中，以便于實時調(diào)整制造工藝和指導(dǎo)齒輪的返修，以達到提高齒輪產(chǎn)品的制造精度的目的。并在此基礎(chǔ)上努力實現(xiàn)齒輪測量技術(shù)(Gear CAT)與齒輪加工制造技術(shù)(Gear CAM)之間的多源信息融合，從而構(gòu)建全數(shù)字化、信息化的齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)，切實提高我國齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量水平和核心競爭能力。

［1］馮剛，謝華錕，葉勇.微小齒輪整體誤差精密測量新技術(shù)［J］.中國測試，2010，36(3).

［2］馮剛，謝華錕，葉勇.齒輪整體誤差測量法中測量元件的分析與展望［J］.工具技術(shù)，2009，43(12).

［3］石照耀，張旭.齒輪單面嚙合測量技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2008，42(3).

［4］石照耀，張萬年，林家春.小模數(shù)齒輪測量現(xiàn)狀與趨勢［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，34(2).