影像測量儀在花鍵量規檢測中的應用探討

文/錢笑臨1 潘 華2 錢文俊2 陳彥杰2

一、花鍵的特點和應用

花鍵零件在機動車中主要用于運動過程的扭矩傳遞[1]。常見的花鍵有兩種：矩形花鍵和漸開線花鍵。矩形花鍵多齒工作，承載能力高，對中性好，導向性好，齒根較淺，應力集中較小。如：汽車變速器輸入軸花鍵，多采用矩形花鍵。漸開線花鍵的齒輪廓為漸開線，收載時齒上有徑向力，能起自定心的作用，使各齒受力均勻，具有強度高、壽命長的優點。因此，漸開線花鍵連接適用于載荷較大、定心精度要求較高、尺寸較大的應用場合。與矩形花鍵比較，漸開線花鍵齒數多，齒端、齒根部厚、承載能力強，易于自動定心，安裝精度高。同時，漸開線花鍵鍵齒較短，齒根較寬，不發生根切的齒數較小。

花鍵量廣泛用于花鍵孔、軸零部件批量生產中的過程檢驗。其自身精度要求較高，檢測項目有：齒厚、齒槽寬和小徑等參數。與之相關的檢測應用有：以光學分度頭檢測齒距累積誤差；以專用量規檢測轉動機構中的外星輪、三銷軸叉；齒輪測量機對花鍵的綜合檢測等[2]。

二、檢測依據與檢測方法分析

1.關于檢測依據

花鍵量規檢測依據主要有：GB/T 5106-2012《圓柱直齒漸開線花鍵量規》和JJF 1557-2016《圓柱直齒漸開線花鍵量規校準規范》。環規是量規的一種形式。對于花鍵環規，GB/T 5106-2012包含了“非全齒通段環規”的要求和環規棒間距的檢驗方法。環規棒間距也是很多企業用戶著重控制的一個參數。JJF 1557-2016中關于花鍵環規的參數包括齒厚（S）、齒槽寬（E）、環規小徑（Dii）、齒形（Fα）齒向（Fβ）誤差、分度誤差（Fр）[3]。

2.檢測方法分析

GB/T 5106-2012、JJF 1557-2016兩個標準中對于花鍵環規的檢測都做了介紹。具體的檢測實施需要根據給出的建議，選擇適合的設備和量具來實現[4]。下文將根據影像儀的應用特點加以闡述和分析（見表1）。

表1 GB/T 5106-2012 與JJF 1557-2016中花鍵環規的檢測方法

在GB/T 5106-2012中簡單地給出了推薦的方法，未作更為詳細描述或規定。JJF 1557-2016中則給出了每個校準項目對應的標準器和檢測過程實施的具體要求。從這兩個標準給出的檢測設備和檢測方法中有幾點值得關注。

① 環規小徑參數

兩個標準分別以測長儀和三坐標進行檢測，都屬于接觸式測量。雖然，最終結果都是輸出直徑，但評價方式上有本質的區別。以測長儀測量直徑屬于兩點法檢測，直接給出兩點間的線性尺寸。三坐標采集若干點后，提取的圓在擬合方式上有最小二乘法、最大內接和最小外切等方式，規范中并未展開討論。

② 環規齒槽寬

當以塊規和量棒進行檢測時，需根據檢測對象的規格配置不同的塊規組合，必須加入塊規校準證書給出的修正量進行計算。拼接塊規和修正值的計算對檢測人員的手法、經驗有較高的要求，對于不同規格的花鍵環規的檢測將重復以上過程，對時間也有較大需求。

③ 環規齒厚和環規齒槽寬兩個參數

GB/T 5106-2012中的7.1.1和7.3.1分別規定了必須對所有鍵齒和齒槽進行測量。那么，當使用測長儀檢測時，測量的次數為齒數的0.5×齒數（次）（偶數齒環規）或0.5×（齒數+1）（次）（奇數齒環規），并且兩次測量間需重新固定三針后，調整至讀數拐點位置。

④ 不同規格的環規

根據GB/T 5106-2012的D.2.4在實施接觸式測量時對量棒直徑進行計算。三針多用于外螺紋中徑的測量，規格有限，當用于花鍵環規時，需加以訂制[5]。

⑤ 單項誤差

單項誤差包括：齒型誤差、齒向誤差和分度誤差。該項目的檢驗需將檢測對象在空間上進行調心調平，沿圓周方向對齒面進行連續掃描。因此，只能以齒輪測量中心配專用的軟件模塊進行檢測。

三、花鍵環規的影像法檢測的實施

測量設備：HEXAGON Optiv Advance 862復合式高精度影像儀檢測尺寸，設備最大允許誤差計算公式：

軟件系統：PC-DIMS；專用工裝。測量對象為某規格花鍵環規，由于齒厚、齒槽寬都可以通過跨棒距的檢測結果進行公式轉換，因此檢測參數為環規小徑、跨棒距。檢測過程如下：

1.建立坐標系

① 將工件抵靠在專用工裝的V型口上，以壓板固定。將鏡頭十字線移動至花鍵上方，視場內至少包含一個完整的齒。在0o與180o象限位第一齒面兩側分別構造兩根二維直線（見圖1、圖2）。

圖1 直線元素提取

圖2 構造交點

② 兩組直線分別使用構造點命令求出交點（圖3），使用構造線命令提取兩個交點的連線（見圖4）作為基準軸線，交點中心作為零點。

圖3 構造直線

圖4 視場范圍

2.環規小徑的檢測

① 將鏡頭十字線移動至花鍵上方，視場內至少包含兩個完整的齒。鼠標左鍵在齒頂（圖5）分別點擊兩次獲得一段曲線。

圖5 構造理論圓

② 移動鏡頭視場以零點為圓心在圓周上的多個位置重復上一步操作獲得多段曲線，根據技術要求中的擬合方式，將分段曲線擬合為一個完整圓。創建距離命令，輸出直徑結果。

3.跨棒距的檢測

在構建幾何元素功能中選擇構造圓命令，構建方式為與齒面兩側曲線相切的方式。此時，對于偶數齒環規，在0o與180o位置生成了一組理論圓，該圓的直徑可以是根據GB/T 5106-2012提供量棒直徑的計算結果或是配套針規的校準值。

選擇距離評價命令，在元素選擇列表中同時選中兩個理論圓（相切圓1、2）（見圖5），輸入標稱值和極限值。對于內花鍵，在圓選項中選擇“減半徑”進行補償，完成跨棒距的評價。

4.檢測結果

筆者所在實驗室與合作實驗室選用兩種計量特性類似的影像儀分別實施檢測，檢測設備分別為使用影像儀1，設備最大允許誤差按公式（1）計算。

影像儀2，設備最大允許誤差公式：

高精度測長儀，設備最大允許誤差計算公式：

兩種檢測方式的檢測結果和測量不確定度（跨棒距）見表2。

表2 花鍵環規檢測結果比對mm

四、結果比對分析

表2中的檢測結果均屬于線性尺寸，選擇跨棒距數據進行比對結果分析。其中：結果1、結果2為非接觸檢測方式間的比對（比對1）；結果1、結果3為非接觸與接觸方式間的比對（比對2）。

檢測完畢后，將兩組檢測結果進行比對。根據比對雙方的測量不確定度和檢測結果中的最大差值，計算出En值對比對結果進行評判，根據以下公式（4）來進行計算。

公式（4）中：

En—實驗室間比對試驗的比率值；

Δmax—比對雙方測量結果最大差值；

U1—比對方測量擴展不確定度；

U2—參考方測量擴展不確定度。

判斷方法：比對雙方試驗的|En|≤1，則認為比對結果為滿意；|En|＞1，則認為不滿意。

根據比對雙方的測量結果與計算公式（1）得到：

比對1（結果1與結果2）：|En|=0.26＜1；

比對2（結果1與結果3）：|En|=0.59＜1

結論：此次比對結果為滿意。

此外，由于影像儀可測得跨棒距MRi，可根據公式（5）進一步計算得到齒槽寬E。

上述計算公式與計算過程中：

E-齒槽寬，mm；

Z-齒數；

D-分度圓直徑，mm；

Db-基圓直徑，mm；

αD-壓力角，?；

DRi-量棒直徑，mm；

MRi-棒間距，mm

五、總 結

花鍵環規的高度一般小于25mm，分度圓直徑小于180mm，齒面對端面的垂直性良好，其結構滿足影像儀的檢測要求，不會發生遮擋或空間干涉。高精度自動影像儀可以對花鍵環規的小徑、跨棒距實施檢測。

用于檢測的光學設備需要具備的條件有：高分辨率的可變焦鏡頭和自動尋邊功能，在光源調整至可用范圍的條件下實現齒邊界的準確捕捉，減小手動尋邊帶來的測量誤差；構造幾何元素功能，滿足理論圓棒與環規分度圓的相切位置要求；可編程功能，利用陣列功能，根據齒數與模數快速實現每一齒或齒槽的快速自動檢測。相對接觸式測量大大提升檢測效率，降低成本。