大型齿轮在机测量原理与技术

前言第1章绪论11.1概述11.2齿轮制造技术现状与发展趋势41.2.1齿轮加工技术的发展51.2.2齿轮测量技术的发展91.3CNC齿轮加工机床的在机检测191.4齿轮精度制的发展201.4.1国际齿轮精度标准的发展211.4.2我国齿轮精度标准的现状231.4.3新旧齿轮精度标准的比较分析24第2章渐开线圆柱齿轮测量的理论基础272.1回转运动群与圆矢量函数272.1.1回转运动群272.1.2圆矢量函数312.2曲面的标架及其微分形式332.3渐开线螺旋面及其性质352.3.1渐开线螺旋面方程352.3.2渐开线螺旋面的性质382.4渐开线齿轮啮合原理412.4.1渐开线齿轮线啮合原理412.4.2渐开线斜齿轮点啮合原理44第3章大型齿轮单项偏差在机测量技术503.1大型齿轮在机测量的特点与难点503.2齿距累积总偏差在机测量技术523.2.1绝对测量法533.2.2相对测量法533.3齿廓总偏差在机测量技术563.3.1投影比较法563.3.2滚动比较法563.3.3坐标测量法573.3.4刃边齿条测头在机测量原理623.4螺旋线总偏差在机测量技术633.4.1展成法测量643.4.2坐标法测量64第4章大齿轮在机综合测量原理与技术674.1大齿轮在机综合测量原理的提出674.1.1单项偏差测量存在的问题674.1.2特征线偏差的分析与组合694.1.3用测量直母线偏差代替测量螺旋线偏差704.2大型齿轮在机综合测量的原理与方案704.2.1刃边齿条测头测量直母线偏差的原理704.2.2在机综合测量的方案744.3大型齿轮在机综合测量的数学模型774.3.1被测齿轮与刃边齿条的廓面方程774.3.2理想条件下的啮合过程804.3.3误差模型834.4关于上置式直母线偏差测量仪的讨论85第5章在机测量仪的关键技术研究及精度分析875.1刃边齿条测头的设计875.2线位移精密测量机械系统的确定885.2.1切向与轴向测量导轨885.2.2辅助基准面905.2.3测量坐标系的确定905.2.4线位移测量系统的精度分析925.3角位移精密测量机械系统的确定965.3.1拾取齿轮转角信号——摩擦圆盘角分度装置965.3.2摩擦圆盘角分度装置的精度分析975.3.3刃边齿条测头转角信号的拾取与精度分析1045.4被测齿轮安装偏心对测量结果的影响1055.5精度分析与验算107第6章大型齿轮在机测量仪与实验研究1096.1测量系统的组成1096.2测量系统电气控制原理1116.3测量仪系统软件设计1146.3.1软件的总体设计1146.3.2测量程序设计1156.4大型齿轮在机测量实验1196.4.1在机测量系统原始数据测量与标定1196.4.2大型齿轮齿廓总偏差测量实验1206.4.3大型齿轮螺旋线总偏差测量实验1246.4.4大型齿轮直母线偏差测量实验与误差综合分析127附录133参考文献135

对直径大于3m的大型齿轮，其误差在计量室内是无法检测的，需采用在机测量。针对大型齿轮模数大、质量大、惯性大等特点，以滚齿加工为例，本书研究了在机测量的原理与技术。以啮合原理为核心理论，分析研究渐开线廓面的可展性及具有代表的曲线族渐开线族、直母线族、螺旋线族和接触迹族，其偏差直接影响齿轮传动质量。

1)、齿轮单项几何形状误差测量技术

它采用坐标式几何解析测量法，将齿轮作为一个具有复杂形状的几何实体，在所建立的测量坐标系(直角坐标系、极坐标系或圆柱坐标系)上，按照设计几何参数对齿轮齿面的几何形状偏差进行测量。测量方式主要有两种：离散坐标点测量方式和连续几何轨迹点扫描(如展成)测量方式。所测得的齿轮误差是被测齿轮齿面上被测点的实际位置坐标(实际轨迹或形状)和按设计参数所建立的理想齿轮齿面上相应点的理论位置坐标(理论轨迹或形状)之间的差异，通常也就是和几何坐标式齿轮测量仪器对应测量运动所形成的测量轨迹之间的差异。测量的误差项目是齿轮的单项几何偏差，以齿廓、齿向和齿距等三项基本偏差为主。由于坐标测量技术、传感器技术、计算机技术的发展，尤其是数据处理软件功能的增强，三维齿面形貌偏差、分解齿轮单项几何偏差和频谱分析等误差项目的测量得到了推广。单项几何偏差测量的优点是便于对齿轮(尤其是首件)加工质量进行分析和诊断、对机床加工工艺参数进行再调整；仪器可借助于样板进行校正，实现基准的传递。

2)、齿轮综合误差测量技术

它采用啮合滚动式综合测量法，把齿轮作为一个回转运动的传动元件，在理论安装中心距下，和测量齿轮啮合滚动，测量其综合偏差。综合测量又分为齿轮单面啮合测量，用以检测齿轮的切向综合偏差和单齿切向综合偏差；以及齿轮双面啮合测量，用以检测齿轮的径向综合偏差和单齿径向综合偏差。为了更有效地发挥齿轮双面啮合测量技术的质量监控作用，增加了偏差的频谱分析测量项目;还从径向综合偏差中分解出径向综合螺旋角偏差和径向综合齿向锥度偏差。这是齿轮径向综合测量技术中的一个新发展。综合运动偏差测量的优点是测量速度快，适合批量产品的质量终检，便于对齿轮加工工艺过程进行及时监控。仪器可借助于标准元件(如标准齿轮)进行校验，实现基准的传递。上述两项测量技术基于传统的齿轮精度理论，然而随着对齿轮质量检测要求的不断增加和提高，这些传统的齿轮测量技术也在不断细化、丰富、更新、提高。

3)、齿轮整体误差测量技术

它所基于的齿轮整体误差理论，是由我国机床工具行业、尤其是成都工具研究所的科研技术人员共同努力创建和不断完善的一种新型齿轮测量理论。把齿轮作为一个用于实现传动功能的几何实体,或采用坐标式几何解析法对其单项几何精度进行测量,并按齿轮啮合传动顺序和位置,集成为一条“静态”齿轮整体误差曲线；或按单面啮合综合测量方式，使用特殊测量齿轮，采用滚动点扫描测量法对其进行测量，得到齿轮“运动”整体误差曲线。上述两种齿轮整体误差曲线，经过运算和数据处理，都可以得到齿轮综合运动偏差、各单项几何偏差、三维齿面形貌偏差，以及接触区状态，从而能更全面、准确的评定齿轮质量和齿轮加工工艺的分析和诊断。齿轮整体误差测量技术是对传统齿轮测量技术的继承和发展。尤其是采用单面啮合、滚动点扫描测量的齿轮整体误差测量技术更具有测量信息丰富、测量速度快、测量精度更接近使用状态的特点，特别适合批量产品齿轮精度的检测与质量的控制。在汽车齿轮要求100%全部检测的态势下，这种由我国首先开发出来的齿轮整体误差测量技术得到了重视和推广，其中，成都工具研究所开发的锥齿轮整体误差测量技术曾于90年代转让给德国KLINGELNBERG公司。德国FRENCO公司推向市场的齿轮单面啮合滚动点扫描测量仪器，采用了完全类同的技术。

当前齿轮制造业的一个发展趋势，是将齿轮测量技术和齿轮设计、加工制造进行集成，实现齿轮制造信息的融合及CAD/CAM/CAT的集成，从而构建一个先进的齿轮闭环制造系统(由于通常由数字化信息来实现，可称为数字化闭环制造系统)。美国GLEASON和德国KLINGELNBERG开发的锥齿轮闭环制造技术和系统是个典型实例。

此外，在仪器测量形态和检测系统方面，现代齿轮测量技术还有如下的进展。

4)、齿轮在机测量技术

该技术有了较快的发展，是一个重要发展趋势。直接将齿轮测量装置集成于齿轮加工机床，齿轮试切或加工后不用拆卸，立即在机床上进行在机测量，根据测量结果对机床(或滚轮)参数及时调整修正(主要针对磨齿)。这对于成形磨齿加工和大齿轮磨齿加工而言，在提高生产效率、降低成本方面，尤其具有重要意义。德国KAPP厂的数控磨齿机就是一个典型代表。CNC齿轮加工机床的迅速发展，为推动齿轮在机测量技术的应用和发展提供了可靠的工作平台。

由于对大批量生产的汽车轿车齿轮质量要求的提高，齿轮在线测量分选技术的应用已是必不可少。上海汽车齿轮厂首次从美国ITW公司引进了该项技术和相应仪器装备，取得了预期效果，据称还将陆续购进该类检测仪器。

5)、齿轮激光测量技术

通常是指在齿轮的几何尺寸和形状位置精度的测量中，采用了激光技术，包括采用激光测长系统(如采用双频激光干涉仪作为齿轮测量仪器的长度基准或传感器)、激光测量头系统(如采用非接触点反射式激光测量头作为齿轮误差的检测传感器)、以及激光全息式齿轮测量系统(如采用激光全息技术对齿轮的齿面几何形状误差进行测量的系统)等。由于激光是长度溯源基准，不少高精度齿轮计量系统或齿轮测量基准仪器，采用激光测量系统作为其长度坐标测量系统。美国FELLOWS厂70年代开发的MICROLOG60就是一个实例。加拿大温莎精密测量仪器厂在80年代初生产的齿轮测量仪器就采用了非接触点反射式激光测量头，可用于测量塑料制成的软齿面齿轮。齿轮激光测量技术在日本倍受重视，并逐步完善成为产品推向市场。日本AMTEC公司的G3齿轮测量系统，采用的是CONO激光测量头，齿轮回转，测头位置相应变化，测出齿轮的截面形状。大阪精机开发的激光齿轮测量仪，采用激光全息技术，用光干涉法对被测齿轮的全齿面形状进行精度测量。