专利名称：非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明与非圆齿轮误差测量技术和装置有关，属于精密测试技术及仪器、机械 传动技术领域。
背景技术：
非圆齿轮可以认为是圆柱齿轮的一种变型，它的滚动节圆为非圆形，称之为节 曲线。中心距保持不变的一对非圆齿轮啮合时，其传动比是变化的。因此非圆齿轮 可用于实现变速比传动。与圆柱齿轮相似，非圆齿轮误差可分为两大类即单项几 何误差和综合传动误差。非圆齿轮的单项几何误差包括非圆齿轮的齿廓偏差、齿向 (螺旋线)偏差和齿距偏差；非圆齿轮的综合传动误差包括非圆齿轮的切向综合偏 差和非圆齿轮的径向综合偏差。
现己开发的非圆齿轮误差测量原理和装置分为二大类按照非圆齿轮几何参数 进行测量的单项几何误差测量原理和方法，其中包括采用坐标测量机(如齿轮测 量中心)、按照每个轮齿的理论几何形状对非圆齿轮逐齿/或择齿进行轮廓测量的极 坐标测量法，采用齿厚千分尺的跨齿测量法和量柱测量距测量法；采用标准圆柱齿 轮与非圆齿轮啮合转动进行非圆齿轮的综合精度测量，包括采用机械量表指示的 机械式双面啮合测量仪，机电式的双面啮合测量仪，光学式非圆齿轮副转角误差测 量法，以及国内近年提出的计算机数字控制单面啮合测量方案等。
日本也曾发表文章介绍采用光电传感器的非圆齿轮副单面啮合检査装置，以及 采用磁性传动的周节曲线盘和标准齿轮节圆盘的非圆齿轮测量装置，用来测量非圆 齿轮的周节曲线误差以及切向综合误差等；并釆用齿条形测头实现了对非圆齿轮齿 形误差的测量。
综合现有的非圆齿轮单面啮合测量仪，其测量原理如图l所示。图中l为圆光 栅，2为长光栅，3为长光栅，4为滑块，5为立柱，6为底座，7为标准元件，8为被测齿轮，9为蜗轮，IO为蜗杆，ll为伺服电机，12为圆光栅。
图中被测齿轮8与标准测量元件7的中心距由伺服电机驱动立柱5在底座6上运 动来实现，利用光栅2可准确地测量出当前中心距A值，被测齿轮8的转角A也同样 由伺服电机控制,并由光栅12可测得准确值，标准元件7为一被动运动件，其转角可 由光栅1测得。当给定被测齿轮转角^值及此时中心距A值为理论计算值时，可以 测得标准元件7的转角的实际值0>2 '，将该值与此条件下标准元件的理论转角0)2进行 比乾就可得到误差值厶0 = 02-02'。
由于非圆齿轮的节曲线为非圆形，非圆齿轮上各个齿的理论轮廓形状(包括齿 廓、齿向和齿距)，相对于节曲线位置的不同而会有所不同，因此，对于非圆齿轮 每个轮齿的轮廓形状进行逐齿测量、来获取非圆齿轮的各个单项几何精度是非常困 难、非常费事的；而非圆齿轮综合传动误差的测量，只能获得非圆齿轮或非圆齿轮 副的综合误差，而不能获得非圆齿轮的单项几何误差，从而难以对单个非圆齿轮的 质量进行正确的评定和误差分析，也难以对非圆齿轮的加工工艺系统进行诊断。因 此有必要开发一种新型非圆齿轮测量技术和装置，它能够在非圆齿轮工件的一次装 夹过程中，快速准确的测量出非圆齿轮的单项几何误差和综合传动误差。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法 和装置，以达到基于非圆齿轮和圆柱齿轮/圆柱蜗杆/齿条的变中心距、变传动比单 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，对非圆齿轮的 单项几何误差和综合传动误差实施测量。
就测量装置的结构和测量的原理而言，它是在计算机数字控制非圆齿轮单面啮 合测量仪器/装置上，采用带有特定测量棱线的测量元件与被测非圆齿轮啮合，进行 "间齿"式滚动点扫描测量来实现的。所述的"间齿"，指的是在啮合滚动测量期 间的任意一个瞬间，测量元件上只有一个齿面上的一条测量棱线上的某个点和被测 非圆齿轮的一个齿面上相应一个点接触，实现了点啮合传动，而被测齿面其他部分 以及相邻齿面均不同时参于接触和啮合传动，即正常测量传动时的重叠系数不大于1，以实现非圆齿轮的单项几何误差和综合误差的测量。这一测量技术是传统圆柱 齿轮整体误差测量技术的补充和扩展。
在被测非圆齿轮和特殊结构测量元件(测量圆柱齿轮、测量圆柱蜗杆或测量齿 条)单面啮合传动(例如测量元件主动回转，被测非圆齿轮被动回转)的情况下， 装置上与被测非圆齿轮同轴安装的工件圆光栅传感器和与测量元件同轴安装的测 量圆光栅传感器，按照非圆齿轮和测量元件间的理论传动比关系(变传动比函数)， 实现测量元件对被测非圆齿轮齿面轮廓的滚动点扫描测量(一般情况下，测量元件 作主动匀速回转或直线匀速运动，被测非圆齿轮按其节曲线函数作相应的被动非匀 速回转运动)；同时采用计算机数字控制高精度驱动系统，按照非圆齿轮理论节曲 线的函数关系，使非圆齿轮(或测量元件)的回转中心在它们之间的中心连线上产 生相应的直线运动(使非圆齿轮和测量元件的中心距对应于非圆齿轮的理论节曲线 函数而相应变化一一变中心距)，以使被测非圆齿轮和测量元件间按照理论的变传 动比、变中心距进行单面啮合传动。
本发明是采用以下技术手段实现的
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法，其特征在于 被测非圆齿轮2精确同轴安装在被测齿轮轴系4上，该轴上同轴安装有精密的 角编码器3;测量元件10精确安装在测量元件回转主轴12上，该轴上也同轴安装 有精密的角编码器11;测量元件轴部件12安装在固定床身基础上，由主轴电机14 驱动回转，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮2转动；被测非圆齿轮主轴部件5安 装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6的数控驱动的径向测量滑板5上，该径 向测量滑板5按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径、由径向测量滑板伺服电机7驱 动，实现精确的节曲线径向运动；伺服电机14和伺服电机7转动之间保持有严格 的传动函数关系；径向测量滑板5的径向位移按照被测非圆齿轮理论节曲线函数的 变化矢径值精确运动，实现被测非圆齿轮2和测量元件10之间正确的非圆齿轮单 面啮合传动；伺服电机14和伺服电机7之间通过计算机控制二轴联动实现传动函 数关系。
6一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，被测齿轮轴系5上同轴安装 有精密的角编码器3;测量元件10安装在测量元件回转主轴12上，该轴上同轴安 装有精密的角编码器ll;测量元件轴系部件12安装在固定床身上，并通过传动机 构13与主轴电机14相连，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮2转动；而被测非圆 齿轮主轴部件1安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6的数控驱动的径向测 量滑板5上，该径向测量滑板5与伺服电机7相连；伺服电机7和伺服电机14与 计算机相连，角编码器3和角编码器11以及长光栅6与前置数据处理装置相连，前 置数据处理装置与计算机相连。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用 于非圆齿轮测量的具有多条规律分布的齿形或/和齿向测量棱线的圆柱测量齿轮，对 所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量测量。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用 于非圆齿轮测量的具有一条测量螺旋面的多头测量圆柱蜗杆，对所测量的非圆齿轮 进行间齿滚动点扫描测量。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用 于非圆齿轮测量的具有多条规律分布的齿形或/和齿向测量棱线的单齿或多齿测量 齿条，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，用途在于专门设计加工、用 于非圆齿轮测量的薄型间齿(或间多齿)圆柱齿轮，对所测量的非圆齿轮进行间齿 滚动点扫描测量。
本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置，与现有技术相比，
具有以下明显的优势和有益效果
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 中一个是主动匀速回转(或直线)运动，另一个是按照被测非圆齿轮的理论设计传
动关系作被动非匀速回转(或直线)运动；
2，被测元件是非圆齿轮工件，测量元件是具有高精度测量棱线的特殊测量齿 轮(或测量蜗杆及测量齿条)，在该测量元件和非圆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非圆齿轮齿廓相啮合接 触，实现点扫描测量；
3，非圆齿轮与测量元件间的中心距按照非圆齿轮理论节曲线进行相应变化， 变化中心距的直线运动(R轴)和非圆齿轮的回转运动(e轴)二者之间的联动关 系，由计算机数字控制伺服驱动系统按照非圆齿轮的理论节曲线R (《)=F (《-A ) 进行控制；
4， 二个轴系圆光栅和一个中心距长光栅的测量信号传至计算机，经相应测量 软件的数据处理后，可以在一次安装测量过程中，测量出被测非圆齿轮的单项几何 误差和综合传动误差。
从而在一次安装的情况下，完成对非圆齿轮的单项几何偏差、切向综合偏差以 及整体误差的测量，实现对非圆齿轮的、至今最为完整全面的精度测量和评定。
图l为现有的非圆齿轮单面啮合测量原理装置示意图2为本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置示意图3为本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置俯视示意图4为本发明非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量原理图5为圆柱齿轮测量元件；
图6为多头蜗杆测量元件；
图7为齿条形测量元件；
图8为薄型间齿圆柱齿轮测量元件。
具体实施方法
下面结合附图2、 3、 4对本发明作进一步说明
图2、图3和图4中1为被测非圆齿轮主轴部件，2为被测非圆齿轮，3为角 编码器，4为被测齿轮轴系，5为径向测量滑板，6为长光栅，7为伺服电机，8为
8工作基座，9为测量元件轴系部件，IO为测量元件，11为角编码器，12为回转主轴， 13为传动机构，14为伺服电机，20为仪器基座； 图5中，200为齿向棱线，201为齿廓棱线；
图6中，60多头蜗杆测量元件，61为第二角编码器，62为第二被测非圆齿轮， 63为第二角编码器；
图7中，71为长光栅，72为第三角编码器，200为齿向棱线，201为齿廓棱线; 图8中，80为修形齿，81为标准渐开线轮齿；
仪器结构说明被测齿轮轴系5上同轴安装有精密的角编码器3 (例如高精度 圆光栅)；测量元件IO (例如具有齿形及/或齿向测量棱线的圆柱测量齿轮)精确安 装在测量元件回转主轴12上，该轴上也同轴安装有精密的角编码器11 (例如高精 度圆光栅)。测量元件轴系部件12 (或被测非圆齿轮轴系部件5)安装在固定床身 基础上，并通过传动机构13与主轴电机14相连，并带动与之相啮合的被测非圆齿 轮2 (或测量元件IO)转动；而被测非圆齿轮主轴部件l (或测量元件轴系部件9) 安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6 (例如高精度长光栅)的、数控驱动 的径向测量滑板5上，该径向测量滑板5与伺服电机7相连；伺服电机7和伺服电 机14与计算机相连，角编码器3和角编码器11以及长光栅6与前置数据处理装置 相连，前置数据处理装置与计算机相连。
仪器工作原理
被测非圆齿轮2精确同轴安装在被测齿轮轴系4上，该轴上同轴安装有精密的 角编码器3 (例如高精度圆光栅)；测量元件IO (例如具有齿形及/或齿向测量棱线 的圆柱测量齿轮)精确安装在测量元件回转主轴12上，该轴上也同轴安装有精密 的角编码器ll (例如高精度圆光栅)。测量元件轴是部件12 (或被测非圆齿轮轴系 部件5)安装在固定床身基础上，由主轴电机14驱动回转，并带动与之相啮合的被 测非圆齿轮2 (或测量元件IO)转动；而被测非圆齿轮主轴部件5 (或测量元件轴 系部件11)安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅6 (例如高精度长光栅)的、 数控驱动的径向测量滑板5上，该径向测量滑板5按照非圆齿轮理论节曲线的变化 矢径、由径向测量滑板伺服电机7驱动，实现精确的节曲线径向运动。伺服电机14和伺服电机7转动之间保持有严格的传动函数关系，它使径向测量滑板5的径向位
移既能按照被测非圆齿轮理论节曲线函数的变化矢径值精确运动，又能准确符合被
测非圆齿轮的角相位关系，换言之，实现被测非圆齿轮2和测量元件10 (如圆柱齿 轮)之间正确的非圆齿轮单面啮合传动。伺服电机14和伺服电机7之间通过计算 机控制(计算机数字控制二轴联动)来实现上述严格的传动函数关系。
在仪器实施测量过程中，与被测非圆齿轮同轴安装的精密角编码器3、与测量 元件同轴安装的精密角编码器11、以及径向测量滑板上5安装的精密线位移编码器 6等三个编码器的位移测量传感信号，经过放大、整形、细分等信号处理以及接口 电路，分别传送至计算机进行相应数据处理。按照基于被测非圆齿轮的理论模型所 建立的非圆齿轮误差测量模型进行数学运算，得到被测非圆齿轮的齿形、齿向以及 齿距偏差等非圆齿轮的单项几何偏差，同时得到被测非圆齿轮的切向综合偏差，并 得到被测非圆齿轮的整体误差曲线。从而在一次安装的情况下，完成对非圆齿轮的 单项几何偏差、切向综合偏差以及整体误差的测量，实现对非圆齿轮的、完整全面 的精度测量和评定。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技 术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明， 但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换； 而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利 要求范围当中。
权利要求
1、一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法，其特征在于将被测非圆齿轮(2)同轴安装在被测齿轮轴系(4)上，该轴上同轴安装有角编码器(3)；将测量元件(10)安装在测量元件回转主轴(12)上，该轴上同轴安装有角编码器(11)；测量元件轴部件(12)安装在固定床身基础上，由主轴电机(14)驱动回转，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮(2)转动；将被测非圆齿轮主轴部件(5)安装在带有精密线位移编码器-中心距长光栅(6)的数控驱动的径向测量滑板(5)上，该径向测量滑板(5)按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径、由径向测量滑板(5)伺服电机(7)驱动，实现节曲线径向运动；使伺服电机(14)和伺服电机(7)转动之间保持有理论设计的传动关系；所述的径向测量滑板(5)的径向位移按照被测非圆齿轮理论节曲线函数的变化矢径值运动，实现被测非圆齿轮(2)和测量元件(10)之间的非圆齿轮单面啮合传动；所述的伺服电机(14)和伺服电机(7)之间通过计算机控制二轴联动实现传动函数关系。
2、 一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于被测齿轮轴 系(4)上同轴安装有角编码器(3);测量元件(10)安装在测量元件回转主轴(12) 上，该轴上同轴安装有角编码器(ll);测量元件轴系部件(12)安装在固定床身上， 并通过传动机构(13)与主轴电机(14)相连，并带动与之相啮合的被测非圆齿轮(2)转动；而被测非圆齿轮主轴部件(1)安装在带有线位移编码器-中心距长光栅 (6)的数控驱动的径向测量滑板(5)上，该径向测量滑板(5)与伺服电机(7) 相连；伺服电机(7)和伺服电机(14)与计算机相连，角编码器(3)和角编码器 (11)以及长光栅(6)与前置数据处理装置相连，前置数据处理装置与计算机相连。
3、 一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于用途在于专 门设计加工、用于非圆齿轮测量的具有多条规律分布的齿形或/和齿向测量棱线的圆 柱测量齿轮，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
4、 一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于用途在于专 门设计加工、用于非圆齿轮测量的具有一条测量螺旋面的多头测量圆柱蜗杆，对所 测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
5、 一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于用途在于专 门设计加工、用于非圆齿轮测量的具有多条规律分布的齿形或/和齿向测量棱线的单 齿或多齿测量齿条，对所测量的非圆齿轮进行间齿滚动点扫描测量。
6、 一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量装置，其特征在于用途在于专 门设计加工、用于非圆齿轮测量的薄型间齿或间多齿圆柱齿轮，对所测量的非圆齿 轮进行间齿滚动点扫描测量。
全文摘要
一种非圆齿轮误差单面啮合滚动点扫描测量方法和装置，被测非圆齿轮安装在被测齿轮轴系上，该轴上同轴安装角编码器；测量元件安装在回转主轴上，该轴上也同轴安装有角编码器；回转主轴安装在固定床身上，由主轴伺服电机驱动；被测非圆齿轮主轴部件安装在径向测量滑板上，该径向测量滑板按照非圆齿轮理论节曲线的变化矢径，由径向测量滑板伺服电机驱动，实现精确的节曲线径向运动；主轴伺服电机和径向测量滑板伺服电机转动之间保持有严格的设计传动关系；实现被测非圆齿轮和测量元件之间的单面啮合传动。在一次安装的情况下，完成对非圆齿轮的单项几何偏差、切向综合偏差以及整体误差的测量。
文档编号G01M13/02GK101476980SQ20091007700
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者斌 张, 石照耀, 谢华锟 申请人:北京工业大学