一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置及其调整方法与流程

本发明属于精密齿轮测试技术领域，涉及一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置及其调整方法。

背景技术：

齿轮的齿距偏差包括单个齿距偏差f_pt，齿轮累积偏差f_pk和齿距累积总偏差F_p，其中单个齿距偏差f_pt和齿距累积总偏差F_p是齿轮国际标准ISO 1328-1:2013和齿轮国家GB/T 10095.1-2008中的默认检查项目，也是我国标准齿轮鉴定规程JJG 1008-2006中对齿轮精度等级划分的五个参考依据之二。齿距偏差对传动齿轮振动和噪声的影响已到微米量级，其数值已达到齿轮国家标准和齿轮国际标准中的最高等级。要实现如此高精度齿轮齿距偏差的测量，必须具有高分度精度的齿轮专用测试设备和高精度的齿距测量方法。目前，用于高精度齿轮齿距偏差测量的基准分度系统主要有电子分度系统和机械式端齿分度系统两大类。其中，端齿分度系统的分度精度最稳定，分度精度也最高，一般可达到0.5″，最高可达到0.1″，满足齿轮国家标准和齿轮国际标准中的最高等级齿轮齿距偏差的测量要求。另外，端齿分度盘的系统误差还可以过全组合测量方法进行精确标定，并补偿到测试程序中，进一步提高齿轮齿距偏差的测量精度。提高齿距偏差测量装置的分度基准精度可显著提高齿轮齿距的测量精度，然而测头装置的结构及数据采集方法对测量结果的影响也不容忽视。

根据齿轮国家标准GB/T 10095.1-2008的定义，齿轮齿距偏差测量位置位于齿轮的分度圆上，测量方向为分度圆的切线方向。根据此规定，传统的齿距偏差测量方法大都采用测杆轴线通过齿轮回转中心的一维旁向测头或三维测头，间歇进入齿面测量位置进行齿轮齿距偏差的测量。该方法由于测头运动方向与测点齿廓的切线方向有一个α角(α为齿轮分度圆压力角)，因此测头运动方向上的定位误差对测量结果会产生较大的影响。由于测头在压缩空气、电磁力或弹簧力的驱动下间歇进入齿面测点位置时会产生一定的冲击力，冲击力的不稳定性使得测头的重复定位精度难以保证。以测量分度圆压力角α＝20°的标准齿轮为例，测头定位误差Δ的34.2％(sin 20°)将直接加到齿距偏差测量结果中，引起测量误差。另外一维旁向测头采用单簧片结构，示值误差具有一定的非线性，致使杠杆式旁向测头的测量精度没有轴向测头的高。可见，目前齿距测量装置中测头的结构及测量方法仍有一定的提升空间。

技术实现要素：

为了减小现有技术中测头的定位精度对测量结果的影响，进一步提高齿轮的齿距测量精度到微米甚至亚微米量级，本发明提供了一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置及其调整方法。发明了一种利用无回程误差的交叉簧片铰链杠杆补偿测量方向的角度误差的测头装置，使传递给微位移传感器的微位移量恰好等于齿轮的齿距累积偏差；发明了一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置的调整方法，通过升降平台和测量平台的调整，使测点位置调整到齿轮中截面的分度圆上，且测量方向与齿廓的切线方向相同；在该方位下测量，测头的定位误差对齿距偏差测量结果的影响为高阶无穷小，因此该装置及其测量方法可实现高精度齿距偏差的测量。

本发明的技术方案为：

一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置，主要包括交叉簧片铰链杠杆、升降平台、测量平台、驱动电机、测量驱动凸轮、凸轮挡板；其中，交叉簧片铰链杠杆包括簧片固定块、簧片、测头、测头杠杆架、微位移传感器；

其中一个簧片中间开设方孔，方孔的宽度大于另一簧片的宽度，另一簧片穿过方孔，两个簧片成90°交叉，确保两簧片在工作过程中不发生干涉；两个簧片的有效宽度相等，确保两簧片微变形的线性精度；两簧片的固定端通过压板和螺钉固定于簧片固定块上，簧片固定块通过螺栓固定到测量平台上的动平台上；测量杠杆架是以两个簧片交叉中心点为支点的直角型杠杆，测量杠杆架包括两个杠杆臂，两个杠杆臂之间存在倒角，两个杠杆臂的靠近支点端分别与两个簧片的自由端通过螺钉连接；一个杠杆臂的自由端与测头连接，另一个杠杆臂的自由端与微位移传感器接触。

测量平台中的下平台固定在升降平台的上平台上，驱动电机固定于升降平台的上平台上。驱动电机带动测量驱动凸轮转动，测量驱动凸轮带动固定于测量平台动平台上的凸轮挡板，用于控制固定在在测量平台动平台上的测头的往复运动。

所述的两个杠杆臂的靠近支点端分别加工出一个插槽，能够将簧片的自由端插入，并通过螺钉连接。

所述的测量驱动凸轮为偏心轮，偏心轮的偏心量e按最大测量模数m和测头半径r_p设计，偏心量e的最大位移略大于m+r_p，以确保测头退出齿槽后不与旋转的齿轮发生干涉；

上述一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置的调整方法，包括如下步骤：

第一步，调整微位移传感器位置；根据被测齿轮分度圆上的压力角α，调整微位移传感器与测量杠杆架的接触点到簧片交叉中心点的距离l₂，使得l₁/l₂＝cosα；其中l₁为测点到簧片交叉中心点的距离；调整完毕后将传感器固定座固定于测量平台上的动平台上；

第二步，调整测点位置及驱动电机的安装位置；

1)首先根据被测齿轮分度圆的大小和压力角的大小，通过升降调整微分头将测点位置调整到被测齿轮齿宽的中截面上，拧紧升降平台锁紧螺钉；

2)其次调整被测齿轮与高精度分度台的转角位置，使微位移传感器的示值在0±10μm的量程内，通过锁紧螺母和十字垫圈将被测齿轮固定到高精度分度台上；

3)然后调整测点位置，通过调整测量微分头搜索到微位移传感器的最大示值后，将测点调整微分头锁死，此时测头与被测齿轮齿面的接触点即为测点位置；

4)最后调整电机的安装位置；当测头到达测点位置后，调整电机的安装位置使偏心轮的最小极径对准凸轮挡板，且与凸轮挡板刚好不接触，再将电机固定到升降平台的上平台上。

本发明的有益效果在于，测头的运动方向与被测齿轮分度圆处的齿廓相切，该方向上测头的示值误差与定位误差的比值为高阶无穷小，因此该方向上的定位误差对齿距偏差测量结果的影响可以忽略。虽然测头测量方向的定位误差对测量结果的影响较大，但该方向基本不受力，只要合理控制测量平台导轨的间隙，该方向上的定位误差可控制到0.1μm以下。为了补偿齿距偏差的测量方向与标准定义的方向相差α角的测量误差，本发明提供了一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置，其利用无回程误差的交叉簧片铰链杠杆补偿测量方向的角度误差，使传递给微位移传感器的微位移量恰好等于齿轮的齿距累积偏差。本发明结构简单，测量误差源较少，测量方向的角度误差可通过杠杆臂的长短进行完全补偿，具有测量灵敏度高及测量精度高的优点，可实现亚微米量级的齿距偏差的测量。

附图说明

图1齿距测量装置。

图2齿轮的安装定位。

图3测头装置。

图4交叉簧片铰链杠杆。

图5测量装置前视图。

1.平台；2.高精度分度台；3.被测齿轮；4.测量芯轴；5.锁紧螺母；6.十字垫圈7.密珠轴套；8.压板；9.位移传感器固定座；10.传感器锁紧螺钉；11.传感器位置调整螺钉；12.测量平台锁紧螺钉；13.升降平台；14.升降调整微分头；15.测点调整微分头；16.测量平台；17.升降平台锁紧螺钉；18.驱动电机；19.凸轮挡板；20.簧片固定块；21.簧片；22.测头；23.测头杠杆架；24.微位移传感器；25.凸轮

具体实施方式

为实现高精度齿轮齿距偏差的测量，首先要提高分度台的基准精度、齿轮的安装定位精度、采用误差补偿方法及改善测试环境的温湿度、振动、电磁干扰等，以提高装置的测量精度。采用高精度可调式测量芯轴4、密珠轴套7及全组合测量方法可进一步减小齿轮定位误差对齿距偏差测量结果的影响。选用高精度的端齿分度台2并通过全组合测量法分离出分度台的系统误差并补偿到测试程序中，可进一步提高齿轮齿距偏差测量的基准精度。

然后需要提高测头22的运动及定位精度、微位移传感器24的测量精度。本发明主要提供了一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置，包括交叉簧片铰链杠杆、升降平台13、测量平台16、驱动电机18、测量驱动凸轮24、凸轮挡板25；其中，交叉簧片铰链杠杆包括簧片固定块20、簧片21、压板、测头22、测头杠杆架23、微位移传感器24及连接螺钉等。

簧片21选用材料为65Mn，厚度为0.09mm的弹簧钢片，有效长度约为40mm，可获得较合适的测量力与灵敏度。交叉簧片铰链杠杆中的一个簧片中间开设方孔，方孔的宽度大于另一簧片的宽度，另一簧片穿过方孔，两个簧片成90°交叉，确保两簧片在工作过程中不发生干涉；两个簧片的有效宽度相等，确保两簧片微变形的线性精度；两个簧片21的固定端通过压板和螺钉固定于簧片固定块上，簧片固定块20通过螺栓固定到测量平台16中的动平台上。测量杠杆架23是以两个簧片交叉中心点为支点的直角型杠杆，两个杠杆臂的靠近支点端通过线切割加工出间隙约为0.2mm、方向垂直的两个槽，将交叉簧片21分别插入该槽中，通过螺钉将簧片压紧；也可以通过另外的压板8将簧片21固定到测量杠杆架23上。测量杠杆架23的另一端成倒锥形，可减少测量杠杆架23的重量。测量杠杆架23与微位移传感器24的读数方向垂直，接触位置粗糙度要求小于Ra0.2，以提高杠杆的传递精度与灵敏度。

测头22测球中点到簧片21交点的距离l₁不宜过大，可选择50～60mm。微位移传感器24与测量杠杆架23的接触点到两簧片21交点的距离为l₂，使得l₁/l₂＝cosα，其中l₁为测点到簧片交叉中心点的距离，通过两个传感器位置调整螺钉10进行调整，调整完毕后将传感器固定座固定于测量平台16上的动平台上。由于本发明中测头22的测量方向与齿轮国家标准定义的齿距偏差测量方向相差α角，所以测头的实际采集值F_p0是齿轮齿距累积偏差F_p的一个分量，即F_p0＝F_p×cosα。根据杠杆原理，测头的实际采集值F_p0与微位移传感器的示值F_p1之间的关系为：F_p0/l₁＝F_p1/l₂。因此，只要保证l₁/l₂＝cosα，则微位移传感器的示值F_p1就等于齿轮齿距累积偏差F_p。

测量平台16中的下平台固定在升降平台13的上平台上，驱动电机18固定于升降平台13的上平台上。驱动电机18带动测量驱动凸轮25转动，测量驱动凸轮25带动固定于测量平台16动平台上的凸轮挡板19，用于控制测量平台16中动平台上的测头22的往复运动。

测量驱动凸轮25为偏心轮，偏心轮的偏心量e按最大测量模数m和测头半径r_p设计，偏心量e的最大位移略大于m+r_p1mm左右，以确保测头退出齿槽后不与旋转的齿轮发生干涉；当测头22到达测点位置时，测量驱动凸轮25与凸轮挡板19脱离，测量平台16的动平台在测点调整微分头15的止动下保持静止，稳定2s后采集齿轮齿距偏差的测量数据。

发明了一种提高齿轮齿距测量精度的测头装置的调整方法，通过调整，使测点位置调整到齿轮中截面的分度圆上；测量方向与齿廓的切线方向一致。在该方位下测量，测头的定位误差对齿距偏差测量结果的影响为高阶无穷小，因此该方向上的定位误差对齿距偏差测量结果的影响可以忽略。调整方法包括如下步骤：

第一步，调整微位移传感器24与测量杠杆架23接触点的位置；

根据被测齿轮分度圆上的压力角α，调整微位移传感器24与测量杠杆架23的接触点到簧片21交叉中心点的距离l₂，使得l₁/l₂＝cosα；其中l₁为测点到簧片21交叉中心点的距离；调整完毕后将传感器固定座10固定于测量平台16上的动平台上。

第二步，调整测点位置；

1)首先根据被测齿轮分度圆的大小和压力角的大小，通过升降调整微分头17将测点位置调整到被测齿轮3齿宽的中截面上，拧紧升降平台的锁紧螺钉17；

2)其次调整被测齿轮3与高精度分度台2的转角位置，使微位移传感器24的示值在0±10μm的量程内，通过十字垫片6和锁紧螺母5将被测齿轮固定到精密分度台2上；

3)然后调整测点位置，通过调整测量微分头15搜索到微位移传感器24的最大值后，将测点调整微分头锁死，此时测头与被测齿轮齿面的接触点即为测点位置；

4)最后调整驱动电机18的安装位置；当测头21到达测点位置后，调整驱动电机18的安装位置使偏心轮的最小极径对准凸轮挡板19，且与凸轮挡板19刚好不接触，再将驱动电机19固定到升降平台13的上平台上。

调整完毕后便可以对齿轮的齿距偏差进行测量，测试环境温度要求在20±1℃的室温下进行。微位移传感器24采集的初始值作为F_p(1)，并通过电感测微仪电箱或测量程序将其归零，然后驱动电机18启动，带动固定在测量平台动平台上测头22退出齿槽；接着驱动电机停转，高精度分度台启动，转过一齿的角度后定位，驱动电机再次启动，测头22在测量动平台16中弹簧的作用下缓慢进入下一齿面的测点位置，通过控制驱动电机的转速，控制测头进入测点位置的速度，避免测头系统产生冲击，影响测量示值的稳定性。测头到达测点位置后，稳定2s再采集该齿面的齿距累积偏差值F_p(2)。以此类推，直至采集完所有的齿距偏差测量值F_p(i)，其中i为小于等于齿轮齿数的整数。如果已经通过全组合测量方法分离出高精度分度台的系统误差F_p⁰(i)，其中包括可调芯轴的残余偏心误差，则被测齿轮的齿距累积总偏差可表示为F_p＝max[F_p(i)-F_p⁰(i)]-min[F_p(i)-F_p⁰(i)]；齿轮的单个齿距偏差f_pt为F_p(i)-F_p⁰(i)-F_p(i-1)+F_p⁰(i-1)中绝对值的最大值，并保留原符号。