一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置及装调方法与流程

本发明属于机械设计与制造领域,涉及一种弧齿锥齿轮接触特性测试装置，并涉及一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置及装调方法。

背景技术：

弧齿锥齿轮具有承载能力大、传动平稳、噪声小、结构紧凑等特点，在现代机械制造业中占有十分重要的地位，广泛应用于航空、船舶、车辆、工程机械、机床等领域当中。弧齿锥齿轮的制造精度、质量直接影响机械产品的效率、噪声、运动精度和寿命，因此弧齿锥齿轮一直受到国内外有关专家学者的广泛关注和研究，成为齿轮生产中的关键技术难点。工程实际中，轮齿啮合接触区是衡量弧齿锥齿轮传动质量的综合指标，如果在装配过程中发生接触区大小、形状和位置的偏差，将使载荷集中在轮齿的齿顶或齿根处，也可能集中在大端或小端，具体形式包括小端接触、大端接触、交叉接触、低位接触、高位接触、跛足接触、过宽接触、过窄接触、齿高方向桥式接触、过长接触、过短接触、纵向桥式接触、内对角接触、外对角接触等，这些都会引起局部应力的集中，造成齿轮早期磨损或断齿。且弧齿锥齿轮部件装配精度及质量受到齿轮及壳体变形、轴承偏磨、轴承间隙、零件制造误差等多种因素的影响，这些因素除齿面几何形貌误差外，均是通过影响两齿轮轴线的空间相对位置(包括大、小轮轴线错位量j和h，轴线空间分离量v和轴线交角变化量σ)，产生齿轮空间位姿误差，进而影响装配质量；而齿面几何形貌误差则是在一定程度上直接影响了齿面接触轨迹和接触区域的面积、位置。因此，同时考虑弧齿锥齿轮轴线错位量及几何形貌误差的装配质量分析及保障问题，是弧齿锥齿轮传动领域的瓶颈问题，制约着弧齿锥齿轮部件的发展。目前，我国弧齿锥齿轮领域的研究大多集中于轮齿接触分析机理研究方面，如低载或重载条件下，以及考虑加工误差的齿面接触特性分析等，而国外学者已经在齿面宏微观几何形貌对接触特性的影响方面取得了不少成果，因此在弧齿锥齿轮性能分析层面，我国与欧美国家存在着较大差距。国内学者针对考虑齿面几何形貌的弧齿锥齿轮装配质量保障方面的研究较少。

从工程层面来讲，弧齿锥齿轮装配过程中除了保证啮合接触区满足要求外，还应保证齿侧间隙的大小满足公差要求，以实现贮存润滑油，补偿制造和装配误差，补偿工作时热变形和弹性变形的功能。装配过程直接控制的量仅为两齿轮的轴向位置，通过调整垫片厚度来实现。由于存在影响装配质量的多种误差因素，实际装配中标定安装距不能满足接触区域和侧隙的要求，且由于各项误差之间存在耦合效应，弧齿锥齿轮装配时往往需要反复调试与试装，即通过“盲调”的方法，来获得满足要求的装配质量。这种方式不仅耗时费力，且重复性较差，不能形成统一的装调工艺规范，从而导致产品装配性能一致性差。从理论层面来讲，以往在弧齿锥齿轮装配质量的研究上，大多从几何层面出发，关注传动链上确定性误差源对于齿轮位姿的影响，缺乏综合考虑齿面几何形貌及位姿误差的装配精度分析，没有从机理层面揭示误差因素耦合作用下的装配精度形成机制，分析结果与工程实际表象差距较大，导致不能“精准施策”地进行定量保障。

目前国内关于这方面的技术与文献大多从定性的角度出发指导弧齿锥齿轮装配调整，没有成熟或者现成方法可用于弧齿锥齿轮调整量计算。为此提出一种适合于弧齿锥齿轮的优化装调方法，从而解决弧齿锥齿轮仅依靠经验定性“盲调”所导致的装配效率低下、装配精度一致性差的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置及装调方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置，包括锥齿轮传动组件、三自由度ccd摄像机系统、光学垂直度测试系统和检测定位装置；锥齿轮传动组件包括用于安装被测锥齿轮组的主动轴和被动轴，主动轴和被动轴垂直设置；

主动轴和被动轴均通过圆锥滚子轴承支撑固定在支撑座上，圆锥滚子轴承两端设有端盖，端盖与圆锥滚子轴承之间设有调整垫片；

支撑座上开设有通孔，并且在通孔内安装有激光位移传感器；

光学垂直度测试系统包括设置于锥齿轮传动组件一侧的自准直仪，自准直仪的测量方向与被动轴轴向方向垂直；

三自由度ccd摄像机系统设置于锥齿轮传动组件一侧，三自由度ccd摄像机系统包括三自由移动机械臂以及安装于三自由移动机械臂上的ccd摄像机；

主动轴的一侧和被动轴的一侧分别设有一个检测定位装置，检测定位装置包括导轨组件和执行组件，其中导轨组件包括导轨基座和导轨，导轨基座固定安装在装置基座上，导轨固定在导轨基座上，导轨上设有位移传感器和伺服电机驱动滑台，伺服电机驱动滑台能够在导轨上滑动；执行组件包括固定于伺服电机驱动滑台上端的执行组件基座，执行组件基座上固定有支撑杆，支撑杆的端部设有检测触头；检测触头的定位接触面与主动轴或被动轴轴线方向垂直，检测触头上安装有接触觉传感器。

进一步的，被测主动轮和被动轮分别通过平键固定安装在主动轴和被动轴上。

进一步的，三自由移动机械臂通过ccd摄像机系统支撑基座固定于装置基座上。

进一步的，支撑杆为电动可调节长度支撑杆。

进一步的，导轨与导轨基座通过螺栓连接，导轨基座上设置螺纹孔，导轨上设置沉头螺纹通孔，通过螺栓将导轨固定在导轨基座上。

一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置的弧齿锥齿轮装调方法，包括以下步骤：

步骤1)、将待安装锥齿轮组安装调试，利用弧齿锥齿轮装调装置获取样本数据，即测量装调后的轴线错位量、几何形貌误差以及接触印痕评价参数；

轴线错位量包括主动轴的轴向错位量j、被动轴的轴向错位量h、轴线空间错位量v和轴交角错位量σ；

几何形貌误差包括齿形误差δff、齿厚偏差δes、齿距偏差δfpt；

接触印痕评价参数包括印痕面积s、印痕位置(xc,yc)、印痕齿宽方向长度b″、印痕齿高方向宽度h″和齿侧间隙大小jt；

即d＝{(δs,ms)|δs∈r⁷,ms∈r⁶,s＝1,2,……,nd}(1)

其中δ＝[j,h,v,σ,δff,δes,δfpt]为输入向量，即影响装配精度的误差源向量，m＝[s,xc,yc,b″,h″,jt]为输出向量，即评价表征装配精度的参数向量；

步骤2)、将样本数据进行归一化处理，转化到[-1,1]内；

步骤3)、采用支持向量机非线性回归模型，对样本数据进行回归，获得6个归一化回归模型；

回归精度ε取0.001，核函数选用多项式核函数

k(δi,δj)＝(<δi,δj>+1)²(2)

其中<δi,δj>为向量δi,δj的点积

对模型进行反归一化处理，得到输入量与输出量之间的关系模型

mi(δ)＝δaiδ^t+biδ^t+cii＝1,2,3,4,5,6(3)

其中m1＝s,m2＝xc,m3＝yc,m4＝b″,m5＝h″,m6＝jt；

δ＝[j,h,v,σ,δff,δes,δfpt]为输入向量，即影响装配精度的误差源向量；

δ^t为输入向量δ的转置；

ai为支持向量机非线性回归模型的第i个装配精度参数系数矩阵；

bi为支持向量机非线性回归模型的第i个装配精度参数系数向量；

ci为支持向量机非线性回归模型的第i个装配精度参数常系数；由此建立了多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系；

步骤4)、利用多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系，建立弧齿锥齿轮装调多目标优化模型，设计变量为两个弧齿锥齿轮沿轴线方向的错位量；约束条件为多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系，利用优化求解算法进行求解，进一步利用装配尺寸链计算得到装配中的调整垫片厚度值。

进一步的，利用激光位移传感器检测主动轴3和被动轴4空间错位量大小v；

由ccd摄像机系统拍摄齿面印痕，经过灰度图转换、二值化处理，将齿面印痕数字化，利用相关算法得到齿面接触印痕的印痕面积s、印痕位置(xc,yc)、印痕齿宽方向长度b″，印痕齿高方向宽度h″；

检测定位装置定位并记录此时的垫片外侧端面位置，计算得到被动轮的轴向错位量j和小轮的轴向错位量h；

利用光学垂直度测试系统根据平面镜翻转法测量两轴线的垂直度误差即轴交角错位量σ。

进一步的，步骤4)中，约束条件满足印痕面积、印痕齿宽方向长度、印痕齿高方向宽度在装配技术要求允许的范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置，通过设置锥齿轮传动组件、三自由度ccd摄像机系统、光学垂直度测试系统和检测定位装置，利用锥齿轮传动组件实现待测弧齿锥齿轮的安装，然后利用安装于锥齿轮传动组件的三自由度ccd摄像机系统、光学垂直度测试系统和检测定位装置分别检测锥齿轮传动组件安装后的轴线错位量、几何形貌误差以及接触印痕评价参数，本装置结构简单，测量方便，而且采用开放式弧齿锥齿轮安装结构，利用三自由度ccd摄像机系统、光学垂直度测试系统和检测定位装置实现轴线错位量、几何形貌误差以及接触印痕评价参数的获取，从而完成对弧齿锥齿轮的状态参数测量，为保障装配精度，实现弧齿锥齿轮精准定量调整提供了理论和技术支撑。同时，本发明中的装配调整优化模型不仅只适用于弧齿锥齿轮传动部件，对于其他重载齿轮装配调整工艺参数优化设计同样适用。

本发明一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置的弧齿锥齿轮装调方法，利用弧齿锥齿轮装调装置获取样本数据，即测量装调后的轴线错位量、几何形貌误差以及接触印痕评价参数，将样本数据进行归一化处理，采用支持向量机非线性回归模型，对样本数据进行回归，获得6个归一化回归模型，建立了多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系，利用多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系，建立弧齿锥齿轮装调多目标优化模型，设计变量为两个弧齿锥齿轮沿轴线方向的错位量；约束条件为多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系，利用优化求解算法进行求解，进一步利用装配尺寸链计算得到装配中的调整垫片厚度值，从而实现弧齿锥齿轮装配调整量的精准化，从而提高弧齿锥齿轮装配的装配效率和装配精度，本发明能够较全面的检测弧齿锥齿轮装配精度及其关键影响因素，且本发明的设计能够进行弧齿锥齿轮传动部件装调量定量计算，能够同时考虑接触印痕和齿面侧隙，为保障装配精度，实现弧齿锥齿轮精准定量调整提供了理论和技术支撑。同时，本发明中的装配调整优化模型不仅只适用于弧齿锥齿轮传动部件，对于其他重载齿轮装配调整工艺参数优化设计同样适用。

附图说明

图1是发明的弧齿锥齿轮接触特性测试装置整体结构的等轴侧视图；

图2是弧齿锥齿轮轴向错位示意图；

图3是弧齿锥齿轮真实印痕样图；

图4是弧齿锥齿轮数字化印痕样图；

图5是齿面形貌误差示意图；

图6是本发明的基于接触特性测试、数据挖掘与多目标优化相结合的弧齿锥齿轮装配调整量计算流程图。

其中，1、主动轮；2、被动轮；3、主动轴；4、被动轴；5、圆锥滚子轴承；7、调整垫片；9、支撑座；10、装置基座；11、激光位移传感器；12、自准直仪；13、ccd摄像机；14、ccd摄像机系统支撑基座；15、导轨；16、导轨基座；17、伺服电机驱动滑台；18、执行组件基座；19、支撑杆；20、检测触头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的目的在于针对目前在弧齿锥齿轮部件装配过程中存在的仅依靠经验定性“盲调”所导致的装配效率低下、装配精度一致性差的现状，提出一种弧齿锥齿轮接触特性测试装置布置方案及其检测量和测试方法，并提供一种基于接触特性测试、数据挖掘和多目标优化结合的弧齿锥齿轮装配过程中实现定量数字化装调的方法。

如图1至图6所示，一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调装置，包括锥齿轮传动组件、三自由度ccd摄像机系统、光学垂直度测试系统和检测定位装置，上述各部件均固定安装在装置基座10上，便于安装基准统一，方便调试，锥齿轮传动组件包括用于安装被测锥齿轮组的主动轴3和被动轴4，主动轴3和被动轴4垂直设置，被测主动轮1和被动轮2分别固定安装在主动轴3和被动轴4上，被测主动轮1和被动轮2分别通过平键固定安装在主动轴3和被动轴4上；

主动轴3和被动轴4均通过圆锥滚子轴承5支撑固定在支撑座9上，圆锥滚子轴承5两端设有端盖，端盖与圆锥滚子轴承5之间设有调整垫片7；

支撑座9上开设有通孔，并且在通孔内安装有激光位移传感器11；

光学垂直度测试系统采用平面镜翻转法测量，光学垂直度测试系统包括设置于锥齿轮传动组件一侧的自准直仪12，自准直仪12的测量方向与被动轴4轴向方向垂直；

三自由度ccd摄像机系统设置于锥齿轮传动组件一侧，三自由度ccd摄像机系统包括三自由移动机械臂以及安装于三自由移动机械臂上的ccd摄像机13，三自由移动机械臂通过ccd摄像机系统支撑基座14固定于装置基座10上；

主动轴3的一侧和被动轴4的一侧分别设有一个检测定位装置，检测定位装置包括导轨组件和执行组件，其中导轨组件包括导轨基座16和导轨15，导轨基座16固定安装在装置基座10上，导轨15固定在导轨基座16上，导轨15上设有位移传感器和伺服电机驱动滑台17，伺服电机驱动滑台能够在导轨15上滑动；执行组件包括固定于伺服电机驱动滑台17上端的执行组件基座18，执行组件基座18上固定有支撑杆19，支撑杆19的端部设有检测触头20；检测触头20的定位接触面与主动轴3或被动轴4轴线方向垂直，检测触头20上安装有接触觉传感器；在检测时，检测定位装置的检测触头20与主动轴3或被动轴4上的调整垫片7外侧端面接触，以确定锥齿轮沿轴向位移。

支撑杆19为电动可调节长度支撑杆；

导轨15与导轨基座16通过螺栓连接，导轨基座16上设置螺纹孔，导轨15上设置沉头螺纹通孔，通过螺栓将导轨15固定在导轨基座16上，或者通过其他固定方式完成导轨基座16与导轨15的固定均可。

一种基于接触特性测试的弧齿锥齿轮装调方法，包括以下步骤：

步骤1)、按照标准安装距装配锥齿轮传动部件，按照安装要求将被测主动轮1和被动轮2与之配套的主动轴3和被动轴4装配到支撑座9上，根据标准安装距和尺寸链关系，安装调整垫片和其他零件；

步骤2)、检测定位装置定位并记录安装后的调整垫片外侧端面位置；

步骤3)、利用红丹油印痕检测法测试弧齿锥齿轮的接触印痕，并用千分表检查齿侧间隙的大小，根据传统的经验定性调整法调整被测主动轮1和被动轮2的轴向位置，直到满足锥齿轮装配检验要求；

步骤4)、记录调整后的齿侧间隙(圆周侧隙)大小jt；

步骤5)、利用激光位移传感器检测主动轴3和被动轴4空间错位量大小v；

步骤6)、由ccd摄像机系统拍摄齿面印痕，经过灰度图转换、二值化处理，将齿面印痕数字化，利用相关算法得到齿面接触印痕的印痕面积s、印痕位置(xc,yc)、印痕齿宽方向长度b″，印痕齿高方向宽度h″；

步骤7)、检测定位装置定位并记录此时的垫片外侧端面位置，计算得到被动轮的轴向错位量j和小轮的轴向错位量h；

步骤8)、利用光学垂直度测试系统根据平面镜翻转法测量两轴线的垂直度误差即轴交角错位量σ。

结合图5本发明利用数据挖掘方法建立了输出量即装配精度参数(包括齿侧间隙和印痕评价参数)与各输入量即影响装配精度的各项误差源之间的关联关系，包括以下步骤：

1)、准备150～200套锥齿轮部件的部分组成零件，包括成对锥齿轮，主动轴、被动轴和支撑圆锥滚子轴承，确保准备的零件均在零件检测环节中检测合格；

2)、在齿轮检测机上测量锥齿轮齿面几何形貌误差，所有锥齿轮装配前均测量并记录其齿形误差、齿厚偏差、齿距偏差；

3)、在上述弧齿锥齿轮接触特性测试装置上进行锥齿轮装配，先按照标准安装距安装，后按照装配检验要求进行调整，记录每一组零件装配后的所有检测量，包括两锥齿轮的轴向错位量j、h，轴线空间错位量v，轴交角错位量σ，齿侧间隙jt，印痕面积s、印痕位置(xc,yc)、印痕齿宽方向长度b″，印痕齿高方向宽度h″；

4)利用数据挖掘算法对上述检测量进行分析、处理和学习：

经过上述试验获得样本数据，其中输入量包括轴线错位量(两锥齿轮的轴向错位量j、h，轴线空间错位量v，轴交角错位量σ)以及几何形貌误差(齿形误差δff、齿厚偏差δes、齿距偏差δfpt)；输出量为接触印痕评价参数(印痕面积s、印痕位置(xc,yc)、印痕齿宽方向长度b″，印痕齿高方向宽度h″)，齿侧间隙大小jt,即

d＝{(δs,ms)|δs∈r⁷,ms∈r⁶,s＝1,2,……,nd}(1)

其中δ＝[j,h,v,σ,δff,δes,δfpt]为输入向量，即影响装配精度的误差源向量，m＝[s,xc,yc,b″,h″,jt]为输出向量，即评价表征装配精度的参数向量；

将样本数据进行归一化处理，转化到[-1,1]内；

采用支持向量机非线性回归模型，对样本数据进行回归，获得6个归一化回归模型；

回归精度ε取0.001，核函数选用多项式核函数

k(δi,δj)＝(<δi,δj>+1)²(2)

其中<δi,δj>为向量δi,δj的点积

对模型进行反归一化处理，得到输入量与输出量之间的关系模型

mi(δ)＝δaiδ^t+biδ^t+cii＝1,2,3,4,5,6(3)

其中m1＝s,m2＝xc,m3＝yc,m4＝b″,m5＝h″,m6＝jt；

δ＝[j,h,v,σ,δff,δes,δfpt]为输入向量，即影响装配精度的误差源向量；

δ^t为输入向量δ的转置；

ai为支持向量机非线性回归模型的第i个装配精度参数系数矩阵；

bi为支持向量机非线性回归模型的第i个装配精度参数系数向量；

ci为支持向量机非线性回归模型的第i个装配精度参数常系数；

由此建立了多输入误差源与多输出装配精度参数之间的关联关系。

在上述装配精度参数与误差源之间的关联关系获得以后，建立弧齿锥齿轮装调多目标优化模型。其中，两个优化目标为印痕位置即印痕形心位置与齿面工作范围的正中间位置距离最小和侧隙大小与装配技术要求给定值之差最小；设计变量为两个弧齿锥齿轮沿轴线方向的错位量j、h(根据尺寸链关系可以算出对应调整垫片的厚度)；约束条件为上述建立的装配精度参数与误差源之间的关联关系，以及印痕面积、印痕齿宽方向长度、印痕齿高方向宽度在装配技术要求允许的范围内，表示为

findld＝(j,h)

minδxc,δyc,δjt

s.t.mi(δ)＝δaiδ^t+biδ^t+ci(4)

s≥0.2h′b′

式中，ld是齿轮轴向错位量组合，δxc,δyc,δjt分别为印痕位置与侧隙大小目标函数，b′和h′为齿面齿宽和齿高方向的工作范围。

(2)利用多目标粒子群优化求解算法，求解两锥齿轮轴向错位量j，h；

(3)利用装配尺寸链计算实际装配中的调整垫片厚度值。

两锥齿轮轴向错位量是锥齿轮实际装配位置相对于理论安装距所确定的位置的位移量，该错位的方向沿轴线方向，测量方法为装配过程中先按照标准安装距确定锥齿轮位置，自动检测定位装置通过接触觉传感器检测垫片外侧端面位置，驱动电机驱动滑台移动，直至移动到触头接触面与垫片外侧面接触的位置。操作人员按照齿面接触印痕和侧隙要求调整锥齿轮轴向位置，调整合格后，自动检测定位装置再次启动，滑台移动至新的位置，导轨上的位移传感器检测两个滑台先后位置的位移量，即为锥齿轮轴向错位量。

齿面接触印痕由ccd摄像机拍摄图像，经过数字化处理后，计算齿面接触印痕的检测指标。齿面接触印痕的检测指标包括印痕面积，印痕位置，印痕齿宽方向长度，印痕齿高方向宽度。

齿侧间隙采用装置上放置的千分表进行测量。

本发明装置能够较全面的检测弧齿锥齿轮装配精度及其关键影响因素，且本发明的设计能够进行弧齿锥齿轮传动部件装调量定量计算，能够同时考虑接触印痕和齿面侧隙，为保障装配精度，实现弧齿锥齿轮精准定量调整提供了理论和技术支撑；同时，本发明中的装配调整优化模型不仅只适用于弧齿锥齿轮传动部件，对于其他重载齿轮装配调整工艺参数优化设计同样适用。