多层-多球磁定位式齿距样板及其磁力设计方法与流程

本发明涉及标准器技术领域，尤其是一种用于齿距量值传递的齿距样板。

背景技术：

高精密齿轮在航空航天、高铁、汽车、飞机、船舶等先进制造领域占有十分关键的地位，其是精确传动的重要基础部件。齿轮制造质量取决于齿轮的检测水平，而齿轮的检测水平又需要标准齿轮样板进行评定。国际最新齿轮精度标准iso1328-1:2013着重指出，齿距偏差是齿轮高精度检测中必检项目之一，因此针对高精度齿距样板的研制及溯源方法的研究一直是齿轮精度量值传递的热点。依据我国现行的标准齿轮检定规程《jjg1008-2006》，我国的齿轮齿距量值传递主要通过超精密标准齿轮来实现。由于标准齿轮的齿形形状过于复杂以及磨齿工艺难以突破等问题，我国的超精密标准齿轮的制造长期处于3级精度级别，普遍比国外同类产品低1～2级。

为确保齿轮测量仪器的高精度校准，国际齿轮标准iso/tr10064-5:2005推荐了以易超精密加工、低成本的简单形体(如球、圆柱、平面)精确组装成新型多球齿距样板。该样板的设计原理是基于虚拟齿轮测量模型，是采样处于虚拟分度圆上的高精度球体的圆弧标定点代替传统的齿轮齿距样板采样点，进而以相邻球体间标定点的距离实现齿距溯源。

传统齿距样板由于齿面形状复杂难以加工，被测齿面区域的粗糙度很难低于微米级，然而高精密球体的加工精度可达到几纳米级，在理论上其组合出的齿轮样板可实现更高精度的设计。

但是，多球齿距样板仍然存在以下缺陷：1)高精度球体固定连接在基座上，高精度检测球被触头划伤后不易更换；2)如图1所示，不仅需要中心定位圆球/圆柱1a，还需要紧密环绕中心定位圆球/圆柱的一圈定位球2a，相邻定位球2a之间需要紧密接触，然后在定位球外围绕一圈检测球3a，每个检测球3a均设置在相邻两个定位球之间，并且与定位球紧密接触，从而使得检测球能形成齿距分布；这样就导致多球齿距样板结构复杂，需要较多的高精密球体，加工制造成本高昂；3)齿轮测量仪器具有不同的量程，对于小量程需要用尺寸较小的齿距样板，对于大量程需要用尺寸较大的齿距样板，不能同时满足不同量程的需求，增加了齿轮测量仪器校准成本。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种多层-多球磁定位式齿距样板，以解决现有技术中的高精度检测球固定连接在基座上，而不能根据测量需要组装成不同形式的齿距样板的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：一种多层-多球磁定位式齿距样板包括以上表面为基平面的基座，基平面上开有用于放置并定位定心圆柱/圆球/圆锥的凹槽；基平面上围绕定心圆柱/圆球/圆锥的中心从内向外依次间隔环形分布有至少两层定位孔；每层定位孔上各定位孔的中心均位于在基平面内以定心圆柱/圆球/圆锥的中心点的水平投影为中心，以虚拟齿轮的分度圆的半径为半径的圆形曲线上；每层定位孔的孔数与相应虚拟齿轮的齿数一致；所述定位孔的开口端设有用于放置检测球的倒角α；所述检测球与定心圆柱/圆球/圆锥均采用含铁材料制成；所述基座内设有用于将检测球吸合固定在基座上的磁定位装置。

优选的，所述磁定位装置包括设置在定心圆柱/圆球/圆锥正下方的中心磁柱与在每个定位孔正下方的子磁柱。

优选的，所述中心磁柱与子磁柱均为电磁铁；所述基座内设有为中心磁柱与子磁柱供电的直流电源，将与同一层定位孔对应的子磁柱划分为同一组，从内向外分别为第1组、第2组……第n组；同组子磁柱串联连接，并且中心磁柱与第n组子磁柱串联，从而形成相应的磁柱层；各层磁柱并联后连接在直流电源上。

优选的，各层磁柱还分别串联有对应的限流电阻；第i层磁柱对应第i个限流电阻，并且第i个限流电阻的阻值大于第i+1个限流电阻，i∈{1,2,......,n}。

优选的，所述限流电阻采用可调变阻器。

本发明还提供一种多层-多球磁定位式齿距样板的磁力设计方法，所述中心磁柱与子磁柱的磁芯均采用稀土磁性材料制成，稀土磁性材料具有电场与磁场线性增大或减小的变化特性；包括以下步骤：

步骤101：获取齿轮测量仪器探针在水平面上的水平探触力fm；

步骤102：根据水平探触力fm确定检测球在满足探针水平探触下保持平衡的磁力范围，按如下公式：

其中，fp表示检测球受到的磁力；α表示定位孔的倒角；gs表示检测球的重力；

步骤103：根据检测球的磁力fp计算各层磁柱中单个子磁柱的电流，其中，第i层子磁柱中单个子磁柱的电流ii满足以下公式：

其中，rs为检测球的半径，各层检测球的半径相同；n为子磁柱的线圈匝数；ls为子磁柱的高度；xi为第i层检测球距离定心圆柱/圆球/圆锥中心线的垂直距离；

步骤104：根据各层磁柱中单个子磁柱的电流计算单个子磁柱的电压，其中，第i层磁柱中单个子磁柱的电压u′i＝iir′i，r′i为第i层磁柱中单个子磁柱的电阻；

步骤105：计算各层磁柱对应的限流电阻的电压，其中，第i层磁柱对应的限流电阻的电压ui＝u-miu′i，i≠n；当i＝n时，un＝u-miu′n-inr0；u为直流电源电压，mi为第i层子磁柱中单个子磁柱的数量，r0为中心磁柱的电阻；

步骤106：计算各层磁柱对应的限流电阻的阻值，其中，第i层限流电阻的阻值

本发明还提供一种多层-多球磁定位式齿距样板的磁力的另一种设计方法，所述中心磁柱与子磁柱的磁芯均采用稀土磁性材料制成，稀土磁性材料具有电场与磁场线性增大或减小的变化特性；包括以下步骤：

步骤201：获取齿轮测量仪器探针在水平面上的水平探触力fm；

步骤202：根据水平探触力fm确定检测球在满足探针水平探触下保持平衡的磁力范围，按如下公式：

其中，fp表示检测球受到的磁力；α表示定位孔的倒角；gs表示检测球的重力；

步骤203：根据检测球的磁力fp计算任意一层磁柱中单个子磁柱的电流，其中，第i层子磁柱中单个子磁柱的电流ii满足以下公式：

其中，rs为检测球的半径，各层检测球的半径相同；n为子磁柱的线圈匝数；ls为子磁柱的高度；xi为第i层检测球距离定心圆柱/圆球/圆锥中心线的垂直距离；

步骤204：计算第i层磁柱对应的限流电阻的电压：其中，第i层磁柱对应的限流电阻的电压ui＝u-miu′i，i≠n；当i＝n时，un＝u-miu′n-inr0；u为直流电源电压，mi为第i层子磁柱中单个子磁柱的数量，r0为中心磁柱的电阻；

步骤205：计算第i层磁柱对应的限流电阻的阻值

步骤206：根据各层检测球所受磁力基本相同的要求，计算其余各限流电阻的阻值，其中，第j个限流电阻的阻值rj满足以下公式：

其中，j≠i，j∈{1,2,......,n}；mi为第i层子磁柱中单个子磁柱的数量；mj为第j层子磁柱中单个子磁柱的数量；r′为单个子磁柱的电阻，各子磁柱的电阻相同；xi、xj为第i、j层检测球距离定心圆柱/圆球/圆锥中心线的垂直距离；ls为子磁柱的高度，各子磁柱高度相同。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、定位孔的分布是根据虚拟齿轮的轮齿分布进行设计，因此，无需采用定位球对检测球进行定位，简化了结构，降低了加工制造成本。

2、检测球按照定位孔放置便能形成轮齿分布，不同直径的检测球组装在基座上能够形成不同模数的虚拟齿轮。磁定位装置将定心圆柱/圆球/圆锥与检测球吸合固定在基座上，使得在仪器探头探触过程中，检测球或定心圆柱/圆球/圆锥能够保持平衡，从而避免发生位移引起测量误差，从而提高量值传递的精度。

3、多层定位孔，能够用于模拟不同尺寸的虚拟齿轮，从而适用于不同量程的齿轮测量仪器进行校准和量值溯源。

4、可以在同一层相邻的两个定位孔上放置两个检测球，用于单个齿距间隙偏差的量值传递或溯源；也可以在同一层上相邻四个定位孔上放置四个检测球，用于齿距累积间隙偏差的量值传递或溯源；还可以在同一层上的全部定位孔上放置检测球，用于齿距总累积间隙偏差的量值传递或溯源。

5、由于离中心磁柱的距离越远，磁场越弱，这样使得各层检测球所受的磁力不相同，但是仪器探头的探触力是恒定的，为了保证各层检测球受到的磁力大小基本相同，因此采用限流电阻对各层磁柱的电压进行调节，以使得各层子磁柱的磁场强度基本相同，那么各层检测球所受到的磁力大小基本相同，从而能够基本消除不同量程溯源时因仪器探头的探触引起的位移误差。

6、通过本发明的两种磁力设计方法，均能够定量计算出各限流电阻的阻值大小，并且第二种磁力设计方法不仅计算更加简便，具有自调整功能：计算出任意一层磁柱所对应的限流电阻便能快速计算出其它限流电阻的阻值，还同时满足各层检测球所受磁力基本相同的要求。

附图说明

图1为现有技术中的多球齿距样板的结构示意图；

图2是本具体实施方式中多球自由组装时齿距样板的结构示意图；

图3是本具体实施方式中磁定位装置的安装结构示意图；

图4是具有n层磁柱的磁定位装置的等效电路图；

图5是检测球在探针探触下保持静止的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图2所示，一种多层-多球磁定位式齿距样板，包括以上表面为基平面11的基座1，基平面11上开有用于放置并定位定心圆柱/圆球/圆锥3的凹槽；基平面上围绕定心圆柱/圆球/圆锥3的中心从内向外依次间隔环形分布有至少两层定位孔；每层定位孔上各定位孔的中心均位于在基平面内以定心圆柱/圆球/圆锥的中心点的水平投影为中心，以虚拟齿轮的分度圆的半径为半径的圆形曲线上；每层定位孔的孔数与相应虚拟齿轮的齿数一致；所述定位孔的开口端设有用于放置检测球的倒角α；所述检测球4与定心圆柱/圆球/圆锥3均采用含铁材料制成；所述基座内设有用于将检测球3吸合固定在基座上的磁定位装置。

定位孔的分布是根据虚拟齿轮的轮齿分布进行设计，因此，无需采用定位球对检测球进行定位，简化了结构，降低了加工制造成本。检测球按照定位孔放置便能形成轮齿分布，不同直径的检测球组装在基座上能够形成不同模数的虚拟齿轮。磁定位装置将定心圆柱/圆球/圆锥与检测球吸合固定在基座上，使得在仪器探头探触过程中，检测球或定心圆柱/圆球/圆锥能够保持平衡，从而避免发生位移引起测量误差，从而提高量值传递的精度。多层定位孔，能够用于模拟不同尺寸的虚拟齿轮，从而适用于不同量程的齿轮测量仪器进行校准和量值溯源。

为了便于加工制造，基座为圆柱形，基平面11用于放置并定位定心圆柱/圆球/圆锥3的凹槽也为圆形凹槽，定位定心圆柱/圆球/圆锥与凹槽间隙配合。

本具体实施方式中，所述磁定位装置包括设置在定心圆柱/圆球/圆锥正下方的中心磁柱与在每个定位孔正下方的子磁柱。

如图3与图4所示，本具体实施方式中，所述中心磁柱与子磁柱均为电磁铁；所述基座内设有为中心磁柱与子磁柱供电的直流电源，将与同一层定位孔对应的子磁柱划分为同一组，从内向外分别为第1组、第2组……第n组；同组子磁柱串联连接(yaij表示第i层磁柱层中的第j个子磁柱)，并且中心磁柱与第n组子磁柱串联，从而形成相应的磁柱层，分别为ya1、ya2……yan；各层磁柱并联后连接在直流电源上。各层磁柱还分别串联有对应的限流电阻，分别为r1、r2、ri……rn；第i层磁柱对应第i个限流电阻，并且第i个限流电阻的阻值大于第i+1个限流电阻，i∈{1,2,......,n}。本具体实施方式中，所述限流电阻与限流电阻均采用可调变阻器，如滑动变阻器或可通过单片机或其它电阻控制方式进行阻值调节的变阻器，便于调节阻值对磁定位装置进行调校。

由于离中心磁柱的距离越远，磁场越弱，这样使得各层检测球所受的磁力不相同，但是仪器探头的探触力是恒定的，为了保证各层检测球受到的磁力大小基本相同，因此采用限流电阻对各层磁柱的电压进行调节，以使得各层子磁柱的磁场强度基本相同，那么各层检测球所受到的磁力大小基本相同，从而能够基本消除不同量程溯源时因仪器探头的探触引起的位移误差。

本具体实施方式中，所述基座1包括从上至下依次设置的用于设置定位孔的面板2、用于安装磁定位装置的安装盒以及用于安装供电回路的底座；所述面板2采用大理石制成，大理石表面光滑平整，不易变形，使得基平面具有较高的平整度；面板下方还可以设置导磁板7，从而增大磁通量，提高对检测球的磁力；所述安装盒与底座均采用铝制成；中心磁柱6与子磁柱5底部均设置绝缘层，避免发生短路，提高电路安全；所述中心磁柱6与子磁柱5的磁芯均采用稀土磁性材料制成，稀土磁性材料具有电场与磁场以线性增大的方式进行变换的特性；检测球4与定心圆柱/圆球/圆锥3采用高速钢制成。

一种用于本具体实施方式中的多层-多球磁定位式齿距样板的磁力设计方法，所述中心磁柱与子磁柱的磁芯均采用稀土磁性材料制成，稀土磁性材料具有电场与磁场线性增大或减小的变化特性；包括以下步骤：

步骤101：获取齿轮测量仪器探针在水平面上的水平探触力fm；

步骤102：根据水平探触力fm确定检测球在满足探针水平探触下保持平衡的磁力范围，按如下公式：

其中，fp表示检测球受到的磁力；α表示定位孔的倒角；gs表示检测球的重力；

步骤103：根据检测球的磁力fp计算各层磁柱中单个子磁柱的电流，其中，第i层子磁柱中单个子磁柱的电流ii满足以下公式：

其中，rs为检测球的半径，各层检测球的半径相同；n为子磁柱的线圈匝数；ls为子磁柱的高度；xi为第i层检测球距离定心圆柱/圆球/圆锥中心线的垂直距离；

步骤104：根据各层磁柱中单个子磁柱的电流计算单个子磁柱的电压，其中，第i层磁柱中单个子磁柱的电压u′i＝iir′i，r′i为第i层磁柱中单个子磁柱的电阻；

步骤105：计算各层磁柱对应的限流电阻的电压，其中，第i层磁柱对应的限流电阻的电压ui＝u-miu′i，i≠n；当i＝n时，un＝u-miu′n-inr0；u为直流电源电压，mi为第i层子磁柱中单个子磁柱的数量，r0为中心磁柱的电阻；

步骤106：计算各层磁柱对应的限流电阻的阻值，其中，第i层限流电阻的阻值

本发明还提供一种多层-多球磁定位式齿距样板的磁力的另一种设计方法，所述中心磁柱与子磁柱的磁芯均采用稀土磁性材料制成，稀土磁性材料具有电场与磁场线性增大或减小的变化特性；包括以下步骤：

步骤201：获取齿轮测量仪器探针在水平面上的水平探触力fm；

步骤202：根据水平探触力fm确定检测球在满足探针水平探触下保持平衡的磁力范围，按如下公式：

其中，fp表示检测球受到的磁力；α表示定位孔的倒角；gs表示检测球的重力；

步骤203：根据检测球的磁力fp计算任意一层磁柱中单个子磁柱的电流，其中，第i层子磁柱中单个子磁柱的电流ii满足以下公式：

其中，rs为检测球的半径，各层检测球的半径相同；n为子磁柱的线圈匝数；ls为子磁柱的高度；xi为第i层检测球距离定心圆柱/圆球/圆锥中心线的垂直距离；

步骤204：计算第i层磁柱对应的限流电阻的电压：其中，第i层磁柱对应的限流电阻的电压ui＝u-miu′i，i≠n；当i＝n时，un＝u-miu′n-inr0；u为直流电源电压，mi为第i层子磁柱中单个子磁柱的数量，r0为中心磁柱的电阻；

步骤205：计算第i层磁柱对应的限流电阻的阻值

步骤206：根据各层检测球所受磁力基本相同的要求，计算其余各限流电阻的阻值，其中，第j个限流电阻的阻值rj满足以下公式：

其中，j≠i，j∈{1,2,......,n}；mi为第i层子磁柱中单个子磁柱的数量；mj为第j层子磁柱中单个子磁柱的数量；r′为单个子磁柱的电阻，各子磁柱的电阻相同；xi、xj为第i、j层检测球距离定心圆柱/圆球/圆锥中心线的垂直距离；ls为子磁柱的高度，各子磁柱高度相同。

通过本发明的两种磁力设计方法，均能够定量计算出各限流电阻的阻值大小，并且第二种磁力设计方法不仅计算更加简便，具有自调整功能：计算出任意一层磁柱所对应的限流电阻便能快速计算出其它限流电阻的阻值，还同时满足各层检测球所受磁力基本相同的要求。