专利名称：单齿式齿轮整体误差测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种单齿式齿轮整体误差测量装置及方法，属于精密测试技 术及仪器、机械传动技术领域。
背景技术：
齿轮整体误差测量方法是由我国在上世纪70年代初率首创的，它可以从 综合测量中提取单项误差和其它有用信息，它的出现解决了齿轮测量领域的 一个难题，即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。
经过30多年的完善与推广，齿轮整体误差测量方法在我国已发展成为传 动元件的运动几何测量法，其基本思想是将被测对象作为一个刚性的功能元 件或传动元件与另一标准元件作啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求被 测量的误差。整体误差曲线的特点是形象地反映了齿轮啮合传动过程，并精 确地揭示了齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系，特别适合齿轮工艺 误差分析和动态性能预报。采用这种方法的仪器的优点是测量效率高、测量 信息丰富、测量过程更接近使用状态，加之仪器对环境条件要求不高，特别 适用于大批量生产中齿轮产品的精度检测和质量控制。在汽车齿轮要求100 %全部检测的态势下，齿轮整体误差测量方法具有特别价值。在国外，德国 近年推向市场的齿轮啮合滚动点扫描测量仪器采用了完全类同的技术。
齿轮整体误差测量仪器根据所采用的测量标准元件的不同，可以分为蜗杆 式齿轮整体误差测量仪和齿轮式整体误差测量仪。蜗杆式齿轮整体误差测量 仪发展比较成熟，典型仪器为有成都工具研究所生产的CZ450，该仪器获得国 家发明二等奖，但该类齿轮整体误差测量仪存在下列缺陷-
1. 不同规格的测量工件都须用不同规格的测量元件，使得测量仪的测量 柔性差，成本高。
2. 高精度的测量蜗杆制造较困难，尤其是大模数测量蜗杆加工更加困难。3. 在测量斜齿轮时测得的是法向啮合齿形，和国际上习惯的端面渐开线齿 形不统一，影响它的推广和传递精度。
4. 难以测量较大齿轮，主要是大齿轮用蜗杆推动时较困难，因而限制其测
量范围。
齿轮式整体误差测量方法通常采用带有一种特殊测量棱带的齿轮作为测 量齿轮，该测量齿轮是通过机械加工、电加工、化学加工或者它们组合的， 从原齿轮齿面上把测量棱带以外的其余部分进行剔除而制成。这种方法存在
三个问题
1. 采用机械加工和电加工方法来制作测量齿轮时，因加工形状复杂难度 大，加工费用高，不经济。
2. 采用化学加工时，简便易操作，但在制作过程中需酸碱溶液，对环境不 理，有因人工操作， 一旦出错，难以补充。
3. 对于不同规格的被测齿轮，都要制作单独的测量齿轮，浪费大量的人力物力。
专利号为03132055 —种齿轮误差测量方法及其装置提出一种采用粘接剂 将一定形状尺寸的金属薄片作为测量齿轮的测量棱带，粘贴在测量齿轮母体 的选定轮齿的选定位置上来制作带有特殊测量棱带测量齿轮。这种方法制作 方便，成本低，但不适用于齿轮啮合侧隙小的齿轮测量，粘接金属薄片的过 程为人工操作，精度和可靠性难以保证。此外，对于不同规格的被测齿轮， 都要制作单独的测量齿轮，浪费大量的人力物力，这种状况使得该方法在实 际应用中受到很大的限制。
发明内容
本发明克服了现有齿轮整体误差测量中不同规格的测量工件必须用不 同规格的测量元件的缺陷，提出了一种单齿式齿轮整体误差测量装置及方法。 本方法能够用同一个测量齿轮完成对规格被测齿轮的测量，实现了齿轮整体 误差的柔性测量，同时还提高了测量效率，保证了测量精度，扩大了测量范围。
本发明针对现有齿轮整体误差测量方法的缺陷，进行原理创新，基本思 想是设计和制造只含有一个轮齿的单齿测量齿轮，单齿测量齿轮的结构如 图2所示，是在标准测量齿轮上只设计一个轮齿作为测量轮齿，该轮齿两侧 为标准渐开线齿廓。通过该轮齿实现对被测齿轮上全部轮齿的滚动点扫描测
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括有第一电 机、第一圆光栅、只含有一个轮齿的单齿测量齿轮、第二电机、第一精密导 轨、第一直线光栅、被测齿轮、第二圆光栅、第二直线光栅、第二精密导轨 和第三电机；其中单齿测量齿轮、第一圆光栅和第一电机依次同轴连接在 第一精密密珠轴系上，组成主动轴系，主动轴系的主轴与第一伺服系统D,连 接；主动轴系固连在第一精密导轨的工作台上，整个主动轴系能够随该工作 台沿X方向作平移运动；第一精密导轨和第二电机与第二伺服系统D,连接， 第一直线光栅安装在第一精密导轨上用来测量该导轨沿X方向的直线位移； 被测齿轮和第二圆光栅同轴连接在第二精密密珠轴系上，组成被动轴系；被 动轴系固连在第二精密导轨的工作台上，整个被动轴系能够随该工作台沿Y 方向作平移运动；第二精密导轨和第三电机与第三伺服系统A同轴连接，第 二直线光栅安装在第二精密导轨上用来测量该导轨沿Y方向的直线位移；第 一圆光栅、第二圆光栅和第一直线光栅、第二直线光栅通过一系列前处理电 路和数据采集卡与计算机连接。
使用上述的单齿式齿轮整体误差测量装置进行测量，其测量方法如下
1) 选择被测齿轮的测量截面，具体为由计算机发指令，通过第三伺服 系统D3控制第三电机，使得第二精密导轨的工作台带动被测齿轮沿Y方向直 线运动；
2) 初始化单齿测量齿轮的初始位置；
3) 计算机中的测量软件根据齿轮参数计算被测齿轮和单齿测量齿轮的安
6装中心距，由计算机发指令给第二伺服系统D,，控制第二电机转动，使得主 动轴系随工作台沿X方向作直线运动，直至被测齿轮和单齿测量齿轮之间的 距离为安装中心距；
4) 通过第一伺服系统D,控制第一电机驱动单齿测量齿轮和被测齿轮的一
个轮齿作单面啮合运动，直至脱离啮合；
5) 在单面啮合过程中，通过第一圆光栅检测出单齿测量齿轮的角位移^， 通过第二圆光栅检测出被测齿轮的角位移^ ;
6) 得到被测齿轮上该轮齿的整体误差乙具体为3=%-^//，其中/为 被测齿轮和单齿测量齿轮的传动比，/=《M，《、《分别为被测齿轮和单齿测 量齿轮的分度圆直径；
7) 通过第二伺服系统D2控制第二电机使得主动轴系与被动轴系脱离；
8) 重复步骤2) 7)，直至被测齿轮的全部轮齿都测量完毕；
9) 重复l) 8)，测量被测齿轮的全部轮齿的不同截面上的齿轮整体误 差^
10) 第一伺服系统Di控制第一电机l反转，重复1) 9)，测量被测齿轮 的另一齿面的齿轮整体误差5。
本发明首次提出了通过设计和制造只有一个轮齿的单齿测量齿轮作为齿 轮整体误差的测量元件，实现了用同一测量齿轮对不同规格被测齿轮的测量， 克服了以往齿轮整体误差测量中不同规格的测量工件必须用不同规格的测 量元件的缺陷，实现了齿轮整体误差测量仪的柔性测量。本发明中的单齿测量 齿轮制作方便，成本低，精度高，适用范围广，保证了测量精度，扩大了测 量范围。本发明提出的单齿式齿轮整体误差法采用了单齿测量齿轮作为标准 测量元件，而不再是测量蜗杆作为标准测量元件，克服了传统蜗杆式齿轮整 体误差测量仪中高精度的测量蜗杆制造困难的问题，克服了蜗杆式齿轮整体 误差测量仪在测量斜齿轮时测得的是法向啮合齿形，和国际上习惯的端面齿 形不统一的问题，以及蜗杆式齿轮整体误差测量仪测量范围小的缺点。
图l (a)为单齿测量齿轮的结构示意图 图l (b)为单齿测量齿轮的主视图 图l (c)为单齿测量齿轮的左视图 图2为本发明的原理图 图3为本发明的流程图 图4为第一精密密珠轴系结构图 图5本发明的软件总体架构 图6为本发明的齿轮误差指标处理架构
图中1.第一电机，2.第一圆光栅，3.第一精密密珠轴系，4.单齿测 量齿轮，5.第二电机，6.第一精密导轨，7.被测量齿轮，8.第二圆光栅， 9.第一直线光栅，10.第二直线光栅，11.第二精密密珠轴系，12.第二精 密导轨，13.第三电机，D,.第一伺服系统，D,.第二伺服系统，R.第三伺服 系统，14.主轴，15.密封圈，16.头罩，17.套环，18.端面保持环，19.保持 架，20.滚珠，21.主轴套，22.轴套，23.轴系基座，24.轴向调整环，25.轴 向压环，26.双螺母，27.光栅固定架，28.电机固定架，29.圆光栅缩紧螺母， 30.联轴节。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明
本实施例设计和制造只含有一个轮齿的单齿测量齿轮，能够用该齿轮完 成对规格的被测齿轮的测量，实现了齿轮整体误差的柔性测量。本实施例能 够通过该单齿测量轮齿实现对被测齿轮的全部轮齿的滚动点扫描测量，通过 角度编码器把单齿测量齿轮和被测齿轮在传动过程中产生的角位移信号变为 电信号，经前置处理电路和数据采集卡后输入计算机，经分析运算和数据处 得到被测齿轮的四种整体误差曲线、各单项几何偏差、三维齿面拓扑偏差以 及接触区形态图，并能显示和打印误差结果及误差曲线。
8l.单齿测量齿轮
为了实现齿轮整体误差测量仪的柔性测量，克服以往齿轮整体误差测量-不同规格的测量工件必须用不同规格的测量元件的缺陷，本实施例制造图1 所示的单齿测量齿轮，单齿测量齿轮在标准测量齿轮上只保留一个完整的轮 齿作为测量轮齿。 2.机械装置
单齿测量齿轮4、第一圆光栅2 (德国HEIDENHAIN(海德汉)公司生产的 R0N287型圆光栅)和第一电机l (日本松下公司的MINAS-A4-100W型伺服电 机)依次同轴连接在第一精密密珠轴系3上，组成主动轴系，主动轴系的主 轴与第一伺服系统D,(富士 FALDIC-W系列及松下MINAS系列伺服系统)连接; 主动轴系固连在第一精密导轨6的工作台上，整个主动轴系可以随该工作台 沿X方向作平移运动。第一精密导轨6和第二电机5与第二伺服系统D,连接， 第一直线光栅9 (长春光机所的SGC4型长光栅)安装在第一精密导轨6上用 来测量该导轨沿X方向的直线位移。
被测齿轮7和第二圆光栅8同轴连接在第二精密密珠轴系11上，组成被 动轴系；被动轴系固连在第二精密导轨12的工作台上，整个被动轴系可以随 该工作台沿Y方向作平移运动；第二精密导轨12和第三电机13与第三伺服 系统^连接，第二直线光栅10安装在第二精密导轨12上用来测量该导轨沿Y 方向的直线位移。
第一圆光栅2、第二圆光栅8和第一直线光栅9、第二直线光栅10通过 一系列前处理电路和数据采集卡与计算机连接。
本实施例的回转轴系采用密珠轴承轴系。主要由主轴14、轴套22以及密 集于两者之间的具有过盈配合的滚珠20组成。由于滚珠的密集分布与过盈配 合，有助于减小各组成部件制造误差对轴系的影响，从而使轴系回转精度提 高。密集分布就是滚珠按螺旋线密集排列，即在轴承的每个径向和轴向截面 内均布满了滚珠，每个滚珠公转时沿着自己的滚道滚动，互不重复，"均化"和减小了滚道表面磨损，提高了轴系的回转精度和使用寿命。过盈配合相当 于预加载荷，在主轴、滚珠、轴套这三者之间均存在着过盈量，通过微量的 弹性变形，起着消除间隙，减小几何形状误差的影响，不仅提高轴系回转精
度，还增加了轴系刚性。图4为第一精密密珠轴系3的结构图，主轴直径50mm， 滚珠直径6mm，数量66,滚珠20安放于保持架19中，呈双头螺旋线分布， 止推滚珠安放于端面保持环18中，在端面保持环18与主轴14之间安装轴向 调整环24，通过双螺母经轴向压环调整轴向预紧力。测试数据为主轴、轴 套的圆度小于0.3um，滚珠为"OO级"钢球，装配后径向回转精度为1.5pm。 3.测量步骤
该方法是按图3所示步骤进行的。
1) 安装被测齿轮7;
2) 选择被测齿轮7的测量截面，具体为由计算机发指令，通过第三伺 服系统D;控制第三电机13使得被测齿轮沿Y方向直线运动；
4) 初始化单齿测量齿轮的初始位置，具体为通过主动轴系调整其位置， 使其能够与被测齿轮中的轮齿相啮合；
5) 测量软件根据齿轮参数计算测量齿轮4和被测齿轮7的安装中心距， 由计算机发指令给第一伺服系统D,，控制第二电机5沿X方向直线运动来调 节两轴系间的中心距，使其为安装中心距，并以第一直线光栅9及其数显装 置实时显示中心距量值。
6) 通过第一伺服系统D,控制第一电机1驱动单齿测量齿轮4和被测齿轮 7的一个轮齿作单面啮合运动，直至脱离啮合。
7) 在单面啮合过程中，通过第一圆光栅2检测出单齿测量齿轮2的角位移 A，通过第二圆光栅8检测出被测齿轮7的角位移^。
8) 得到被测齿轮7上该轮齿的整体误差乙具体为^=%-^//，其中/为 被测齿轮和单齿测量齿轮的传动比^^/《，《、《为被测齿轮和单齿测量齿轮 的分度圆直径；9) 通过伺服系统D,控制第二电机5使主动轴系沿X方向退出。
10) 重复步骤4) 步骤9)，至被测齿轮的全部轮齿都测量完毕。
11) 显示和保存被测齿轮该截面上的各相误差指标和误差曲线。
12) 重复步骤2) 步骤11)，测量不同截面上的齿轮整体误差。
13) 第一伺服系统^控制第一电机1反转测量，重复步骤2) 步骤12)， 测量被测齿轮另一齿面的齿轮整体误差。
4. 电机控制系统
本实施例中的控制系统包括被测齿轮测量截面的调节、两轴系间中心距 的调节以齿轮轴的转动三部分，采用伺服系统对上述被控对象进行正反转控 制及调速控制。
5. 数据采集系统及误差评定软件
本实施例的软件总体架构如图5所示，总体分为三大功能模块系统流
程管理模块、误差数据采集模块和数据处理算法类模块。其中，系统流程管 理模块是对整个测量软件的管理层。它包括软件的用户交互、主体结构、数 据规划以及结果输出设计等诸多内容，该模块的设计直接关系到软件的使用 性能和开发工作量的大小。
误差数据采集模块是测量软件的核心环节，是测量软件的基础。各项测 量功能分别对应一个数据采集工作模块。数据处理算法模块采用最新的齿轮 精度标准和规范来进行齿轮各项误差数据的处理。它是测量软件的主体，也 是测量软件的灵魂所在。
当被测齿轮与标准齿轮在标准中心距下做单面啮合转动时，通过同轴安
装的高精度圆光栅输出正交A、 B两相方波信号和一路零位脉冲信号R，分别
对信号进行调理、细分、辨向，将两路光栅细分辨向信号经转接板后分别送 入到数据采集卡G (如研华PCI-1784计算卡)中进行数据处理。通过计算机 编程实现板卡初始化、分频计数、比相计算等三个功能。
根据GB/ T 10095. 1 2- 2001和圆柱齿轮检验实施规范，测量软件的各个测量项目的数据处理架构如图6所示。对于JZ测量和SJZ曲线测量的数据
处理基本思路是先通过误差采集接口软件获取齿轮整体误差曲线，然后通 过对该曲线的排列和误差点的抽取得到相应的误差曲线，再在此基础上求出 相应的齿轮误差指标值。齿向误差测量的数据处理相对简单些，在测量完毕 后，通过齿向误差曲线范围的定标，得到有效段的误差曲线，再在此基础上 即可计算出齿向误差的各项指标。最后对各误差曲线进行谐波分析，得出影 响该齿轮误差的原因及各种原因影响的程度。同时，为了适应大批量齿轮生 产的质量要求，实现对齿轮生产工序的质量进行控制，本实施例的测量软件 对齿轮的偏差指标做了数据统计分析(Spc分析)，给出该指标的质量控制图 ("图)。
本实施例具有测量信息量大、适用范围广、测量齿轮制作方便、成本低、 精度高等优点。测量方法对应的测量软件同时能更全面、准确的评定齿轮质 量和齿轮加工工艺的分析和诊断，并具有误差统计、处理、分析等功能，能
实现对批量齿轮生产的SPC统计过程控制。
权利要求
1、单齿式齿轮整体误差测量装置，其特征在于包括有第一电机(1)、第一圆光栅(2)、只含有一个轮齿的单齿测量齿轮(4)、第二电机(5)、第一精密导轨(6)、第一直线光栅(9)、被测齿轮(7)、第二圆光栅(8)、第二直线光栅(10)、第二精密导轨(12)和第三电机(13)；其中单齿测量齿轮(4)、第一圆光栅(2)和第一电机(1)依次同轴连接在第一精密密珠轴系(3)上，组成主动轴系，主动轴系的主轴与第一伺服系统(D1)连接；主动轴系固连在第一精密导轨(6)的工作台上，整个主动轴系能够随该工作台沿X方向作平移运动；第一精密导轨(6)和第二电机(5)与第二伺服系统(D2)连接，第一直线光栅(9)安装在第一精密导轨(6)上用来测量该导轨沿X方向的直线位移；被测齿轮(7)和第二圆光栅(8)同轴连接在第二精密密珠轴系(11)上，组成被动轴系；被动轴系固连在第二精密导轨(12)的工作台上，整个被动轴系能够随该工作台沿Y方向作平移运动；第二精密导轨(12)和第三电机(13)与第三伺服系统(D3)连接，第二直线光栅(10)安装在第二精密导轨(12)上用来测量该导轨沿Y方向的直线位移；第一圆光栅(2)、第二圆光栅(8)和第一直线光栅(9)、第二直线光栅(10)通过一系列前处理电路和数据采集卡(G)与计算机连接。
2、 使用权利要求1所述的单齿式齿轮整体误差测量装置进行测量的方法，其特征在于，该方法是按以下步骤实现的1) 选择被测齿轮(7)的测量截面，具体为由计算机发指令，通过第 三伺服系统(D3)控制第三电机(13)，使得第二精密导轨(12)的工作台带 动被测齿轮(7)沿Y方向直线运动；2) 初始化单齿测量齿轮(4)的初始位置；3) 计算机中的测量软件根据齿轮参数计算被测齿轮(7)和单齿测量齿 轮(4)的安装中心距，由计算机发指令给第二伺服系统(D2)，控制第二电 机(5)转动，使得主动轴系随工作台沿X方向作直线运动，直至被测齿轮(7) 和单齿测量齿轮(4)之间的距离为标准中心距；4) 通过第一伺服系统(D,)控制第一电机(1)驱动单齿测量齿轮(4) 和被测齿轮(7)的一个轮齿作单面啮合运动，直至脱离啮合；5) 在单面啮合过程中，通过第一圆光栅(2)检测出单齿测量齿轮(4)的角位移A，通过第二圆光栅(8)检测出被测齿轮(7)的角位移^;6) 得到被测齿轮(7)上该轮齿的整体误差5，具体为5=%_&，其中/,'为被测齿轮(7)和单齿测量齿轮(4)的传动比；7) 通过第二伺服系统(D2)控制第二电机(5)使得主动轴系与被动轴 系脱离；8) 重复步骤2) 步骤7),直至被测齿轮(7)的全部轮齿都测量完毕；9) 重复步骤l) 步骤8)，测量被测齿轮(7)的全部轮齿的不同截面上 的齿轮整体误差^10) 第一伺服系统(D,)控制第一电机(1)反转，重复1) 9)，测量 被测齿轮(7)的另一齿面的齿轮整体误差5。
全文摘要
本发明是一种单齿式齿轮整体误差测量装置及方法，属于精密测试技术及仪器、机械传动技术领域。本发明通过单齿测量齿轮作为测量元件，来实现对不同规格被测齿轮的全部轮齿的滚动点扫描测量。通过传感器把单齿测量齿轮和被测齿轮在传动过程中产生的角位移信号变为电信号，经前置处理电路和数据采集卡后输入计算机，经分析运算和数据处理得到被测齿轮的四种整体误差曲线、各单项几何偏差、三维齿面拓扑偏差以及接触区形态图，并能显示和打印误差结果及误差曲线。本发明用同一个测量齿轮完成对不同规格被测齿轮的测量，实现了齿轮整体误差的柔性测量。单齿测量齿轮制作方便、成本低、精度高、适用范围广，保证了测量精度，扩大了测量范围。
文档编号G01M13/02GK101294868SQ20081011572
公开日2008年10月29日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者焱 康, 石照耀 申请人:北京工业大学