一種齒輪雙面嚙合測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王 鍇 劉 波 管曉光 李 帥 邵文冕

(①黑龍江科技學(xué)院工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，黑龍江哈爾濱 150027;②哈爾濱智達(dá)測(cè)控技術(shù)有限公司，黑龍江哈爾濱 150078;③哈電集團(tuán)阿城繼電器股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150302)

齒輪傳動(dòng)是一種重要的機(jī)械能量與信息的傳遞形式，齒輪產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制設(shè)備、儀器儀表和工程機(jī)械當(dāng)中。例如煤礦機(jī)械中的掘進(jìn)機(jī)就大量采用各種不同類型的齒輪零部件。如果這些齒輪在制造過程中存在較大誤差，就會(huì)造成掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際工作過程中，齒輪之間的相互嚙合不好，裝配后減速器噪聲大，機(jī)械效率降低，有時(shí)甚至引發(fā)故障。因此，如何有效地對(duì)齒輪產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，將齒輪的誤差控制在合理的精度范圍之內(nèi)，對(duì)于機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行來說，是非常重要的。本文討論一種新研發(fā)的齒輪雙面嚙合測(cè)量系統(tǒng)，主要用于齒輪的徑向綜合誤差的測(cè)量與分析。

1 測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

在齒輪制造過程中，由于加工齒輪的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心與齒坯基準(zhǔn)孔中心并不是嚴(yán)格重合的，這就使得生產(chǎn)出來的齒輪都存在一定程度上的幾何偏心。因此當(dāng)兩個(gè)齒輪做相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)齒輪軸之間的中心距a并不是1個(gè)常量，而是隨齒輪轉(zhuǎn)角的改變而不斷變化，中心距的變化量用Δa表示，如圖1所示。另外在每個(gè)輪齒的加工過程中也必然存在著誤差，這種誤差集中體現(xiàn)為圖1中誤差曲線圖上大小不一的鋸齒狀凸凹。

齒輪徑向綜合誤差的測(cè)量通常采用雙面嚙合的測(cè)量方法，也就是在被測(cè)齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪做無間隙的雙面嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，同時(shí)測(cè)量中心距的變化量Δa和齒輪轉(zhuǎn)過的角度。然后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)繪制出齒輪徑向綜合誤差曲線，再由誤差曲線計(jì)算出一轉(zhuǎn)齒輪徑向綜合誤差Fi″和一齒齒輪徑向綜合誤差fi″。這些測(cè)量項(xiàng)目可以用于齒輪批量生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量檢測(cè)和生產(chǎn)工藝的監(jiān)控。近年來，小模數(shù)、小直徑齒輪的使用日趨廣泛，例如打印機(jī)中的塑料齒輪。在小模數(shù)齒輪的測(cè)量中，主要關(guān)心的是齒輪的幾何偏心和齒厚方面的誤差，而這些誤差均可通過雙面嚙合測(cè)量得到。因此，雙面嚙合測(cè)量是目前小模數(shù)齒輪特別是塑料齒輪的主要測(cè)量方法，最小模數(shù)已達(dá)到0.1 mm左右。

2 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

齒輪雙面嚙合測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)角的圓光柵、測(cè)量中心距變化量的光柵尺、伺服電動(dòng)機(jī)和儀器主機(jī)組成。通過儀器主機(jī)的上下頂針機(jī)構(gòu)完成裝卡齒輪之后，就可以進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可以由計(jì)算機(jī)和打印機(jī)輸出，如圖2所示。

測(cè)量系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系以及系統(tǒng)中信號(hào)的流向如圖3所示。其中測(cè)量元件采用了Renishaw公司的光柵，與同類產(chǎn)品中普遍采用的差動(dòng)傳感器相比，光柵的精度高，線性度好，輸出信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，更為重要的是它的基座材料采用不漲銅，可以保證光柵在外界溫度發(fā)生變化的情況下只產(chǎn)生微小形變，因此測(cè)量精度可以達(dá)到1 μm。

3 齒輪徑向綜合誤差的測(cè)量與分析

在齒輪徑向綜合誤差的測(cè)量技術(shù)方面，德國Klingelnberg公司的ZW系列產(chǎn)品和日本騰馬精機(jī)(TMax)有限公司的DF系列產(chǎn)品處于世界的領(lǐng)先水平。究其原因，筆者認(rèn)為他們的測(cè)量儀器越來越依重計(jì)算機(jī)技術(shù)在提高測(cè)量精度和對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析方面的應(yīng)用。為了緊跟國際先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的齒輪測(cè)量產(chǎn)品，我們著重在人機(jī)交互界面和控制、測(cè)量軟件的開發(fā)方面進(jìn)行了深入研究。主要體現(xiàn)為測(cè)量系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)不僅可以對(duì)整個(gè)測(cè)量過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可以對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以全面評(píng)價(jià)齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量。更重要的是，能夠?yàn)榭梢苑敌薜凝X輪提供用來指導(dǎo)機(jī)械加工的數(shù)據(jù)，降低了廢品率。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先要在圖4中測(cè)量系統(tǒng)左上角的對(duì)話框中輸入齒輪的模數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)齒輪和被測(cè)齒輪的齒數(shù)以及代表測(cè)量精度要求的一轉(zhuǎn)齒輪徑向綜合誤差ΔFi″和一齒齒輪徑向綜合誤差 Δfi″(如果測(cè)量數(shù)據(jù)大于這兩個(gè)值，則認(rèn)為產(chǎn)品不合格)。然后用鼠標(biāo)點(diǎn)擊測(cè)量按鈕開始測(cè)量，在測(cè)量的過程中，表盤上的指針實(shí)時(shí)顯示中心距的變動(dòng)量，表盤下方的數(shù)碼管記錄變動(dòng)范圍，同時(shí)在軟件界面的右上角根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制出誤差曲線圖。測(cè)量過程結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果是合格、可修或超差這3種情況，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的1盞小燈來指示被測(cè)齒輪的測(cè)量結(jié)果。

以圖4中的被測(cè)齒輪為例，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果

用鼠標(biāo)點(diǎn)擊測(cè)量系統(tǒng)界面中打印按鈕，則可通過打印機(jī)輸出該被測(cè)齒輪測(cè)量報(bào)告，報(bào)告中除了上面的測(cè)量結(jié)果外，還包括測(cè)量誤差誤差曲線和齒輪的毛刺分析，如圖5所示。由于齒輪在加工過程中不可避免的存在磕碰、劃傷，所以被測(cè)齒輪可能存在著毛刺。我們開發(fā)的這套齒輪測(cè)量系統(tǒng)特意在軟件部分增加計(jì)算毛刺位置和大小的功能。從測(cè)量結(jié)果和誤差曲線中我們可以看出在被測(cè)齒輪的115.6°轉(zhuǎn)角處，存在1個(gè)大小為22.6 μm的毛刺。這種毛刺在誤差曲線圖上表現(xiàn)為突然出現(xiàn)的尖峰。根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)提供的信息就可以指導(dǎo)齒輪的返修，處理掉已測(cè)得的毛刺，進(jìn)一步提高齒輪的質(zhì)量和精度。

4 結(jié)語

筆者計(jì)劃下一步的研發(fā)工作將增加齒輪測(cè)量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能，使得計(jì)算機(jī)能夠?qū)⒔?jīng)過分析、統(tǒng)計(jì)后的測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到齒輪制造系統(tǒng)中，以便于實(shí)時(shí)調(diào)整制造工藝和指導(dǎo)齒輪的返修，以達(dá)到提高齒輪產(chǎn)品的制造精度的目的。并在此基礎(chǔ)上努力實(shí)現(xiàn)齒輪測(cè)量技術(shù)(Gear CAT)與齒輪加工制造技術(shù)(Gear CAM)之間的多源信息融合，從而構(gòu)建全數(shù)字化、信息化的齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)，切實(shí)提高我國齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量水平和核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

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