齒輪量儀的現(xiàn)狀與發(fā)展

齒輪量儀是一個內(nèi)含較為豐富的概念，它不僅包括檢測各種齒輪的儀器，也將檢測蝸輪、蝸桿、齒輪刀具、傳動鏈的儀器附屬在其中。齒輪種類繁多，幾何形狀復(fù)雜，表征其誤差的參數(shù)眾多。所以，齒輪量儀的品種也很多。
齒輪測量技術(shù)及其儀器的研究已有近百年的歷史，其發(fā)展歷程如圖所示，在這不短的發(fā)展歷程中，有6件標(biāo)志性事件：
(1)1923年，德國Zeiss公司在世界上首次研究成功一種稱為"Toooth Surface Tester"的儀器，實(shí)際上是機(jī)械展成式萬能漸開線檢查儀。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)，Zeiss于1925年推出了實(shí)用性儀器，并投放市場。該儀器的長度基準(zhǔn)采用了光學(xué)玻璃線紋尺，其線距為1微米。該儀器的問世，標(biāo)志著齒輪精密測量的開始，在我國得到廣泛使用的VG450就是該儀器的改進(jìn)型。
(2)50年代初，機(jī)械展成式萬能螺旋線標(biāo)準(zhǔn)儀的出現(xiàn)，標(biāo)志著全面控制齒輪質(zhì)量成為現(xiàn)實(shí)。
(3)1965年，英國的R·Munro博士研制成功光柵式單嚙儀，標(biāo)志著高精度測量齒輪動態(tài)性能成為可能。
(4)1970年，以黃潼年為主的中國工程技術(shù)人員研制開發(fā)的齒輪整體誤差測量技術(shù)，標(biāo)志著運(yùn)動幾何法測量齒輪的開始。
(5)1970年，美國Fellow公司在芝加哥博覽會展出Microlog50，標(biāo)志著數(shù)控齒輪測量中心的開始。
(6)80年代末，日本大阪精機(jī)推出了基于光學(xué)全息原理的非接觸齒面分析機(jī)PS-35，標(biāo)志著齒輪非接觸測量法的開始。

圖1 齒輪測量技術(shù)及其儀器的發(fā)展歷程

整體上考察過去一個世紀(jì)里齒輪測量技術(shù)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)在測量原理方面，實(shí)現(xiàn)了由"比較測量"到"嚙合運(yùn)動測量"，直至"模型化測量"的發(fā)展；
(2)在實(shí)現(xiàn)測量原理的技術(shù)手段上，歷經(jīng)了"以機(jī)械為主"到"機(jī)電結(jié)合"，直至當(dāng)今的"光-機(jī)-電"與"信息技術(shù)"綜合集成的演變；
(3)在測量結(jié)果的表述與利用方面，歷經(jīng)了"指示表加目視讀取"到"記錄儀器記錄加人工研判"，直至"計(jì)算機(jī)自動分析并將測量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)"的飛躍。與此同時，齒輪量儀經(jīng)歷了從單品種單參數(shù)的儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀)、單品種多參數(shù)的儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀)到多品種多參數(shù)儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。

70年代以前的近50年內(nèi)，世界上已開發(fā)出測量齒廓、螺旋線、齒距等基本參數(shù)的各種類型、各種規(guī)格的機(jī)械展成式儀器。這些儀器借助一些精密機(jī)構(gòu)形成指定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動，然后與被測量進(jìn)行比較，從而獲得被測誤差的大小。世界上曾開發(fā)出多種機(jī)械式漸開線展成機(jī)構(gòu)，如單盤式、圓基杠桿式、靠模式等。其中以圓盤杠桿式應(yīng)用最廣，屬于這一類的儀器有：Zeiss VG450、Carl Mahr890和891S、MAAG SP60和HP100、大阪精機(jī)GC-4H和GC-6H以及哈爾濱量具刃具廠的3201。對齒廓誤差測量而言，機(jī)械展成式測量技術(shù)僅限于漸開線齒廓誤差測量上。對非漸開線齒輪的端面齒厚測量，采用展成法測量是很困難的，因?yàn)檎钩蓹C(jī)構(gòu)太復(fù)雜并缺乏通用性。對精確的螺旋展成機(jī)構(gòu)而言，主要采用正弦尺原理，只是如何將正弦尺的直線運(yùn)動精確地轉(zhuǎn)換為被測工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動的方式各不相同，這種機(jī)構(gòu)在滾刀螺旋線測量上應(yīng)用最為典型，如德國Fette公司生產(chǎn)的UWM型滾動測量儀、Zeiss廠生產(chǎn)的萬能滾動測量儀、前蘇聯(lián)BHИИ設(shè)計(jì)的萬能型滾動測量儀、意大利Samputensili廠的SU-130型滾刀測量儀、美國Michigan公司生產(chǎn)的萬能滾刀測量儀以及Klingelberg公司的PWF250/300。70年代前，機(jī)械展成式測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，并在生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)受了考驗(yàn)。盡管這樣，也存在一些不足之處：其測量精度仍依賴于展成機(jī)構(gòu)的精度，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，柔性較差，且測量一個齒輪需多臺儀器。迄今，基于這些技術(shù)的儀器仍是我國一些工廠檢驗(yàn)齒輪的常用工具。

1970年是齒輪測量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機(jī)(中心)的出現(xiàn)解決了齒輪測量領(lǐng)域的一個難題，即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項(xiàng)技術(shù)雖然都基于現(xiàn)代光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，但走上了不同的技術(shù)路線。齒輪整體誤差測量技術(shù)是從綜合測量中提取單項(xiàng)誤差和其它有用信息。經(jīng)過30年的完善與推廣，齒輪整體誤差測量方法在我國已發(fā)展成為傳統(tǒng)元件的運(yùn)動幾何測量法。其基本思想是將被測對象作為一個剛性的功能元件或傳動元件與另一標(biāo)準(zhǔn)元件作嚙合運(yùn)動，通過測量嚙合運(yùn)動誤差來反求被測量的誤差。運(yùn)動幾何測量法的鮮明特點(diǎn)是形象地反映了齒輪嚙合傳動過程并精確地揭示了齒輪單項(xiàng)誤差的變化規(guī)律以及誤差間的關(guān)系，特別適合齒輪工藝誤差分析和動態(tài)性能預(yù)報(bào)。采用這種方法的儀器的優(yōu)點(diǎn)是測量效率高，適用于大批量生產(chǎn)中的零件檢測。典型儀器是成都工具研究所生產(chǎn)的CZ450齒輪整體誤差測量儀、CSZ500錐齒輪測量機(jī)和CQB700擺線齒輪測量儀。而齒輪測量中心采用坐標(biāo)測量原理，實(shí)際上是圓柱(極)坐標(biāo)測量機(jī)，"坐標(biāo)測量"實(shí)質(zhì)是"模型化測量"。對齒輪而言，模型化的坐標(biāo)測量原理是將被測零件作為一個純幾何體(相對"運(yùn)動幾何法"而言)，通過測量實(shí)際零件的坐標(biāo)值(直角坐標(biāo)、柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)等)，并與理想形體的數(shù)學(xué)模型作比較，從而確定被測量的誤差。坐標(biāo)測量法的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，主機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度很高。坐標(biāo)法測量齒輪的思想早已有之，如用萬能工具顯微鏡與分度頭的組合也可用來測量齒輪。但是，這種靜態(tài)測量方式不僅效率低，且測量精度得不到保證。現(xiàn)代光電技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程、精密機(jī)械等技術(shù)的發(fā)展才真正為坐標(biāo)測量法顯示其優(yōu)越性提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。迄今已有美國、德國、日本、瑞士、中國、意大利等幾個國家生產(chǎn)CNC齒輪測量中心，國外的典型產(chǎn)品是M＆M公司的3000系列、Klingelberg的P系列；國產(chǎn)的典型產(chǎn)品是成都工具研究所的CGW300臥式測量中心和哈爾濱量具刃具廠的3903型齒輪測量中心。各國的齒輪測量中心雖然原理上大同小異，但實(shí)現(xiàn)方式卻存在一定差距。主要表現(xiàn)在：
(1)在測量傳感器等方面，雖然測角一般采用高精度圓光柵，但測長因被測對象不同而有所差異。精度要求很高的齒輪或軸向尺寸很長的工件等，一般采用雙頻(或單頻)激光干涉儀作長度基準(zhǔn)(如測量漸開線或螺旋線樣板等)；而其它情況，則采用高精度長光柵。
(2)在機(jī)械系統(tǒng)的精度方面，高精度的軸承是必須的；而直線導(dǎo)軌的精度有靠機(jī)械精度保證的，也有采用誤差修正技術(shù)達(dá)到的。
(3)在數(shù)控系統(tǒng)方面，70年代常為NC開環(huán)控制；80年代后，全為CNC控制，大多采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。目前已有采用交流伺服系統(tǒng)或直線電機(jī)的。
(4)在測頭方面，有電感式的，也有光柵式的；有一維的，也有三維的，甚至有剛性的。剛性測頭是不帶測微傳感器的。若采用剛性測頭，則儀器通常是專用的。

齒輪測量中心一般由主機(jī)、CNC數(shù)控單元、數(shù)據(jù)采集單元、機(jī)間通訊接口、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。當(dāng)今最新的CNC齒輪測量中心的主要特點(diǎn)是：①性能上是高效、高精度、易操作。所采取的措施有精密機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)、32位的CNC4-5軸數(shù)控系統(tǒng)、直線電機(jī)、三維測頭和誤差修正技術(shù)。②在功能上，包括齒輪(內(nèi)、外)、齒輪刀具(滾刀、插齒刀、剃齒刀)、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、螺桿、凸齒輪、拉刀等回轉(zhuǎn)類零件的主要誤差項(xiàng)目測量；軸類零件的形位公差測量；強(qiáng)大的分析功能，如接觸分析、工藝誤差分析、齒根形狀分析、參數(shù)反求等；可耦合到加工系統(tǒng)中，實(shí)時數(shù)據(jù)通信。③在可維修性方面，能故障自診斷、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程故障診斷。④可升級性，包括軟件的可升級和硬件的可升級。

與機(jī)械展成式測量儀器相比，CNC齒輪測量中心的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，其質(zhì)的飛躍是為任意形狀的齒廓測量提供了可能，而不僅僅局限于漸開線或直線齒廓。錐齒輪、K蝸桿(滾刀)、C蝸桿(滾刀)的測量就是明證。CNC齒輪測量中心為測控非線性螺旋曲面提供了工具。
90年以來，在世界范圍內(nèi)，齒輪測量技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了幾股值得注意的現(xiàn)象：①齒輪整體誤差測量技術(shù)與齒輪坐標(biāo)測量技術(shù)合二為一。成都工具研究所推出了既有標(biāo)準(zhǔn)蝸桿又有測頭的齒輪測量機(jī)CZN450，而國外的CNC齒輪測量中心也能給出"虛擬整體誤差"。②齒輪測量中心與三坐標(biāo)測量機(jī)的合二為一，如美國TSK公司的Rdaiance和Process Equipement Company的ND430。③功能測試與分試測試的合二為一。簡化齒輪測量是發(fā)展趨勢，齒輪整體誤差測量儀因高效率地給出齒輪全信息而被世界接受。
    展望未來，齒輪量儀相關(guān)的研發(fā)重點(diǎn)是：齒輪網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)；基于實(shí)測結(jié)果的齒輪性能虛擬分析技術(shù)(智能配對、動力學(xué)性能預(yù)報(bào)等)；齒輪整體誤差測量技術(shù)(指標(biāo)量化、性能優(yōu)化等)；齒輪誤差的智能分析技術(shù)；齒輪統(tǒng)計(jì)誤差概念體系的建立及其相應(yīng)的測量技術(shù)；生產(chǎn)現(xiàn)場的齒輪快速測量與分析技術(shù)(目前ITW的Model4823為450～600件/時；目標(biāo)：1000件/時)；精密機(jī)械、光電技術(shù)、微電子技術(shù)、軟件工程等技術(shù)在齒輪上的應(yīng)用。


[ 本帖最后由 duomeiti 于 2008-10-12 23:30 編輯 ]