目前常用的齒輪精度測(cè)量方法有兩種，一種是齒輪嚙合試驗(yàn)法，用以判斷一對(duì)齒輪副的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)性能；另一種是幾何解析測(cè)量法，它將被測(cè)量齒輪實(shí)際齒面形狀和理論值進(jìn)行比較測(cè)量。齒輪大多為漸開(kāi)線齒輪，其測(cè)量原理和非漸開(kāi)線齒輪的測(cè)量原理是不同的。
漸開(kāi)線齒輪的測(cè)量 漸開(kāi)線齒輪的測(cè)量原理
測(cè)量漸開(kāi)線齒輪的齒面形狀時(shí)，測(cè)頭置于被測(cè)齒輪基圓的切線上，被測(cè)齒輪的回轉(zhuǎn)和測(cè)頭的直線運(yùn)動(dòng)，按照展成關(guān)系進(jìn)行控制。在以往機(jī)械式齒輪測(cè)量?jī)x中采用了基圓盤(pán)；如今儀器的軸系導(dǎo)軌上都裝有圓編碼器或長(zhǎng)編碼器(長(zhǎng)刻度尺)，由計(jì)算機(jī)按展成關(guān)系實(shí)現(xiàn)高速、高精度的NC控制(見(jiàn)圖1)。
漸開(kāi)線齒輪測(cè)量的可溯源性
近年來(lái)，因生產(chǎn)工程集團(tuán)化，ISO9000得以普及，圖2所示的測(cè)量值可溯源體系的有關(guān)問(wèn)題得到重視。目前，ISO正對(duì)齒輪測(cè)量?jī)x器的精度評(píng)定方法制訂有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，德、美兩國(guó)已經(jīng)確立了溯源體系頂端的國(guó)家機(jī)構(gòu)。在日本，企業(yè)是用基于ISO標(biāo)準(zhǔn)建立起的JIS標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確立齒輪精度的等級(jí)，由于沒(méi)有建立如圖2所示的可溯源體系，因而測(cè)量誤差值的保證體系還沒(méi)有建立起來(lái)。所以，日本齒輪工業(yè)協(xié)會(huì)組建了一個(gè)項(xiàng)目組，對(duì)“超精密齒輪精度檢驗(yàn)評(píng)定方法的標(biāo)準(zhǔn)化”進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了高精度齒輪測(cè)量?jī)x器，它適用于檢驗(yàn)一般齒輪測(cè)量?jī)x器用樣板。
由大阪精機(jī)承擔(dān)制造的高精度CNC齒輪測(cè)量?jī)x，其測(cè)量精度(重復(fù)性)為0.2～0.3μm，我們進(jìn)行了如下技術(shù)開(kāi)發(fā)：
(1)上下頂尖采用氣浮軸承，提高了主軸回轉(zhuǎn)精度；
(2)主軸氣浮軸承中內(nèi)裝有高精度圓光柵，提高了輸出性能；
(3)齒形和齒向的測(cè)量滑座都采用了氣浮導(dǎo)軌，提高了測(cè)量運(yùn)動(dòng)性能；
(4)采用激光測(cè)長(zhǎng)儀來(lái)檢查誤差，測(cè)量放大倍數(shù)可達(dá)10000倍。
該儀器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，測(cè)頭的直線運(yùn)動(dòng)也采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二者用NC控制來(lái)實(shí)現(xiàn)漸開(kāi)線或齒向的展成運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。齒距誤差按齒距等分、與齒面接觸的測(cè)頭的位移變化量，通過(guò)激光測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。位移檢測(cè)元件安裝在平行簧片上，而測(cè)座上裝有反射鏡，激光束照射其上進(jìn)行齒面精度的測(cè)量。
目前，該儀器已安置于日本電氣通訊大學(xué)內(nèi)，進(jìn)行儀器測(cè)試、數(shù)據(jù)采集，以分析測(cè)量的不確定度。
非漸開(kāi)線齒輪的測(cè)量
在所討論的漸開(kāi)線齒輪齒面的檢測(cè)中，其檢測(cè)儀器主軸的回轉(zhuǎn)和測(cè)頭的直線運(yùn)動(dòng)均采用CNC控制以實(shí)現(xiàn)同步，而非漸開(kāi)線齒形的齒輪，特別是錐齒輪等，其齒面形狀是三元函數(shù)的，測(cè)量時(shí)，必須將實(shí)際齒面的坐標(biāo)位置和預(yù)先計(jì)算出來(lái)的理論齒面三維坐標(biāo)值進(jìn)行比較測(cè)量。準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面的測(cè)量以及用測(cè)量的結(jié)果來(lái)評(píng)定準(zhǔn)雙曲面齒輪的性能就是一典型事例。
準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面的測(cè)量
準(zhǔn)雙曲面齒輪的齒面形狀是復(fù)雜的三元形狀，它由準(zhǔn)雙曲面齒輪制造商提供的參數(shù)而確定、用計(jì)算機(jī)計(jì)算得到。通常情況下，用計(jì)算得到的切齒機(jī)的調(diào)整參數(shù)作為切齒齒面三維坐標(biāo)的測(cè)量基準(zhǔn)。
在大阪精機(jī)生產(chǎn)的準(zhǔn)雙曲面齒輪測(cè)量?jī)x(HYB-35)上測(cè)量大齒輪時(shí)，和其它測(cè)量?jī)x器一樣，將依據(jù)機(jī)床的安裝調(diào)整參數(shù)而建立的幾何齒面作為基準(zhǔn)值；而對(duì)與大齒輪相嚙合的小齒輪，則以和大齒輪齒面共軛的齒面作為基準(zhǔn)。這樣就可能通過(guò)測(cè)量來(lái)證實(shí)齒輪副是否處于理想嚙合狀態(tài)。在同一臺(tái)儀器上，用三維測(cè)量?jī)x測(cè)量不同的離散點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn))，就能如測(cè)量漸開(kāi)線齒輪一樣，從齒輪的一個(gè)端面到另一個(gè)端面，沿不同的測(cè)量軌跡測(cè)量不同的齒形和齒向。這樣就可測(cè)量到齒面上的凹凸、研磨留下的臺(tái)階突跳及齒輪端部的飛邊毛刺等。如圖5所示，對(duì)齒形和齒向進(jìn)行測(cè)量，就可以采用與漸開(kāi)線齒輪相同的方法來(lái)對(duì)準(zhǔn)雙曲面齒輪的質(zhì)量實(shí)施管理。
齒輪的性能分析
作為齒輪性能分析的實(shí)例，基于上述采用準(zhǔn)雙曲面齒輪測(cè)量?jī)x的齒面測(cè)量結(jié)果進(jìn)行嚙合模擬仿真的相關(guān)技術(shù)介紹如下。
在該仿真中，基于準(zhǔn)雙曲面齒輪副的齒面測(cè)量數(shù)據(jù)，是相對(duì)于大齒輪理論齒面的誤差和相對(duì)于小齒輪齒面的共軛齒面的誤差二者合成的結(jié)果，是求出的齒輪副總的齒面誤差——稱其為相對(duì)齒面誤差。然后再求出嚙合瞬間接觸點(diǎn)的軌跡。在嚙合區(qū)的一個(gè)齒距內(nèi)，按照各個(gè)接觸點(diǎn)周圍5μm嚙合間隙范圍來(lái)預(yù)測(cè)齒面的接觸形狀。進(jìn)而求出基于相對(duì)誤差的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差(運(yùn)動(dòng)誤差)。利用富里哀變換，可求得傳動(dòng)誤差的1～6次嚙合諧波分量。
利用該技術(shù)就有可能用實(shí)測(cè)值來(lái)進(jìn)行仿真，而以往僅依據(jù)理論齒面數(shù)據(jù)是無(wú)法做到的。
近年來(lái)發(fā)表的齒輪測(cè)量技術(shù)成果
單面嚙合齒形測(cè)量法
德國(guó)FRENCO公司的齒輪嚙合掃描測(cè)量法，如圖7所示。通常，中間為被測(cè)齒輪，兩側(cè)配置測(cè)量齒輪(齒形測(cè)量齒輪和齒向測(cè)量齒輪)進(jìn)行單面嚙合測(cè)量。測(cè)量齒輪的齒面經(jīng)特殊處理，使它在限定范圍內(nèi)進(jìn)行嚙合，從其嚙合誤差數(shù)據(jù)中得到圖8所示的齒面誤差拓樸圖。其測(cè)量齒輪的制作需要極高的制造技術(shù)。
激光全息齒輪測(cè)量法
AMTEC公司發(fā)表了采用激光全息技術(shù)進(jìn)行齒輪非接觸測(cè)量的方法。在該裝置上采用了圖9所示的CONO光學(xué)傳感器測(cè)頭。齒輪回轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)測(cè)頭位置的變化，可以測(cè)出齒輪的截面形狀。采用該方法和現(xiàn)有的觸針式測(cè)量方法，它們的測(cè)量結(jié)果是相一致的。非接觸測(cè)量既不會(huì)劃傷齒面，又不會(huì)因測(cè)力而使齒面產(chǎn)生彎曲變形。
光干涉齒面形狀測(cè)量法大阪精機(jī)公司開(kāi)發(fā)的、利用激光全息法對(duì)齒輪全齒面進(jìn)行測(cè)量的裝置構(gòu)成圖。齒面形狀測(cè)量結(jié)果。該方法能夠一次測(cè)出全齒面的形狀誤差，但是全齒面的反射光會(huì)受到其它齒的干涉，而感光元件必須要能感受到反射光才行。因而它不能測(cè)量大螺角齒輪。
用原子力測(cè)頭對(duì)齒形精度的測(cè)量在該儀器上測(cè)量大阪精機(jī)公司制造的齒輪漸開(kāi)線樣板的結(jié)果。所用測(cè)針的頂端曲率半徑為2μm，因而可以測(cè)量齒面的粗糙度。松下電器產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的采用原子力測(cè)頭的超精密三維測(cè)量?jī)x。由于測(cè)頭按直線方向配置，故齒輪測(cè)量受到一定限制，但在測(cè)量限定齒數(shù)的齒輪樣板時(shí)，其測(cè)量精度可達(dá)到納米級(jí)。
綜上所述，齒輪測(cè)量中的漸開(kāi)線齒輪測(cè)量，要建立起其測(cè)量精度傳遞(溯源)體系，有必要開(kāi)發(fā)出高精度齒輪測(cè)量技術(shù)。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)齒輪測(cè)量的高速化，對(duì)錐齒輪及非漸開(kāi)線齒輪的測(cè)量也提出了要求。今后，還應(yīng)考慮微小齒輪的測(cè)量問(wèn)題。對(duì)齒輪測(cè)量?jī)x器及其相關(guān)技術(shù)有必要不斷改進(jìn)提高。
