（机械制造及其自动化专业论文）齿轮安装偏心情况下在机测量方法的研究.pdf

齿轮安装偏心情况下在机测量方法的研究 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：平移穆曹笏 指导教师签字： 摘要 随着制造技术不断提高，作为大型设备的重要基础件，大齿轮的应用范围越来越广， 其高精度测量变得同趋迫切和重要。在分析比较国内外大型齿轮测量原理与技术发展现况 和需求的基础上，确定了以安装偏心情况下大齿轮的在机测量，作为本论文的研究方向。 论文以渐丌线圆柱齿轮为研究对象，研究了安装偏心情况下齿轮的在机测量方法，为 齿轮在机测量技术的完善与发展提供了理论基础。 按照新的国家齿轮标准规定，对于单个齿轮必须检验三个偏差项目：齿廓偏差、螺旋 线偏差和齿距偏差。因大齿轮测量中对正调整操作比较复杂，调整所用时问比较长，所以 本论文的在机测量主要定位于齿轮安装偏心情况下齿廓偏差、齿距偏差和螺旋线偏差的检 测。论文在研究分析现有齿轮在机测量理论与技术的基础上，提出偏心情况下齿轮偏差在 机测量的原理与技术方案，即通过控制测头测量位置补偿偏心对齿轮廓面的影响，建立了 齿形偏差、齿距偏差与齿向偏差的误差模型，并确定了测量时的运动控制，最终经数据处 理，计算出被测齿轮的齿形偏差、齿距偏差与齿向偏差。论文对安装偏心情况下齿轮在位 测量中的关键技术，如测头拾取位置的确定、偏心的测量误差对齿轮测量精度的影响，尤 其是安装偏心误差的补偿进行了深入的研究。 除了以上理论研究，本文还对齿轮安装偏心情况下的在机测量进行了软件部分的设 计。 关键词：大齿轮；安装偏心；在机测量；齿形误差；齿距误差；齿向误差 s t u d yo fi n - s u i ti n t e g r a t e dm e a s u r i n gt h e o r ya n d t e c h n o l o g yf o rl a r g eg e a r d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ： 吗姆 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：u 钐了：出 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , a si m p o r t a n tb a s ep a r to fl a r g e s c a l e e q u i p m e n t ，l a r g eg e a ri sa p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h e r e f o r e ，t h er e q u i r e m e n to fh i g h m e a s u r i n gp r e c i s i o nb e c o m e ss t r i n g e n t b a s e do na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd o m e s t i ca n d f o r e i g nm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo fl a r g eg e a r ，i n - s u i tm e a s u r e m e n to ft h eg e a rb e e n i n s t a l l e de c c e n t r i c a l l yi sa s c e r t a i n e da s t h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i st h e s i s i n v o l u t eg e a r ，a st h eo b j e c ti nt h et h e s i s ，i t si n - s u i tm e a s u r e m e n t so ft h eg e a rb e e ni n s t a l l e d e c c e n t r i c a l l ya r es t u d i e d ，w h i c ho f f e r st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep e r f e c t i o na n dd e v e l o p m e n t o fi n s u i tm e a s u r e m e n t st e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h en e w n a t i o n a lg e a rs t a n d a r d ，t h r e ed e v i a t i o n - m e a s u r i n gi t e m sm u s tb e i n c l u d e di nt h ec h e c k o u to fs i n g l eg e a r ：p r o f i l ed e v i a t i o n ，h e l i xd e v i a t i o na n dp i t c hd e v i a t i o n b e c a u s et h eo p e r a t i o no fa d j u s t m e n ti nt h el a r g eg e a rm e a s u r e m e n ti sc o m p l i c a t e d ，al o n gt i m e w i l ls p e n t ，s ot h em a i nr e s e a r c ho b j e c t i v eo ft h i st h e s i si sl a i do nt h ec h e c k o u to fp r o f i l e d e v i a t i o n ，h e l i xd e v i a t i o na n dp i t c hd e v i a t i o nw h e nt h eg e a ri si n s t a l l e de c c e n t r i c a l l y a f t e r r e s e a r c ho fm e a s u r i n gt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fi n s u i tm e a s u r e m e n to ft h eg e a r , t h et h e o r ya n d t e c h n o l o g yo fi n - s u i tm e a s u r e m e n tw h e nt h eg e a rb e e ni n s t a l l e de c c e n t r i c a l l yi sp u tf o r w a r d t h a ti s ，c o m p e n s a t i n ge c c e n t r i co nt o o t hp r o f i l eb yc o n t r o l l i n gt h el o c a t i o no ft h ep r o b e t h e e r r o rm o d e lf o rt h et o o t hp r o f i l ed e v i a t i o n ，h e l i xd e v i a t i o na n dp i t c hd e v i a t i o ni se s t a b l i s h e d ，t h e m o t i o nc o n t r o li nm e a s u r e m e n ti se n s u r e d t h em e a s u r i n gd a t aa r ep r o c e s s e da n dt h et o o t h p r o f i l ed e v i a t i o n ，h e l i xd e v i a t i o na n dp i t c hd e v i a t i o na r et h u sc a l c u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ek e y t e c h n o l o g i e so fi n - s u i tm e a s u r i n gw h e nt h el a r g eg e a ri si n s t a l l e de c c e n t r i c a l l y , s u c ha st h e s i g n a lc o l l e c t i o no fp r o b e ，a n dt h ei m p a c to ft h ee c c e n t r i c a t i o nm e a s u r m e n to ng e a rm e a s u r i n g a c c u r a c y , e s p e c i a l l yt h ec o m p e n s a t i o no fe c c e n t r i c a t i o na r er e s e a r c h e di n - d e e p l y a f t e rt h ea b o v et h e o r e t i c a ls t u d y , i nt h i st h e s i s ，t h es o f t w a r eo fi n - s u i tm e a s u r e m e n tw h e n t h eg e a ri si n s t a l l e de c c e n t r i c a l l ya r ed e s i g n e d k e yw o r d s ：l a r g eg e a r ：e c c e n t r i c a li n s t a l l a t i o n ；i n s u i ti n t e g r a t e dm e a s u r e m e n t ：p r o f i l e d e v i a t i o n ；h e l i xd e v i a t i o n ；p i t c hd e v i a t i o n 主要符号表 基圆半径 分度圆半径 法向压力角 分度圆螺旋角 齿轮齿数 齿轮转角 径向振摆值 安装偏心的幅值 安装偏心的相角 啮合线增量 测头球心径向坐标 极角 起测点极径 测球半径 齿形误差 齿距累计总偏差 齿距累计偏差 螺旋线总偏差 r 口z 驴每e 竹 毛岛而q昕崛峨嵋 学位论文知识产权声i 刃 学位论文知识产权声明 - 本人完全了解西安工业学院有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业学院。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍为西安工业学院。学院有权保留送交的学位 论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 学位论义独创件声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或 他人己申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：律移套鹆 指导老师签名： 日期： 4 l 1 绪论 1 1 大齿轮测量技术的发展和现状 1 绪论 作为大型成套设备的关键或重要基础件，大齿轮在船舶、矿山、冶金、发电、宇航等 设备中的应用越来越广泛，如大型发电机组、导弹发射架等，其质量、性能、寿命直接影 响整机的技术经济指标。随着对大型成套设备的质量要求越来越高，目前世界上大齿轮制 造技术在不断提高，大齿轮的高精度测量变得日趋迫切和重要i l l 。 多年来，国内外诸多学者在大型齿轮测量领域进行了广泛的研究，丰富了大型齿轮测 量方面的理论和方法1 2 。7 l 。根据齿轮精度标准，可将现代齿轮测量方法归纳为如下三种： 1 ) 齿轮单项几何形状误差测量法它采用坐标式几何解析测量原理，将齿轮作为一 个具有复杂形状的几何实体，在所建立的测量坐标系( 直角坐标系、极坐标系或圆柱坐标 系) 上，按照设计几何参数对齿轮齿面的几何形状偏差进行测量。测量方式主要有两种： 离散坐标点测量方式和连续几何轨迹点扫描( 如展成) 测量方式，这两种方法的优点是便 于对齿轮( 尤其是首件) 加工质量进行分析和诊断、对机床加工工艺参数进行再调整；仪 器可借助于样板进行校正，实现基准的传递； 2 ) 齿轮综合误差测量法它采用啮合滚动式综合测量法，把齿轮作为一个回转运动 的传动元件，在理论安装中心距下，和测量齿轮啮合滚动，测量其综合偏差。综合测量又 分为齿轮单面啮合测量和齿轮双面啮合测量。前者是用以检测齿轮的切向综合偏差和单齿 切向综合偏差；后者是用以检测齿轮的径向综合偏差和单齿径向综合偏差； 3 ) 齿轮整体误差测量法它把齿轮作为一个用于实现传动功能的几何实体，或采用 坐标式几何解析法对其单项几何精度进行测量，并按齿轮啮合传动顺序和位置，集成为一 条“静态齿轮整体误差曲线；或按单面啮合综合测量方式，使用特殊测量齿轮，采用滚 动点扫描测量法对其进行测量，得到齿轮“运动”整体误差曲线【8 l 。在这些测量方法中， 齿轮单项几何形状误差测量法处于主导地位。 在检测仪器方面，各国均开发了由计算机控制的齿轮量仪，其机构大量应用新技术和 新元件，如计算机数控技术运用于控制、驱动、数据处理等；光栅、同步感应器、容栅、 磁栅、电感测微技术、电容测微技术、激光测量技术等用于位移测量，不断提高齿轮测量 精度1 9 1 。综合而言，从测量仪器型式上来分，大型齿轮齿形、齿向、齿距等各项误差的 测量可有如下几类： 1 ) 台式仪器其特点是将被测齿轮放在量仪上进行检测。用于大型齿轮测量的台式 量仪基本上是中、小尺寸齿轮台式量仪的放大，其在测量原理和方法上没有什么变化，基 本上沿用了中、小模数台式量仪的原理和技术，采用的测量方法主要是展成测量技术与坐 标测量技术。 两安丁业人学硕l ：学位论文 展成测量技术是根据展成原理以渐开线为基准进行测量的，有机械展成和电子展成两 种方法，机械展成法是早期齿轮量仪的主要形式，它由一套纯机械组成展成机构，而电子 展成法是由机械展成法发展而来的，由数控装置、伺服驱动装置及传动装置组成一个代替 纯机械的机电一体化展成系统，机械结构简单，精度及自动化程度高。如德国c a r lm a h r 从n 0 8 9 1 发展了一系列产品，这些仪器的调整精度均为士lj l ，仪器可测齿形、导程及齿面 光洁度等参数；日本大阪精密生产的单盘渐丌线导程仪g c 6 h 及万能渐丌线导程仪 g c 1 2 h p ，可实现渐开线、导程、齿距和偏心度的一次安装测量，测量的齿轮的最大直径 为2 0 0 0 m m ，模数为1 2 5 m m ；德 k l i n p e l n b e r g 公司生产的单盘式渐开线导程检查仪 p f s u 6 0 0 ，p f s u l 6 0 0 ，p f s u 2 2 5 0 ，p f s u 2 5 0 0 等，可测齿形、导程齿距和齿面光洁度等，测 量的齿轮最大直径为2 5 0 0 m m ，螺旋角为0 9 0 。，最大模数为2 0 m m ；等等。采用直角坐标 原理的台式量仪，通过测量齿面上被测点的各坐标值并做数据处理来获得齿轮的各项误 差，如美国f e l l o w s 公司m i c r o l 0 9 5 0 四坐标测量系统，仪器可测最大齿轮直径垂1 2 7 0 r a m ， 导程不限，可以测内外齿轮的齿形、导程、齿距等1 1 2 j ；我国哈尔滨量具刃具集团有限责 任公司的直角坐标式齿轮测量机p f s u l 2 0 0 、f s u l 6 0 0 、万能齿轮测量机3 0 0 6 、3 0 0 8 均具 有较大的测量范围及较高的测量精度。代表台式量仪发展方向的是c n c 齿轮测量中心，采 用坐标测量原理。迄今已有美国、德国、同本、瑞士、中国、意大利等几个国家生产c n c 齿轮测量中心。 台式量仪精度比较高，测量的误差种类也比较多，测量齿形、齿向及齿距所用的原理 和方法比较简单。不利的方面是当齿轮的尺寸大时，相应的量仪的结构尺寸也应很大，这 使测量的大型齿轮的直径、模数范围等受到很大限制，一般被测齿轮的直径不能超过 m2 5 0 0 m m 。另外这些量仪一般安装在计量室内使用，不适合安放在加工现场。 2 ) 上置式量仪针对台式量仪的局限，上置式量仪在测量的思路上产生很大变化， 仪器一般以被测齿轮的齿面或齿顶定位并支承在被测齿轮上完成齿轮多项误差的测量。在 测量原理上可有基圆盘展成法、坐标法、圆弧基准法或直线基准法等。如瑞士m a a g 公司的 f - 3 0 0 和f 3 6 0 上置式齿形检查仪等，采用基圆盘展成法，利用渐开线展成原理，以一个与 被测齿轮同心安装且半径等于被测齿轮半径的扇形板为基准，通过与其纯滚的直尺上的测 头检查出被测齿形误差；瑞士m a a g 公司的e s - 4 3 0 上置式齿形仪、我国哈尔滨量具刃具 厂研究开发了上置式齿形测量仪3 2 8 0 等，采用直角坐标法，测量齿面上各点的x 、y 坐标值， 通过数据处理而得到齿形误差；英国g o u l d e r - m i l k r o n a e 1 上置式齿形量仪等，采用圆弧 基准法，以一定的圆弧曲线代替渐开线进行测量，圆弧中心一般选为齿面节点的曲率中心， 圆弧半径为节点处的曲率半径，此原理适合于精度不高、模数不大、齿数较多的齿轮测量， 对精度稍高些的齿轮测量，可以对测量结果进行原理误差补偿：苏联古比雪夫巨型推土机 厂的桥式大齿轮量仪等，采用直线基准法，用一特定的直线代替被测齿轮的理论渐开线齿 形对实际齿形进行测量，由于这种方法原理误差较大，因此必须对测量结果进行原理误差 补偿，此原理一般只使用于精度比较低的齿轮测型1 3 j4 1 。 2 西安t 业人学颐i ：学位论文 上置式量仪装置体积小、成本低，可保证一定精度的测量，不足之处是这类量仪一般 将测量基准建立在误差不可知的被测齿轮上，定位精度较低，致使测量精度不高。 3 ) 旁置式量仪又可称为便携式量仪。如西德h o f l e r 公司生产的与三坐标测量机配 套使用的旁置式齿形、齿向测量装置；p o l i 、f a r d a r m 公司的多关节式坐标测量机，采用了 高精度光栅和内置平衡系统，且带有温度补偿，精度可达0 0 2 5 m m 1 2 m 1 1 5 j 。 其最大的特点就是体积小巧、重量轻，便于携带，便于现场使用，并能保证一定的精 度，典型的“以小测大 。 4 ) 在机式量仪此类量仪是将测量机构装卡在加工机床上来实现齿轮多项误差的检 测，称为在机测量。如日本大阪精密的g c 2 0 h p 、东京电讯大学研制的在大型精密滚齿 机工作台侧向圆柱面录磁以实现角度测量，线位移测量装于滚齿机刀架上的齿轮就地测量 仪器l 幡1 7 1 。当代先进的齿轮加工机床集加工、检测于一体，如德国h u r t h 公司生产的 w f 3 5 0 0 大型滚齿机、瑞士m a a g 公司在其生产的5 m 磨齿机上配置了测量基准和相应附 件，可完成齿形、齿向误差的在机测量等。国内成都工具研究所，大连理工大学等单位于 2 0 世纪9 0 年代末至2 l 世纪初，相继开发出了齿轮的在机检测装置和系统。齿轮的在机检测 装置和系统的特点是：测量仪器( 装置) 在机床上占有预定的位置，用于测量基准的传感 器、轴系、导轨、运动部件，甚至测量所需的电气部件、计算机硬件、软件部分或全部地 与机床共同，能够在机测量出齿轮的齿形、齿向及齿距等多项误差。该在机检测装置和系 统，目前已在大型磨齿机、滚齿机、插齿机上推广应用1 1 8 - 2 2 1 。 在机式量仪一般将测量机构定位于机床刀架上，该类量仪克服了台式量仪测量齿轮的 范围不能很大的局限，同时仪器定位于机床上，测量基准与齿轮的设计基准、工艺基准重 合，定位基准比上置式量仪高，使得测量精度有较大的提高。这就能够及时发现加工时出 现的偏差，对工艺问题进行分析，从而便于及时修正，实现对大齿轮的指导性加工，有效 的保证了齿轮制造精度，这也是目前人们致力于研究此类量仪的重要原因。但是在机式量 仪受加工机床的限制，如机床的原始误差影响测量精度、测量条件与测量环境等问题的影 响，测量精度、实施措施仍有待于进一步提高。尚需不断探索新的测量技术和测量方法， 如进行误差分离与误差补偿、有效克服在机测量的限制等，从而提高测量精度，一些学者 在此方面已进行了可贵探索，如文献 2 3 在测量齿向误差时，运用“最小二乘法 计算出 齿轮螺旋角，可消除机床的立柱导轨几何误差对齿向测量精度的影响；文献 2 4 通过建立 补偿数学模型提高仪器的定位精度。可以看到，在机式量仪测量超大型齿轮具有很大的优 越性，但测量技术还有待发展。 当前齿轮制造业的一个发展趋势，是将齿轮测量技术和齿轮设计、加工制造进行集成， 实现齿轮制造信息的融合及c a d c a m c a t 的集成，从而构建一个先进的齿轮闭环制造 系统( 可称为数字化闭环制造系统) 。将齿轮测量装置集成于齿轮加工机床，齿轮试切或 加工后不用拆卸，立即在机床上进行测量，根据测量结果对机床( 或砂轮) 参数及时调整 修正( 主要针对磨齿) 。这对于成形磨齿加工和大齿轮磨齿加工而言，在提高生产效率、 3 西安工业人学硕i j 学位论文 降低成本方面，尤其具有重要意义。 国外许多大型齿轮的加工最终都靠磨齿机来保证精度，这些高精度磨齿机都自带检测 装置，主要厂商有德国k a p p 公司、h o f l e r 公司、g l e a s o n 公司，瑞士o e r l l k o n 、r e i s h a u e 公司，美国格里森公司，匈牙利c e p e l 公司，同本k a s h i f u j i 公司，意大利s a m p u t e n s i l i 公司 等，市场可见产品的最大加工直径可达4 m ，精度4 级，如n i l e s ( 现属于k a p p 公司) 的z p 4 0 型磨齿机l 辱2 7 1 。应该说，c n c 齿轮加工机床的迅速发展，为推动齿轮在机测量技术的应 用和发展提供了可靠的工作平台。 近年来，我国在磨齿机研发方面也取得了很大的突破，像国内的上海机床厂股份有限 公司、天津第一机床厂、重庆机床厂、陕西秦川机械发展股份有限公司都已提供了新的产 品。特别是陕西秦j l i 机械发展股份有限公司，目前市场上销售的国产磨齿机很多都是该公 司生产的，该公司与西安理工大学合作对大型磨齿机的齿轮在机测量系统进行了开发，并 已经在市场上推广。y l ( 7 3 ：1 2 5 型数控成形砂轮磨齿机就是该公司根据市场需求研制的最新 一代大规格数控成形砂轮磨齿机，虽然该仪器性能与外观日趋成熟完善，但跟国外同类产 品相比，软件功能还存在差距，并在一定程度上阻碍了在机测量技术的发展，需要进一步 的研究。 1 2 课题来源与背景 1 ) 课题来源 本课题来源于与陕西秦j i l 机械发展股份有限公司合作开发项目。 2 ) 课题背景 随着汽车及航空工业的发展，对传动齿轮的技术要求越来越高，对于要求较高的传动 齿轮，通常要求淬硬后进行磨齿加工，但由于有些齿轮结构或参数的限制用常规的磨齿方 法不能进行有效的加工，c b n 成形磨齿法是在人工超硬磨料立方氮化硼( c b n ) 发展的基础 上，针对上述问题于8 0 年代发展起来的一种新的成形磨齿方法i 揖2 9 1 。 齿轮成形磨削要求将砂轮修整为齿轮的齿廓形状，通过砂轮的高速旋转和砂轮或工件 的进给运动相结合完成齿轮的磨削加工。它是一个传统的磨齿方法，由于过去分度精度和 速度、砂轮整形精度和速度及磨齿效率等都低，一直很少被采用。近年来随着c b n 技术 和c b n 成形砂轮成功地用于成形磨齿工艺，分度精度和速度、砂轮整形精度和速度以及 磨齿效率等获得极大地提高并可以方便地实现齿根磨削，尤其在大齿轮磨削加工中砂轮成 形磨削显示出它的优越性i 孙3 引。其保证齿轮加工精度的主要措施是对砂轮进行在线修整， 以补偿由于砂轮磨损造成的加工误差。而砂轮修整的依据就是加工齿轮的齿形误差，因此 在加工过程中需要对齿轮进行测量，这就对大齿轮测试技术及测量仪器提出了更高的要 求。 如图1 1 所示是大型成形砂轮磨齿机。在成形磨齿过程中，一方面，齿坯安装在工作 台上，其内孔中心与工作台的旋转中心难免存在安装偏心，即几何偏心。如果不调整安装 4 n 宣t 业人学碰i 哔位论文 偏心，按常规方法加工，则加工出的齿轮对齿轮几何中心来说，齿形分布是不均匀的，存 在很大的误差，不能满足使用要求。另一方面，在实际生产过程中，山于大型齿轮尺寸犬、 重量重，对正调整操作比较复杂，加之精度要求很高，所以调整所用时问比较长，这在很 大程度上影响了大齿轮加工的效率。 围1 1 大型成形砂轮磨齿机 国外的n i l e s 公司虽然提出了齿坯安装偏心调整的方法1 3 4 ，但由于知识产权等问题， 目前国内还无法得到完整的资料，所以需要进一步地探索有效的加工和测量方法，以省去 齿轮安装对正时间，提高生产效率。 基于这种情况陕西秦川机械发展股份有限公司针对大规格的数控成形磨齿机 y k 7 3 1 2 5 提出了一种新需求齿轮安装偏心情况下的加工方法。即齿坯即使安装偏心， 也能加工出没有偏心时所加工的齿轮的精度。我校测控所与秦川机械发展股份有限公司合 作，对此项目进项了开发，我的同学郭燕妮进行了相关研究，并在秦j i l 机械发展股份有限 公司成功地进行了原理试验。这种方法的原理是在齿轮安装偏心情况f ，对齿轮的安装偏 心进行精确测量，根据安装偏心对各齿影响的不同，通过控制机床的运动来实现安装偏心 的补偿。显然，在安装偏心情况下对齿轮进行加工的过程中，需要通过测量齿轮误差而及 时发现加工时出现的偏差，进行工艺因素分析，进而修正加工误差，实现对太齿轮的指导 性加工保证齿轮制造精度。在加工结束后，还需要做终结检测，为大型齿轮制造后的验 收提供依据。如果将齿轮安装对正后再测量，势必影响生产效率，失去了在偏心情况下加 工的意义，因此需要研究齿轮安装偏心情况下的在机测量方法，在加工过程中或加工结束 后，对齿轮进行误差测量。 本课题作为与陕西秦川机械发展股份有限公司合作丌发的项目，正是在此背景下进行 立项的，旨在研究大型齿轮安装偏心情况下的齿形、齿向、齿距误差在机测昂技术。论文 研究安装偏心情况下大齿轮在机测量的原理与技术，在原有的理论基础上，提出了新的测 两安t 业大学硕i ：学位论文 量技术方案，即基于极坐标法测量原理的齿轮安装偏心情况下在机测量方法。 1 3 本论文研究的目的和意义 目前国内对于安装偏心情况下齿轮的测量方法的研究还不多见，我校测控研究所对 偏心情况下齿轮的测量方法进行了研究1 3 引，提出了齿轮测量控制运动方法，并开发了相 关的齿轮测量软件。该软件可以用来测量圆柱齿轮，并分离出偏心带来的误差，从而省去 齿轮对中时间，大大地提高齿轮生产效率，已在3 9 1 0 、3 9 1 5 和3 9 2 0 型c n c 齿轮测量中 心上实现。而如何实现齿轮安装偏心情况下的在机测量方法，j 下是本文要研究的问题。 应用于c n c 齿轮测量中心的安装偏心情况下的测量方法是用展成法来进行测量的， 这种方法需要在丁轴运动采点，但y k 7 3 1 2 5 型数控成形磨齿机无论在加工还是测量过程 中，其丁轴是基本固定的，如果要调整，也是在很小的范围内调整。很显然，该方法不适 用于y k 7 3 1 2 5 型磨齿机。而极坐标法正好可以解决这一问题。齿轮安装对正情况下，采 用极坐标法对渐开线齿形进行测量时，其工作台在旋转的同时，测头按渐开线极坐标方程 厂；r ( 0 1 沿径向移动，同时测量实际齿形偏差。此方法测量齿形，不需要切向运动机构，可 以简化齿轮测量中心的机械结构。目前国内既有齿轮安装偏心情况下的测量方法的研究成 果，也有很多关于极坐标法测量渐丌线齿轮的研究，但却没有基于极坐标法测量原理的安 装偏心情况下齿轮在机测量方法的研究。考虑到y k 7 3 1 2 5 型数控成形磨齿机的实际特点， 决定将齿轮安装偏心情况下的在机测量方法作为本课题的研究对象。 所以，本课题旨在进一步完善y k 7 3 1 2 5 型数控成形磨齿机的测量功能，研究成形磨 齿中齿轮安装偏心对测量过程的影响，然后对机床的测量控制进行调整，以此来补偿偏心 引起的误差，并设计相应的测量控制软件，达到安装偏心情况下齿轮在机测量的目的。 本课题的研究对于成形磨齿加工和大齿轮磨齿加工而言，在提高生产效率、降低成本 方面，具有重要意义。本文以大型齿轮加工设备( 大型磨齿机) 为依托，立足于安装偏心情 况下齿轮在机测量方法的研究，针对实际的测量条件，在传统的测量原理和技术上做出一 些突破性的改进，丰富和发展了大型齿轮精确测量技术，对于齿轮在机测量技术的完善与 发展，以及装备制造业的发展具有重大意义，具有广泛的应用前景和推广价值。 1 4 课题的内容 本课题以y k 7 3 1 2 5 型数控成形磨齿机为依托，以渐开线圆柱齿轮齿廓曲线形成理论为 基础，研究齿轮安装偏心情况下在机测量方法的理论，设计测量控制软件。主要研究内容 有： 1 ) y k 7 3 1 2 5 数控成形磨齿机介绍了y l o 甲 图4 2 齿轮对正带 则安装偏心的幅值和相角分别为 齿轮对正带 ( 4 1 9 ) 两安t 业人学硕1 ：学位论文 e-。x墨x12+y12 刎 本章分析了偏心情况下影响齿轮测量的因素，对安装偏心幅值的测量误差和相角测量 误差对齿距偏差测量的影响进行了详细分析，得出应开发专用偏心测量程序，精确测出偏 心的幅值和相位角的结论，故在本章的最后提出了一种方便有效的安装偏心的测量方法。 5 测量控制软件的设汁 5 测量控制软件的设计 齿轮测量控制软件设计的主要工作包括：齿轮测量控制软件的原理设计；齿轮测量控 制软件功能模块划分；齿轮测量控制软件的详细设计。本章的重点在于对齿轮测量控制软 件的详细设计。 5 1 齿轮测控软件设计原理 作为一个复杂的测控系统，软件质量的好坏直接影响到测量的效果。因此我们采用系 统工程的方法对软件进行模块化设计，是软件的修改与功能扩展很灵活，提高了软件的可 维护性1 4 7 l 。另外考虑到软件的可移植性，齿轮测控系统软件以w i n d o w sx p 为操作系统， 采用v i s u a lc + + 作为工具进行编程。 本论文主要对齿轮的齿形误差、齿距误差和齿向误差进行检测，测控软件的基本功能 有l 僖5 0 l ： 系统管理功能模块； 输入功能模块； 硬件控制与数据采集功能模块； 测量功能模块； 输出功能模块。 各部分设计要点如下： 系统管理功能模块：系统管理模块是整个测量软件的关键，它决定整个测量系统的总 体流程，对系统的灵活性和可维护性有直接的影响。该模块采用了继承环境管理模式，完 成各模块功能的统一管理与调用。 输入功能模块：对于每个测量对象，我们都必须给计算机输入其基本参数以便计算机 确定测量对象，在集成环境下设置参数编辑功能，便于测量调用。 硬件控制与采集功能模块：完成计算机与测量机之间的基本输入输出操作以及测头运 动控制，测量数据处理等基本功能。 测量功能模块：测量功能模块是整个测量软件的核心，这一部分包括了所有测量项目 的测量任务。它要通过人机接e l 组织和安排操作人员的操作规程，自动完成每个测量项目 的误差算法的组织，合理的组织测量规程，有效、准确地实施动作控制整个测量系统高效、 稳定地运行。 输出功能模块：齿轮测量数据及结果的输出共有三种途径，分别为显示器：打印机； 磁盘。 如图5 1 概括了对整个系统的设想，根据系统的各项功能进行了功能模块的划分，其 中测量功能是本次软件设计的重点，通过对系统进行可行性分析，提出了系统的逻辑模型。 西安t 业人学硕l ：学位论文 图5 1 系统总体模块图 根据以上分析，可以有效的设计出安装偏心情况下的齿轮测量系统，齿轮测量流程图 如图5 2 所示。 开始 系统初始化 初始定位的复 位 齿轮基本参数 录入 坐标线一坐标 点计筲 测量参数选择 参数测量 数强采集显示 数据 结岁 墨结束p 蔫吲打印l 退出 图5 2 齿轮测量流程图 2 8 一 总控模块 一 西安t 业人学顾l j 学位论文 5 2 齿轮测量软件介绍 5 2 1 系统特点 应用以上测量方面的原理设计了安装偏心情况下齿轮测量软件的齿形、齿向、齿距误 差测量模块部分。该软件控制数控机床进行自动测量时，测量时间短，操作方便。本软件 系统主要具备以下特点： 无须调整安装偏心，直接在偏心情况下测量，测量效率高； 自动进行测量循环； 一次装夹，完成多个测量项目； 自动生成测量报告； 测量工件误差值的动态显示等。 5 2 2 系统主要功能 系统主要功能有： 存储工件数据； 测量程序管理； 用于产生功能控制命令； 用测量数据进行误差计算； 方法误差评定，并在显示器上绘出测量结果； 存储测量结果； 测量结果文件和工件数据的管理、查询、打印等。 所有单项功能有机地统一在一个软件包中，可以方便的实现各种功能的选择。 5 2 3 运行环境 本系统在微机上开发，硬件要求如下： c p u ：奔腾处理器以上 内存：3 2 m b 或以上 显示器：v g a 彩显，分辨率8 0 0 x 6 0 0 硬盘空间：1 g 操作系统：w i n d o w sx p 软件支持：v i s u a lc + + 鼠标：采用双键鼠标模式 5 3 测量功能模块设计 作为整个测量软件的核心测量功能模块包括了所有测量项目的测量任务，根据第三章 2 9 两安t 业大学硕l ：学位论文 中对齿轮测量控制运动的分析计算，本次论文对齿形误差测量、齿距误差测量和齿向误差 测量部分进行了详细设计，分别完成三个误差项目测量中的操作控制和测量数据的采集功 能。 齿形误差测量控制流程图如图5 3 所示。 图5 3 齿形误差测量流程图 在齿形误差测量过程中，应特别注意起测点的拾取，得到起测点位置信息( + p ，o ，吮) 后，对起测位置进行偏心补偿，在此基础上确定的第零点实际测量位置( ，y 。) 处取得的 两安t 业人学硕l ：学位论文 测量信息畹才是计算所需的真正起测点信息。 齿距误差测量控制流程图如图5 4 所示。 ( ， 开始 、) 上 调整定位，将偏心转至与x 轴正 向重合处，设为c 轴零位。 上y n 上 l 调整测头丁左齿面起测点处， l 调整测头于右齿面起测点处， 眭x ，y 轴坐标为( ，+ p ，0 ) 陕x ，y 轴坐标为( 厂- i - e ，o ) 上 设置测量齿数z ，测量开始 1 l b 整测头位移量达到预定压缩量，记下测头读数“ r 测头按原路径返【亓i ，将齿轮转过3 6 0 i z ，由式3 1 1 ，3 1 2 ，3 1 3 计算，咒，测头移至( 葺，儿) 测量下一齿，记下测头读数。 土 n 融。头停止运动，安全返同 上 导出数据，弹出数据成功导出对话框 1 l 暾据处理，绘制曲线，得剑齿距误差 上 图5 4 齿距误差测量流程图 在齿距误差测量过程中，当起测点不在齿槽中时，可以通过手动操作将齿轮转至最近 的一个齿齿槽进行起测点的测量。 3 l 两安t 业大学硕f ：学位论文 齿向误差测量控制流程图如图5 5 所示。 图5 5 齿向误差测量流程图 3 2 面安丁业人学硕一l j 学位论文 5 4 本章小结 本章在前文齿轮安装偏心情况下在机测量运动控制和误差计算的基础上，对测控软件 进行了总体设计和模块划分，并对其中的测量功能模块进行了详细的设计，绘制了齿形、 齿距和齿向误差测量流程图，对理论方法的验证具有实践意义。 3 3 6 结论j 展望 6 结论与展望 总结论文工作，可有如下结论： ( 1 ) 大型齿轮参数、尺寸、重量都很大，致使测量仪器的结构尺寸大、安装定位困难、 及测量效率低等问题，构成了大型齿轮测量的难点和关键。依托于精密加工设备的在机测 量显示了明显的优越性，成为大型齿轮精度测量技术的发展趋势。基于齿轮安装偏心情况 下在机测量的研究，符合大型齿轮的特点与我国国情。 ( 2 ) 文中详细介绍了秦j i i 机床厂研制大规格数控磨齿机y k 7 3 1 2 5 的工作原理及主要 特点和机床的整体结构、测量系统等，为研究在该机床上的齿轮偏心情况下在机测量方法 奠定了良好的基础。 ( 3 ) 文中提出了通过控制机床运补偿偏心误差的在机测量方案，该方案在确保测量精 度的前提下，省去了安装对正时间，提高了生产效率，测量操作方便。该方案可直接测得 齿形误差和齿距误差，又可获得渐开线斜齿轮齿向( 螺旋线) 误差。 ( 4 ) 从齿轮误差的测量过程分析了对测量精度产生影响的相关因素及影响程度。测量 正是通过检测测头的位置变量，用于表征被测齿轮的误差，建立了误差计算的数学模型， 这对于深入了解测量原理，研究个误差因素对测量精度的影响具有重要的价值。 ( 5 ) 大型齿轮安装偏心的测量精度影响齿轮在机测量精度，应开发专用偏心测量程序， 利用设备上的光栅和传感器，精确测出偏心的幅值和相位角。 ( 6 ) 为了验证文中所述安装偏心情况下齿轮的在机测量方案，设计了齿轮安装偏心情 况下齿形误差、齿距误差和齿向误差的测量软件，为齿轮在机测量方法的进一步完善提供 了重要保证。 通过控制测头位置补偿安装偏心的齿轮在机测量技术的研究，在我国还比较新颖，课 题的难度较大，工作量浩繁，在一篇硕士论文中全面完成此项工作是不现实的。客观地说， 本文只进行了原理性的探索，主要包括：总体框架思路、测量方案分析、测量中测量误差 数学模型的建立与部分软件的设计等。余下还有较长的路要走，需要做的工作还很多，诸 如测量误差精度分析、软件性能改进、测量精度范围的进一步拓宽等这都有待于进一步努 力，以便早f 1 实现该测量方法推广与运用。 参考文献 参考文献 1 石照耀，费业泰，谢华锟齿轮测量技术1 0 0 年一回顾与展望 j 中国工程科学，2 0 0 3 ， 5 ( 9 ) ：1 3 1 7 2 谢华锟近年来齿轮测量技术与仪器的发展 j 工具技术，2 0 0 4 ，3 8 ( 9 ) ：2 7 3 3 3 商向东，金嘉琦，等齿轮加工精度 m 北京：机械工业出版社，1 9 9 9 ：8 5 1 3 7 4 谢华锟第七届中国国际机床展览会( c i m t 2 0 0 1 ) 量仪展品技术评述一测量技术与 加工制造技术的集成与融合 j 工具技术，2 0 0 4 ，3 5 ( 7 ) ：1 1 1 8 5 o z a w a ，n o r i m i t s u d e v e l o p m e n to f an e wm e a s u r e m e n tm e t h o do fc e n t r a lp o s i t i o no f s p i n d l er o t a t i o n j m s ei n tjv 3 6 n 1 1 9 9 3 6 谢华锟齿轮测量技术新进展 e b o l w w w c - c n e t o m n e w s n e w s a s p ? i d = 1 4 6 8 ，2 0 0 7 ， 2 ( 6 ) ：3 1 5 7 姚福生，石照耀，张兆龙，等中国科学院科技前沿一工程院版【m 】上海：上海教育出版社， 1 9 9 7 ：3 8 9 - 4 l6 8 f u j j oh ，k u b oa ，s a i t o hs ，e ta 1 l a s e rh o l o g r a p h i cm e a s u r e m e n to ft o o t hf l a n kf o r mo f c y l i n d r i c a li n v o l u t eg e a r j j o u r n a lo fm e c h a n i c a ld e s i g n ，1 9 9 3 ，1 1 “4 ) ：7 2 1 - 7 2 9 9 k a j i t a n im ，i s h i k a w aj ，a k a z a w am an e wm e a s u r i n gs y s t e mf o rl a r g eg e a r s j b u l lj a p s o cp r e ce n g ，1 9 8 7 ，2 1 ( 1 ) ：2 1 - 2 6 1 0 m a k o t ok a j i t a n i ，ji s h i k a w a ，m a s a h i k oa k a z a w a an e wm e a s u r i n gs y s t e mf o r l a r g eg e a r s j j a p a ns o co