锥齿轮测量技术的最新进展

　　1 概述

　　锥齿轮传动机构在汽车、直升飞机、机床及电动工具制造业中，得到了广泛的应用。不同的用途对锥齿轮性能质量的要求也不同，归纳起来包括：①有良好的接触区，能可靠的传递动力扭矩；②有良好匹配的几何形状，能平稳的传递运动，从而保证载荷均匀、传动平稳、振动小、噪音低。工厂通常采用双啮仪及检测接触斑点的滚动检查仪来控制锥齿轮的质量，但实际上很难精确判定锥齿轮的使用性能。

　　锥齿轮的精度测量方法和圆柱齿轮类同，通常可分为三种：①坐标式几何解析测量法。即把锥齿轮作为一个几何实体，对其几何元素分别进行单项几何精度的测量；齿轮测量中心是其主要测量仪器。②啮合式综合精度测量法。即把锥齿轮作为一个传动元件，对其传动精度、接触斑点、振动噪音进行综合测量。其测量仪器主要有锥齿轮单面啮合检查仪、锥齿轮双面啮合测量仪及锥齿轮滚动检验机。③锥齿轮整体误差测量法。它将锥齿轮作为一个用于实现传动功能的几何实体，或用坐标测量法按单项几何精度测量方式测量出锥齿轮的整体误差，实现锥齿轮单项几何误差和传动精度、质量之间内在联系的分析研究；或按单面啮合测量方式、采用啮合点扫描测量方法，对锥齿轮的整体误差进行测量，得到锥齿轮的综合运动精度、接触斑点以及各单项几何精度。因此，锥齿轮整体误差测量法是前两种测量方法的集成和发展。

　　随着坐标测量技术、计算机控制与测量技术的发展，近年来对锥齿轮整体误差测量技术的研究得到很快的发展。由于齿轮测量中心等圆柱式多坐标多功能测量仪器的测量性能、数据处理能力的提高，锥齿轮的坐标式几何解析测量技术，已由单项几何误差测量发展到锥齿轮整体误差测量，提高了锥齿轮设计、加工、精度质量的检测判定以及使用性能的预测等整个锥齿轮制造技术的水平。由我国自行开发、基于“可控点运动—几何测量原理”的锥齿轮单面啮合点扫描测量技术及基于该技术开发的锥齿轮整体误差测量仪，也正在更多地走向生产第一线，使我国锥齿轮测量理论、测量技术的实际应用得到了进一步的提高和发展。

　　2 锥齿轮精度主要测量方法及仪器

　　2．1 坐标式几何解析测量方法及仪器

　　机械展成坐标式直锥齿轮测量仪较早就有产品，以瑞士马格KP42型为代表，精度很高但结构复杂。自1990年前后，CNC齿轮测量中心推向市场，坐标式弧锥齿轮几何形状误差测量方法才有了迅速发展并得到推广应用。现今市场上国外的齿轮测量中心，无论是德国克林伯格的P63，还是美国格里森/马尔的 GMX275、M＆M的西格马3，都已具备了测量锥齿轮的功能。这些仪器都达到VDI/VDE等级规定的1级，空间测量不确定度在2微米以上；可对锥齿轮的单项几何误差进行检测，如齿距偏差（包括单个齿距偏差、齿距累计偏差、齿距累计总偏差）、齿廓偏差（包括齿廓总偏差、齿廓形状偏差、齿廓倾斜偏差）、齿向偏差（包括齿向总偏差、齿向形状偏差、齿向倾斜偏差）并可输出三维齿面形状偏差形貌图等。

　　2．2 单面啮合滚动检验综合测量方法及仪器

　　锥齿轮单面啮合滚动检测方法在生产中已经使用多年。以美国格里森N0.513滚动检验机为例，在被测锥齿轮副单面啮合的情况下，模拟其工作状态，加以一定的速度和载荷，调整V/H，进行着色接触区（斑点）的检测，以判定该被测锥齿轮副的接触状况；借助于加速度传感器、拾音器测量其振动和噪音，对齿频谐波进行扫描检测。这种方法属于“准动态”测量方法，它对于锥齿轮的精度检测是不够完整、不够准确的。而采用光电编码器作为角度基准、用于锥齿轮切向综合精度检测的锥齿轮单面啮合检查仪，如德国克林伯格公司的PSKE900，因其检测项目单一，尤其难以根据检测结果对锥齿轮加工机床参数的调整给以指导、以改进锥齿轮加工质量。性价比较差，故生产中不多采用。

　　近年来格里森公司推出的凤凰500HCT数控锥齿轮滚动检验机则同时具备了滚动检验机和单面啮合检查仪的测量功能，既能测量锥齿轮的切向综合误差，又能数字化测量锥齿轮接触区、进行三维结构噪音分析等。该机型功能先进，代表了该类产品当代的发展水平，虽价格昂贵，但在国内已有个别用户。与此类似的还有克林伯格GKC60、奥立孔T50等数控锥齿轮检验机。

　　2．3 整体误差测量方法及仪器

　　锥齿轮整体误差测量是在同一个回转角度位移坐标上按啮合顺序将锥齿轮工作齿面上各检测点所测得的所有单项几何误差集成为一个锥齿轮整体误差图，并以此为基础，完成对于锥齿轮单项几何精度、综合运动精度以及锥齿轮副接触状态的分析计量，实现对于锥齿轮使用性能和质量的评估和监控。锥齿轮整体误差测量方法和仪器，目前可分为二类三种。一类为坐标式几何解析测量法，该方法又分为“点到点测量法”和“点扫描测量法”，两种方法采用的仪器都为CNC齿轮测量中心，但配用的测量软件包有所不同；另一类为啮合式运动几何测量法（即啮合式点扫描测量法，该方法为我国首创），所采用的仪器为锥齿轮单面啮合检查仪，配有专用的测量锥齿轮和测量软件包。

　　（1）坐标式点到点锥齿轮整体误差的测量

　　在齿轮测量中心上，用三维测头沿锥齿轮的齿廓和齿向两个方向，按预先确定的间距，对被测齿面各检测点（通常为齿廓上5处、齿向上9处，共45点）的几何形状误差进行一点一点的测量。这种方法可以避免三维测头和被测齿面间在测量时产生摩擦力而影响测量结果。该测量方法采用的是“直接测量” 原理，具体步骤为：首先根据锥齿轮加工机床的调整参数和刀具几何参数，通过计算得到被加工大、小锥齿轮理想加工齿面的几何参数；将该齿面作为参照齿面，分别与实际加工（或经热处理后）的大、小齿轮的齿面进行比较，测得实际齿面与理想齿面的几何偏差。借助于专用的MATCH程序，确定相应于被测实际齿面的假象机床加工参数；再按照啮合模型进行TCA分析，计算得到锥齿轮副的切向综合偏差和接触状况，检验是否满足要求。如有必要，相应软件将根据测量结果，重新计算并调整机床加工参数，以便再次试切时，能加工出质量更满意的产品。

　　（2）坐标式点扫描锥齿轮整体误差的测量

　　日本大阪精机近来提出的、采用二维测头对锥齿轮齿面进行点扫描测量的方法，得到了可靠满意的测量结果。该方法具有以下特点：通过控制工件的回转、测头的平行位移运动，避免了测头与齿面间的摩擦力对测量的不利影响；由于采用扫描测量方式，测量区域可覆盖整个齿面包括齿顶以及接近大、小端的区域；测量路径可有多种选择，通常齿形数及齿向数各为3条，共6条；每条扫描线上的采样数可达113个点，由于采样密度大，能够反映齿面上的微小波纹度（该波纹往往是不悦耳噪音的主要来源，用常规的点到点测量方法难以测量）。该方法采用的是“共轭测量”原理，其具体步骤为：首先根据机床加工参数和刀具参数计算得到大齿轮理想加工齿面的几何参数，计算出与它相共轭、无传动误差的虚拟共轭小齿轮的齿面几何参数；将实际加工的大齿轮齿面与理想加工大齿轮齿面进行对比测量，检测出齿廓及齿向上的相对偏差；将实际加工的小齿轮齿面与计算得到的虚拟共轭小齿轮齿面进行对比测量，检测出齿廓及齿向上的相对偏差。根据所测得的相对偏差，计算得到该锥齿轮副的三维齿面综合偏差形貌图、切向综合偏差和接触形态（包括接触路径，接触区域形状、大小位置等）。经实物测量、比对验证，点到点测量法和点扫描测量法的测量计算结果是一致的。

　　（3）啮合式点扫描锥齿轮整体误差的测量

　　成都工具研究所提出的锥齿轮啮合式点扫描测量法，是在锥齿轮单面啮合检查仪上，按设计安装位置、采用特殊测量锥齿轮与被测锥齿轮进行单面啮合的滚动测量。这种测量锥齿轮副的“基础”几何参数和被测锥齿轮副的几何参数是完全一样的。测量时采用腐蚀方法或粘贴方法，在大、小测量齿轮相间的轮齿上做成所需的齿廓或齿向测量棱线，通过测量锥齿轮的齿廓或齿向测量棱线与相配对的被测锥齿轮齿面接触传动，完成锥齿轮的啮合点扫描整体误差测量。测量路径数与测量齿轮齿数有关，一般为3+3共6条。锥齿轮啮合式点扫描整体误差测量采用的是“局部基准相对测量”原理。具体测量步骤如下：根据锥齿轮副实际跑车/试车实验（或经验），由厂方选出能最佳满足使用要求的锥齿轮副作为“基准”锥齿轮副（称为局部基准），它的切向综合偏差、一齿切向综合偏差及接触区形态被确认为评定该对锥齿轮副精度的主要参照指标。测量锥齿轮和局部基准锥齿轮相啮合，在锥齿轮单面啮合检查仪上测得综合齿廓偏差局—测(局部基准锥齿轮副—测量基准锥齿轮副，下同)、综合齿向偏差局—测、切向综合偏差局— 测、一齿综合偏差局—测、接触区形态局—测以及三维齿面综合偏差形貌图局—测等，并被确认为批量锥齿轮检测时评定该单个锥齿轮主要精度指标的参考基准数据。被测工件锥齿轮和测量锥齿轮按同样方法进行测量，得到各项偏差的工件锥齿轮—测量锥齿轮数据；经运算得到相应各项偏差工—局数据（即工件锥齿轮相对于局部基准锥齿轮的相应各项精度指标的偏差）。然后根据所测得的工—局偏差数据和制定的精度指标公差范围，来判定锥齿轮的质量及可互换性水平。

　　锥齿轮整体误差测量方法简便，快捷可靠，测量信息丰富，特别适用于大批量生产。由于测量时必须采用特殊测量齿轮，因此这种测量方法不宜用于单件小批量的测量。然而，由于锥齿轮整体误差测量仪同时还具备锥齿轮滚动检查仪的功能，因此它完全可用于单件小批锥齿轮副综合精度检测及批量生产工件的试切及机床调试。

　　3 结语

　　通过回顾近年来锥齿轮测量技术研究领域的现状与发展，重点介绍了国内外锥齿轮整体误差测量技术、方法及开发的相应仪器。我国自行开发的啮合式点扫描锥齿轮整体误差测量技术的不断发展，已逐步得到国内外同行的认可；依据该技术开发的锥齿轮整体误差测量仪正在推向生产一线并在测量实践中继续完善。可以相信，依托啮合式点扫描锥齿轮整体误差测量技术，建立锥齿轮批量产品精度数据库，完全有可能根据使用要求采用计算机辅助测量技术实现弧锥齿轮的自动快速配对。

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