國產(chǎn)齒輪測量中心的發(fā)展問題探究

張海亮　張蕾

摘要：齒輪作為航天工業(yè)和機械裝備制造業(yè)關(guān)鍵的基礎(chǔ)傳動部件，對其準確的測量，保證其傳動質(zhì)量，對提升我國工業(yè)產(chǎn)品的核心競爭力具有重要意義，因此對齒輪進行精確測量和誤差評定具有十分重要的意義。本文將對齒輪測量中心的研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行分析，提出我國齒輪精密測量系統(tǒng)未來發(fā)展研究的新設(shè)想。

關(guān)鍵詞：齒輪測量中心；精密測量；新設(shè)想

1 研究背景

CNC齒輪測量中心實質(zhì)是一個包含回轉(zhuǎn)軸的四軸四坐標測量機，其測量原理為電子展成法，計算機控制電機控制模塊實現(xiàn)各軸按預(yù)定參數(shù)運動，使測頭相對工件運動軌跡為測量曲線，測頭相對運動的同時，計算機不斷采集各光柵軸的實際位置和測頭示值，實現(xiàn)同步采集，將采集數(shù)據(jù)與理論齒面展開位置進行比較，完成測量及誤差評定。工業(yè)的發(fā)展使齒輪加工機床和齒輪刀具的精度隨之提高，對齒輪測量的精度要求也越來越高，齒輪及其加工刀具都對測量儀器的精度提出了更高的要求。

目前國外生產(chǎn)齒輪測量中心的國家僅有德美日等少數(shù)幾個發(fā)達國家，代表產(chǎn)品為德國Klingelnberg的P系列，美國Gleason及Mahr的齒輪測量中心，其儀器測量不確定度可達2 μm，測量等級達到VDI/VDE I級，可測2級齒輪[1，2]，能檢測各種齒輪及齒輪刀具。對較復(fù)雜的螺旋錐齒輪，不僅能檢測齒輪加工誤差，還能根據(jù)誤差值通過最優(yōu)算法算出機床的調(diào)整誤差，再反饋給數(shù)控機床，形成了加工、檢測、再加工的閉環(huán)系統(tǒng)，不僅提高加工效率，也提高了加工精度。

而國內(nèi)齒輪測量中心的研究起步較晚，目前的廠商主要有哈爾濱量具刃具集團責(zé)任有限公司、哈爾濱精達測量儀器有限公司、西安共達精密機器有限公司等廠商。根據(jù)《我國CNC齒輪測量中心20122016行業(yè)發(fā)展報告》報導(dǎo)，國產(chǎn)齒輪測量中心市場綜合占有率并不高，尤其在高端市場上，國產(chǎn)儀器幾乎呈空白狀態(tài)，中低端產(chǎn)品的附加值也較低，且近幾年經(jīng)濟危機對中低端市場的沖擊，形勢越發(fā)嚴峻，推出高精度高穩(wěn)定性高附加值的齒輪測量中心已刻不容緩。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于國外高端齒輪測量中心的機械單項指標已經(jīng)很高，以德國Klingelnberg公司P系列為例，通過優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，直線軸的直線度達到1μm /200mm，任意兩軸垂直度達到1μm /200mm，而國產(chǎn)儀器的單項指標還不能完全達到，在系統(tǒng)精度方面P系列已達到VDI/VDE規(guī)定的測量2級齒輪的精度要求，國產(chǎn)儀器還無法達到，而只是滿足了自身的出廠精度指標要求。由于國外對某些機械結(jié)構(gòu)申請了專利保護，技術(shù)對外保密，要使齒輪測量中心由低端走向高端由國內(nèi)走向國際，還有很多技術(shù)難點需要攻克，很多工藝問題需要改進?？v觀我國齒輪測量中心的發(fā)展，和國外先進技術(shù)水平相比，主要存在以下幾方面的不足：

（1）穩(wěn)定性差。國產(chǎn)儀器主要存在故障率高，抗電磁干擾能力差，不能自動監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境是否滿足要求的缺點。如電源噪聲大、電壓波動范圍大或地線接觸不良等都可能導(dǎo)致測量系統(tǒng)不穩(wěn)定。而軟件系統(tǒng)主要是糾錯容錯能力不強，如參數(shù)輸入與被測工件參數(shù)不符就可能無法完成測量，甚至導(dǎo)致測頭碰撞。而國外儀器對涉及運動安全的參數(shù)首先要進行自動探測，以實際探測到的尺寸作為生成測量軌跡的依據(jù)，這在一定程度上提高了測量成功率，這就是業(yè)內(nèi)典型的使用同一套參數(shù)國外儀器能檢測而國產(chǎn)儀器無法檢測的現(xiàn)象。而現(xiàn)有國產(chǎn)儀器的可靠性指標與國外儀器相比，大致要差1～2 個數(shù)量級[3]。

（2）測量性能低、功能落后。目前國外儀器都采用三維測頭，其測量項目非常豐富，而國產(chǎn)儀器主要使用一維測頭，雖然按照機械展成原理測量漸開線誤差能滿足精度要求，但只能在某個固定空間方向上測量誤差，導(dǎo)致同時在不同空間方向測量時，如滾刀的刀齒前面、側(cè)面等項目就無法一次完成測量。如采用三維測頭，就需要對測頭進行標定，對測頭的三個坐標軸與儀器的三個軸的夾角，測頭自身非線性及測針變形等一次完成校準，因此使用三維測頭測量的技術(shù)門檻比較高，國內(nèi)對三維測量技術(shù)研究較少。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，國外基于三維測頭的測量儀器不僅能對傳統(tǒng)的齒輪誤差項進行測量，也能對齒根過度曲線及齒頂修形曲線進行幾何測量，還能對齒廓粗糙度進行測量和誤差評定。在國內(nèi)雖然三維測頭的齒輪測量中心也在逐漸開始采用，但功能和精度都與國外先進水平存在很大差距。

（3）測量精度不高。雖然VDI/VDE中沒有明確給出各軸的單項精度指標，而只給出了I類儀器測量齒輪的綜合指標，但儀器單項精度不好就很難達到儀器綜合精度的指標。單項精度指標未得到充分重視也是國產(chǎn)儀器無法達到精度要求的主要原因之一。國外同類儀器的坐標軸直線度在1μm /200mm，垂直度在1μm /200mm之內(nèi)，而國內(nèi)還沒有測量儀器能夠達標，因此也達不到I類儀器測量2級齒輪的精度。這與儀器的材質(zhì)、關(guān)鍵部件的加工精度、機械結(jié)構(gòu)及裝配工藝等方面都有很大關(guān)系。近年來雖然國內(nèi)儀器的測量精度在不斷提高，但仍與國外馳名品牌的產(chǎn)品精度存在較大差距。

3 未來研究新設(shè)想

根據(jù)目前的研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我國齒輪精密測量系統(tǒng)的發(fā)展需要主要致力于以下幾個方面的研究：

（1）對齒輪精密測量系統(tǒng)現(xiàn)有機械結(jié)構(gòu)進行受力分析，找出影響測量精度的原因，對機械結(jié)構(gòu)進行重新優(yōu)化設(shè)計，使其能夠滿足I類儀器測量2級齒輪的要求；

（2）研究齒輪測量中心結(jié)構(gòu)的溫度特性，增加溫度補償單元，提高儀器的測量穩(wěn)定性；

（3）基于三維測頭，建立標定測頭直線度、垂直度及測針變形的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)三維測頭的校準，提高齒輪測量系統(tǒng)的測量精度及靈活性，為其它測量模塊的研發(fā)打下堅實基礎(chǔ)，研究檢測齒輪的三維測量模型，使其最終能夠滿足I類儀器測量2級齒輪的儀器精度要求。

參考文獻：

[1]魏華亮.我國CNC齒輪測量中心的發(fā)展現(xiàn)狀[J].測量與設(shè)備，2004，（10）：3334.

[2]孫光宇.CNC齒輪測量中心標準的研究與擬定[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2009.

[3]裘祖榮，石照耀，李巖.機械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的發(fā)展研究[J].機械工程學(xué)報，2010，（14）：111.