影像測量儀在花鍵量規(guī)檢測中的應(yīng)用探討

文/錢笑臨1 潘 華2 錢文俊2 陳彥杰2

一、花鍵的特點(diǎn)和應(yīng)用

花鍵零件在機(jī)動車中主要用于運(yùn)動過程的扭矩傳遞[1]。常見的花鍵有兩種：矩形花鍵和漸開線花鍵。矩形花鍵多齒工作，承載能力高，對中性好，導(dǎo)向性好，齒根較淺，應(yīng)力集中較小。如：汽車變速器輸入軸花鍵，多采用矩形花鍵。漸開線花鍵的齒輪廓為漸開線，收載時齒上有徑向力，能起自定心的作用，使各齒受力均勻，具有強(qiáng)度高、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。因此，漸開線花鍵連接適用于載荷較大、定心精度要求較高、尺寸較大的應(yīng)用場合。與矩形花鍵比較，漸開線花鍵齒數(shù)多，齒端、齒根部厚、承載能力強(qiáng)，易于自動定心，安裝精度高。同時，漸開線花鍵鍵齒較短，齒根較寬，不發(fā)生根切的齒數(shù)較小。

花鍵量廣泛用于花鍵孔、軸零部件批量生產(chǎn)中的過程檢驗。其自身精度要求較高，檢測項目有：齒厚、齒槽寬和小徑等參數(shù)。與之相關(guān)的檢測應(yīng)用有：以光學(xué)分度頭檢測齒距累積誤差；以專用量規(guī)檢測轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的外星輪、三銷軸叉；齒輪測量機(jī)對花鍵的綜合檢測等[2]。

二、檢測依據(jù)與檢測方法分析

1.關(guān)于檢測依據(jù)

花鍵量規(guī)檢測依據(jù)主要有：GB/T 5106-2012《圓柱直齒漸開線花鍵量規(guī)》和JJF 1557-2016《圓柱直齒漸開線花鍵量規(guī)校準(zhǔn)規(guī)范》。環(huán)規(guī)是量規(guī)的一種形式。對于花鍵環(huán)規(guī)，GB/T 5106-2012包含了“非全齒通段環(huán)規(guī)”的要求和環(huán)規(guī)棒間距的檢驗方法。環(huán)規(guī)棒間距也是很多企業(yè)用戶著重控制的一個參數(shù)。JJF 1557-2016中關(guān)于花鍵環(huán)規(guī)的參數(shù)包括齒厚（S）、齒槽寬（E）、環(huán)規(guī)小徑（Dii）、齒形（Fα）齒向（Fβ）誤差、分度誤差（Fр）[3]。

2.檢測方法分析

GB/T 5106-2012、JJF 1557-2016兩個標(biāo)準(zhǔn)中對于花鍵環(huán)規(guī)的檢測都做了介紹。具體的檢測實施需要根據(jù)給出的建議，選擇適合的設(shè)備和量具來實現(xiàn)[4]。下文將根據(jù)影像儀的應(yīng)用特點(diǎn)加以闡述和分析（見表1）。

表1 GB/T 5106-2012 與JJF 1557-2016中花鍵環(huán)規(guī)的檢測方法

在GB/T 5106-2012中簡單地給出了推薦的方法，未作更為詳細(xì)描述或規(guī)定。JJF 1557-2016中則給出了每個校準(zhǔn)項目對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器和檢測過程實施的具體要求。從這兩個標(biāo)準(zhǔn)給出的檢測設(shè)備和檢測方法中有幾點(diǎn)值得關(guān)注。

① 環(huán)規(guī)小徑參數(shù)

兩個標(biāo)準(zhǔn)分別以測長儀和三坐標(biāo)進(jìn)行檢測，都屬于接觸式測量。雖然，最終結(jié)果都是輸出直徑，但評價方式上有本質(zhì)的區(qū)別。以測長儀測量直徑屬于兩點(diǎn)法檢測，直接給出兩點(diǎn)間的線性尺寸。三坐標(biāo)采集若干點(diǎn)后，提取的圓在擬合方式上有最小二乘法、最大內(nèi)接和最小外切等方式，規(guī)范中并未展開討論。

② 環(huán)規(guī)齒槽寬

當(dāng)以塊規(guī)和量棒進(jìn)行檢測時，需根據(jù)檢測對象的規(guī)格配置不同的塊規(guī)組合，必須加入塊規(guī)校準(zhǔn)證書給出的修正量進(jìn)行計算。拼接塊規(guī)和修正值的計算對檢測人員的手法、經(jīng)驗有較高的要求，對于不同規(guī)格的花鍵環(huán)規(guī)的檢測將重復(fù)以上過程，對時間也有較大需求。

③ 環(huán)規(guī)齒厚和環(huán)規(guī)齒槽寬兩個參數(shù)

GB/T 5106-2012中的7.1.1和7.3.1分別規(guī)定了必須對所有鍵齒和齒槽進(jìn)行測量。那么，當(dāng)使用測長儀檢測時，測量的次數(shù)為齒數(shù)的0.5×齒數(shù)（次）（偶數(shù)齒環(huán)規(guī)）或0.5×（齒數(shù)+1）（次）（奇數(shù)齒環(huán)規(guī)），并且兩次測量間需重新固定三針后，調(diào)整至讀數(shù)拐點(diǎn)位置。

④ 不同規(guī)格的環(huán)規(guī)

根據(jù)GB/T 5106-2012的D.2.4在實施接觸式測量時對量棒直徑進(jìn)行計算。三針多用于外螺紋中徑的測量，規(guī)格有限，當(dāng)用于花鍵環(huán)規(guī)時，需加以訂制[5]。

⑤ 單項誤差

單項誤差包括：齒型誤差、齒向誤差和分度誤差。該項目的檢驗需將檢測對象在空間上進(jìn)行調(diào)心調(diào)平，沿圓周方向?qū)X面進(jìn)行連續(xù)掃描。因此，只能以齒輪測量中心配專用的軟件模塊進(jìn)行檢測。

三、花鍵環(huán)規(guī)的影像法檢測的實施

測量設(shè)備：HEXAGON Optiv Advance 862復(fù)合式高精度影像儀檢測尺寸，設(shè)備最大允許誤差計算公式：

軟件系統(tǒng)：PC-DIMS；專用工裝。測量對象為某規(guī)格花鍵環(huán)規(guī)，由于齒厚、齒槽寬都可以通過跨棒距的檢測結(jié)果進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換，因此檢測參數(shù)為環(huán)規(guī)小徑、跨棒距。檢測過程如下：

1.建立坐標(biāo)系

① 將工件抵靠在專用工裝的V型口上，以壓板固定。將鏡頭十字線移動至花鍵上方，視場內(nèi)至少包含一個完整的齒。在0o與180o象限位第一齒面兩側(cè)分別構(gòu)造兩根二維直線（見圖1、圖2）。

圖1 直線元素提取

圖2 構(gòu)造交點(diǎn)

② 兩組直線分別使用構(gòu)造點(diǎn)命令求出交點(diǎn)（圖3），使用構(gòu)造線命令提取兩個交點(diǎn)的連線（見圖4）作為基準(zhǔn)軸線，交點(diǎn)中心作為零點(diǎn)。

圖3 構(gòu)造直線

圖4 視場范圍

2.環(huán)規(guī)小徑的檢測

① 將鏡頭十字線移動至花鍵上方，視場內(nèi)至少包含兩個完整的齒。鼠標(biāo)左鍵在齒頂（圖5）分別點(diǎn)擊兩次獲得一段曲線。

圖5 構(gòu)造理論圓

② 移動鏡頭視場以零點(diǎn)為圓心在圓周上的多個位置重復(fù)上一步操作獲得多段曲線，根據(jù)技術(shù)要求中的擬合方式，將分段曲線擬合為一個完整圓。創(chuàng)建距離命令，輸出直徑結(jié)果。

3.跨棒距的檢測

在構(gòu)建幾何元素功能中選擇構(gòu)造圓命令，構(gòu)建方式為與齒面兩側(cè)曲線相切的方式。此時，對于偶數(shù)齒環(huán)規(guī)，在0o與180o位置生成了一組理論圓，該圓的直徑可以是根據(jù)GB/T 5106-2012提供量棒直徑的計算結(jié)果或是配套針規(guī)的校準(zhǔn)值。

選擇距離評價命令，在元素選擇列表中同時選中兩個理論圓（相切圓1、2）（見圖5），輸入標(biāo)稱值和極限值。對于內(nèi)花鍵，在圓選項中選擇“減半徑”進(jìn)行補(bǔ)償，完成跨棒距的評價。

4.檢測結(jié)果

筆者所在實驗室與合作實驗室選用兩種計量特性類似的影像儀分別實施檢測，檢測設(shè)備分別為使用影像儀1，設(shè)備最大允許誤差按公式（1）計算。

影像儀2，設(shè)備最大允許誤差公式：

高精度測長儀，設(shè)備最大允許誤差計算公式：

兩種檢測方式的檢測結(jié)果和測量不確定度（跨棒距）見表2。

表2 花鍵環(huán)規(guī)檢測結(jié)果比對mm

四、結(jié)果比對分析

表2中的檢測結(jié)果均屬于線性尺寸，選擇跨棒距數(shù)據(jù)進(jìn)行比對結(jié)果分析。其中：結(jié)果1、結(jié)果2為非接觸檢測方式間的比對（比對1）；結(jié)果1、結(jié)果3為非接觸與接觸方式間的比對（比對2）。

檢測完畢后，將兩組檢測結(jié)果進(jìn)行比對。根據(jù)比對雙方的測量不確定度和檢測結(jié)果中的最大差值，計算出En值對比對結(jié)果進(jìn)行評判，根據(jù)以下公式（4）來進(jìn)行計算。

公式（4）中：

En—實驗室間比對試驗的比率值；

Δmax—比對雙方測量結(jié)果最大差值；

U1—比對方測量擴(kuò)展不確定度；

U2—參考方測量擴(kuò)展不確定度。

判斷方法：比對雙方試驗的|En|≤1，則認(rèn)為比對結(jié)果為滿意；|En|＞1，則認(rèn)為不滿意。

根據(jù)比對雙方的測量結(jié)果與計算公式（1）得到：

比對1（結(jié)果1與結(jié)果2）：|En|=0.26＜1；

比對2（結(jié)果1與結(jié)果3）：|En|=0.59＜1

結(jié)論：此次比對結(jié)果為滿意。

此外，由于影像儀可測得跨棒距MRi，可根據(jù)公式（5）進(jìn)一步計算得到齒槽寬E。

上述計算公式與計算過程中：

E-齒槽寬，mm；

Z-齒數(shù)；

D-分度圓直徑，mm；

Db-基圓直徑，mm；

αD-壓力角，?；

DRi-量棒直徑，mm；

MRi-棒間距，mm

五、總 結(jié)

花鍵環(huán)規(guī)的高度一般小于25mm，分度圓直徑小于180mm，齒面對端面的垂直性良好，其結(jié)構(gòu)滿足影像儀的檢測要求，不會發(fā)生遮擋或空間干涉。高精度自動影像儀可以對花鍵環(huán)規(guī)的小徑、跨棒距實施檢測。

用于檢測的光學(xué)設(shè)備需要具備的條件有：高分辨率的可變焦鏡頭和自動尋邊功能，在光源調(diào)整至可用范圍的條件下實現(xiàn)齒邊界的準(zhǔn)確捕捉，減小手動尋邊帶來的測量誤差；構(gòu)造幾何元素功能，滿足理論圓棒與環(huán)規(guī)分度圓的相切位置要求；可編程功能，利用陣列功能，根據(jù)齒數(shù)與模數(shù)快速實現(xiàn)每一齒或齒槽的快速自動檢測。相對接觸式測量大大提升檢測效率，降低成本。