大型齒輪齒距偏差在機(jī)測量儀的研制

王志明，段振云

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

工程上，通常將直徑在500 mm以上的軸、孔稱為大尺寸，所以一般也將直徑在500 mm以上的齒輪稱為大型齒輪。大型齒輪普遍應(yīng)用于冶金、礦山、建材、輸送、國防、航天等重要領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，其設(shè)計(jì)與制造水平會(huì)直接影響產(chǎn)品的成本、質(zhì)量與壽命[1-2]。隨著大型齒輪加工工藝與制造精度的不斷提升，對于大型齒輪特別是直徑超過5 m的特大齒輪的高精度檢測需求也不斷增大[3]。

對于直徑小于2.5 m的齒輪，現(xiàn)有的檢測設(shè)備能對其進(jìn)行高精度的檢測，但是目前我國特大齒輪的檢測技術(shù)仍然較為落后，甚至缺乏必要手段[4]。目前大型齒輪檢測思路主要有兩種：一是采用“以大測大”的思想使用大型三坐標(biāo)測量儀、大型齒輪測量中心對大型齒輪進(jìn)行離位測量，但儀器成本、齒輪搬運(yùn)、場地限制、測量效率等因素往往制約著其發(fā)展；二是采用大齒輪在機(jī)測量技術(shù)，利用齒輪加工機(jī)床自身的伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)以完成齒輪測量，這也是目前大型齒輪測量的發(fā)展方向[5-6]。

綜上，本文開發(fā)了大型齒輪齒距偏差在機(jī)測量系統(tǒng)，采用在機(jī)測量的方式，將齒距偏差測量儀安裝于齒輪加工機(jī)床上，以相對法測齒距原理完成齒距偏差的在機(jī)測量。

1 相對法測齒距基本原理

齒輪分度圓上同側(cè)齒面兩相鄰點(diǎn)之間的弧長定義為齒距P，根據(jù)GB/T 13924—2008定義齒距偏差包括：單個(gè)齒距偏差fpt、齒距累積偏差Fpk以及齒距累積總偏差Fp。齒距偏差用來反映齒輪上每個(gè)齒的偏差，如果齒距偏差較大，則將直接導(dǎo)致齒輪的傳動(dòng)性能及傳動(dòng)穩(wěn)定性降低。齒輪在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒距偏差主要影響著齒輪的傳動(dòng)精度；而在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒距偏差直接影響著齒輪之間嚙合的平穩(wěn)性。因此，齒輪齒距偏差是用來評(píng)估齒輪傳動(dòng)性能和齒輪幾何精度的重要指標(biāo)，是必須要檢測的精度項(xiàng)目之一。

相對法測量齒輪的齒距偏差是利用圓周封閉原則，以雙測頭的形式逐齒測量齒輪的單個(gè)齒距偏差，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出待測齒輪齒距偏差參數(shù)的方法。測量過程中，待測齒輪保持旋轉(zhuǎn)，雙測頭在齒槽間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩測頭中一個(gè)為定位測頭，另一個(gè)為測量測頭，當(dāng)定位測頭到達(dá)指定位置時(shí)記錄測量測頭的偏置情況，按以上步驟完成所有齒的測量后，對測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得出待測齒輪的齒距偏差。大型齒輪齒距偏差測量原理如圖1所示。

圖1 大型齒輪齒距偏差測量原理

具體測量步驟如下：

(1) 根據(jù)待測齒輪理論齒距的大小，將兩測頭調(diào)整至略小于齒距的位置。

(2) 驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，隨著齒頂接近接近開關(guān)，接近開關(guān)發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)測頭伸入齒槽并停留在齒輪分度圓附近。

(3) 測量測頭1首先接觸齒面并開始顯示數(shù)值，隨后觸發(fā)測頭2接觸齒面，待觸發(fā)測頭2偏轉(zhuǎn)至設(shè)定位置后，發(fā)出后退信號(hào)，同時(shí)記錄測量測頭1讀數(shù)，兩測頭退出齒槽完成一次測量。

(4) 重復(fù)上述步驟直至測量出齒輪所有相對于基準(zhǔn)齒距的偏差差值后，通過數(shù)據(jù)處理求出齒距偏差和齒距累積總偏差。

2 大齒輪齒距偏差在機(jī)測量儀的總體設(shè)計(jì)

由于齒距測量儀固定在齒輪加工機(jī)床立柱導(dǎo)軌上，并使用機(jī)床本身的工作臺(tái)進(jìn)行齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得該儀器能夠應(yīng)用于不同型號(hào)的機(jī)床，且理論上對于待測齒輪的尺寸沒有限制。本文以加工5 m直徑大齒輪的Y31500型滾齒機(jī)為例，選取加工5 m直徑大齒輪的加工參數(shù)，來進(jìn)行齒距偏差測量儀的設(shè)計(jì)。待測齒輪參數(shù)如表1所示。

表1 待測齒輪參數(shù)及轉(zhuǎn)速

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本儀器主要由以下部分組成：齒距偏差測量機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)床連接與調(diào)整機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制及測量信號(hào)處理軟件。

齒距偏差測量機(jī)構(gòu)如圖2所示,由彈性測桿、齒距偏差測頭、電感測微儀、測量元件固定板、測頭中心距調(diào)整導(dǎo)軌、電感測微儀固定塊及齒距測量裝置安裝板等構(gòu)成。往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)模組、伺服電動(dòng)模組固定板、縱向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、分齒觸發(fā)接近開關(guān)及支架構(gòu)成；機(jī)床連接與調(diào)整機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)模組、伺服電動(dòng)模組固定板、機(jī)床滑軌壓板及緊固螺栓構(gòu)成；運(yùn)動(dòng)控制及測量信號(hào)處理軟件包括運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制軟件及測量軟件。

圖2 齒距偏差測量機(jī)構(gòu)

2.2 硬件的選用

齒距偏差數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)由電感測微儀、彈性測桿、紅寶石測頭等構(gòu)成，整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的模組上，將彈性測桿固定于平行導(dǎo)軌上，可以根據(jù)待測齒輪的齒距大小進(jìn)行調(diào)節(jié)并固定。傳感器采用申思SPN-S2V回彈式電感測微儀，量程為2 mm，分辨率為1 μm，重復(fù)定位精度為0.11 μm，采樣間隔為1.25 ms。采樣信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)后通過自編軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理。

運(yùn)動(dòng)控制和信號(hào)處理系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制，信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)傳輸至運(yùn)動(dòng)控制卡，控制卡將脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)器而后傳至伺服電機(jī)，編碼器將反饋信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)齒輪的檢測轉(zhuǎn)速為每小時(shí)1轉(zhuǎn)時(shí)，其分度圓線速度為4.36 mm/s，測量時(shí)間需保證在0.23 s內(nèi)，電動(dòng)平臺(tái)最高速度選取為200 mm/s。

運(yùn)動(dòng)控制卡采用固高GTS-400-PG-PCI型運(yùn)動(dòng)控制卡，其伺服控制周期為125 μs,以實(shí)現(xiàn)較高精度的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。通過標(biāo)準(zhǔn)PCI總線接入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使用LabVIEW軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)整套伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。

2.3 傳感器標(biāo)定

由于測量系統(tǒng)采用彈性測桿的方式對齒距進(jìn)行測量，電感測微儀位于測桿中部，故電感測微儀讀數(shù)并非測頭實(shí)際位移，需要對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。通過測量測頭實(shí)際位移與電感測微儀讀數(shù)進(jìn)行一一對應(yīng)，擬合出測頭位移與傳感器讀數(shù)的對應(yīng)曲線。由于測桿與電感測微儀接觸點(diǎn)的摩擦因數(shù)和測桿自身的變形情況的差異，A、B兩個(gè)彈性測桿都需要進(jìn)行正(+)負(fù)(-)方向的標(biāo)定，根據(jù)電感測微儀示值情況，確定正方向?yàn)殡姼袦y微儀向內(nèi)壓縮方向，負(fù)方向?yàn)殡姼袦y微儀向外伸出的方向。

通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，測頭位移與電感測微儀讀數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系近似為直線，通過擬合可得到測頭位移與電感測微儀讀數(shù)比例關(guān)系。彈性測桿A-方向擬合標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 彈性測桿A-方向擬合標(biāo)定結(jié)果

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，齒距偏差測量機(jī)構(gòu)兩根測桿正負(fù)方向標(biāo)定結(jié)果所擬合直線斜率如表2所示。

表2 雙測桿兩方向標(biāo)定結(jié)果擬合直線斜率

通過對測頭偏移量與電感測微儀指示結(jié)果的標(biāo)定，能夠發(fā)現(xiàn)此標(biāo)定結(jié)果較為一致，可根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對讀數(shù)進(jìn)行換算。

3 重復(fù)定位精度試驗(yàn)

由于整個(gè)系統(tǒng)需要通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行齒距的測量，所以較高的重復(fù)定位精度是對齒距測量結(jié)果準(zhǔn)確性的保證。影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素有電動(dòng)模組的重復(fù)定位精度、機(jī)床震動(dòng)引起的測桿及整個(gè)系統(tǒng)的震顫、齒面與測頭摩擦引起的跳動(dòng)等等。其中系統(tǒng)的重復(fù)定位精度對于測量穩(wěn)定性影響較為明顯且可測。

通過對單個(gè)齒槽225次的重復(fù)定位測量(實(shí)驗(yàn)如圖4所示)，結(jié)果表明該齒距測量儀的重復(fù)定位精度較高，225個(gè)測量結(jié)果主要分布在4 μm之間，分布情況如圖5所示。

圖4 齒條齒距偏差重復(fù)性測量實(shí)驗(yàn)

圖5 重復(fù)定位讀數(shù)分布結(jié)果

對上述測量結(jié)果進(jìn)行不確定度A類評(píng)估，根據(jù)貝塞爾法公式求得不確定度uA1：

結(jié)果代入上式，有：

計(jì)算得到的uA1=1.37 μm，故該齒距偏差測量儀的重復(fù)性測量不確定度能夠滿足測量要求。

4 結(jié)論

本文通過對5 m直徑大型齒輪加工環(huán)境以及目前大型齒輪測量方法的分析，研制出大型齒輪齒距偏差在機(jī)測量儀。通過對傳感器的標(biāo)定以及齒距偏差測量儀重復(fù)定位精度的試驗(yàn)，其重復(fù)性不確定度能夠達(dá)到1.37 μm，測量精度較高，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快。結(jié)果表明該測量儀的重復(fù)定位精度能夠滿足5 m直徑大型齒輪在機(jī)測量的要求。