20年來齒輪測量技術(shù)的發(fā)展

石照耀 于 渤 宋輝旭 王笑一

1.北京工業(yè)大學(xué)北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京，1001242. 河南科技大學(xué)河南省機(jī)械設(shè)計及傳動系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽，471003

0 引言

伴隨齒輪產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，20世紀(jì)齒輪測量從理論、技術(shù)到實(shí)踐已自成體系[1]。齒輪測量傳統(tǒng)上分為：以齒廓、齒向和齒距測量為基礎(chǔ)的分析式測量，以綜合測量(雙嚙、單嚙測量)為基礎(chǔ)的功能式測量，以及將單項(xiàng)和綜合集成于一體的齒輪整體誤差測量。

從整體上考察，齒輪測量技術(shù)在20世紀(jì)的發(fā)展主要表現(xiàn)在三個方面[2]：第一，在測量原理方面，實(shí)現(xiàn)了由比較測量到嚙合運(yùn)動測量,直至模型化測量的發(fā)展；第二，在實(shí)現(xiàn)測量原理的技術(shù)手段上，歷經(jīng)了以機(jī)械為主到機(jī)電結(jié)合、直至光-機(jī)-電與信息技術(shù)綜合集成的演變；第三，在測量結(jié)果的表達(dá)與利用方面，歷經(jīng)了“指示表+肉眼讀取”到“記錄器+人工研判”直至“計算機(jī)自動分析+閉環(huán)制造”的飛躍。

與此同時，齒輪量儀經(jīng)歷了單品種單參數(shù)的儀器(如萬能漸開線檢查儀)、單品種多參數(shù)的儀器(如齒形齒向檢查儀)到多品種多參數(shù)的儀器(如齒輪測量中心)的演變[3]。

推動齒輪測量技術(shù)發(fā)展的力量有兩股[4]，一是齒輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展對齒輪測量不斷提出的新要求，二是不斷進(jìn)步的關(guān)聯(lián)技術(shù)在齒輪測量領(lǐng)域的滲透。21世紀(jì)以來，齒輪產(chǎn)業(yè)的新需求表現(xiàn)為齒輪質(zhì)量的完整評價與性能控制、大批量齒輪的現(xiàn)場檢測、特大特小齒輪的測量等，關(guān)聯(lián)技術(shù)有復(fù)雜曲面三維測量、大數(shù)據(jù)處理、微電子、軟件工程、云平臺、誤差修正等。這兩股力量的深度交匯，推動了這20年齒輪測量技術(shù)的快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在四個方面：齒輪全信息測量、在線快速分選檢測、極端測量和量值傳遞等技術(shù)。

1 齒輪廣義精度理論

20世紀(jì)歷經(jīng)了齒輪誤差幾何學(xué)理論、齒輪誤差運(yùn)動學(xué)理論和齒輪誤差動力學(xué)理論的演進(jìn)而形成的齒輪精度理論，仍然是支撐過去10年國內(nèi)外修訂/制定齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)[5-8](如ISO1328-1：2013)的理論基礎(chǔ)，也是當(dāng)前齒輪測量的理論根據(jù)。

基于上述精度理論，有：①齒輪測量是對齒面上局部少數(shù)特征點(diǎn)或特征線的測量[9]，用對局部幾何信息的評定替代對整個齒輪的評定[10]；②各項(xiàng)齒輪精度指標(biāo)均按極值法進(jìn)行指標(biāo)值計算及等級確定。這種處理方式在很多齒輪應(yīng)用場景中是有效的，但這種“小樣本”處理方法也存在固有缺陷，主要是齒輪誤差信息量不足而導(dǎo)致三個問題：一是不關(guān)注誤差曲線的形狀和變化趨勢，不能揭示齒輪實(shí)際誤差的全貌；二是評定結(jié)果與齒輪實(shí)際使用性能之間存在明顯差異，可能產(chǎn)生錯誤的評定結(jié)果；三是難以挖掘出表征齒輪特定功能要求的信息。上述精度理論越來越難以處理齒輪技術(shù)發(fā)展中的一些新問題。例如：①越來越普遍采用的三維拓?fù)湫扌锡X輪(見圖1)，其齒面僅測量幾條線是不能表征真實(shí)齒面誤差的。②漸開螺旋齒輪無論用蝸桿砂輪磨齒還是成形砂輪磨齒，均存在齒面扭曲現(xiàn)象，齒面每個端截面的齒廓偏差不相同，且同一端截面左右齒面的齒廓偏差也不同，采用傳統(tǒng)的齒廓和螺旋線測量去評定這種扭曲齒面[11]將導(dǎo)致評定結(jié)果不正確。③電動汽車齒輪的轉(zhuǎn)速高，傳動噪聲要求嚴(yán)苛，為此不僅要控制齒廓偏差曲線形狀，還對齒面波度的幅值、波長和波向提出了特別要求[12]，需要通過精控齒面波度形態(tài)去控制齒輪噪聲、振動和聲振粗糙度(NVH)，也就是要通過齒輪誤差去預(yù)測齒輪使用性能。④在“碳中和、碳達(dá)峰”背景下，齒輪傳動效率要求99.8%以上，已出現(xiàn)了光整加工、紋路打亂技術(shù)[13]，齒輪表面完整性范疇下的齒輪“形”與“性”的統(tǒng)一問題也需要考慮。

圖1 齒輪三維拓?fù)湫扌蜦ig.1 3-D topological modification gear

上述諸多問題表明，傳統(tǒng)的齒輪精度理論用來控制齒輪質(zhì)量是不嚴(yán)格的,用來認(rèn)識齒輪的誤差特性是不完整的,用來分析誤差來源是不準(zhǔn)確的，這就要求創(chuàng)新齒輪精度理論，在此背景下，齒輪廣義精度理論應(yīng)運(yùn)而生。齒輪測量的兩大根本任務(wù)是解決齒輪加工工藝分析問題和齒輪使用性能預(yù)報問題，其實(shí)質(zhì)是基于齒輪測量的齒輪評價與測量結(jié)果運(yùn)用兩個問題。因此，齒輪廣義精度理論應(yīng)具有這些特征[14-19]：①融合齒輪誤差幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論成果；②考慮齒輪加工誤差、裝配誤差、承載變形、受熱變形等多種因素的耦合作用；③能全面評定齒輪質(zhì)量，以功能為導(dǎo)向，可以定義功能評定指標(biāo)；④可溯源工藝誤差，也能監(jiān)控工藝穩(wěn)定性；⑤可預(yù)報齒輪的動態(tài)性能，如振動、噪聲等；⑥能反映齒輪表面完整性。

針對齒輪廣義精度理論涉及的諸多方面，國內(nèi)外已開展大量研究工作，并取得了突出成果[20-21]。齒輪廣義精度理論基于齒輪三維誤差數(shù)據(jù)，包含了齒輪誤差的全部信息，具有信息豐富、數(shù)據(jù)完整、評價全面的特點(diǎn)，既包括了傳統(tǒng)的齒輪誤差項(xiàng)目，更包括了許多有價值而未解構(gòu)的信息。德國、美國、英國的研究進(jìn)展主要有：①齒輪三維誤差表征與可視化[22-23]；②齒輪三維誤差濾波算法與評定方法[24]，特別是基于齒輪三維誤差的齒輪傳動誤差虛擬仿真方法[25]；③采用Legendre和Chebyshev多項(xiàng)式的齒輪三維誤差分解[26-28](見圖2)，用于齒輪修形參數(shù)反調(diào)和齒輪工藝誤差溯源；④用于齒輪NVH的Fourier分析[19]；⑤真實(shí)齒輪的接觸分析(TCA和LTCA)[29]。

圖2 齒輪三維誤差分解Fig.2 Decomposition of gear 3-D deviation

筆者團(tuán)隊(duì)在齒輪廣義精度理論上的研究進(jìn)展有：①齒輪三維誤差表征與可視化、Legendre分解與誤差圖譜[23]；②齒輪三維誤差的降維評定方法與特征線統(tǒng)一模型[23]，解決了齒輪三維誤差和特征線誤差的快速評定問題；③齒輪傳動誤差和徑向綜合誤差的虛擬仿真方法[30-31]；④基于齒輪全信息的齒輪精度評價體系[32]；⑤載荷作用下的齒輪誤差形態(tài)分析與動態(tài)性能預(yù)報，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)齒輪智能配對[33]。

其中，筆者團(tuán)隊(duì)提出的基于齒輪全信息的齒輪精度評價體系[34]，既包含了全部傳統(tǒng)的齒輪精度指標(biāo)，又有面向特殊功能評價的新指標(biāo)。新評價體系克服了現(xiàn)有齒輪精度評價體系的缺陷，基于齒輪全信息樣本及統(tǒng)計分析方法進(jìn)行評價，可以顯著降低評價結(jié)果對測量過程中隨機(jī)誤差的敏感程度，可以對拓?fù)湫扌锡X輪進(jìn)行完整的分析和評價；有利于識別系統(tǒng)誤差的來源和評價隨機(jī)誤差的分布，比傳統(tǒng)的統(tǒng)計過程控制(SPC)方法更適用于分析工藝問題和評價工藝能力，用于監(jiān)測工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性時也比傳統(tǒng)的SPC方法更加靈敏和可靠；可以更準(zhǔn)確地評價實(shí)際齒面和設(shè)計齒面的一致性，更有利于預(yù)測產(chǎn)品齒輪的實(shí)際使用性能，也更容易識別可能存在的加工缺陷。

我國在齒輪廣義精度理論領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢。1970年我國在世界上首創(chuàng)了齒輪整體誤差測量技術(shù)，后續(xù)發(fā)展為齒輪整體誤差理論[35]。齒輪整體誤差有三個鮮明特點(diǎn)[15, 36]：一是反映了齒輪的全部誤差信息；二是精確地揭示了齒輪各單項(xiàng)誤差的變化規(guī)律和彼此間的關(guān)系；三是形象地反映了誤差齒輪的嚙合過程。齒輪整體誤差特別適合用于齒輪工藝誤差分析和動態(tài)性能預(yù)報。將齒輪整體誤差理論進(jìn)行拓展，結(jié)合齒輪動力學(xué)研究成果和當(dāng)代數(shù)值分析技術(shù)，是建立齒輪廣義精度理論的捷徑。

2 齒輪全信息測量技術(shù)

齒輪三維誤差測量方法分為兩類，其一是基于齒輪測量中心或多維坐標(biāo)測量機(jī)的接觸式測量方法[37]；其二是光學(xué)式非接觸測量方法，如點(diǎn)激光測量、線激光測量、激光全息測量、計算機(jī)斷層掃描(CT)測量等?？傮w而言，接觸式測量的精度高、測量效率低，測量技術(shù)相對成熟；而非接觸測量的精度偏低、測量效率高。能獲取全部齒面三維誤差信息的非接觸式測量技術(shù)是近10年的研究熱點(diǎn)，是齒輪全信息測量技術(shù)發(fā)展的主流。

2.1 齒輪點(diǎn)激光測量技術(shù)

20世紀(jì)80年代國內(nèi)外都出現(xiàn)了點(diǎn)激光測量齒輪技術(shù)的相關(guān)研究，多采用激光三角法測量原理。用點(diǎn)激光位移傳感器測量齒輪時，僅通過一個回轉(zhuǎn)軸和一個點(diǎn)激光傳感器便可獲得被測齒輪的一個端截面內(nèi)的2D輪廓，該方法用于齒輪齒距偏差的測量具有優(yōu)勢，測量精度高，測量速度快，被測齒輪的尺寸越大其優(yōu)勢越明顯。德國Klingelnberg公司利用了此優(yōu)點(diǎn)[38]，將點(diǎn)激光傳感器集成到現(xiàn)有的齒輪測量中心上，由接觸式測量建立基準(zhǔn)，由點(diǎn)激光實(shí)現(xiàn)齒距偏差的高速測量，但齒廓和螺旋線等項(xiàng)目的測量仍采用傳統(tǒng)接觸式方法測量。齒距偏差接觸式測量的效率低，特別是用于測量大齒輪。接觸式和非接觸式方式組合，使整個齒輪測量效率提高了30%。

若在測量中沿齒寬方向移動點(diǎn)激光傳感器并進(jìn)行多截面的掃描，則可以獲取齒輪的全齒面信息，但測量效率較低。受整體測量效率、激光測頭量程與精度等因素影響，點(diǎn)激光測量齒輪全信息技術(shù)仍未走出實(shí)驗(yàn)室。

2.2 齒輪線激光測量技術(shù)

線激光測量與點(diǎn)激光測量原理相似，只是把傳感器測量點(diǎn)擴(kuò)展為測量線，極大地提高了測量效率。如圖3所示，齒輪線激光測量模型[39]為

(1)

圖3 線激光齒輪測量模型Fig.3 Model of gear measurement using line laser

傳感器位姿參數(shù)的確定(包括特征樣板設(shè)計和解耦算法)是線激光齒輪測量的核心技術(shù)。文獻(xiàn)[40]采用平面、柱面等幾何形狀提出了一種利用精密轉(zhuǎn)臺同時校準(zhǔn)三個傳感器位姿參數(shù)的方法，并用柱狀圓環(huán)驗(yàn)證了該方法的正確性(見圖4)。如圖5所示，文獻(xiàn)[39]提出了一種基于特征標(biāo)準(zhǔn)件的線激光傳感器位姿標(biāo)定方法，可使得齒輪三維測量具有較好的測量重復(fù)性與準(zhǔn)確性。

圖4 文獻(xiàn)[40]的標(biāo)定方案Fig.4 Calibration scheme of reference[40]

圖5 筆者團(tuán)隊(duì)的標(biāo)定方案[39]Fig.5 Calibration scheme of the author’s team[39]

近年來，Gleason、HEXAGON、Nikon、Vantage 3D、SloneGear等公司相繼推出了基于線激光測量技術(shù)的齒輪測量儀器，筆者團(tuán)隊(duì)與國外同步開展了相應(yīng)的研發(fā)工作。Gleason公司推出的300GMSL型齒輪線激光檢測系統(tǒng)(圖6)，在齒輪測量中心的基礎(chǔ)上配加線激光傳感器，能實(shí)現(xiàn)與接觸式測頭的切換測量，單個齒面可快速獲取68.5萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)，但仍需接觸式測頭進(jìn)行初始定位。HEXAGON公司開發(fā)了多測頭齒輪在線測量系統(tǒng)(圖7)，沿周向布置5個線激光傳感器，位姿狀態(tài)保持不動便可快速掃描拼接整個齒輪輪廓，測量速度可達(dá)每秒17.5萬點(diǎn)[41]。文獻(xiàn)[42-43]在齒輪測量中心基礎(chǔ)上采用線激光傳感器替換接觸式測頭(見圖8)，設(shè)計特殊標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，而不再依賴接觸式測頭的標(biāo)定與初始定位，可快速實(shí)現(xiàn)齒輪三維數(shù)據(jù)的高精度采集，并集成了分析式測量和虛擬綜合式測量功能。

圖6 Gleason線激光齒輪測量儀器Fig.6 Gear measuring instrument of Gleason usingline laser

圖7 HEXAGON線激光齒輪測量儀器Fig.7 Gear measuring instrument of HEXAGON usingline laser

圖8 筆者團(tuán)隊(duì)線激光齒輪測量儀器Fig.8 Gear measuring instrument of the author’s teamusing line laser

線激光齒輪測量通過一個回轉(zhuǎn)軸和一個或多個線激光傳感器便可獲得被測齒輪的三維齒面，測量速度快，適合大批量齒輪檢測，但測量精度相對于點(diǎn)激光測量有所降低。此外，齒根陡峭區(qū)域入射角控制、相鄰齒面遮擋、光線二次反射以及多傳感器融合與數(shù)據(jù)拼接等問題給齒面數(shù)據(jù)高精度獲取帶來一定影響，是未來線激光測量技術(shù)發(fā)展要解決的關(guān)鍵問題。

2.3 齒輪激光全息測量技術(shù)

20世紀(jì)80年代，日本和我國開始了齒輪激光全息測量技術(shù)研究[44-45]。基本原理如圖9所示[46]，以單頻的氦氖激光器為光源，首先在干涉測量系統(tǒng)獲得參考標(biāo)準(zhǔn)齒面的全息圖像，然后將標(biāo)準(zhǔn)齒面替換為被測齒面放置于干涉測量系統(tǒng)中，同時將已經(jīng)拍攝到的全息圖像置于系統(tǒng)中。測量時，激光經(jīng)分光棱鏡分光擴(kuò)束后分為測量光路和參考光路，其中測量光照射到被測齒面上。兩束光線同時照射在全息圖上，形成了被測齒面和參考齒面間的干涉條紋，并投影在接收屏幕上。在對條紋圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，可以得到被測齒面相對于標(biāo)準(zhǔn)齒面的形狀誤差。在測量光與全息圖像之間放入平行平晶，用來調(diào)整測量光的相位。

圖9 全息移相干涉法測量齒輪齒面原理Fig.9 Principle of gear tooth measurement byholographic phase-shifting interferometry

激光全息測量單次成像即可采集被測齒面大面積的形狀誤差數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了面測量。這種方法的測量精度取決于參考標(biāo)準(zhǔn)齒面以及干涉條紋圖像相位提取的精度。因此，減小系統(tǒng)誤差，確定包含齒面信息的真實(shí)相位是測量的關(guān)鍵技術(shù)，包括相位提取和相位解包裹算法。文獻(xiàn)[47]采用仿真方法提出了干涉測量光學(xué)系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法，與齒輪測量中心測量值進(jìn)行對比的結(jié)果表明了該方法的有效性。文獻(xiàn)[48]提出了一種依據(jù)條紋特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)條紋修復(fù)的相位解包裹方法，使得從干涉條紋中提取的相位信息具有更高的可靠性和準(zhǔn)確性。

近年來，基于該測量原理，德國Fraunhofer IPM物理測量技術(shù)研究所研制出了一款基于數(shù)字多波長全息技術(shù)的齒輪測量設(shè)備，通過多個窄帶激光器產(chǎn)生各種合成波長，測量范圍橫跨亞微米至毫米，并且具有豐富的測量數(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)15 mm×15 mm內(nèi)1000萬個3D點(diǎn)的數(shù)據(jù)測量[49]，齒面測量再現(xiàn)性達(dá)1μm。

激光全息法測量齒輪時存在輪齒對激光束的遮擋，難以獲得被測面的完整信息，且螺旋角越大該問題越突出。同時，過大的螺旋角也會導(dǎo)致干涉條紋出現(xiàn)局部密集分布的情況，相位解包精度降低甚至失敗。此外，齒輪安裝位置控制、光學(xué)系統(tǒng)的自適應(yīng)補(bǔ)償、對參考標(biāo)準(zhǔn)齒輪的依賴等問題都給該方法的應(yīng)用帶來了一定限制。這些是未來廣泛應(yīng)用激光全息測量技術(shù)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)問題。激光全息法測量齒輪是相對測量，構(gòu)建虛擬數(shù)字基準(zhǔn)齒面也是研究難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.4 齒輪CT測量技術(shù)

CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)早在1917年已由RADON建立，而在計算機(jī)出現(xiàn)并與放射學(xué)結(jié)合后CT才成為實(shí)用的檢測技術(shù)。我國引入和制造工業(yè)CT始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過這30年的發(fā)展，已能設(shè)計制造系列化工業(yè)CT。工業(yè)CT的主要應(yīng)用是無損探傷，用于精密測量是這20年的發(fā)展。國內(nèi)外生產(chǎn)工業(yè)CT的廠家不少，能用于精密測量的并不多，主要制造商都在德國，如Zeiss、Werth、Wenzel等，另外有日本的Nikon和美國的GE。值得注意的是，這些廠家大都是著名精密量儀生產(chǎn)廠家。

與其他齒輪測量儀器(如齒輪測量中心)和光學(xué)測量方法相比，工業(yè)CT在齒輪測量方面具有無可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢。明顯的優(yōu)勢是全信息：沒有死角、沒有擋光，一次測量不但可以得到齒輪內(nèi)外部尺寸與形狀、裂紋缺陷等信息，還可同時獲得齒輪精度相關(guān)的全部誤差信息，如齒廓偏差、螺旋線偏差、齒距偏差等。此外，未知齒輪參數(shù)的情況下，也能完成齒輪測量。更為重要的是解決了諸多齒輪“可測性”難題[50]，如小模數(shù)內(nèi)齒輪、微小齒輪、新齒廓齒輪、未知參數(shù)復(fù)雜齒輪的測量。因此，目前工業(yè)CT在齒輪測量領(lǐng)域主要用于小模數(shù)齒輪、塑料齒輪、新型齒輪研發(fā)中的測量，以及齒輪反求測量，能實(shí)現(xiàn)多個齒輪無需裝夾同時快速測量。

10年前，國際上曾出現(xiàn)齒輪CT測量技術(shù)的研究高潮，主要集中在兩方面，一是工業(yè)CT機(jī)的標(biāo)定方法，二是與其他齒輪測量儀器的比對測量。以此為基礎(chǔ)，形成了工業(yè)CT測量齒輪的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)：德國標(biāo)準(zhǔn)VDI/VDE 2630-2.1：2015和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 10360-11。

在工業(yè)CT精密尺寸測量的標(biāo)定方面，國內(nèi)外常采用小森林球[51]作為實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，以圓的直徑和中心距作為標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行空間尺寸標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，用小森林球標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)定工業(yè)CT得到的球心距誤差在±2 μm以內(nèi)[52-53]。但這是尺寸標(biāo)定，不是形狀標(biāo)定。目前還沒有針對工業(yè)CT測量齒輪的專門標(biāo)準(zhǔn)器及校準(zhǔn)方法，沒有建立直接溯源到漸開線的量值傳遞體系。工業(yè)CT測量齒輪的精度還沒有突破10 μm，精度偏低是齒輪CT測量的主要局限，提高齒輪CT測量精度是關(guān)鍵技術(shù)難題。

3 齒輪在線快速分選檢測技術(shù)

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的齒輪在線快速分選檢測技術(shù)是針對生產(chǎn)現(xiàn)場大批量車輛齒輪的分選測量需求而發(fā)展起來的，大都采用齒輪雙嚙測量原理，能進(jìn)行齒輪部分精度指標(biāo)的測量以及毛刺、磕碰等缺陷檢測[54]。近幾年，針對電動汽車齒輪的性能要求更高，對分選測量也提出了新要求；同時，智能產(chǎn)品對民生齒輪有巨量需求[55]，相應(yīng)地對小模數(shù)齒輪(特別是塑料齒輪和微小齒輪)也提出了在線快速分選檢測需求。這些新要求和新需求促進(jìn)了齒輪在線快速測量原理、方法和技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

3.1 齒輪雙嚙測量技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)的齒輪在線快速測量技術(shù)通常采用齒輪雙面嚙合測量原理[56]。究其原因，車輛齒輪的精度一般在7級(GB/T 10095—2008)，雙嚙測量能滿足精度要求；另一方面，雙嚙測量具有原理簡單(一維徑向位移測量且不需要測角傳感器)、測量效率高、對環(huán)境無嚴(yán)格要求、測量齒輪制造方便等特點(diǎn)，既能適應(yīng)相對惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，又能滿足快速測量的要求。之前研究主要集中在：①測量過程自動化；②從測量數(shù)據(jù)中挖掘更多有價值的信息；③測量齒輪的制造誤差與磨損的修正技術(shù)[57]。

齒輪雙面嚙合測量是綜合測量，在線分選檢測通常是齒輪產(chǎn)品的終檢，但綜合誤差檢測合格并不代表齒輪單項(xiàng)誤差都合格。雖然在計量室測量齒輪單項(xiàng)誤差并不困難，但大批量齒輪在線快速分選檢測中，如何快速獲取齒輪單項(xiàng)誤差卻成了一個關(guān)鍵問題[56]。為此，近20年來發(fā)展了兩種技術(shù)：齒輪雙面嚙合多維測量技術(shù)和激光-雙嚙復(fù)合測量技術(shù)。

(a)測量原理

(b)測量儀器圖10 齒輪雙嚙多維測量方案Fig.10 Double flank gear rolling testing scheme withmulti-degree of freedom

齒輪雙面嚙合多維測量原理[58]如圖10所示，在傳統(tǒng)的雙面嚙合測量原理上為測量齒輪增加自由度，通過新增的自由度來反映被測齒輪的軸向精度信息。由于可以用線性測微傳感器來獲得齒輪軸線的偏擺量，而不需要精密測角傳感器，因此，該測量原理既具有傳統(tǒng)雙嚙測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又能在一次快速測量中同時得到被測齒輪的軸向精度信息。這種測量方式從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的齒輪雙嚙測量的一維模式，可測盤齒輪和軸齒輪的徑向綜合偏差、徑向跳動、毛刺、齒向偏差、錐度等多個誤差項(xiàng)目，其關(guān)鍵是采用了一個特殊的中間掏空了的測量齒輪(見圖10)。哈爾濱量具刃具集團(tuán)和筆者團(tuán)隊(duì)研制的3501、德國Klingelnberg公司的R300、英國INTRA公司的BWA、意大利Marposs公司的M62-DF等儀器都采用了這種原理，在大批量汽車齒輪在線檢測中得到越來越多的應(yīng)用。配備機(jī)器人上下料后，單臺儀器每天檢測齒輪可達(dá)1.8萬個。

為快速獲取齒輪單項(xiàng)誤差，美國Gleason公司另辟蹊徑，將2.2節(jié)所述線激光測量與雙嚙測量集成，發(fā)揮兩種測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)了激光-雙嚙齒輪復(fù)合測量技術(shù)[59]，實(shí)現(xiàn)了對齒輪齒距偏差、齒廓偏差等單項(xiàng)誤差及徑向綜合誤差的快速檢測。Gleason公司推出的儀器GRSL測量齒數(shù)31的斜齒輪全部誤差項(xiàng)目，用時僅為10 s。GRSL更突出的功能是能將單項(xiàng)誤差測量結(jié)果反饋給磨齒機(jī)，形成閉環(huán)，進(jìn)一步提高齒輪加工質(zhì)量。

3.2 齒輪單嚙測量技術(shù)

與雙嚙測量相比，齒輪單面嚙合測量在大批量齒輪在線快速分選檢測中的應(yīng)用沒有那么普遍，原因有兩點(diǎn)：單嚙測量需要兩個高精度的測角傳感器，成本遠(yuǎn)高于雙嚙測量傳感器；更主要的是單嚙測量需要正反轉(zhuǎn)運(yùn)動，測量效率比雙嚙測量低一半。但齒輪單嚙測量優(yōu)于雙嚙測量的突出特點(diǎn)[60]有：①單嚙測量運(yùn)動接近于齒輪的使用狀態(tài)；②可以加載、調(diào)速測量。

純電動汽車齒輪轉(zhuǎn)速最高達(dá)22 000 r/min，對齒輪傳動噪聲和嘯叫聲有嚴(yán)格要求。不僅要求齒輪精度達(dá)到4～5級，而且要求齒輪裝上減速器后滿足NVH要求。因此，電動汽車齒輪的在線分選檢測不僅是精度的分選檢測，更包含NVH的分選檢測[61]。這種情況下齒輪雙嚙測量技術(shù)難以滿足要求，齒輪單嚙測量技術(shù)成了唯一選擇。

對電動汽車齒輪進(jìn)行在線快速分選檢測的原理[61]如圖11所示。在常規(guī)單嚙測量原理基礎(chǔ)上增加了力矩和振動傳感器，具有調(diào)速、調(diào)載功能，測試載荷常為20 N·m、轉(zhuǎn)速2000 r/min。儀器測試項(xiàng)目有毛刺和齒輪表面波紋度檢測、幾何誤差(偏心、齒形偏差、齒距偏差等)、時域信號歷史數(shù)據(jù)、單值統(tǒng)計、階次譜和階次跟蹤、信號調(diào)制與趨勢分析等。英國Intra、德國Linnenbrink等公司推出了相應(yīng)儀器，但測試分析軟件都采用Discom分析系統(tǒng)。雖然國內(nèi)對單嚙測量的研究比較深入，但面向電動汽車齒輪的在線快速分選測試技術(shù)與儀器幾乎還是空白。

(a)單嚙測量原理

(b)NVH檢測圖11 齒輪單嚙分選檢測原理Fig.11 Principle of gear in-site rapid single flank testing

3.3 齒輪整體誤差測量技術(shù)

我國首創(chuàng)的齒輪整體誤差測量技術(shù)具有測量效率高、信息全的特點(diǎn)，特別適用于在線快速分選檢測[34]。但其基礎(chǔ)理論中有一些關(guān)鍵問題沒有解決，曾影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。筆者以齒輪整體誤差測量基礎(chǔ)理論的四個關(guān)鍵問題為突破口，通過理論創(chuàng)新，解決了齒輪整體誤差理論單元曲線的精確計算[62]、整體誤差曲線上齒廓評定區(qū)域的自動精確找定[63]和整體誤差測量中異點(diǎn)接觸誤差的修正[64]等問題，提高了齒輪整體誤差測量精度；提出了基于全信息的齒輪精度評價體系[32]，可充分發(fā)揮齒輪整體誤差測量效率高、信息全的優(yōu)勢，克服了現(xiàn)有齒輪精度評價體系基于小樣本采樣和極值法評價帶來的諸多缺陷，實(shí)現(xiàn)了基于整體誤差測量的真實(shí)、完整的齒輪使用性能評價和加工工藝分析。以上四項(xiàng)創(chuàng)新為齒輪整體誤差測量技術(shù)在齒輪快速測量領(lǐng)域的成功應(yīng)用提供了有力的支撐。

哈爾濱量具刃具集團(tuán)和筆者團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了基于齒輪整體誤差測量原理的汽車齒輪在線快速測量機(jī)，集成了上下料工業(yè)機(jī)器人，已投入實(shí)際應(yīng)用，如圖12所示。

圖12 汽車齒輪在線檢測系統(tǒng)Fig12 Automotive gear in-site inspection system

相較齒輪單嚙和雙嚙測量技術(shù)，齒輪整體誤差測量技術(shù)的優(yōu)勢明顯，除了齒輪誤差信息更全面外，作為標(biāo)準(zhǔn)元件的測量蝸桿比測量齒輪更容易制造。未來本項(xiàng)技術(shù)將會再放異彩。

3.4 齒輪視覺測量技術(shù)

相對于接觸式測量，機(jī)器視覺這種非接觸式測量方式具有效率高、信息全、穩(wěn)定性好、可識別缺陷等優(yōu)點(diǎn)。塑料齒輪和微小齒輪的生產(chǎn)批量大、測量裝夾難，適合采用機(jī)器視覺測量技術(shù)進(jìn)行在線快速分選檢測。

齒輪視覺檢測主要有精度檢測和缺陷檢測兩種用途。齒輪視覺檢測流程通常包括圖像采集、圖像預(yù)處理、邊緣檢測、齒輪精度評價或齒輪缺陷分析等步驟，其中圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、圖像分割、邊緣檢測、亞像素算法等屬于通用的視覺檢測技術(shù)，而齒輪精度評價和齒輪缺陷分析則是齒輪檢測領(lǐng)域的問題。

齒輪視覺檢測的核心問題是測量精度和檢測效率，都依賴于測量系統(tǒng)的硬件和數(shù)據(jù)處理算法。為提高測量精度，筆者提出了基于虛擬樣板的齒輪測量軟件精度標(biāo)定方法。測量精度通過兩個環(huán)節(jié)保證：首先通過測量標(biāo)定片對圖像采集系統(tǒng)的精度進(jìn)行標(biāo)定，其次使用虛擬齒輪樣板對測量軟件算法的精度進(jìn)行標(biāo)定。

筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的面向注塑齒輪的在線視覺檢測設(shè)備，可同時檢測齒輪的上下端面和側(cè)面，除檢測幾何尺寸外，還可檢測內(nèi)孔圓度、齒圈跳動、齒厚、公法線長度等誤差項(xiàng)目，并可針對注塑齒輪的黑點(diǎn)、收縮、翹曲等材料和工藝缺陷進(jìn)行專門檢測，每天可檢測30 000個齒輪，獲得了較好的應(yīng)用效果[65]。

對微小齒輪的檢測，檢測效率更高，可實(shí)現(xiàn)每小時7200～9000件產(chǎn)品的檢測，產(chǎn)品缺陷識別準(zhǔn)確性99.9%。

視覺檢測中圖像采集系統(tǒng)的精度和視場大小是關(guān)聯(lián)的，視場越小精度越高，因此目前齒輪視覺測量技術(shù)主要應(yīng)用于小模數(shù)齒輪生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著技術(shù)發(fā)展，未來齒輪視覺在線檢測技術(shù)也將會應(yīng)用到汽車齒輪等以中模數(shù)齒輪為主的領(lǐng)域。隨著人工智能(AI)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，未來齒輪視覺檢測技術(shù)能夠識別的缺陷種類、識別準(zhǔn)確性也會不斷提高。

4 齒輪極端測量技術(shù)

特大齒輪(直徑大于3000 mm)測量和微小齒輪(直徑小于2 mm或模數(shù)小于0.1 mm)測量屬于“極端測量”范疇。過去20年，對齒輪極端測量技術(shù)的研究取得了系列成果，有些已應(yīng)用于實(shí)際齒輪測量中。

4.1 特大齒輪測量技術(shù)

特大齒輪用量少，缺乏檢測手段，曾經(jīng)不作齒部精度測量，其加工精度屬于未知。這20年來，對特大齒輪的性能要求越來越高，其測量受到重視[66]。特大齒輪測量分為離位測量和在位測量。離位測量是將齒輪搬到儀器上進(jìn)行測量，是用大型儀器測量特大齒輪[67]，即“以大測大”的思路。要測量大尺寸工件，就要開發(fā)一種更大尺寸的測量儀器。德國Wenzel公司開發(fā)的6 m齒輪測量中心和Leitz公司開發(fā)的能測5 m齒輪的坐標(biāo)測量機(jī)是典型產(chǎn)品[68]，這類臺式儀器精度高、測量條件好，可測量多個誤差項(xiàng)目。但特大齒輪搬運(yùn)不方便、在儀器上的安裝調(diào)整麻煩，儀器承載變形大、價格昂貴，影響了這類儀器的應(yīng)用。由于離位測量的局限性，將儀器置于齒輪旁進(jìn)行在位測量，就成了特大齒輪測量的合理選擇。

圖13所示為特大齒輪激光跟蹤在位測量方案[69]。該方案將激光跟蹤測量和三坐標(biāo)測量技術(shù)結(jié)合起來，利用激光跟蹤儀的大尺寸測量能力解決被測齒輪相對于三維平臺的定位問題，利用三維平臺的自動控制和高精度測量能力實(shí)現(xiàn)特大型齒輪的高精度測量。測量時，利用激光跟蹤儀建立齒輪坐標(biāo)系和三維測量平臺的儀器坐標(biāo)系，經(jīng)坐標(biāo)變換將齒輪坐標(biāo)系、儀器坐標(biāo)系統(tǒng)一到激光跟蹤儀所在的測量坐標(biāo)系中，確定了齒輪坐標(biāo)系與三維測量平臺坐標(biāo)系的位置關(guān)系后，特大齒輪測量便可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的齒輪測量，即實(shí)現(xiàn)了將特大齒輪“搬”到虛擬的大尺寸三維測量平臺上進(jìn)行測量。完成一個輪齒測量后，三維平臺移動到下一位置測量另一輪齒，重復(fù)這個過程可完成特大齒輪測量。

(a)測量原理

(b)測量現(xiàn)場圖13 特大齒輪激光跟蹤在位測量方案Fig.13 In-site measurement scheme with laser trackerfor mega gears

激光跟蹤在位測量技術(shù)集成了激光跟蹤和坐標(biāo)測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的靈活性，通過“以小測大”這一思路，實(shí)現(xiàn)了特大齒輪的精密測量，與傳統(tǒng)的“以大測大”方式有本質(zhì)的區(qū)別。這一方案也可用于其他大型復(fù)雜零件的測量，精度高、通用性強(qiáng)，具有發(fā)展前景。

4.2 微小齒輪測量技術(shù)

智能時代是微小齒輪的藍(lán)海，滾齒加工、注塑工藝和粉末冶金注射成形工藝(MIM)都能實(shí)現(xiàn)微小齒輪的大規(guī)模生產(chǎn)。微小齒輪缺少精加工工藝，相比中小模數(shù)齒輪，其精度等級較低。在線快速分選檢測通常采用3.4節(jié)所述的視覺檢測技術(shù)。針對微小齒輪的單嚙測量技術(shù)，迄今是空白。針對微小齒輪的雙嚙測量技術(shù)，國內(nèi)外都有研究報道，但沒形成產(chǎn)品[70-71]。

為分析微小齒輪的工藝誤差，也為了注塑料齒輪和MIM齒輪的模具測量，需要面向微小齒輪的分析式測量儀器。由于齒槽小，接觸式測量的核心是測頭的測針微細(xì)化。為此，德國Werth公司研制了三維光纖測頭，測針最小直徑為20 μm[72]。測針易變形、易折斷的特性限制了該方法的使用。同時，更小直徑的測針制造更加困難，這就限制了微小齒輪接觸式測量技術(shù)的發(fā)展。為此，微小齒輪非接觸光學(xué)測量技術(shù)成為了這十多年的研究重點(diǎn)。

微小齒輪非接觸測量技術(shù)有多種，典型如白光干涉、變焦測量等技術(shù)。

針對微小齒輪測量，文獻(xiàn)[73]提出了一種基于白光干涉儀的微小齒輪齒距偏差和齒廓偏差精密測量方法。該方法利用微小齒輪端面全部三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定齒輪基準(zhǔn)軸線位置，有效避免了小樣本數(shù)據(jù)對齒輪測量精度的影響。根據(jù)干涉圖樣的出現(xiàn)順序能夠?qū)崿F(xiàn)對微小齒輪端面傾斜程度的實(shí)時監(jiān)測，保障了齒輪輪廓的提取精度。但該方法僅能提取齒輪的端面齒廓信息，不能獲取齒面精度信息。

如圖14所示，在使用變焦技術(shù)進(jìn)行微小齒輪測量時，顯微物鏡以面掃描測量的方式沿光軸方向掃描被測齒面，位于焦平面上的被測點(diǎn)能夠在CCD相機(jī)上呈現(xiàn)出最清晰的圖像。通過齒面成像位置和掃描位移量的關(guān)系確定整個被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完成全齒面的信息獲取[74-75]。

圖14 變焦測量原理Fig.14 Principle of focus variation measurement

變焦測量技術(shù)最早應(yīng)用于三維表面粗糙度的測量領(lǐng)域。近年來，Alicona公司推出了變焦測量技術(shù)的代表儀器InfiniteFocus G5，其軸向分辨力可達(dá)10 nm，可測傾角能夠達(dá)到87°，配上德國Frenco公司的齒輪測量分析軟件，在微小齒輪測量領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸展開[76]。但在測量透光性較好的材料時，變焦測量方法的精度較低，并且會丟失大量的測量數(shù)據(jù)。因此，并不適用于白色塑料齒輪的測量。

為徹底解決微小齒輪測量難題，發(fā)展一種高精度自聚焦光學(xué)探針(光斑1 μm)是著力方向。

5 齒輪量值傳遞

過去20年，世界范圍內(nèi)齒輪量值傳遞領(lǐng)域的研究碩果累累，齒輪樣板與基準(zhǔn)測量儀器的技術(shù)水平有明顯提升，推出了新版齒輪樣板標(biāo)準(zhǔn)，完成了一輪齒輪樣板國際比對，齒輪量值傳遞體系更加完善。

5.1 基于簡單形體的齒輪樣板與測量儀器

漸開線樣板、螺旋線樣板和齒距樣板的形狀復(fù)雜、精度要求高，加工困難。20世紀(jì)中期開始，就在探索用簡單形體(如球、圓柱、平面等)的組合去代替齒輪樣板的可能性。到21世紀(jì)，這些可能性都成為了現(xiàn)實(shí)。

在漸開線樣板方面，日本和德國研究了平面樣板、圓柱樣板、雙球樣板(DBA)等非漸開線樣板[77-78]，其中平面和圓柱樣板存在測量結(jié)果易超出儀器量程和安裝精度難以保證等缺點(diǎn)而被淘汰；而雙球樣板具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高、可溯源等優(yōu)點(diǎn)，符合對CNC齒輪測量中心進(jìn)行高精度校準(zhǔn)的要求，因而為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 10064-5:2005所采納[79]。

在螺旋線樣板方面，日本研制的楔形樣板和球-楔樣板(BWA)[80-81]，已配套齒輪儀器出售。該類樣板利用斜切圓柱體的斜切平面作為導(dǎo)程測量校準(zhǔn)平面，選擇合適的傾斜角度可以使傾斜面與螺旋面形狀近似。楔形樣板的優(yōu)勢在于一個樣板可以評價各種規(guī)格的齒輪測量儀器。平面的加工精度可以達(dá)到納米量級，所以新型螺旋線樣板的精度比經(jīng)典螺旋線基準(zhǔn)樣板精度高。

在齒距樣板方面，日本和德國研發(fā)了多球齒距樣板(MBA)[82]。MBA由多個間距相等的球體構(gòu)成，不僅可用于校準(zhǔn)齒輪測量儀器的齒距測量性能，也可以任意地選擇球體校準(zhǔn)儀器的齒廓測量性能。MBA具有DBA的優(yōu)點(diǎn)，且齒輪測量儀器均可以用MBA校準(zhǔn)而不需要任何特殊軟件。

上述新型齒輪樣板幾何形狀簡單，容易加工和裝配，且表面光滑可以保證較小的粗糙度，但形狀和直徑標(biāo)定不確定度高。同時樣板的幾何形狀特征已知，其與理論漸開線、螺旋線之間的原理誤差可以準(zhǔn)確計算，因而新型樣板在校準(zhǔn)CNC齒輪測量儀器中將得到廣泛應(yīng)用。但是除了多球齒距樣板校準(zhǔn)齒距外，新型樣板校準(zhǔn)齒輪測量儀器時都需要專門的軟件進(jìn)行原理誤差的修正，因此新型樣板不能用于傳統(tǒng)非CNC齒輪測量儀器的校準(zhǔn)。

關(guān)于齒輪樣板測量儀器，德國國家計量研究院(PTB)采用的是ZEISS公司的UPMC850超精密三坐標(biāo)測量機(jī)和Klingelnberg公司精化了的P40齒輪測量中心；英國國家齒輪計量中心采用的是Klingelnberg公司精化了的P65；美國采用的是由美國MM公司精度升級后的MM3000，為專門定制儀器。日本國家齒輪樣板檢測儀器是由大阪精機(jī)株式會社專門設(shè)計制造的。我國國家計量研究院(NIM)專門研制了螺旋線基準(zhǔn)測量裝置[83]。

5.2 大齒輪樣板

20年前，沒有大齒輪樣板，更缺乏檢測大齒輪樣板的基準(zhǔn)儀器，因而沒有大齒輪量值傳遞系統(tǒng)，大齒輪測量溯源一直是個難題。近20年，這個狀況終于開始改變。

由于風(fēng)電齒輪測量的迫切需求，2009年P(guān)TB啟動了大尺度齒輪樣板的研制工作。先后研制了兩款大齒輪樣板。第一款為50°的扇形齒樣板[84](圖15)，齒頂圓直徑1000 mm，樣板重450 kg，法向模數(shù)20 mm，壓力角20°，齒寬400 mm，其上包含了左旋20°、右旋10°和直齒三種不同類型的輪齒，其中漸開線偏差及螺旋線偏差的測量不確定度為3.4 μm。第二款是大齒輪環(huán)形樣板[84](圖16)，直徑2000 mm，質(zhì)量約2700 kg。該樣板上包含了左旋20°、右旋10°和直齒三種不同類型的一組內(nèi)齒與一組外齒，每組齒在內(nèi)圓和外圓上又各自均勻分布了三組，因此每隔60°就有一組齒交替分布在內(nèi)圓和外圓上。

圖15 扇形齒樣板Fig.15 Gear artifact

圖16 大齒輪環(huán)形樣板Fig.16 Large ring gear artifact

PTB設(shè)計了上述樣板，其制造工藝復(fù)雜，集成了Flender、Hofler等多家德國頂尖企業(yè)的工藝技術(shù)。PTB采用ZEISS與Leitz公司的超精密三坐標(biāo)測量機(jī)和Klingelnberg與Wenzel公司的大型齒輪測量中心對上述樣板進(jìn)行測量，揭示了大齒輪測量中的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了德國大齒輪量值傳遞。

5.3 1級精度齒輪漸開線樣板

齒輪樣板主要包括三個維度的標(biāo)準(zhǔn)樣板：齒距樣板(GB/T 10095.1—2008)、齒輪漸開線樣板(GB/T 6467—2010)和齒輪螺旋線樣板(GB/T 6468—2010)[85-86]，這三類單一參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣板精度指標(biāo)執(zhí)行不同的國家標(biāo)準(zhǔn)，具有一定獨(dú)立性。

標(biāo)準(zhǔn)齒輪是將這三類參數(shù)整合到一起的一種多參量的齒輪樣板，其設(shè)計需要參考產(chǎn)品齒輪。標(biāo)準(zhǔn)齒輪是多參量的產(chǎn)品，至少有四項(xiàng)必檢項(xiàng)目和五項(xiàng)默認(rèn)檢查項(xiàng)目，在制造精度控制過程中，至少要考慮九項(xiàng)指標(biāo)。1級精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪至少五項(xiàng)(齒距累積總偏差、單個齒距偏差、齒廓總偏差、螺旋線總偏差和齒圈徑跳)全部達(dá)到1級精度，而且1級是國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO1328-1：2013)中的最高級，加工難度非常大。

單一參數(shù)的齒輪樣板，例如齒輪漸開線樣板和齒輪螺旋線樣板，其漸開線和螺旋線的計值長度一般要高于標(biāo)準(zhǔn)齒輪的計值長度，然而漸開線齒廓形狀公差和螺旋線形狀公差卻收緊了很多，制造難度非常大，尤其是齒輪螺旋線樣板，測量的曲線是空間曲線，致使螺旋線樣板的制造難度更大。

大連理工大學(xué)高精度齒輪研究室研制出國際領(lǐng)先水平的1級精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪[87](ISO1328-1：2013)和1級精度齒輪漸開線樣板[88](GB/T 6467—2010)。最近在漸開線樣板上又取得重要進(jìn)展，研制了一種新型樣板[88](圖17)，其特點(diǎn)：①一個實(shí)物，三個樣板。按國標(biāo)規(guī)定，一臺齒輪儀器需大、中、小三個漸開線樣板進(jìn)行校準(zhǔn)，通常采用三個分立的實(shí)物樣板進(jìn)行。新型實(shí)物樣板集成大、中、小三個漸開線樣板于一體，不僅減少了實(shí)物樣板數(shù)量，更是統(tǒng)一了安裝基準(zhǔn)，間接提高了校準(zhǔn)精度。②所有齒面的齒廓形狀偏差在0.2～0.5 μm。精度優(yōu)于國標(biāo)GB/T 6467—2010中1級精度公差要求。相較于單條漸開線實(shí)物樣板，三條漸開線于一體的實(shí)物樣板的超精密加工更具挑戰(zhàn)性。

圖17 新型漸開線樣板Fig.17 A novel involute artifact

目前該研究室正致力于齒輪螺旋線樣板的超精密制造與測量技術(shù)突破，為健全我國齒輪的量值傳遞體系補(bǔ)上一塊短板。

6 下一代齒輪測量

齒輪精密測量發(fā)端至今已歷經(jīng)百多年，跨越三代。第三代齒輪測量出現(xiàn)至今已40多年，目前正處于第三代齒輪測量向下一代齒輪測量轉(zhuǎn)變的過渡期。過去20年，齒輪測量技術(shù)取得長足進(jìn)步，但仍未實(shí)現(xiàn)第三代齒輪測量向下一代齒輪測量的跨越。

當(dāng)前，齒輪的設(shè)計、加工、檢測和使用方式正發(fā)生著巨大變化。采用三維拓?fù)湫扌纬蔀榭刂讫X輪性能的一個普遍趨勢，齒輪三維誤差測量將成為齒輪測量的主要方式。這些新發(fā)展、新變化召喚著新一代齒輪測量的出現(xiàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)不斷取得突破，以及齒輪本身制造技術(shù)和使用要求的不斷提高，發(fā)展下一代齒輪測量迎來了關(guān)鍵歷史契機(jī)。

圖18 下一代齒輪測量的整體架構(gòu)Fig.18 Overall architecture of the next generationgear measurement

圖18展示了下一代齒輪測量的整體技術(shù)架構(gòu)。下一代齒輪測量將主要采用非接觸式光學(xué)測量快速獲取齒輪的三維全信息，基于云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，基于大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)知識挖掘和積累，基于全信息的齒輪精度評價、齒輪工藝誤差分析及溯源、齒輪動態(tài)性能預(yù)報、全域范圍內(nèi)的齒輪配對等齒輪測量數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用都將在云端完成，齒輪測量信息的利用水平將達(dá)到前所未有的廣度和深度，將實(shí)現(xiàn)以齒輪測量為紐帶的齒輪設(shè)計、加工、檢測、使役“全生命周期”閉環(huán)控制。下一代齒輪測量的數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)分析能力和測量結(jié)果綜合應(yīng)用水平將遠(yuǎn)超第三代。

為實(shí)現(xiàn)下一代齒輪測量，有一些基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問題必須攻克：①齒輪廣義精度理論的完善；②光學(xué)全信息齒輪測量精度的提高；③齒輪三維測量的量值傳遞；④齒輪三維測量數(shù)據(jù)的深度挖掘與運(yùn)用；⑤特大齒輪在機(jī)測量；⑥特大齒輪和微小齒輪的量值傳遞;⑦齒輪測量與測試數(shù)據(jù)的融合。

未來10年，齒輪測量領(lǐng)域的研究重點(diǎn)包括：微小齒輪的快速精密測量、齒輪“形”和“性”的融合測量、齒輪測量結(jié)果的應(yīng)用拓展等；要解決的科學(xué)問題有:探尋微小齒輪測量新方法、新原理，完善基于全信息的齒輪廣義精度理論及其大數(shù)據(jù)分析方法，以及或許即將出現(xiàn)的生物齒輪的測量和測試方法。