專利名稱：面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置，屬于精密測試 計(jì)量技術(shù)及儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
所謂面齒輪傳動(Face Gear Drive)，是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪 傳動。圖1是面齒輪傳動的示意圖，其中齒輪1為普通的圓柱齒輪(小齒輪)，齒輪2為面 齒輪(圓錐齒輪)，該圓錐齒輪是用與齒輪1相同尺寸的刀具經(jīng)展成法加工出來的。根據(jù)小 齒輪和面齒輪兩軸線的關(guān)系，可將面齒輪傳動分為正交與非正交、偏置與非偏置等幾種類 型。通常情況下，面齒輪傳動具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)1)小齒輪為漸開線圓柱齒輪，其軸向位置誤差對傳動性能沒有影響，其它方向誤 差的影響也極小，無需防錯位設(shè)計(jì)；2)面齒輪傳動比錐齒輪傳動具有較大的重合度，承載能力高，傳動平穩(wěn)；3)小齒輪為直齒圓柱齒輪時，小齒輪上無軸向力作用，可簡化支承，減輕重量；4)小齒輪為漸開線齒輪，同時嚙合齒對的公法線相同，對于動力傳動極其有利。為了保證面齒輪傳動正確，其誤差測量則顯得尤為重要。與其他齒輪類似，面齒輪 的誤差也分為兩大類單項(xiàng)幾何誤差和綜合傳動誤差。單項(xiàng)幾何誤差包括齒廓偏差、齒向 (螺旋線)偏差和齒距偏差，而相應(yīng)的測量方法主要有坐標(biāo)測量法，如采用坐標(biāo)測量機(jī)(三 坐標(biāo)測量機(jī)、齒輪測量中心等)，按照輪齒的理論幾何形狀/參數(shù)，對面齒輪逐齒或擇齒進(jìn) 行測量。面齒輪的綜合傳動誤差包括切向綜合偏差和徑向綜合偏差。前者是通過采用配對 的、單面嚙合檢測用的測量齒輪與該面齒輪、按照理論設(shè)計(jì)位置進(jìn)行單面嚙合傳動，檢測出 其相應(yīng)的切向綜合偏差；后者是通過采用配對的、雙面嚙合檢測用的測量齒輪與該面齒輪 進(jìn)行雙面嚙合傳動，檢測出該齒輪的徑向綜合偏差。由于面齒輪輪齒的理論輪廓形狀因不同位置(如不同半徑或齒高處)而不同，因 此對面齒輪而言，為了評定其精度和使用質(zhì)量，采用傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量法，對單個輪齒的幾何 參數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行全齒寬“點(diǎn)_點(diǎn)”測量、或全掃描測量是很困難的；進(jìn)而，如果要對面齒輪每個 輪齒的輪廓形狀進(jìn)行逐齒測量、來獲取面齒輪各個單項(xiàng)幾何精度就更為困難費(fèi)事；同時也 難從面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差中來獲取面齒輪的綜合傳動精度，從而難以評估該面齒輪的綜 合傳動質(zhì)量。而對面齒輪綜合傳動誤差的測量而言，雖然能通過單面嚙合檢測儀獲得齒輪切向 綜合偏差、或通過雙面嚙合檢測儀獲得齒輪徑向綜合偏差，但又都不能從相應(yīng)測量中獲得 面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差，從而難以對面齒輪誤差進(jìn)行分析，也難以對齒輪加工工藝系統(tǒng)進(jìn) 行診斷和分析。因此有必要開發(fā)一種針對面齒輪誤差檢測的新裝置，它能夠在面齒輪的一次裝夾 過程中，快速準(zhǔn)確的測量出該面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差和綜合傳動誤差；也能精確快速測量 出面齒輪傳動副的綜合運(yùn)動精度。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對目前面齒輪精度檢測所存在的不足，提出了一種面齒輪的滾動點(diǎn)掃描式整體誤差測量裝置。本實(shí)用新型是基于面齒輪與圓柱齒輪/蝸桿/齒條的單面嚙合傳動原理，采用滾 動點(diǎn)掃描測量方式，在一次裝夾的情況下，對面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差和綜合傳動誤差實(shí)施 測量的一種數(shù)字化測量裝置。其測量原理見圖2、裝置結(jié)構(gòu)簡圖見圖3、4和5。就測量原 理和測量裝置的結(jié)構(gòu)而言，它是在面齒輪單面嚙合測量儀器/裝置上，采用帶有特定測量 棱線的測量元件(圖6)與被測面齒輪嚙合，進(jìn)行“間齒”式滾動點(diǎn)掃描測量來實(shí)現(xiàn)的?！伴g 齒”指的是在嚙合滾動測量時，測量元件只有一個齒面且只有一條測量棱線和被測面齒輪 的一個齒面進(jìn)行點(diǎn)嚙合傳動，而相鄰齒面不參加嚙合傳動，也就是使測量傳動時的重疊系 數(shù)ξ ^ 1，這樣就能實(shí)現(xiàn)面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差和綜合誤差的點(diǎn)掃描測量。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置，包括有被測面齒輪、面齒輪精密軸 系、面齒輪軸圓光柵、測量元件、測量元件精密軸系、測量元件軸圓光柵、主軸電機(jī)、數(shù)據(jù)采 集卡及計(jì)算機(jī)，其中面齒輪精密軸系3、面齒輪軸圓光柵4和被測面齒輪2同軸安裝，測量 元件精密軸系28、測量元件軸圓光柵6和測量元件7同軸安裝，被測面齒輪2與測量元件7 單面嚙合形成齒輪傳動副，測量元件7由主軸電機(jī)5驅(qū)動進(jìn)而帶動被測面齒輪2旋轉(zhuǎn)，由數(shù) 據(jù)采集卡28同時采集面齒輪軸圓光柵4和測量元件軸圓光柵6的信號，并傳送到計(jì)算機(jī)30 進(jìn)行處理，得到測量結(jié)果。本實(shí)用新型所提供的面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置中的測量元件7 可以采用以下三種元件之一1)具有多條齒廓測量棱線23和齒向測量棱線22的圓柱測量齒輪27，齒廓測量棱 線23在嚙合面上從左到右跳牙連續(xù)分布，齒向測量棱線22在嚙合面上從上到下跳牙連續(xù) 分布，圓柱測量齒輪能滿足對面齒輪進(jìn)行間齒滾動點(diǎn)掃描測量；2)具有一個測量螺旋面的多頭測量蝸桿24，它能滿足對面齒輪進(jìn)行間齒滾動點(diǎn) 掃描測量；3)具有多條齒形測量棱線或/和齒向測量棱線的單齒或多齒測量齒條25，它也能 滿足對面齒輪進(jìn)行間齒滾動點(diǎn)掃描測量。另外，本實(shí)用新型所提供的面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置可以有以 下三種安裝結(jié)構(gòu)型式1)臥式結(jié)構(gòu)，即測量元件安裝軸系28和面齒輪安裝軸系3水平安裝，通過調(diào)整測 量元件角度擺軸9可以調(diào)整測量元件7和被測面齒輪2的嚙合角度，通過調(diào)整面齒輪軸向 驅(qū)動電機(jī)10和徑向驅(qū)動電機(jī)13可以調(diào)節(jié)被測面齒輪的位置；2)立式結(jié)構(gòu)，即面齒輪安裝軸系3鉛垂方向安裝、測量元件安裝軸系28傾斜安裝， 通過旋轉(zhuǎn)高度調(diào)整手柄16可以調(diào)整測量元件7的高度，通過調(diào)整徑向調(diào)整手柄19可以調(diào) 整被測面齒輪2的徑向位置；3)變異立式結(jié)構(gòu)，即面齒輪安裝軸系3在鉛垂面內(nèi)傾斜安裝、測量元件安裝軸系 28水平安裝，被測面齒輪2通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)21可以調(diào)整和測量元件7的嚙合角度。[0023]本實(shí)用新型具有以下有益效果1)采用了齒輪副(或蝸桿副或齒條副等)單面嚙合滾動測量的運(yùn)動形式，其中測 量元件(測量圓柱齒輪、測量蝸桿或測量齒條)起主傳動作用，被測面齒輪從動作單面滾動 嚙合運(yùn)動；2)被測對象是面齒輪工件，測量元件是具有高精度測量棱線的特殊測量圓柱齒輪 (或測量蝸桿及測量齒條)，在該測量元件和被測面齒輪進(jìn)行單面嚙合滾動測量的整個過 程中，測量元件上將只有其測量棱線上的一點(diǎn)與被測面齒輪齒廓相嚙合接觸，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)掃描 測量；3)面齒輪與測量元件軸線間的相互位置，按照該面齒輪傳動副的理論位置進(jìn)行調(diào) 整；4)可以在一次安裝測量過程中，測量出被測面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差和綜合傳動誤差。本實(shí)用新型中可采用的測量元件如圖6至圖10所示，測量元件可以是齒輪測量元 件(圖6或圖10)、多頭蝸桿測量元件(圖8)、齒條形測量元件(圖9)。其中圖7是對圖6 所示圓柱測量齒輪的局部進(jìn)一步清晰化。在一個輪齒齒面上只能有一條測量棱線，或者為 齒向測量棱線，或者為齒廓測量棱線。沒有測量棱線的減薄輪齒并不參與誤差測量，而是確 保測量元件和被測面齒輪能進(jìn)行單面嚙合傳動。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的滾動點(diǎn)掃描測量，必須使 測量齒輪和被測面齒輪在測量過程中的重疊系數(shù)ξ氺1，為此采用了“跳牙” “間齒”方式 來制作測量棱線(如圖6所示)。當(dāng)然，為了增加測量的密度，可以在一個測量元件齒輪上 “間齒”制作齒廓測量棱線，包括測量左右不同齒面的齒廓測量棱線；而在另外一個測量元 件齒輪上，“間齒”制作齒向測量棱線，包括測量左右不同齒面的齒向測量棱線。測量元件齒 輪上測量棱線之間的間齒數(shù)，則主要視被測面齒輪和測量元件齒輪的幾何參數(shù)和傳動參數(shù) 而定。
以下結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
圖1為面齒輪傳動示意圖圖2為面齒輪誤差測量原理簡圖圖3為面齒輪誤差測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖之一(臥式)圖4為面齒輪誤差測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖之二(立式)圖5為面齒輪誤差測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖之三(變異立式)圖6為測量元件簡圖圖7為圓柱齒輪測量元件的兩種測量棱線示意圖圖8為多頭蝸桿測量元件圖9為齒條形測量元件圖10為薄片“間齒”齒輪測量元件圖中1、圓柱齒輪，2、面齒輪，3、面齒輪精密軸系，4面齒輪軸圓光柵，5主軸電機(jī)，6、測量元件軸圓光柵，7、測量元件，8、擺角測量光柵，9、測量元件角度擺軸，10、軸向驅(qū)動電 機(jī)，U、軸向調(diào)整拖板，12、徑向調(diào)整拖板，13、徑向驅(qū)動電機(jī)，14、測量元件支撐尾架，15、儀器基座，16、高度調(diào)整手柄，17、高度調(diào)整拖板，18、高度測量長光柵，19、徑向調(diào)整手柄，20、高度拖板立柱，21、角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，22、齒向測量棱線，23、齒廓測量棱線，24、多頭蝸桿測量 元件，25、齒條形測量元件，26、齒條長光柵，27、圓柱測量齒輪，28、測量元件精密軸系，29、 數(shù)據(jù)采集卡，30、計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1實(shí)施例1采用了如圖3所示的臥式結(jié)構(gòu)，測量元件安裝軸系28和面齒輪安裝軸系 3均水平安裝。被測面齒輪2精確安裝在被測齒輪精密軸系3上，該軸上同軸安裝有高精 度圓光柵4。測量元件7 (具有齒廓/或齒向測量棱線)精確安裝在測量元件回轉(zhuǎn)主軸系 28上并由支撐尾架14支撐，軸系28上也同軸安裝有高精度圓光柵6。被測面齒輪2與測 量元件7的位置調(diào)整被測面齒輪軸系部件3安裝在帶有高精度長光柵的軸向拖板11上， 拖板由電機(jī)10驅(qū)動。軸向拖板同時又固定在徑向調(diào)整拖板12上，拖板由電機(jī)13驅(qū)動，兩 個調(diào)整拖板的位置根據(jù)面齒輪傳動的理論位置確定。對于被測面齒輪2與測量元件7的夾 角調(diào)整測量元件軸系部件可以繞角度擺軸9在水平面內(nèi)擺動，擺動的角度可以通過擺軸 上安裝的角編碼器8測量出來。待被測面齒輪2和測量元件7的相對位置調(diào)整好后，測量 元件7由主軸電機(jī)5驅(qū)動回轉(zhuǎn)，并帶動與之相嚙合的被測面齒輪2轉(zhuǎn)動，兩者的速度比即為 傳動比，當(dāng)面齒輪2沒有誤差時，其傳動比是常數(shù)；當(dāng)面齒輪2有誤差時，其瞬時傳動比是變 化的，該裝置的目的既是把瞬時傳動比變化量的大小檢測出來。面齒輪2和被測元件7嚙 合過程中，面齒輪軸圓光柵4和測量元件軸圓光柵6由各自的光柵讀數(shù)頭檢測出位移脈沖 信號，計(jì)算機(jī)30通過數(shù)據(jù)采集卡29采集面齒輪軸圓光柵4和測量元件軸圓光柵6的傳感 器信號小工和Φ2。由于面齒輪2和測量元件7角速度并不相等，相應(yīng)的兩路脈沖信號的頻 率和f2是不等的，因此兩路脈沖信號要經(jīng)過分頻成為頻率相等的采樣脈沖信號Φ ‘工和 Φ' 2。當(dāng)面齒輪2沒有誤差時，兩路對應(yīng)的采樣脈沖信號Φ ‘工和小‘2保持固定的相位 關(guān)系；而當(dāng)面齒輪2存在誤差時，則Φ ‘工和Φ ‘ 2相位差的變化代表了面齒輪相對測量元 件的回轉(zhuǎn)速比的變化，利用數(shù)字比相法即可測出兩路脈沖信號Φ ‘工和小‘2的相位變化 量，以傳動旋轉(zhuǎn)角度值為橫坐標(biāo)，相位變化量為縱坐標(biāo)即可繪制被測面齒輪的整體誤差曲 線，從整體誤差曲線又可提取出各單項(xiàng)誤差，從而在一次安裝的情況下，完成對面齒輪的單 項(xiàng)幾何誤差、切向綜合偏差以及整體誤差的測量。實(shí)施例2實(shí)施例2采用了如圖4所示的立式結(jié)構(gòu)，面齒輪安裝軸系3鉛垂方向安裝、測量元 件安裝軸28傾斜安裝。同樣，面齒輪2和測量元件7均安裝在精密軸系上3，各軸系上均同 軸安裝圓光柵。被測面齒輪2與測量元件7的位置調(diào)整被測面齒輪軸系部件3安裝在帶 有高精度長光柵的徑向調(diào)整拖板12上，拖板通過旋轉(zhuǎn)手柄19驅(qū)動在徑向方向移動，拖板的 位置根據(jù)面齒輪傳動的理論位置確定；另外可以通過高度調(diào)整手柄16調(diào)整測量元件7和面 齒輪2的相對高度，高度調(diào)整拖板17也帶有長光柵18，高度調(diào)整拖板17可在立柱20內(nèi)上 下移動。對于被測面齒輪與測量元件的夾角調(diào)整測量元件軸系部件3可以繞擺軸9在垂 直面內(nèi)擺動，擺動的角度可以通過擺軸上安裝的角編碼器8測量出來。其信號的采集與處 理過程與實(shí)施例1相同。[0045]實(shí)施例3實(shí)施例3采用了如圖5所示的變異立式結(jié)構(gòu)，面齒輪安裝軸系3在鉛垂面內(nèi)傾斜 安裝、測量元件安裝軸系28水平安裝。其和立式機(jī)構(gòu)不同之處在于，被測面齒輪軸系部件 3可以在鉛垂面內(nèi)擺動，被測面齒輪2與測量元件7的夾角調(diào)整是通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)21進(jìn) 行調(diào)節(jié)的。其信號的采集與處理過程與實(shí)施例1相同。以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)用新型所描述的技術(shù)方案，盡 管本說明書參照上述的各個實(shí)施例對本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但本實(shí)用新型不局 限于上述具體實(shí)施方式
，因此任何對本實(shí)用新型進(jìn)行修改或等同替換，而一切不脫離實(shí)用 新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置，包括有被測面齒輪、面齒輪精密軸系、面齒輪軸圓光柵、測量元件、測量元件精密軸系、測量元件軸圓光柵、主軸電機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)，其特征在于面齒輪精密軸系(3)、面齒輪軸圓光柵(4)和被測面齒輪(2)同軸安裝，測量元件精密軸系(28)、測量元件軸圓光柵(6)和測量元件(7)同軸安裝，被測面齒輪(2)與測量元件(7)單面嚙合形成齒輪傳動副，測量元件(7)由主軸電機(jī)(5)驅(qū)動進(jìn)而帶動被測面齒輪(2)旋轉(zhuǎn)，由數(shù)據(jù)采集卡(28)同時采集面齒輪軸圓光柵(4)和測量元件軸圓光柵(6)的信號，并傳送到計(jì)算機(jī)(30)進(jìn)行處理，得到測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置，其特征在于所 述的測量元件(7)可以為以下三種之一1)用以對面齒輪進(jìn)行間齒滾動點(diǎn)掃描測量的具有多條齒廓測量棱線(23)和齒向測量 棱線(22)的圓柱測量齒輪(27)，齒廓測量棱線(23)在嚙合面上從左到右跳牙連續(xù)分布，齒 向測量棱線(22)在嚙合面上從上到下跳牙連續(xù)分布；2)用以對面齒輪進(jìn)行間齒滾動點(diǎn)掃描測量的具有一個測量螺旋面的多頭測量蝸桿 (24)；3)用以對面齒輪進(jìn)行間齒滾動點(diǎn)掃描測量的具有多條齒形測量棱線或/和齒向測量 棱線的單齒或多齒測量齒條(25)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量裝置，其特征在 于測量元件(7)和被測面齒輪(2)可以按照以下三種結(jié)構(gòu)型式中的任一種進(jìn)行安裝1)臥式結(jié)構(gòu)，即測量元件安裝軸系(28)和面齒輪安裝軸系(3)水平安裝，通過調(diào)整測 量元件角度擺軸(9)可以調(diào)整測量元件(7)和被測面齒輪(2)的嚙合角度，通過調(diào)整面齒 輪軸向驅(qū)動電機(jī)(10)和徑向驅(qū)動電機(jī)(13)可以調(diào)節(jié)被測面齒輪的位置；2)立式結(jié)構(gòu)，即面齒輪安裝軸系(3)鉛垂方向安裝、測量元件安裝軸系(28)傾斜安裝， 通過旋轉(zhuǎn)高度調(diào)整手柄(16)可以調(diào)整測量元件(7)的高度，通過調(diào)整徑向調(diào)整手柄(19) 可以調(diào)整被測面齒輪(2)的徑向位置；3)變異立式結(jié)構(gòu)，即面齒輪安裝軸系(3)在鉛垂面內(nèi)傾斜安裝、測量元件安裝軸系 (28)水平安裝，被測面齒輪(2)通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)(21)可以調(diào)整和測量元件(7)的嚙合角 度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種面齒輪誤差的單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量技術(shù)和裝置，屬于精密測試計(jì)量技術(shù)及儀器領(lǐng)域。本實(shí)用新型將具有特定測量棱線的“間齒”測量元件與被測面齒輪組合，形成單面嚙合傳動，分別采集與測量元件和被測面齒輪同軸安裝的圓光柵信號，然后通過計(jì)算機(jī)處理，從而得到被測面齒輪的單項(xiàng)幾何誤差和綜合傳動誤差。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了在面齒輪的一次裝夾過程中，快速準(zhǔn)確的測量出該齒輪的單項(xiàng)幾何誤差和綜合傳動誤差，也能精確快速測量出面齒輪傳動副的綜合運(yùn)動精度。
文檔編號G01M13/02GK201575903SQ20092027594
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者林家春, 林虎, 石照耀, 謝華錕 申請人:北京工業(yè)大學(xué)