齿轮测量中心

归纳起来，应用要求可分为传动精度和齿侧间隙两个方面。

而传动精度要求按齿轮传动的作用特点，又可以分为
传递运动的准确性、传递运动的平稳性和载荷分布的均匀性三个方面。

可见，齿轮转过一转的范围内，从动轮产生的最大转角误差反映齿轮副传动比变动量，即反映齿轮传动的准确性
·测试与控制·收稿日期：2009－07－20
作者简介：陈涛(1985-)，男，陕西西安人，硕士研究生。

CNC齿轮测量中心机械结构研究
陈涛，李平，王建华，赵文涛
（西安工业大学机电工程学院，陕西西安710032）
0引言
CNC齿轮测量中心是上世纪80年代国际上迅速发
展起来的机电结合的高技术量仪。

它集先进的计算机技术、微电子技术、精密机械制造技术、高精度传感技术、信息处理技术与精密测量理论于一体
[1]。

CNC齿轮
测量中心不限于测量齿轮，还可以测量复杂刀具、蜗轮、蜗杆、涡轮、曲轴等各种复杂工件，同时解决了许多用传统方法无法检测的技术难题。

它将代替品种繁杂的传统的齿轮检测仪器，成为检测领域的主导设备。

1总体布局的特点
CNC齿轮测量中心实质上是含有一个回转角坐标的
四坐标测量机———
圆柱坐标测量机[2]
，其工作原理就是
计算机根据被测工件的参数控制各坐标轴运动,使测头相对于被测工件产生所要求的测量运动，在测头沿工件表面运动的过程中，计算机不断采集测微仪的示值及同一时刻各坐标轴的实际位置，这些数据记录了被测型面的实际形状，由计算机完成与理论型面的比较，从而得出测量结果。

齿轮测量中心有两种结构布局，一种是卧式结构，一种是立式结构
[3]。

一般考虑到除了测量齿轮
外还可能测量其它类型的工件，故采用立式结构。

考虑到要采用的测量方法需要R、T、Z、θ四轴联动进行测量，一般测量中心由底座、测量平台、直线导轨、主轴、测头以及上顶尖柱等部分组成。

测量平台安装在底座上，其台面为设计调整的基准面，一般为了提高测量的精度床身选择大理石材质。

如图1（a）所示，比较典型的结构边缘为T向导轨；Z向导轨安装在T向滑块之上；R向导轨安装在Z向滑块之上；T向、R向、Z向
滑块分别可沿其导轨运动；测头安装在R向滑块上。

主轴为立式旋转主轴，安装在花岗石平台上，上顶尖柱安装于主轴侧旁，起到装夹工件的作用；如图1（b）所示，也有设计将T 向导轨设计在R向滑块之上，Z向导轨设计在T向滑块之上；各种不同的组合方式，需要考虑的是组合方式对拟采用的测量方法的测量精度与定位的影响。

由于采用不同的测量方法，也有一种只有三个坐标轴的齿轮测量中心，机械结构上取消了切向轴（T轴），降低了系统成本
[4]
，比较典型的是成都工具研究所研制
的使用极坐标测量方法的CEN450齿轮测量中心。

2传动系统的设计
由于测量中心工作的特点，传动系统一般设计为滚珠丝杠螺母副，通过电机带动丝杠旋转从而达到螺母副的直线运动，通过各个方向运动的合成从而实现测量运动；图2为典型的滚珠丝杠螺母副传动，电机通过齿形带传动通过滚珠丝杠螺母副使得滑架沿导轨运动。

也有产品结构选用直线电机直接实现各个方向上的测量运动。

直线电机的结构简单、不产生推力，运行可靠，传
机电产品开发与创新
Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProducts
V ol．22,No．5
Sep．,2009
第22卷第5期2009年9月
摘要：介绍了CNC齿轮测量中心的机械结构，分析了其结构的主要特点，以及传动系统的设计，导轨设
计的一般方法，以及转台顶尖的设计要求和机械精度，旨在提高国产齿轮测量中心设计的质量。

关键词：齿轮测量；机械传动；机械精度中图分类号：TG803；TH161
文献标识码：A
doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2009.05.054
文章编号：1002－6673（2009）05－132－03
图1CNC齿轮测量中心总体布局图
Fig.1GenerallayoutsofCNCgearmeasuringcenter132
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·测试与控制·
递效率高，运行无离心力的作用，速度不受限制；但是直线电机成本高，直接驱动存在一些缺点和问题，控制难度大，使用直线电机比较典型的是P系列齿轮测量中心，其主要特点就是高性能直线电机驱动系统；高精度滚珠轴系和密珠滚动导轨，其精度达到德国国家标准1级[4]。

3导轨设计的要求以及影响因素分析
测量中心的测量运动都是通过其执行部件沿着它的机身、立柱等支承大件的导轨运动实现的，导轨的作用是用来支撑和引导运动块的运动，导轨的刚度以及摩擦特性又对执行部件的定位精度有重要影响，因此，导轨是测量中心进给传动系统的重要组成部分。

一般对导轨设计的基本要求是：导向精度要高、精度保持性要好、有足够的刚度、有良好的摩擦特性、加工工艺性要好。

各个方向在低速运动时，动导轨易产生爬行，将影响低速运动的平稳性。

爬行与导轨的摩擦特性有关，导轨的摩擦因数越小，并且动、静摩擦因数越接近，则导轨低速运动越平稳，将不会产生爬行。

对于精密加工机床直线导轨的基本要求是：动作灵活、无爬行等连续动作；直线精度好；在实用中应具有与使用条件相适应的刚性；高速运
动时发热量少；维修保养容易。

提高导轨性能的主要措施。

为了提高导轨的性能一般采取的措施有：适当提高导轨的加工精度指标、合理选择导轨的热处理方式、选择合理的导轨截面形状。

从设计方面来讲要提高导轨性能主要考虑的问题是选择一种合理的导轨截面形状。

精密加工机床中的常用导轨有V-V 型滑动导轨和滚动导轨、液体静压导轨和气体静压导轨，后两种都属于非接触式导轨，所以完全不必担心爬行的产生，从精度方面来考虑后两种也是最适宜的导轨。

一般测量中心都使用直线滑动导轨，直线滑动导轨的截面形状可分为：矩形、三角形、燕尾形和圆形，各个平面所起的作用也各不相同。

在矩形和三角形导轨中，M面主要起支承作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动附件抬起的压板面；在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支承作用。

考虑到矩形导轨易加工制造，刚度和承载能力大，安装调整方便，一般都设计为矩形导轨；但起主要导向作用的
N面磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置。

测量中心也可以采用气浮导轨，使用气浮导轨的必要条件是导轨上的运动部件重量很重且压缩空气的压力非常稳定；同时气浮导轨的刚度较低，且受压缩空气压力波动的影响，这些都是设计时必须考虑到的问题。

在这方面比较有特色的是Sigma系列齿轮测量中心，其采用的是气浮平台和双导轨从而保证定位绝对精确
[4]。

4转台与上下顶尖的设计
由于CNC齿轮测量中心是高精密的齿轮测量仪器，所以对装夹工件的转台与上下顶尖也有严格的设计要求，在ISO/TR10064-5《对齿轮测量仪器评定的建议》中，当被测齿轮为2～3级精度（ISO1328渐开线圆柱齿轮精度）时，上下顶尖同轴度规定为：当顶尖距为
200mm时，同轴度不超过2μm，国内一般将上下顶尖
同轴度规定为顶尖距为150mm时，同轴度不超过2μm。

其次，上下顶尖的跳动也是影响测量精度的重要因素，跳动主要是指被测要素在某个测量截面内相对与基准轴线的变动量，在ISO/TR10064-5《对齿轮测量仪器评定的建议》中，当被测齿轮为2～3级精度（ISO1328渐开线圆柱齿轮精度）时，仪器的上下顶尖跳动不超过
1μm，国产齿轮测量中心的上下顶尖跳动相对来说，比
国外齿轮测量中心上下顶尖跳动大些，为了能够尽快同国际标准规定的参数所接轨，并且推动国内齿轮测量中心精度的进一步提高，在设计以及加工制造过程中对上述要求须得到应有的重视。

5齿轮测量中心机械结构的精度
齿轮测量中心的机械结构参数主要包括了上下顶尖跳动，上下顶尖同轴度，切向（T轴）导轨的直线度，径向（R轴）导轨的直线度，轴向（Z轴）导轨的直线度，T轴与顶尖连线垂直度、R轴与顶尖连线的垂直度、
T轴与R轴垂直度、主轴旋转精度、Z轴与上下顶尖连
线的平行度。

齿轮测量中心国家标准GB/T2297-2008，它对于齿轮测量中心机械结构精度规定了下顶尖跳动，任意200mm内测头上下移动对上下顶尖连线的平行度公差，每200mm 范围上下顶尖对主轴回转中心的同轴度。

就各轴的直线度与轴间的垂直度而言，国内的齿轮测量中心生产厂商，一般所规定的齿轮测量中心各轴直线度2μm/200mm，轴间的垂直度为4μm/20mm。

由于国内现有的齿轮测量中心还不能检定3级以上精度的齿轮，为了能够进一步提高齿轮测量中心的测量精度，T向、R向、Z向导轨的直线度还应在现有基础上有所提高；T轴与R轴的垂直度也应在现有基础上进一步提高。

ISO/TR10064-5《对齿轮测量仪器评定的建议》中，规定Z轴与上下顶尖连线平行度在
（下转第121页）
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·测试与控制·
StudyonMechanicalStructureofCNCGearMeasuringCenter
CHENTao，LIPing，W ANGJian-Hua，ZHAOWen-Tao （SchoolofMechatronicEngineering，Xi＇anTechnologicalUniversity，Xi'anShaanxi710032，China）
Abstract:Introducedthemechanicalstructureof,CNCGearMeasuringCenterandanalysisofthemainfeat uresofitsstructure,aswellasthedesignoftransmission,thegeneralmethodofdesignguides，DesignrequirementsofTurntableandlinkwhichconnectuptodownandmechanicalprecision，wecanimprovequalityofGearMeasuringCentermadeinChina.Keywords:gearmeasurement；mechanicaltransmission；mechanicalprecision。