齿轮测量仪器基本工作原理及功能

轮测量技术的转折点。 轮测量技术的转折点 。 齿轮整体误差测 量技术和齿轮测 量机(中心)的出现解决了齿轮测量领域的一个难题， 量机(中心)的出现解决了齿轮测量领域的一个难题，即在 一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。 一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。这两项技术虽 然都基于现代光、 计算机等技术， 然都基于现代光、机、电、计算机等技术，但走上了不同 的技术路线。 的技术路线。齿轮整体误差测量技术是从综合测量中提取 单项误差和其它有用信息。 单项误差和其它有用信息。
二、齿轮测量仪的现状
迄今已有美国、德国、日本、瑞士、中国、 迄今已有美国、德国、日本、瑞士、中国、意大利 等几个国家生产CNC齿轮测量中心 齿轮测量中心， 等几个国家生产CNC齿轮测量中心，国外的典型产品是 M＆M公司的3000系列、Klingelberg的P系列；国产 公司的3000系列 Klingelberg的 系列； 系列、 的典型产品是成都工具研究所的CGW300卧式测量中心 的典型产品是成都工具研究所的CGW300卧式测量中心 和哈尔滨量具刃具厂的3903型齿轮测量中心 型齿轮测量中心。 和哈尔滨量具刃具厂的3903型齿轮测量中心。各国的齿 轮测量中心虽然原理上大同小异， 轮测量中心虽然原理上大同小异，但实现方式却存在一定 差距。主要表现在： 差距。主要表现在：
② 齿 轮 测量 中 心与 三 坐标 测 量机 的 合二 为 一 ， 如 美国 TSK公司的 TSK 公司的 Rdaiance和 ProcessEquipement 的 公司的Rdaiance 和 ProcessEquipement的 ND430。 ND430。
③功能测试与分试测试的合二为一。 功能测试与分试测试的合二为一。
1990年以来 在世界范围内， 1990年以来，在世界范围内，齿轮测量技术领域出 年以来， 现了几种值得注意的现象： 现了几种值得注意的现象：
①齿轮整体误差测量技术与齿轮坐标测量技术合二为一。 齿轮整体误差测量技术与齿轮坐标测量技术合二为一。 成都工具研究所推出了既有标准蜗杆又有测头的齿轮测量 CZN450，而国外的CNC齿轮测量中心也能给出 齿轮测量中心也能给出“ 机CZN450，而国外的CNC齿轮测量中心也能给出“虚 拟整体误差” 拟整体误差”。
四、齿轮测量机的功能
齿轮测量机在功能上， 包括齿轮( 齿轮测量机在功能上 ， 包括齿轮 ( 内 、 外 ) 、 齿轮刀 滚刀、 插齿刀、 剃齿刀) 锥齿轮、 蜗轮、 蜗杆、 具 ( 滚刀 、 插齿刀 、 剃齿刀 ) 、 锥齿轮 、 蜗轮 、 蜗杆 、 螺 凸齿轮、拉刀等回转类零件的主要误差项目测量； 杆、凸齿轮、拉刀等回转类零件的主要误差项目测量；轴 类零件的形位公差测量；强大的分析功能，如接触分析、 类零件的形位公差测量；强大的分析功能，如接触分析、 工艺误差分析、齿根形状分析、参数反求等； 工艺误差分析、齿根形状分析、参数反求等；可耦合到加 工系统中，实时数据通信等。 工系统中，实时数据通信等。 下面我们结合美国格里森－M&M精密系统公司的齿 下面我们结合美国格里森－M&M精密系统公司的齿 轮测量机Sigma3型谈谈具体应用软件： Sigma3型谈谈具体应用软件：
设计 分析
齿轮粗 加工
齿轮精 加工
齿轮 检测
三、齿轮测量机的基本原理
齿轮测量机一般由主机、CNC数控单元 齿轮测量机一般由主机、CNC数控单元、数据采集单 数控单元、 机间通讯接口、计算机及外设、 元、机间通讯接口、计算机及外设、测量软件和数据处理 软件等部分组成。 软件等部分组成。 齿轮测量机采用坐标测量原理， 实际上是圆柱( 齿轮测量机采用坐标测量原理 ， 实际上是圆柱 ( 极 ) 坐标测量机， 坐标测量”实质是“模型化测量” 坐标测量机，“坐标测量”实质是“模型化测量”。对齿 轮 而 言，模型化的坐标测量原理是将被测零件作为一个纯几何 相对“运动几何法”而言) 体(相对“运动几何法”而言)，通过测量实际零件的坐标 值 (直角坐标、柱坐标、极坐标等)，并与理想形体的数学模 直角坐标、柱坐标、极坐标等) 型作比较，从而确定被测量的误差。 型作比较，从而确定被测量的误差。
下图是德国克林贝格公司的齿轮测量中心
下图是美国M&M的齿轮测量中心 下图是美国M&M的齿轮测量中心
下图为国内哈量和精达开发的齿轮测量中心
将现代测量技术及仪器融合、集成于先进制造系统， 将现代测量技术及仪器融合、集成于先进制造系统， 从而构建成完备的先进闭环制造系统， 零废品” 从而构建成完备的先进闭环制造系统，为“零废品”制造 奠 定了基础 。 圆柱齿轮 / 锥齿轮闭环制造系统 ——格里森 圆柱齿轮/ 锥齿轮闭环制造系统—— 格里森 公司及克林格贝尔公司， 公司及克林格贝尔公司，采用先进的齿轮测量中心及相应 的齿轮测量软件， CNC齿轮加工机床相连 齿轮加工机床相连， 的齿轮测量软件 ， 与 CNC 齿轮加工机床相连 ， 实现了圆 柱齿轮、弧锥齿轮的CAD/CAM/CAI的闭环制造 的闭环制造。 柱齿轮、弧锥齿轮的CAD/CAM/CAI的闭环制造。下 图是齿轮闭环制造示意图： 图是齿轮闭环制造示意图：
( 3 ) 在数控系统方面 ， 70 年代常为 NC开环控制 ； 80 年 在数控系统方面， 70年代常为 年代常为NC 开环控制 80年 开环控制； 代后， 全为CNC 控制 控制， 代后 ， 全为 CNC控制 ， 大多采用直流伺服电机或步进电 机。目前已有采用交流伺服系统或直线电机的。 目前已有采用交流伺服系统或直线电机的。 (4)在测头方面，有电感式的，也有光栅式的；有一维的 在测头方面，有电感式的，也有光栅式的； 也有三维的，甚至有刚性的。 也有三维的，甚至有刚性的。刚性测头是不带测微传感器 的。若采用刚性测头，则仪器通常是专用的。 若采用刚性测头，则仪器通常是专用的。
(2)50 年代初 ， 机械展成式万能螺旋线标准仪的 50年代初 年代初， 出现标志着全面控制齿轮质量成为现实 R·Munro 博士研制成功光栅式单 1965年 英国的R Munro博士研制成功光栅式单 啮仪，标志着高精度测量齿轮动态性能成为可能。 啮仪，标志着高精度测量齿轮动态性能成为可能。 (4)1970年 ， 以黄潼年为主的中国工程技术人员研制开 1970年 发的齿轮整体误差测量技术， 发的齿轮整体误差测量技术，标志着运动几何法测量齿轮 的开始。 的开始。 (5)1970 年 ， 美 国 Fellow 公 司 在 芝 加 哥 博 览 会 展 出 Microlog50 ， 标志着数控齿轮测量中心开始投入使用。 Microlog50， 标志着数控齿轮测量中心开始投入使用 。
齿轮测量仪的相关研发重点是： 齿轮网络化测量技 齿轮测量仪的相关研发重点是 ： 基于实测结果的齿轮性能虚拟分析技术(智能配对、 术； 基于实测结果的齿轮性能虚拟分析技术(智能配对 、 动力学性能预报等) 齿轮整体误差测量技术(指标量化、 动力学性能预报等)；齿轮整体误差测量技术(指标量化、 性能优化等) 齿轮误差的智能分析技术； 性能优化等)；齿轮误差的智能分析技术 ； 齿轮统计误差 概念体系的建立及其相应的测量技术； 概念体系的建立及其相应的测量技术；生产现场的齿轮快 速测量与分析技术( 目前ITW 的 Model4823 为 450～ 速测量与分析技术 ( 目前 ITW的 Model 4823为 450 ～ 600件 小时；目标：1000件 小时) 精密机械、 600件/小时；目标：1000件/小时)；精密机械、光电 技术、微电子技术、软件工程等技术在齿轮上的应用。 技术、微电子技术、软件工程等技术在齿轮上的应用。
齿轮测量仪器基本工 作原理及功能
2008年 2008年6月25日 25日
一、齿轮测量仪器的发展过程
二、齿轮测量仪的现状
三、齿轮测量机的基本原理
四、齿轮测量机的功用能
一、齿轮测量仪器的发展过程
齿轮量仪是一个内含较为丰富的概念， 齿轮量仪是一个内含较为丰富的概念，它不仅包括检 测各种齿轮的仪器，也将检测蜗轮、蜗杆、齿轮刀具、 测各种齿轮的仪器，也将检测蜗轮、蜗杆、齿轮刀具、传 动链的仪器涵盖其中。齿轮种类繁多，几何形状复杂， 动链的仪器涵盖其中。齿轮种类繁多，几何形状复杂，表 征其误差的参数众多。所以，齿轮量仪的品种也很多。 征其误差的参数众多。所以，齿轮量仪的品种也很多。
(1)在测量传感器等方面，虽然测角一般采用高精度圆光 在测量传感器等方面， 但测长因被测对象不同而有所差异。 栅，但测长因被测对象不同而有所差异。精度要求很高的 齿轮或轴向尺寸很长的工件等，一般采用双频(或单频) 齿轮或轴向尺寸很长的工件等，一般采用双频(或单频)激 光干涉仪作为长度基准(如测量渐开线或螺旋线样板等) 光干涉仪作为长度基准(如测量渐开线或螺旋线样板等)； 而其它情况，则采用高精度长光栅。 而其它情况，则采用高精度长光栅。 (2)在机械系统的精度方面，高精度的轴承是必须的；而 在机械系统的精度方面，高精度的轴承是必须的； 直线导轨的精度有靠机械精度保证的， 直线导轨的精度有靠机械精度保证的，也有采用误差修正 技术达到的。 技术达到的。
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平行轴齿轮检测软件 轴径参考软件 滚齿刀检测软件 剃刀测量软件 插齿刀测量软件 蜗轮测量软件 蜗杆测量软件 圆形几何元素测量软件 直边花键检测软件 结合齿顶部测量软件 正时关系测量软件
(3)在测量结果的表述与利用方面，历经了“指示 在测量结果的表述与利用方面，历经了“ 表加目视读取” 记录仪器记录加人工研判” 表加目视读取 ” 到 “ 记录仪器记录加人工研判 ” ， 直至“ 直至 “ 计算机自动分析并将测量结果反馈到制造 系统” 的飞跃。 与此同时， 系统 ” 的飞跃 。 与此同时 ， 齿轮量仪经历了从单 品种单参数的仪器、 品种单参数的仪器 、 单品种多参数的仪器到多品 种 多 参数仪器的演变。 参数仪器的演变。 70年代以前的近 年内 70年代以前的近50年内，世界上已开发出测 年代以前的近50年内， 量齿廓、 螺旋线、 齿距等基本参数的各种类型、 量齿廓 、 螺旋线 、 齿距等基本参数的各种类型 、 各种规格的机械展成式仪器。 各种规格的机械展成式仪器 。 这些仪器借助一些 精密机构形成指定标准运动， 精密机构形成指定标准运动 ， 然后与被测量进行 比较，从而获得被测误差的大小。 1970年是齿 比较，从而获得被测误差的大小。 1970年是齿
齿轮测量技术及其仪器的研究已有近百年的历史， 齿轮测量技术及其仪器的研究已有近百年的历史，在 这不短的发展历程中， 件标志性事件： 这不短的发展历程中，有6件标志性事件： (1)1923 年 ， 德国 Zeiss公司在世界上首次研究成功一 1923年 德国Zeiss 公司在世界上首次研究成功一 种称为“ TooothSurfaceTester” 的仪器， 种称为 “ TooothSurfaceTester” 的仪器 ， 实际上是 机械展成式万能渐开线检查仪。 机械展成式万能渐开线检查仪。
(6)80 年代末 ， 日本大阪精机推出了基于光学全息原理 80年代末 年代末， 的非接触齿面分析机PS-35 ， 的非接触齿面分析机 PS-35， 标志着齿轮非接触测量法 的开始。 的开始。 从整体上考察过去一个世纪齿轮测量技术的发展， 从整体上考察过去一个世纪齿轮测量技术的发展，主 要表现在以下几个方面： 要表现在以下几个方面： (1)在测量原理方面，实现了由“比较测量”到“啮合运 在测量原理方面，实现了由“比较测量” 动测量” 直至“模型化测量”的发展； 动测量”，直至“模型化测量”的发展； (2)在实现测量原理的技术手段上，历经了“以机械为主” 在实现测量原理的技术手段上，历经了“以机械为主” 机电结合” 直至当今的“ 到“机电结合”，直至当今的“光—机—电”与信息技术 综合集成的演变； 综合集成的演变；