齒輪測量

齒輪測量技術的發展已有近百年的歷史。對應於齒輪精度標準，可將現代齒輪測量技術歸納為如下五種類型：1)、齒輪單項幾何形狀誤差測量技術；2)、齒輪綜合誤差測量技術；3)、齒輪整體誤差測量技術；4)、齒輪在機測量技術；5)、齒輪雷射測量技術。

基本介紹

• 中文名：齒輪測量
• 外文名：Gear measurement
• 發展時間：近百年
• 精準分類：誤差測量、在機測量、雷射測量
• 測量要求：精準、誤差小、儘可能的減少誤差
• 測量技術：感測器技術、計算機技術
• 測量儀器：雙面嚙合檢查儀、三坐標測量機

齒輪測量技術

1)、齒輪單項幾何形狀誤差測量技術

它採用坐標式幾何解析測量法，將齒輪作為一個具有複雜形狀的幾何實體，在所建立的測量坐標系(直角坐標系、極坐標系或圓柱坐標系)上，按照設計幾何參數對齒輪齒面的幾何形狀偏差進行測量。測量方式主要有兩種：離散坐標點測量方式和連續幾何軌跡點掃描(如展成)測量方式。所測得的齒輪誤差是被測齒輪齒面上被測點的實際位置坐標(實際軌跡或形狀)和按設計參數所建立的理想齒輪齒面上相應點的理論位置坐標(理論軌跡或形狀)之間的差異，通常也就是和幾何坐標式齒輪測量儀器對應測量運動所形成的測量軌跡之間的差異。測量的誤差項目是齒輪的單項幾何偏差，以齒廓、齒向和齒距等三項基本偏差為主。由於坐標測量技術、感測器技術、計算機技術的發展，尤其是數據處理軟體功能的增強，三維齒面形貌偏差、分解齒輪單項幾何偏差和頻譜分析等誤差項目的測量得到了推廣。單項幾何偏差測量的優點是便於對齒輪(尤其是首件)加工質量進行分析和診斷、對工具機加工工藝參數進行再調整；儀器可藉助於樣板進行校正，實現基準的傳遞。

2)、齒輪綜合誤差測量技術

它採用嚙合滾動式綜合測量法，把齒輪作為一個迴轉運動的傳動元件，在理論安裝中心距下，和測量齒輪嚙合滾動，測量其綜合偏差。綜合測量又分為齒輪單面嚙合測量，用以檢測齒輪的切向綜合偏差和單齒切向綜合偏差；以及齒輪雙面嚙合測量，用以檢測齒輪的徑向綜合偏差和單齒徑向綜合偏差。為了更有效地發揮齒輪雙面嚙合測量技術的質量監控作用，增加了偏差的頻譜分析測量項目;還從徑向綜合偏差中分解出徑向綜合螺旋角偏差和徑向綜合齒向錐度偏差。這是齒輪徑向綜合測量技術中的一個新發展。綜合運動偏差測量的優點是測量速度快，適合批量產品的質量終檢，便於對齒輪加工工藝過程進行及時監控。儀器可藉助於標準元件(如標準齒輪)進行校驗，實現基準的傳遞。上述兩項測量技術基於傳統的齒輪精度理論，然而隨著對齒輪質量檢測要求的不斷增加和提高，這些傳統的齒輪測量技術也在不斷細化、豐富、更新、提高。

3)、齒輪整體誤差測量技術

它所基於的齒輪整體誤差理論，是由我國工具機工具行業、尤其是成都工具研究所的科研技術人員共同努力創建和不斷完善的一種新型齒輪測量理論。把齒輪作為一個用於實現傳動功能的幾何實體,或採用坐標式幾何解析法對其單項幾何精度進行測量,並按齒輪嚙合傳動順序和位置,集成為一條“靜態”齒輪整體誤差曲線；或按單面嚙合綜合測量方式，使用特殊測量齒輪，採用滾動點掃描測量法對其進行測量，得到齒輪“運動”整體誤差曲線。上述兩種齒輪整體誤差曲線，經過運算和數據處理，都可以得到齒輪綜合運動偏差、各單項幾何偏差、三維齒面形貌偏差，以及接觸區狀態，從而能更全面、準確的評定齒輪質量和齒輪加工工藝的分析和診斷。齒輪整體誤差測量技術是對傳統齒輪測量技術的繼承和發展。尤其是採用單面嚙合、滾動點掃描測量的齒輪整體誤差測量技術更具有測量信息豐富、測量速度快、測量精度更接近使用狀態的特點，特別適合批量產品齒輪精度的檢測與質量的控制。在汽車齒輪要求100%全部檢測的態勢下，這種由我國首先開發出來的齒輪整體誤差測量技術得到了重視和推廣，其中，成都工具研究所開發的錐齒輪整體誤差測量技術曾於90年代轉讓給德國KLINGELNBERG公司。德國FRENCO公司推向市場的齒輪單面嚙合滾動點掃描測量儀器，採用了完全類同的技術。

當前齒輪製造業的一個發展趨勢，是將齒輪測量技術和齒輪設計、加工製造進行集成，實現齒輪製造信息的融合及CAD/CAM/CAT的集成，從而構建一個先進的齒輪閉環製造系統(由於通常由數位化信息來實現，可稱為數位化閉環製造系統)。美國GLEASON和德國KLINGELNBERG開發的錐齒輪閉環製造技術和系統是個典型實例。

此外，在儀器測量形態和檢測系統方面，現代齒輪測量技術還有如下的進展。

4)、齒輪在機測量技術

該技術有了較快的發展，是一個重要發展趨勢。直接將齒輪測量裝置集成於齒輪加工工具機，齒輪試切或加工後不用拆卸，立即在工具機上進行在機測量，根據測量結果對工具機(或滾輪)參數及時調整修正(主要針對磨齒)。這對於成形磨齒加工和大齒輪磨齒加工而言，在提高生產效率、降低成本方面，尤其具有重要意義。德國KAPP廠的數控磨齒機就是一個典型代表。CNC齒輪加工工具機的迅速發展，為推動齒輪在機測量技術的套用和發展提供了可靠的工作平台。

由於對大批量生產的汽車轎車齒輪質量要求的提高，齒輪線上測量分選技術的套用已是必不可少。上海汽車齒輪廠首次從美國ITW公司引進了該項技術和相應儀器裝備，取得了預期效果，據稱還將陸續購進該類檢測儀器。

5)、齒輪雷射測量技術

通常是指在齒輪的幾何尺寸和形狀位置精度的測量中，採用了雷射技術，包括採用雷射測長系統(如採用雙頻雷射干涉儀作為齒輪測量儀器的長度基準或感測器)、雷射測量頭系統(如採用非接觸點反射式雷射測量頭作為齒輪誤差的檢測感測器)、以及雷射全息式齒輪測量系統(如採用雷射全息技術對齒輪的齒面幾何形狀誤差進行測量的系統)等。由於雷射是長度溯源基準，不少高精度齒輪計量系統或齒輪測量基準儀器，採用雷射測量系統作為其長度坐標測量系統。美國FELLOWS廠70年代開發的MICROLOG60就是一個實例。加拿大溫莎精密測量儀器廠在80年代初生產的齒輪測量儀器就採用了非接觸點反射式雷射測量頭，可用於測量塑膠製成的軟齒面齒輪。齒輪雷射測量技術在日本倍受重視，並逐步完善成為產品推向市場。日本AMTEC公司的G3齒輪測量系統，採用的是CONO雷射測量頭，齒輪迴轉，測頭位置相應變化，測出齒輪的截面形狀。大阪精機開發的雷射齒輪測量儀，採用雷射全息技術，用光干涉法對被測齒輪的全齒面形狀進行精度測量。

測量儀器

為了正確測量和評定產品質量，齒輪測量儀器通常應按照我國國家標準GB/T10095-2001(等同於ISO1328：1997)的漸開線圓柱齒輪精度標準所規定的精度項目、精度評定方法以及規定的公差，對產品齒輪進行快速、高效、可靠的測量。由於市場(如汽車行業)對齒輪測量不斷提出新的更高要求，因此齒輪測量精度項目也應不斷有所發展，齒輪測量儀器也應有所創新，使測量功能不斷增強，以滿足新的需求。

齒輪測量儀器通常由儀器主機、坐標或位移感測器、測頭裝置、測量拖板數控驅動系統、測量系統電氣裝置與接口，以及計算機等主要部分組成。隨著關鍵精密零部件生產專業化、標準化、模組化，尤其是信息技術、計算機技術、精密機械製造技術以及精密測量技術的發展，推動了齒輪測量儀器的研製與開發。新的控制軟體和測量軟體的開發顯得更為重要。

CNC中心

從上世紀80年代開始，齒輪測量中心的開發受到眾多齒輪測量儀器製造商的重視；90年代逐步形成了系列化產品推向市場。CNC齒輪測量中心是信息技術、計算機技術和數控技術在齒輪測量儀器上集成套用的結晶，是坐標式齒輪測量儀器發展中的一個里程碑。該儀器實質上是含有一個迴轉角坐標的四坐標測量機——圓柱坐標測量機，主要用於齒輪單項幾何精度的檢測，也可用於(靜態)齒輪整體誤差的測量。

德國KLINGELNBERG的P系列齒輪測量中心，其特點是採用了專利的三維數字式高精度光柵測量頭(使用了HEINDENHAIN的超高精度光柵)；性能穩定的優質鑄鐵床身，高性能直線電機驅動系統；高精度滾珠軸系和密珠滾動導軌。儀器精度達到德國標準1級。據報導該廠生產並經精化的一台P65齒輪測量中心，被英國國家齒輪計量實驗室選定，作為英國齒輪精度傳遞及標定的基準儀器。美國M&M的齒輪測量中心，其三維高精度電感測量頭；花崗石基座；精密氣浮軸系以及精密直線滾動體結構導軌，成為該儀器的特色(也採用了直線電機驅動)，儀器測量不確定度為2μm。德國MAHR的GMX275採用的模擬量測量頭，可選擇掃描或單點採樣方式，可以按0.1°間距轉動，使測頭的測尖能處於被測齒面的法面上，儀器測量不確定度在測量空間內為(2.3μm+L/200)。齒輪測量中心除了能測量圓柱漸開線齒輪，還能測量齒輪滾刀，插齒刀，剃齒刀等齒輪刀具，以及蝸桿、蝸輪、凸輪軸等複雜型面的迴轉體零件。國外齒輪測量中心廠商，大多還開發了適用於不同制式錐齒輪的測量軟體和錐齒輪加工工具機的參數修正軟體，這有益於加快錐齒輪的首件試切。通過接口或網路的信息集成，將測量機、錐齒輪設計及錐齒輪加工工具機連線一起，構建成錐齒輪閉環製造系統——將試切錐齒輪幾何形狀的測量信息，轉換成相應工具機參數的調整信息後反饋到工具機，實現錐齒輪加工的CAD/CAM/CAT，使錐齒輪的“零廢品”製造成為可能(可惜還未見國內套用的相關報導)；選用相關軟體，還能用於反求工程對工件參數進行測定。高精度和一機多能的特點，使齒輪測量中心更適合於工廠計量站使用。

日本的齒輪測量儀器製造商，在我國市場經過十年的沉寂後近亮相頻繁。大阪精機在GC-HP系列齒輪測量儀器的基礎上，開發出CNC電子創成式的CLP系列齒輪測量儀器。特別值得一提的是在國內參展亮相的東京技術儀器公司(Tokyo Technical Instruments Inc.)。在2003年底上海中國國際齒輪傳動、製造技術及裝備展覽會上該廠首次展出TTI-300E型CNC齒輪檢測儀，據稱其質量較小的測頭部件能單獨在徑向運動，便於快速測量齒輪齒距偏差。密珠軸系的主軸迴轉精度可達0.03μm，儀器測量重複性達到0.5μm。除了能對漸開線齒輪高精度測量外，該儀器還能對齒輪刀具(如滾刀、剃齒刀、插齒刀)以及蝸輪蝸桿進行測量。該公司產品在中國已售出30餘台(主要集中在台資企業)。

國產CNC齒輪測量中心有了長足的發展，哈爾濱量具刃具廠、哈爾濱精達公司都先後成功開發出了系列產品。哈量的3903A齒輪測量中心，經過幾年努力，儀器精度和測量速度據稱已達到或接近KLINGELNBERG公司產品的先進水平。精達公司作為後起之秀，發展引人矚目，其JD、JDS系列齒輪測量中心，目前在國內產品中銷量最多。國產齒輪測量中心的質量和性能不斷提高，已經具有和國外產品競爭的能力。不過在儀器精度、穩定性，尤其在測量軟體(如弧錐齒輪的測量軟體)、儀器故障診斷功能等方面，和國外還有一定差距。令人欣慰的是國內齒輪量儀製造商已有共識，已聯合高校院所協同攻關努力縮小差距；隨著性價比的迅速提高，參與市場競爭能力的增強，國產齒輪測量中心的發展前景看好，在國內市場所占比重將會越來越大。

嚙合檢查儀

齒輪單面嚙合滾動點掃描測量儀

1、這類儀器在我國曾得到大力開發與生產，特別適合機車汽車齒輪批量生產現場的質量檢測和生產工藝監控。成都工具研究所研製的CNC蝸桿式齒輪整體誤差測量儀是一個典型實例，至今已在國內市場銷售200餘台，少量銷往國外。它的特點是採用跳牙磨薄測量蝸桿與被測齒輪嚙合，對齒輪齒面進行滾動點掃描測量。測量信息豐富，測量效率高。德國FRENCO公司推向市場的URM齒輪誤差滾動掃描測量儀的測量原理完全類同於我國齒輪整體誤差測量技術。該儀器可稱為平行軸齒輪式齒輪整體誤差測量儀，它採用高精度圓光柵作為角度感測器，特殊測量齒輪為測量元件，測量基本單元是測量齒輪上特製的測量稜線，分別為齒廓測量稜線和齒向(螺旋線)測量稜線。測量儀器的不確定度為3.5～4.5μm，測量重複性為2～3μm。測量時間1～2分鐘，測量齒輪使用壽命約20萬次。該產品已在德國福特汽車廠、大眾汽車廠得到套用。成都工具研究所生產的CSZ500A、B型錐齒輪整體誤差測量儀，是滾動點掃描測量技術在錐齒輪測量上的套用範例。測量錐齒輪的齒廓、齒向測量稜線的製作採用了自行開發的專利技術，儀器測量重複性可高達1～2μm，可測量錐齒輪的齒形、齒向、齒距偏差，齒面形貌偏差，切向綜合偏差以及接觸區。測量時間取決於大小錐齒輪齒數，通常為5～10分鐘。

2、齒輪雙面嚙合檢查儀

由於計算機、精密光柵感測器以及數控技術的套用，傳統的齒輪雙面嚙合檢查儀經過技術改造提升，整體水平有了質的改變，分析功能增強。哈爾濱量具刃具廠的智慧型雙面嚙合齒輪測量儀配備了筆記本電腦、長、圓光柵感測器、直流伺服電機和單片機數據採集，能對齒輪的徑向綜合偏差、一齒徑向綜合偏差、徑向跳動等進行測量外，還能對毛刺、劃傷、磕碰等缺陷進行判定。隨著信息產業的發展，信息、辦公機器以及照相機、玩具行業等用小模數齒輪(尤其是塑膠齒輪)產量大增，質量要求也越來越高，小型齒輪雙面嚙合檢查儀市場需求相應增加。2003年上海展覽會上就展出了日本東京技術儀器和大阪精機的齒輪雙面嚙合檢查儀。據東京技術儀器公司介紹，他們的TF-40NC是世界上第一台CNC齒輪雙面嚙合檢查儀，其特點除了自動校零點、顯示最大、最小和中心距平均值外，還能對基準(測量)齒輪的徑向振擺進行自動補償。除了MARPOSS的M62系列、大阪精機的GTR-PC、北井產業的KGT等產品外，我國的哈爾濱精達測量儀器有限公司也生產用於工位檢測、具有計算機數據處理功能的齒輪雙面嚙合檢查儀。

3、齒輪單面嚙合檢查儀

齒輪單面嚙合檢查儀又稱為齒輪副傳動精度檢查儀或齒輪滾動檢驗機。典型實例是美國GLEASON公司的鳳凰HCT500、德國KLINGELNBERG公司的GKC60 CNC錐齒輪滾動檢驗機。它裝有高精度圓光柵，可以測量錐齒輪、圓柱齒輪副的傳動精度——切向綜合偏差，以及載入加速時的三維結構噪音分析、齒面接觸斑點，用以評定傳動副配對質量。我國原內江工具機廠與重慶大學合作，成功研製出國產CNC錐齒輪滾動檢驗機，為趕超國外先進水平做出了貢獻。小模數齒輪刀具製造商日本小笠原開發的MEATA-3型齒輪副傳動精度檢測儀，可以測量蝸桿蝸輪副、內外直/斜圓柱齒輪副、錐齒輪副、端面齒輪副等的傳動誤差，儀器解析度為1角秒。

測量分選機

這類儀器主要套用於批量生產汽車轎車齒輪質量的最終檢測，以保證齒輪變速箱的裝配總成質量。由英國MOORE公司製造、美國ITW出產的齒輪線上自動分選機，實質上是一種改型的齒輪雙面嚙合線上檢測分選機。除了能測量齒輪徑向綜合偏差、齒厚、齒輪加工毛刺及磕碰缺陷以外，由於配備了特殊的二維齒向測量機構，儀器還能測量雙齧齒向偏差和雙齧齒向錐度偏差等齒輪誤差。該儀器適用於車間現場，能滿足批量生產汽車齒輪100%的線上檢測和自動分選的要求。該機測量速度快，每小時可測300～600個齒輪；使用不同的工裝夾具，可分別對內、外齒輪，盤、軸齒輪進行測量；配有計算機數據處理系統和SPC統計分析軟體，能對齒輪加工過程和工藝狀況進行監測和預報；此外，它還具有儀器自身故障自動診斷功能。儀器重複性精度指標為：齒厚4μm，徑跳3μm，齒向4μm，毛刺7μm。據稱美國、德國的汽車製造廠都配備了類似儀器，以對齒輪質量和加工進行有效監控。大阪精機的AG系列齒輪自動分選機也在日本得到了很好的套用。

雷射測量儀

有關雷射齒輪測量儀，日本報導較多。大阪精機開發用於基準傳遞、漸開線樣板檢測的CNC高精度齒輪測量儀，採用了高精度氣浮主軸，氣浮導軌，高精度長、圓編碼器的同時，還採用了雷射測長系統進行齒面精度檢測。據報導儀器測量精度(重複精度)0.2～0.3μm。日本AMTEC公司的G3-SYSTEM 50非接觸式齒輪測量儀採用了雷射全息技術，實現了精確、高速測量。該儀器是一台由伺服電機驅動X、Y、Z、C軸運動的四軸(圓柱)坐標測量機。儀器配置了CONOPROBE雷射全息測量頭，當其物鏡為HD25mm時，測頭的絕對精度<1μm，重複性1σ<0.2μm，工作區域為0.65mm。該儀器可測量漸開線直、斜齒輪和花鍵、螺紋等，今後還將可以測量蝸桿、傘齒輪等。齒輪模數小至0.1mm，直徑1～50mm，齒寬0.1～100mm，齒數4～200。由於採用雷射非接觸測量方式，儀器可以測量齒面上非漸開線齒根部分幾何形狀，專門開發的仿真軟體可以模擬求得被測齒輪與其配對齒輪嚙合時的傳動誤差，進行相應的FFT頻譜分析；所測數據和分析數據還可通過LAN共享。

超精密三坐標

日本松下電器產業開發了採用原子力測頭的超精密三坐標測量機，精度為0.01μm。用它測量齒輪時，由於測頭只能沿垂直方向運動，所測齒輪受到一定限制。但是在測量限定齒數的實物樣板時，測量精度可達到納米級。測量樣板所用測針的頂端曲率半徑為2μm，因而可以測量齒面粗糙度。隨著我國齒輪製造業的快速發展，隨著漸開線圓柱齒輪精度國家標準GB/T10095-2001(等同於國際標準ISO1328：1997)的公布、宣傳和貫徹，我國齒輪測量技術和齒輪測量儀器的發展方向更明，步伐更快。齒輪測量技術已成為先進齒輪製造技術中不可或缺的一個重要組成部分。隨著齒輪質量要求的不斷提高，新的齒輪精度評定指標的出現將推動齒輪精度標準的不斷發展，齒輪測量技術和齒輪測量儀器也將不斷發展。中國齒輪專業協會在組織、引導我國齒輪製造業、提高行業整體齒輪製造技術和質量方面，做出了卓有成效的努力；中國儀器儀表學會機械量測試儀器分會對於齒輪測量儀器的發展，給予了關注和支持。因此，我們有理由相信我國齒輪測量儀器製造業必將實現新的振興。