详解齿轮测量仪器

为了正确测量和评定产品质量，齿轮测量仪器通常应按照我国国家标准GB/T10095-2001（等同于ISO1328：1997）的渐开线圆柱齿轮精度标准所规定的精度项目、精度评定方法以及规定的公差，对产品齿轮进行快速、高效、可靠的测量。由于市场（如汽车行业）对齿轮测量不断提出新的更高要求，因此齿轮测量精度项目也应不断有所发展，齿轮测量仪器也应有所创新，使测量功能不断增强，以满足新的需求。

　　齿轮测量仪器通常由仪器主机、坐标或位移传感器、测头装置、测量拖板数控驱动系统、测量系统电气装置与接口，以及计算机等主要部分组成。随着关键精密零部件生产专业化、标准化、模块化，尤其是近年来信息技术、计算机技术、精密机械制造技术以及精密测量技术的发展，推动了齿轮测量仪器的研制与开发。新的控制软件和测量软件的开发显得更为重要。

　　（1）CNC齿轮测量中心

　　从上世纪80年代开始，齿轮测量中心的开发受到众多齿轮测量仪器制造商的重视；90年代逐步形成了系列化产品推向市场。CNC齿轮测量中心是信息技术、计算机技术和数控技术在齿轮测量仪器上集成应用的结晶，是坐标式齿轮测量仪器发展中的一个里程碑。该仪器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，主要用于齿轮单项几何精度的检测，也可用于（静态）齿轮整体误差的测量。

　　德国KLINGELNBERG的P系列齿轮测量中心，其特点是采用了zhuanli的三维数字式高精度光栅测量头（使用了HEINDENHAIN的超高精度光栅）；性能稳定的优质铸铁床身，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。仪器精度达到德国标准1级。据报道该厂生产并经精化的一台P65齿轮测量中心，被英国国家齿轮计量实验室选定，作为英国齿轮精度传递及标定的基准仪器。美国M&M的齿轮测量中心，其三维高精度电感测量头；花岗石基座；精密气浮轴系以及精密直线滚动体结构导轨，成为该仪器的特色（近年也采用了直线电机驱动），仪器测量不确定度为2μm。德国MAHR的GMX275采用的模拟量测量头，可选择扫描或单点采样方式，可以按0.1°间距转动，使测头的测尖能处于被测齿面的法面上，仪器测量不确定度在测量空间内为（2.3μm L/200）。齿轮测量中心除了能测量圆柱渐开线齿轮，还能测量齿轮滚刀，插齿刀，剃齿刀等齿轮刀具，以及蜗杆、蜗轮、凸轮轴等复杂型面的回转体零件。国外齿轮测量中心厂商，大多还开发了适用于不同制式锥齿轮的测量软件和锥齿轮加工机床的参数修正软件，这有益于加快锥齿轮的首件试切。通过接口或网络的信息集成，将测量机、锥齿轮设计及锥齿轮加工机床连接一起，构建成锥齿轮闭环制造系统——将试切锥齿轮几何形状的测量信息，转换成相应机床参数的调整信息后反馈到机床，实现锥齿轮加工的CAD/CAM/CAT，使锥齿轮的“零废品”制造成为可能（可惜目前还未见国内应用的相关报道）；选用相关软件，还能用于反求工程对工件参数进行测定。高精度和一机多能的特点，使齿轮测量中心更适合于工厂计量站使用。

　　日本的齿轮测量仪器制造商，在我国市场经过近十年的沉寂后近年来亮相频繁。大阪精机在GC-HP系列齿轮测量仪器的基础上，开发出CNC电子创成式的CLP系列齿轮测量仪器。特别值得一提的是最近在国内参展亮相的东京技术仪器公司（TokyoTechnicalInstrumentsInc.）。在2003年底上海中国国际齿轮传动、制造技术及装备展览会上该厂首次展出TTI-300E型CNC齿轮检测仪，据称其质量较小的测头部件能单独在径向运动，便于快速测量齿轮齿距偏差。密珠轴系的主轴回转精度可达0.03μm，仪器测量重复性达到0.5μm。除了能对渐开线齿轮高精度测量外，该仪器还能对齿轮刀具（如滚刀、剃齿刀、插齿刀）以及蜗轮蜗杆进行测量。该公司产品近年在中国已售出30余台（主要集中在台资企业）。

　　近年来，国产CNC齿轮测量中心有了长足的发展，哈尔滨量具刃具厂、哈尔滨精达公司都先后成功开发出了系列产品。哈量的3903A齿轮测量中心，经过几年努力，仪器精度和测量速度据称已达到或接近KLINGELNBERG公司产品的先进水平。精达公司作为后起之秀，发展引人瞩目，其JD、JDS系列齿轮测量中心，目前在国内产品中销量最多。国产齿轮测量中心的质量和性能不断提高，已经具有和国外产品竞争的能力。不过在仪器精度、稳定性，尤其在测量软件（如弧锥齿轮的测量软件）、仪器故障诊断功能等方面，和国外还有一定差距。令人欣慰的是国内齿轮量仪制造商已有共识，已联合高校院所协同攻关努力缩小差距；随着性价比的迅速提高，参与市场竞争能力的增强，国产齿轮测量中心的发展前景看好，在国内市场所占比重将会越来越大。

　　（2）齿轮啮合检查仪

　　①齿轮单面啮合滚动点扫描测量仪

　　这类仪器在我国曾得到大力开发与生产，特别适合摩托车汽车齿轮批量生产现场的质量检测和生产工艺监控。成都工具研究所研制的CNC蜗杆式齿轮整体误差测量仪是一个典型实例，至今已在国内市场销售200余台，少量销往国外。它的特点是采用跳牙磨薄测量蜗杆与被测齿轮啮合，对齿轮齿面进行滚动点扫描测量。测量信息丰富，测量效率高。德国FRENCO公司最近推向市场的URM齿轮误差滚动扫描测量仪的测量原理完全类同于我国齿轮整体误差测量技术。该仪器可称为平行轴齿轮式齿轮整体误差测量仪，它采用高精度圆光栅作为角度传感器，特殊测量齿轮为测量元件，测量基本单元是测量齿轮上特制的测量棱线，分别为齿廓测量棱线和齿向（螺旋线）测量棱线。测量仪器的不确定度为3.5～4.5μm，测量重复性为2～3μm。测量时间1～2分钟，测量齿轮使用寿命约20万次。该产品已在德国福特汽车厂、大众汽车厂得到应用。成都工具研究所生产的CSZ500A、B型锥齿轮整体误差测量仪，是滚动点扫描测量技术在锥齿轮测量上的应用范例。测量锥齿轮的齿廓、齿向测量棱线的制作采用了自行开发的zhuanli技术，仪器测量重复性可高达1～2μm，可测量锥齿轮的齿形、齿向、齿距偏差，齿面形貌偏差，切向综合偏差以及接触区。测量时间取决于大小锥齿轮齿数，通常为5～10分钟。

　　此外，在仪器测量形态和检测系统方面，现代齿轮测量技术还有如下的进展。

　　（3）齿轮在机测量技术

　　该技术近年来有了较快的发展，是一个重要发展趋势。直接将齿轮测量装置集成于齿轮加工机床，齿轮试切或加工后不用拆卸，立即在机床上进行在机测量，根据测量结果对机床（或滚轮）参数及时调整修正（主要针对磨齿）。这对于成形磨齿加工和大齿轮磨齿加工而言，在提高生产效率、降低成本方面，尤其具有重要意义。德国KAPP厂的数控磨齿机就是一个典型代表。CNC齿轮加工机床的迅速发展，为推动齿轮在机测量技术的应用和发展提供了可靠的工作平台。

　　由于对大批量生产的汽车轿车齿轮质量要求的提高，齿轮在线测量分选技术的应用已是必不可少。上海汽车齿轮厂近年首次从美国ITW公司引进了该项技术和相应仪器装备，取得了预期效果，据称还将陆续购进该类检测仪器。

　　（4）齿轮激光测量技术

　　通常是指在齿轮的几何尺寸和形状位置精度的测量中，采用了激光技术，包括采用激光测长系统（如采用双频激光干涉仪作为齿轮测量仪器的长度基准或传感器）、激光测量头系统（如采用非接触点反射式激光测量头作为齿轮误差的检测传感器）、以及激光全息式齿轮测量系统（如采用激光全息技术对齿轮的齿面几何形状误差进行测量的系统）等。由于激光是长度溯源基准，不少高精度齿轮计量系统或齿轮测量基准仪器，采用激光测量系统作为其长度坐标测量系统。美国FELLOWS厂70年代开发的MICROLOG60就是一个实例。加拿大温莎精密测量仪器厂在80年代初生产的齿轮测量仪器就采用了非接触点反射式激光测量头，可用于测量塑料制成的软齿面齿轮。近年来，齿轮激光测量技术在日本倍受重视，并逐步完善成为产品推向市场。日本AMTEC公司的G3齿轮测量系统，采用的是CONO激光测量头，齿轮回转，测头位置相应变化，测出齿轮的截面形状。大阪精机开发的激光齿轮测量仪，采用激光全息技术，用光干涉法对被测齿轮的全齿面形状进行精度测量。