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齿轮测量新技术：基于光学方法的齿轮并行测量

日期：2019-06-05 22:40:07

齿轮测量技术发展到今天已经有一百多年的历史，随着现代科学技术的不断进步，齿轮测量技术也呈现出新的发展态势，面对新时代下齿轮制造业的快速发展，基于新测量原理的齿轮快速测量技术与基于光学方法的齿轮并行测量技术以及面向网络的齿轮闭环测量技术相应发展起来，开启了齿轮测量技术的新发展。该文对齿轮测量技术在进入新时代后的新发展进行深入分析并探讨。

 

 

 

齿轮测量技术的发展屹今为止已有近百年历史，一般将其分为以齿廓、齿向与齿距测量为基础的分析式测量，以综合测量为基础的功能式测量和将单项与综合集于一体的齿轮整体误差测量，随着现代科学技术的不断进步，齿轮测量技术也有了新的发展，主要体现在三个方面，首先是在测量原理方面实现了从“比较测量”到“啮合运动测量”再到“模型化测量”；再者就是实现测量原理的技术手段在经历了“以机械为主”到“机电结合”的过程后，发展为现在的“光-机-电”与“信息技术”的综合集成；最后是在表述与利用测量结果方面经历了“指示表加肉眼读取”到“记录器记录加人工研判”再到现在“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。并且与此同时，齿轮测量仪也是经历了从单品种单参数仪器到单品种多参数仪器的转变，最后演变为现在的多品种多参数的仪器。该文研究者针对齿轮测量技术的新发展进行分析，分别论述基于新测量原理的齿轮快速测量技术、基于光学方法的齿轮并行测量技术以及面向网络的齿轮闭环测量技术。

 

1基于齿轮双面啮合多维测量原理的齿轮在线快速测量技术

 

传统的齿轮在线快速测量技术一般都是采用齿轮双面啮合测量的原理，因为这一原理十分简单，且测量效率又高，对环境没有什么严格的要求，同时又具备可使测量齿轮制作更加简便的特点，满足了快速测量的要求，过去对齿轮双面啮合测量技术的研究主要在两个方面，一个是采用微电子与计算机技术，实现测量过程的自动化，并对测量结果进行各种分析与处理；另一个是测量方法蕴涵并掩盖的信息量，通过改变测量齿轮的结构形式来尽可能多的挖掘出新的齿轮误差信息，但是这些努力都没有改变齿轮以啮测量的本质，通过这项测量技术所获得的径向综合误差是综合了齿轮左右齿面多种单项误差作用的结果，主要反映了被测齿轮的径向误差，最后经理论与实践证明，通过以啮测量所获得的结果很难保证齿轮轴向精度指标能否合格，而且齿轮轴向的精度在一定程度上是由齿轮寿命、振动与噪声决定的，虽然在计量室条件下测量齿轮轴向精度都是比较成熟的技术，但是面向生产现场中大批量齿轮的快速检测中，想要快速获取齿轮的轴向精度信息是十分困难的。而齿轮双面啮合多维测量原理就是这时候发展起来的，当被测齿轮与测量齿轮作无侧隙啮合滚动时，测量中心距的变化量与齿轮的轴线偏摆量，再处理多路测量信号并获取齿轮的径向综合误差与轴向误差信息。其实就是在传统的双面啮合测量法上增加齿轮的自由度，再通过新增的自由度来反映被测齿轮的轴向精度信息。关键就在于改变了传统测量的一维测量的本质，又能在一次快速测量中同时得到被测齿轮的轴向精度信息。而之所以能实现齿轮双面啮合多维测量原理，主要是因为在传统双啮仪的基础上增加了一个二维浮动机构，上面安装特殊测量齿轮，不但可以径向移动，而且二维浮动机构还能作微小径向偏转与切向偏转。

 

2基于光学方法的齿轮并行测量技术

 

不管是采用测头还是标准齿轮，基于接触法的齿轮测量都属于串联测量，也就是先测上一点然后测量下一点，通过测量一系列的点来完成相关测量要求，但是通过齿轮串联测量方式获得的齿面信息不够丰富，且测量效率偏低，这时基于非接触测量的光学方法应时发展了起来，它可以同时获得被测量的信息，因此也被称为并联测量，其实对并联测量的研究已有二十年的历史，但真正发展起来是在近几年，主要是由于光电技术与IT技术的发展为实现并联测量提供了坚实的技术基础。目前光学方法测量齿轮主要有两种方法，即采用相移法的齿面测量与基于摄影的齿轮参数测量。

 

2.1基于相移的三维齿面测量技术

 

该测量系统一般多采用基于四步相移法的测量技术，实际上就是测量被测齿轮与标准齿轮的差别，属于一种比较测量，测量一个齿面只需一秒钟的时间，而且分辨率在一微米，它能获得面齿上1 000*1 000点的信息，而且使用这种测量方法还可测量斜齿轮，但是要保证测量的精度必须先保证标准齿轮的精度，目前已研制出绝对测量的齿面测量系统。


 

基于三维相移测量系统

 

2.2基于摄影的齿轮参数测量

 

通常的测量系统由光学照明系统、CCD摄像头、图像采集系统、与计算机以及相应的软件组成，其工作的原理是由照明系统发出的平行光线而使齿轮产生阴影轮廓，再经透镜系统聚集后成像于CCD面阵上，CCD将图像信号变为电荷信号，利用图像采集卡存入到计算机内存中，然后所采集到的图像经由软件的处理、存储并计算出相应的各个尺寸，利用图像测量技术进行齿轮非接触测量，测得齿轮中心、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿烽、模数、齿顶高系数、齿顶高变动系数、变位系数、压力角与齿距等参数。这种测量系统的精度取决于标定精度，而标定的方法一般是在视场内放置一标准尺寸的试块，测量系统处理工件时读取该试块的像素值，然后再用工件的像素值除以该试块的像素值，就可达到自动校正的目的。在实际的测量中，测量精度不但取决于标定精度，还取决于CCD本身的误差与光学系统的误差。

 

 

2.3面向网络的齿轮闭环测量技术

 

齿轮闭环测量是将齿轮几何精度的测量结果反馈给机床，并以此为依据来修磨刀具并调整机床，属于主动测量，其主要是应用于螺旋锥齿轮的检验与机床、刀具参数的调整上，以往主要是依据螺旋锥齿轮的配对检验机的检验结果来进行判断的，然而这种测量方法测量出来的结果带有随机性，完全依靠经验来判断，同时测量与机床调整都需要耗费大量的时间，而且难度大、生产成本高、周期长。在螺旋锥齿轮试切时质量不能完全达到要求，这时可以通过齿轮测量闭环系统的相应软件依据测量结果重新计算并调整机床加工参数，以使再次试切时加工出质量更好的产品。面向网络的齿轮闭环测量技术是结合传统齿轮闭环测量技术与网络技术，目前还正在研究中，研究的主要内容主要是局域范围内齿轮质量监控系统与全域范围的齿轮质量监控系统，可同时实现单台机床产品质量的测量与基于测量的机床调整、区域内产品流程中质量的变化与整体工艺性能的监控等。

 

 

综上所述，齿轮在线快速检测就是双面啮合多维测量，是创新双面啮合一维测量原理的进一步发展，适用于齿轮的大批量现场快速检测；齿轮非接触并联测量则是在齿轮测量中应用数字图像处理技术，但受到精度与被测齿轮材质的限制，还在刚起步阶段；面向网络的齿轮闭环测量已不仅仅用于螺旋锥齿轮的检验与机床、刀具参数的调整，从根本上得到改变。

 


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