一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置及测量方法

1.本发明涉及一种齿轮整体误差测量装置及测量方法，属于齿轮传动、精密测试技术及仪器、齿轮检测技术领域。


背景技术：

2.齿轮是机械装备的关键基础件，齿轮的质量往往直接决定装备的运行性能、服役寿命、安全性和可靠性。齿轮整体误差测量技术由我国科技人员在1970年代初首创，对我国齿轮行业的技术进步起过巨大的推动作用。由齿轮整体误差测量仪器获得的齿轮整体误差曲线可形象地反映齿轮啮合传动过程，精确地揭示了齿轮各个单项误差的变化规律以及误差间的相互关系，特别适合于齿轮的工艺误差分析和动态性能预报。
3.齿轮整体误差测量仪器具有测量效率高、测量信息丰富、测量过程更接近使用状态的优点，特别适用于大批量生产的齿轮产品的精度检测和质量控制。在汽车齿轮要求100％全部检测的趋势下，齿轮整体误差测量方法具有巨大的应用价值。国内基于齿轮整体误差测量技术的测量仪器主要有成都工具研究所开发的cz450型(蜗杆式)齿轮整体误差测量仪、czw50型(齿轮式)微小齿轮测量仪等。其中，蜗杆式齿轮整体误差测量仪cz450曾获得国家发明二等奖。
4.传统的齿轮整体误差测量仪器通常采用特殊的测量元件“跳牙蜗杆”作为码特齿轮(即mastergear)，基于单面啮合原理在重合系数＜1的条件下进行测量，可获取被测齿轮(即partgear)的截面整体误差曲线和切向综合偏差曲线。
5.但传统的齿轮整体误差测量技术仍存在一些不足：(1)被测齿轮的左齿面和右齿面需要分开测量，测量效率低于双啮测量；(2)所使用的跳牙蜗杆形状复杂、精度要求高，制造较为困难；(3)需要调整跳牙蜗杆的安装角度，仪器结构较为复杂、成本较高。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提出一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置及测量方法，采用双面啮合方式，被测齿轮的左齿面和右齿面可同时进行测量，测量效率相对较高，弥补传统方法的不足；仪器结构较为简单、成本较低，使用本发明提出的装置和方法可以提高齿轮整体误差测量的测量效率。
7.为了解决以上技术问题,本发明采用的技术方案为:
8.一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置，该装置包括机械部分和电控部分；
9.机械部分可实现一个直线运动和两个旋转运动；其中，直线运动为码特齿轮沿水平方向的位置移动，两个旋转运动为码特齿轮轴系的旋转运动和被测齿轮轴系的旋转运动；码特齿轮轴系为主动轴系，被测齿轮轴系为被动轴系；
10.实现码特齿轮沿水平方向位置移动的机械结构的组成部分包括安装码特齿轮轴系的x轴工作台、精密导轨、x轴位移传感器、x轴离合机构、x轴伺服电机和x轴直线运动机构；其中，精密导轨将x轴工作台的运动方向约束在被测齿轮和码特齿轮的中心距方向，即x
轴方向，并减小x轴方向运动的摩擦力；x轴位移传感器用于获得被测齿轮和码特齿轮的中心距；
11.x轴离合机构可闭合也可断开；当x轴离合机构断开时，x轴工作台的运动与x轴直线运动机构和x轴伺服电机的旋转运动无关；当x轴离合机构闭合时，x轴直线运动机构将x轴伺服电机的旋转运动转变为直线运动，带动x轴工作台移动；x轴工作台与固定的底座之间有沿x方向的弹簧连接，当x轴离合机构断开时，弹簧力可保持被测齿轮与码特齿的双侧齿面紧密接触；
12.实现码特齿轮轴系旋转运动的机械结构的组成部分包括主动轴、码特齿轮、轴承、驱动码特齿轮的伺服电机；在主动轴上安装有用于获取码特齿轮旋转角度的角度传感器a以及对应的读数头；在测量中，码特齿轮轴系带动被测齿轮轴系旋转；
13.实现被测齿轮轴系旋转运动的机械结构的组成部分包括被动轴、被测齿轮、轴承；在被动轴上安装有用于获取被测齿轮旋转角度的角度传感器b以及对应的读数头；
14.电控部分包括高速同步数据采集系统、伺服电机驱动控制系统和计算机；高速同步数据采集系统采集各角度传感器和位移传感器的信号，进行处理后送入计算机；计算机通过伺服电机驱动控制系统对各个伺服电机进行驱动和控制，计算机用于实现人机交互、测量过程控制、测量数据处理与存储、打印报表、联网通信功能。
15.进一步的，上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，当测量效率要求较低时，可将x轴离合机构、x轴伺服电机和x轴直线运动机构去掉，改为用手工方式调整码特齿轮沿水平方向的位置。
16.进一步的，上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，将弹簧去掉，把码特齿轮和被测齿轮的中心距调整到预先设定的中心距，并锁定码特齿轮沿水平方向的位置，则该装置可以用于被测齿轮切向综合偏差的测量。
17.进一步的，上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，驱动码特齿轮的电机不直接驱动主动轴，而是经由齿轮传动系统、带传动系统或摩擦轮传动系统驱动主动轴，同样可以实现测量功能。
18.一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量方法，该方法包括以下步骤：
19.s1：测量开始之前，要对x轴位移传感器进行标定，使其读数能够反映码特齿轮和被测齿轮中心距的绝对值；
20.s2：测量开始之前，要对角度传感器a和角度传感器b进行回零操作，使其读数能够反映旋转角度的绝对坐标值；
21.s3：测量开始之前，要装上码特齿轮，并使码特齿轮的基准齿对准被测齿轮轴线，使码特齿轮的基准齿的中分平面精确的通过被测齿轮轴线；
22.s4：测量开始之前，要装上被测齿轮；
23.该方法中，以上步骤s1～s4的先后顺序在可行的前提下是可以改变的；
24.s5：开始测量，驱动码特齿轮的伺服电机旋转，带动码特齿轮旋转，码特齿轮带动被测齿轮旋转；测量过程中，在弹簧力的作用下，码特齿轮和被测齿轮保持双侧齿面紧密接触；
25.s6：在码特齿轮转速平稳后开始计数；开始计数的同时，记录当前时间为时刻t0，记录x轴位移传感器、角度传感器a、角度传感器b的当前值作为基准值；
26.s7：计数开始后，实时获取并记录x轴位移传感器、角度传感器a和角度传感器b的读数；计数开始后的t时刻，码特齿轮相对于s6中记录的基准值的实际旋转角度记为被测齿轮相对于s6中记录的基准值的实际旋转角度记为被测齿轮和码特齿轮的中心距绝对值记为ac(t)；
27.s8：计数开始后，如果被测齿轮的所有轮齿的左右齿面均被测量过，即与码特齿轮的测量齿面进行过一次啮合，则判定数据采集过程已完成；否则回到s7，继续采集数据；
28.s9：根据提前获得的码特齿轮齿廓数据和上述步骤中获得的各个时刻的ac(t)数据，可以计算出被测齿轮各个轮齿的测得齿廓，进而计算出被测齿轮的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线，步骤如下：
29.1)获得码特齿轮各个轮齿齿廓的参数方程，据此可绘制出码特齿轮相对于初始位置旋转任意角度后的各个轮齿的齿廓曲线；
30.2)在xoy平面内，建立固定在被测齿轮上的坐标系o
2-x2y2，原点o2选取在被测齿轮的旋转轴线处；
31.3)在坐标系o
2-x2y2内，按照“码特齿轮和被测齿轮的中心连线o1o2相对于被测齿轮中心o2旋转码特齿轮中心沿中心连线o1o2方向变动ac(t)，码特齿轮的轮齿齿廓相对于码特齿轮中心o1旋转的规律，获得在o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮的各个轮齿的齿廓曲线；
32.4)根据o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮的各个轮齿的齿廓曲线，可以获得被测齿轮一个齿面上一点处法线方向上当前时刻的最大可能展长；将测量过程中各个时刻的码特齿轮的轮齿齿廓遍历一遍，就可以获得被测齿轮该齿面上该点处法线方向上各个时刻的最大可能展长；求出这些最大可能展长中的最小值，即为被测齿轮该齿面上该点处法线方向上的测得展长；计算出该齿面上各个点处法线方向的测得展长，就得到了该齿面的测得齿廓；
33.5)计算出各个齿面的测得齿廓后，就可以利用现有的齿轮几何学、图形学知识，根据齿轮精度标准，计算得到被测齿轮的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线。
34.有益效果
35.本发明提出的技术方案在测量过程中可采用双面啮合方式，被测齿轮的左齿面和右齿面可同时进行测量，测量效率相对较高；采用跳牙齿轮作为码特齿轮，以圆柱齿轮为基础的跳牙齿轮形状与被测齿轮接近、制造较为容易；跳牙齿轮的轴线通常与被测齿轮轴线平行，仪器结构较为简单、成本较低。本发明通过技术创新弥补传统方法的不足，可推动齿轮整体误差测量技术在齿轮行业的广泛应用，可提高批量生产齿轮的产品质量，具有重要的学术价值和应用价值。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置示意图；
38.图2为基于双面啮合的齿轮整体误差测量方法流程图；
39.图3为码特齿轮齿面轮廓及基准齿、测量齿和传动齿；
40.图4为固定在被测齿轮上的坐标系o
2-x2y2(初始状态)；
41.图5为时刻t在xoy平面内的码特齿轮与被测齿轮齿廓曲线；
42.图6为时刻t在坐标系o
2-x2y2内的码特齿轮与被测齿轮齿廓曲线；
43.图7为时刻t在坐标系o
2-x2y2中点a处的最大可能展长计算过程示意图；
44.附图标记：1-角度传感器b，2-被测齿轮，3-被动轴，4-角度传感器b读数头，5-码特齿轮，6-主动轴，7-角度传感器a，8-角度传感器a读数头，9-轴承，10-驱动码特齿轮的伺服电机，11-x轴位移传感器，12-x轴工作台，13-x轴伺服电机，14-x轴直线运动机构，15-x轴离合机构，16-弹簧。
具体实施方式
45.下面给出具体实施例，对结合附图和对本发明的优点、特点及具体实施方式作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，是对本发明的非限制性的说明、图示和解释，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
46.本实施例涉及一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置及测量方法。
47.传统的齿轮整体误差测量仪器通常采用特殊的测量元件“跳牙蜗杆”作为码特齿轮(即mastergear)，基于单面啮合原理在重合系数＜1的条件下进行测量，可获取被测齿轮2(即partgear)的截面整体误差曲线和切向综合偏差曲线。但传统的齿轮整体误差测量技术仍存在一些不足：(1)被测齿轮2的左齿面和右齿面需要分开测量，测量效率低于双啮测量；(2)所使用的跳牙蜗杆形状复杂、精度要求高，制造较为困难；(3)需要调整跳牙蜗杆的安装角度，仪器结构较为复杂、成本较高。
48.与传统方法不同，本实施例中的技术方案在测量过程中可采用双面啮合方式，被测齿轮2的左齿面和右齿面可同时进行测量，测量效率相对较高；采用跳牙齿轮作为码特齿轮5，以圆柱齿轮为基础的跳牙齿轮形状与被测齿轮2接近、制造较为容易；跳牙齿轮的轴线通常与被测齿轮2轴线平行，仪器结构较为简单、成本较低。该技术方案通过技术创新弥补传统方法的不足，可推动齿轮整体误差测量技术在齿轮行业的广泛应用，可提高批量生产齿轮的产品质量，具有重要的学术价值和应用价值。
49.该装置的基本工作原理是：计算机通过伺服电机控制码特齿轮5和被测齿轮2的旋转运动，在弹簧力的作用下，码特齿轮5与被测齿轮2实现双面啮合滚动测量，期间两齿轮的中心距可以发生变化；计算机通过高速同步数据采集系统收集各角度传感器和位移传感器的信号，经分析运算和数据处理后可计算出被测齿轮2的实际齿廓，按照齿轮精度国际标准和国家标准得到被测齿轮2的整体误差、各单项误差及综合误差。
50.所使用的码特齿轮5(即mastergear，之前文献多翻译为“标准齿轮”或“测量齿轮”，意义容易混淆；新国家标准中建议翻译为“码特齿轮”)在测量精度要求较高时应使用“跳牙齿轮”，在测量精度要求不高时也可使用制造精度较高的普通齿轮。“跳牙齿轮”是在精度较高的普通齿轮的基础上制作出来的。跳牙齿轮在圆周方向间隔一定齿数(通常为间
隔1齿或2齿，也可间隔更多齿)选定若干个“测量齿”，测量齿以外的齿称为“传动齿”，传动齿的两侧齿面要进行减薄以保证测量中重合系数小于1，即主动齿轮和被动齿轮同时参与齿面啮合的齿对数不超过1。
51.如图1所示，为解决现有技术存在的问题，提出一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置，该装置包括机械部分和电控部分。
52.机械部分可实现一个直线运动和两个旋转运动。其中，直线运动为码特齿轮5沿水平方向的位置移动，两个旋转运动为码特齿轮轴系的旋转运动和被测齿轮2轴系的旋转运动。码特齿轮轴系为主动轴6系，被测齿轮2轴系为被动轴3系。
53.实现码特齿轮5沿水平方向位置移动的机械结构的组成部分包括安装码特齿轮轴系的x轴工作台12、精密导轨、x轴位移传感器11、x轴离合机构15、x轴伺服电机13和x轴直线运动机构14。其中，精密导轨将x轴工作台12的运动方向约束在被测齿轮2和码特齿轮5的中心距方向(即x轴方向)，并减小x轴方向运动的摩擦力；x轴位移传感器11用于获得被测齿轮2和码特齿轮5的中心距；x轴离合机构15可闭合也可断开；当x轴离合机构15断开时，x轴工作台12的运动与x轴直线运动机构14和x轴伺服电机13的旋转运动无关；当x轴离合机构15闭合时，x轴直线运动机构14将x轴伺服电机13的旋转运动转变为直线运动，带动x轴工作台12移动。
54.x轴工作台12与固定的底座之间有沿x方向的弹簧16连接，当x轴离合机构15断开时，弹簧力可保持被测齿轮2与码特齿的双侧齿面紧密接触。
55.实现码特齿轮轴系旋转运动的机械结构的组成部分包括主动轴6、码特齿轮5、轴承9、驱动码特齿轮的伺服电机10。在主动轴6上安装有用于获取码特齿轮5旋转角度的角度传感器a7以及对应的角度传感器a读数头8。在测量中，码特齿轮轴系带动被测齿轮2轴系旋转。
56.实现被测齿轮2轴系旋转运动的机械结构的组成部分包括被动轴3、被测齿轮2、轴承9。在被动轴3上安装有用于获取被测齿轮2旋转角度的角度传感器b1以及对应的角度传感器b读数头4。
57.电控部分包括高速同步数据采集系统、伺服电机驱动控制系统和计算机。高速同步数据采集系统采集各角度传感器和位移传感器的信号，进行处理后送入计算机。计算机通过伺服电机驱动控制系统对各个伺服电机进行驱动和控制。计算机用于实现人机交互、测量过程控制、测量数据处理与存储、打印报表、联网通信等功能。
58.进一步的，上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，当测量效率要求较低时，可将x轴离合机构15、x轴伺服电机13和x轴直线运动机构14去掉，改为用手工方式调整码特齿轮5沿水平方向的位置。
59.进一步的，上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，将弹簧16去掉并锁定码特齿轮5沿水平方向的位置，且将码特齿轮5和被测齿轮2的中心距调整合适后，可以用于被测齿轮2切向综合偏差的测量。
60.进一步的，上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，驱动码特齿轮的电机可以不直接驱动主动轴6，而是经由齿轮传动系统、带传动系统或摩擦轮传动系统驱动主动轴6，同样可以实现测量功能。
61.图1中，角度传感器a7和角度传感器b1通常采用圆光栅；为了提高测量精度，可以
采用配置多个读数头的圆光栅，也可采用在一个轴上布置两个圆光栅的方案(可参考申请号为201710464459.0，专利名称为《基于圆光栅的轴系五、六自由度误差测量方法及测量系统》的公开专利)。
62.图1中，x轴位移传感器11通常采用光栅尺；为了提高测量精度，可以采用配置多个读数头的光栅尺，也可采用在一个轴上布置两个光栅尺的方案。x轴位移传感器11采用激光干涉仪、激光三角法位移传感器、电感式、电容式或其他类型的位移传感器也是可行的。只要能满足精度要求和成本约束，可选用各种传感器。
63.进一步的，图1中，在设计主动轴6和被动轴3上的轴承9时，可以使用1个轴承的方案，也可以使用2个轴承或多个轴承的方案；可使用的轴承类型包括滑动轴承、滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承、液体动压轴承、磁悬浮轴承等；只要能满足精度要求和成本约束，可选择各种轴承形式。
64.进一步的，图1中，驱动码特齿轮的伺服电机10可选用直流有刷电机、直流无刷电机、直流同步电机、交流伺服电机、交流电机、直驱电机等类型，所选用的伺服电机应转速均匀、力矩波动较小(目前的步进电机一般力矩波动较大、不宜选用)，具有调速功能；驱动码特齿轮的伺服电机10与主动轴6之间可以用联轴器直连，也可以通过减速器连接。也可以把伺服电机设计在主动轴6的侧面，通过齿轮传动或摩擦轮传动驱动码特齿轮5(主动轴6)。让伺服电机不驱动码特齿轮5(主动轴6)，而是驱动被测齿轮2(被动轴3)，由被测齿轮2(被动轴3)带动码特齿轮5(主动轴6)进行测量，在原理上也是可行的，也可以实现测量。如果测量效率、测量精度要求不高，去掉伺服电机，采用手摇、手动方式进行测量也是可行的实施方式。
65.进一步的，图1中，x轴工作台12是安装在精密导轨上的，精密导轨的实现方式有滑动导轨、滚动导轨、气浮导轨等常见方式。精密导轨应具有较高的导向精度和较小的摩擦力，以提高测量精度。常用的导轨品牌有上银、thk等。
66.进一步的，图1中，x轴伺服电机13可选用直流有刷电机、直流无刷电机、直流同步电机、交流伺服电机、直驱电机等类型。伺服电机与x轴直线运动机构14(如丝杠螺母副)之间可以用联轴器直连，也可以通过减速器连接。如果测量效率要求不高，去掉伺服电机，采用手摇、手动方式进行x轴工作台12的位置调整也是可行的实施方式。
67.进一步的，图1中，x轴直线运动机构14通常采用丝杠螺母副进行实现。x轴直线运动机构14也可以采用钢带传动、同步齿形带传动、摩擦传动等实现方式，只要能满足精度和成本要求即可。
68.进一步的，图1中，x轴离合机构15的实现方式可采用电磁刹车、气缸锁紧等方式，需要实现闭合和断开两个工作状态。离合机构闭合时，x轴直线运动机构14与x轴工作台12的运动是相互关联的；离合机构断开时，x轴直线运动机构14与x轴工作台12的运动是相互独立的。
69.进一步的，图1中，弹簧16的作用是提供驱动力，当x轴离合机构15断开时，该驱动力保持被测齿轮2与码特齿的双侧齿面紧密接触，实现双面啮合测量方式。弹簧16可选用金属材质或橡胶材质制作；弹簧16可以是提供拉力的形式，也可以是提供推力的形式；弹簧16可以是圆柱形绕制弹簧，也可以采用弹簧板、弹簧丝的形式。这个驱动力的加载方式也可以改变为重力加载、磁力加载、电磁力加载等。只要能提供合适的驱动力，在测量过程中能保
持被测齿轮2与码特齿的双侧齿面紧密接触且不至于引起过大的变形，各种加载方式都可以使用。
70.进一步的，图1中，伺服电机驱动控制系统可以采用运动控制卡、运动控制器、单片机应用系统、dsp/fpga电路板等实现方式；高速同步数据采集系统可以采用运动控制卡、计数器卡、运动控制器、单片机应用系统、dsp/fpga电路板等实现方式；计算机可采用家用pc机、商用pc机、工控pc机、plc控制器、单片机应用系统、dsp/fpga电路板、云计算平台等实现方式。
71.如图2所示，一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量方法，该方法包括以下步骤：
72.s1：测量开始之前，要对x轴位移传感器11进行标定，使其读数能够反映码特齿轮5和被测齿轮2中心距的绝对值；
73.s2：测量开始之前，要对角度传感器a7和角度传感器b1进行回零操作，使其读数能够反映旋转角度的绝对坐标值；
74.s3：测量开始之前，要装上码特齿轮5，并使码特齿轮5的基准齿对准被测齿轮2轴线，使码特齿轮5的基准齿的中分平面尽量精确的通过被测齿轮2轴线；
75.s4：测量开始之前，要装上被测齿轮2；
76.以上四个步骤的先后顺序在可行的前提下是可以改变的；
77.s5：开始测量，驱动码特齿轮的伺服电机10旋转，带动码特齿轮5旋转，码特齿轮5带动被测齿轮2旋转；测量过程中，在弹簧力的作用下，码特齿轮5和被测齿轮2保持双侧齿面紧密接触；
78.s6：在码特齿轮5转速平稳后开始计数；开始计数的同时，记录当前时间为时刻t0，记录x轴位移传感器11、角度传感器a7、角度传感器b1的当前值作为基准值；
79.s7：计数开始后，实时获取并记录x轴位移传感器11、角度传感器a7和角度传感器b1的读数；计数开始后的t时刻，码特齿轮5的实际旋转角度(相对于s6中记录的基准值)记为被测齿轮2的实际旋转角度(相对于s6中记录的基准值)记为被测齿轮2和码特齿轮5的中心距绝对值记为ac(t)；
80.s8：计数开始后，如果被测齿轮2的所有轮齿的左右齿面均被测量过(即与码特齿轮5的测量齿面进行过一次啮合)，则判定数据采集过程已完成；否则回到s7，继续采集数据；
81.s9：根据提前获得的码特齿轮5齿廓数据和上述步骤中获得的各个时刻的ac(t)数据，可以计算出被测齿轮2各个轮齿的测得齿廓，进而计算出被测齿轮2的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线，步骤如下：
82.(1)获得码特齿轮5各个轮齿齿廓的参数方程，据此可绘制出码特齿轮5相对于初始位置旋转任意角度后的各个轮齿的齿廓曲线；
83.(2)在xoy平面内，建立固定在被测齿轮2上的坐标系o
2-x2y2，原点o2选取在被测齿轮2的旋转轴线处；
84.(3)在坐标系o
2-x2y2内，按照“码特齿轮5和被测齿轮2的中心连线o1o2相对于被测齿轮2中心o2旋转码特齿轮5中心沿中心连线o1o2方向变动ac(t)，码特齿轮5的轮齿齿
廓相对于码特齿轮5中心o1旋转的规律，获得在o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮5的各个轮齿的齿廓曲线；
85.(4)根据o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮5的各个轮齿的齿廓曲线，可以获得被测齿轮2一个齿面上一点处法线方向上当前时刻的最大可能展长；将测量过程中各个时刻的码特齿轮5的轮齿齿廓遍历一遍，就可以获得被测齿轮2该齿面上该点处法线方向上各个时刻的最大可能展长；求出这些最大可能展长中的最小值，即为被测齿轮2该齿面上该点处法线方向上的测得展长；计算出该齿面上各个点处法线方向的测得展长，就得到了该齿面的测得齿廓；
86.(5)计算出各个齿面的测得齿廓后，就可以利用现有的齿轮几何学、图形学知识，根据齿轮精度标准，计算得到被测齿轮2的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线。
87.具体实施时，在上述s1中，对x轴位移传感器11进行标定时，可在主动轴6和被动轴3上分别安装一个标定用心棒，两个心棒的直径都是已知的。调整x轴工作台12，使两个心棒达到外圆面恰好互相接触，此时主动轴6和被动轴3的中心距就是已知的(等于两个心棒的直径的平均值)。用这个已知的中心距数据对x轴位移传感器11的示值进行修正，就可以实现x轴位移传感器11的标定。
88.具体实施时，在上述s2中，对角度传感器a7和角度传感器b1进行回零操作时，通常的做法是捕捉圆光栅的零位脉冲，在零位脉冲处将圆光栅的示值清零，就完成了回零操作。此后圆光栅的示值不再清零，其读数就可以反映旋转角度的绝对值。
89.具体实施时，在上述s3中，在使码特齿轮5的基准齿对准被测齿轮2轴线，即使码特齿轮5的基准齿的中分平面尽量精确的通过被测齿轮2轴线时，可以采用球形分齿规，将球形分齿规的球心调整在码特齿轮5和被测齿轮2轴线共同形成的平面内，让码特齿轮5的基准齿的左侧(或右侧)齿槽的两侧齿面与球形分齿规同时接触，就实现了码特齿轮5基准齿相邻齿槽与被测齿轮2轴线对正；此时，再让码特齿轮5旋转半个齿距角(精确的实际旋转角度可由角度传感器a7获得)，就实现了码特齿轮5的基准齿对准被测齿轮2轴线。实际实施时，在码特齿轮5上方安装具有测量功能的工业相机(或机器视觉)系统，也可以实现码特齿轮5的基准齿的位置找正。
90.具体实施时，在上述s4中，被测齿轮2安装时可以采用可胀心轴进行固定，也可以采用螺纹压紧方式、磁吸、粘结等方式进行固定，使被测齿轮2在被动轴3上安装牢靠，测量过程中不发生或仅有极小的相对转动。
91.具体实施时，如果能够实现(即保证可行时)，上述s1-s4这个四个步骤的顺序并无严格规定，是可以随意选择的。但实际上，对于具体的机械结构设计，有可能出现安装了被测齿轮2之后就无法再安装标定用心棒的情形，此时就要注意选择合理的顺序了。这个顺序的选择是本领域普通工程师可以胜任的。
92.具体实施时，在上述s5中，驱动码特齿轮5旋转的伺服电机的转速要进行合理的设置；如果转速太低，则测量效率过低；如果转速太高，则可能会发生脱啮现象，不能保持双侧齿面啮合测量状态。弹簧力的大小也要进行合理的选择，弹簧力过大会造成仪器机械机构发生较大的变形，影响测量精度；弹簧力过小则会容易发生惯性导致的脱啮。
93.具体实施时，在上述s6中，码特齿轮5的转速在电机启动时会经历一个升速过程，要合理选取开始计数的时机，即在转速基本平稳后才开始计数。如果为了处理数据方便，可
以选择在码特齿轮5的基准齿旋转到正对被测齿轮2轴线时(即s3中的位置)开始计数，但这样做会导致测量总时间变长、效率变低。较为合理的另一种处理方法是在s3中将码特齿轮5位置调整好后，记录s2中进行回零操作之后的角度传感器a7的绝对坐标值，在数据处理时考虑码特齿轮5基准齿的初始位置，对各个传感器的测量结果进行沿时间轴的平移即可。无论采用前述两种处理方法中的哪一种，在测量数据采集完毕后进行齿轮误差的计算时，均可认为是在码特齿轮5的基准齿旋转到正对被测齿轮2轴线时(即s3中的位置)开始计数的，这样计算过程较为简单。
94.开始计数的同时，要记录当前时间为时刻t0，记录x轴位移传感器11、角度传感器a7、角度传感器b1的当前值作为基准值，分别为ac(t0)、和
95.具体实施时，在上述s7中，实时获取并记录x轴位移传感器11、角度传感器a7和角度传感器b1的读数的工作是由计算机操纵高速同步数据采集系统完成的。除ac(t)外，还可将码特齿轮5的理论转速记为ω
10
，码特齿轮5的实际转速记为ω1(t)；被测齿轮2的理论转速记为ω
20
，被测齿轮2的实际转速记为ω2(t)；码特齿轮5的理论旋转角度记为码特齿轮5的旋转角度误差记为被测齿轮2的理论旋转角度记为被测齿轮2的旋转角度误差记为被测齿轮2和码特齿轮5的中心距变动量记为δac(t)；则由下列计算公式可计算相关参数：
96.其中z1为码特齿轮5齿数，z2为被测齿轮2齿数；
[0097][0098][0099][0100][0101]
δac(t)＝ac(t)-ac(t0)；
[0102]
其中，被测齿轮2和码特齿轮5的中心距变动量为δac(t)即为传统的齿轮径向综合偏差曲线；和δac(t)曲线都可以绘制在测量报告上，作为判断测量过程是否正常、判断齿轮加工质量和预测齿轮使用性能的参考依据。
[0103]
具体实施时，在上述s8中，由于采用了跳牙齿轮作为码特齿轮5，被测齿轮2的各个轮齿的测量顺序并不是按照自然数顺序进行的。举例来说，如果跳牙齿轮的两个测量齿之间间隔的传动齿数量为2，如图3所示，被测齿轮2齿数为10，其1#齿槽最先得到测量，则被测齿轮2的被测到的齿槽顺序为1#，4#，7#，10#，3#，6#，9#，2#，5#，8#。这个顺序的形成原理和传统的齿轮整体误差测量是一样的。需要说明，被测齿轮2的齿序号、齿槽序号的编排并没有要求必须是顺时针顺序或逆时针顺序。如果编号的顺序发生了改变、码特齿轮5的旋转方向发生改变，那么实测的齿槽顺序也可能会发生改变。如果跳牙齿轮的的两个测量齿之间间隔的传动齿数量为2(或3)，而被测齿轮2的齿数是2(或3)的整数倍，那么为了完成测量，需要在测量过程中合适的时机将码特齿轮5和被测齿轮2的啮合脱开，码特齿轮5自身旋转一个齿距角后再进入啮合，这样才能完成全部齿面的测量。这个原理和传统的齿轮整体误
差测量也是一样的。当判断到被测齿轮2的所有轮齿的左右齿面都被测量过后，则可判定数据采集过程已经完成。
[0104]
具体实施时，在上述s9的步骤(1)中，码特齿轮5的各个轮齿齿廓的参数方程是根据输入的码特齿轮5参数或实际码特齿轮5的测量结果得到的。如图3所示为一个按照输入参数绘制的码特齿轮5的齿廓曲线，这个齿廓曲线可以用参数方程r＝r(θ)表示，其中长度r为原点o2到轮廓上任一点的极径，极角θ为x轴正向与矢量之间的夹角。图3中靠近齿根部分的齿廓之间用半径为基圆半径rb的圆弧连接，靠近齿顶部分的齿廓之间用半径为齿顶圆半径ra的圆弧连接。图3中跳牙齿轮上标记
①
的轮齿为基准齿，标记
①
和
④
的轮齿为测量齿，标记
②
和
③
的轮齿为传动齿(两侧齿面都进行了减薄，减薄量一般为30～50微米)。其他各齿按两个测量齿之间间隔两个传动齿的规律定义为测量齿和传动齿。码特齿轮5齿面轮廓曲线的参数方程r＝r(θ)的具体公式可参考齿轮手册或参考申请人已公开发表的论文(如《齿轮整体误差测量的基础理论及其应用研究》)得到。如果所使用的码特齿轮5有经过精密测量获得的实际齿廓数据，则优先选用实测获得的齿廓数据，这样可以提高测量精度。
[0105]
具体实施时，在上述s9的步骤(2)中，如图4所示，在xoy平面内，建立固定在被测齿轮2上的坐标系o
2-x2y2，原点o2选取在被测齿轮2的旋转轴线处。坐标系o
2-x2y2会随着被测齿轮2旋转。
[0106]
具体实施时，在上述s9的步骤(3)中，图5所示为在xoy平面内，在时刻t，被测齿轮2相对于被测齿轮2中心o2旋转-码特齿轮5中心沿中心线o1o2方向变动ac(t)，码特齿轮5相对于码特齿轮5中心o1旋转图6所示为在坐标系o
2-x2y2内，按照“码特齿轮5和被测齿轮2的中心连线o1o2相对于被测齿轮2中心o2旋转码特齿轮5中心沿中心线o1o2方向变动ac(t)，码特齿轮5的轮齿齿廓相对于码特齿轮5中心o1旋转的规律，可获得的在o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮5的各个轮齿的齿廓曲线。对比图3、图5、图6可知，当各个时刻的ac(t)数据为已知时，各个时刻在o
2-x2y2坐标系内的码特齿轮5的齿廓曲线是可以计算出来的。
[0107]
具体实施时，在上述s9的步骤(4)中，根据o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮5的各个轮齿的齿廓曲线获得被测齿轮2一个齿面上一点处法线方向上当前时刻的最大可能展长的过程如图7所示。如前所述，在测量数据采集完毕后进行齿轮误差的计算时，均可认为是在码特齿轮5的基准齿旋转到正对被测齿轮2轴线时(即s3中的位置)开始计数的。图7中，o
2-x2y2坐标系固接在被测齿轮2上且不发生转动，在o
2-x2y2坐标系中被测齿轮2始终保持图4中的初始位置状态。以计算
①
号齿槽对应的右齿面上点a处的最大可能展长为例，根据事先输入的被测齿轮2的图纸参数，包括齿数、模数、压力角、螺旋角、变位系数、公法线长度等，可以建立如图7中所示的被测齿轮2的理论轮廓线，并计算出理论轮廓线上的任一点a处的齿面法线ac，其中c为a点法线与基圆的切点，线段ca的长度即为a点的理论展长。c点和a点的坐标可以计算出来，且测量过程中在o
2-x2y2内c点和a点的坐标是固定不变的。时刻t的码特齿轮5的齿廓曲线在s9的步骤(3)中已经计算出来，基于解析几何知识可以计算出直线ca与码特齿轮
①
号齿右齿面的交点a
′
，并求出线段a
′
c的长度，该长度即为时刻t的被测齿轮2a点处的最大可能展长。按照该方法，将测量过程中各个时刻的码特齿轮5的轮齿齿廓遍
历计算一遍，就可以获得被测齿轮2该齿面上a点处法线方向上各个时刻的最大可能展长；这些最大可能展长中的最小值即为被测齿轮2该齿面上该点处法线方向上的测得展长。计算出该齿面上各点处法线方向的测得展长，就得到了该齿面的测得齿廓。
[0108]
具体实施时，在上述s9的步骤(5)中，用s9的步骤(4)中的方法计算出各个齿面的测得齿廓后，就可以利用现有的齿轮几何学、图形学知识，根据齿轮精度标准，计算得到被测齿轮2的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线。此处用到的齿轮精度标准包括gb/t10095.1-2022，gb/t10095.2-2008，gb/z18620.1-2008等。根据被测齿轮2的测得齿廓计算各项齿轮误差是已经在各种齿轮测量设备中广泛使用的通用技术，是本领域工程技术人员可以实现的。
[0109]
本发明提出的齿轮整体误差测量装置是一种多功能的测量装置，既可以实现双啮方式的测量，又可以实现单啮方式的测量(当去掉弹簧16、锁定x轴工作台12时)，可测量的项目包括径向综合偏差曲线、切向综合偏差曲线、整体误差曲线，以及可由整体误差曲线计算出的齿廓偏差、齿距偏差、齿厚、齿圈跳动等。这些是本发明方法和装置的简单推理，其他人不应再以实施例描述中已给出的内容申请其他专利。
[0110]
本行业技术人员应该了解，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置，其特征在于：该装置包括机械部分和电控部分；机械部分可实现一个直线运动和两个旋转运动；其中，直线运动为码特齿轮沿水平方向的位置移动，两个旋转运动为码特齿轮轴系的旋转运动和被测齿轮轴系的旋转运动；码特齿轮轴系为主动轴系，被测齿轮轴系为被动轴系；实现码特齿轮沿水平方向位置移动的机械结构的组成部分包括安装码特齿轮轴系的x轴工作台、精密导轨、x轴位移传感器、x轴离合机构、x轴伺服电机和x轴直线运动机构；其中，精密导轨将x轴工作台的运动方向约束在被测齿轮和码特齿轮的中心距方向，即x轴方向，并减小x轴方向运动的摩擦力；x轴位移传感器用于获得被测齿轮和码特齿轮的中心距；x轴离合机构可闭合也可断开；当x轴离合机构断开时，x轴工作台的运动与x轴直线运动机构和x轴伺服电机的旋转运动无关；当x轴离合机构闭合时，x轴直线运动机构将x轴伺服电机的旋转运动转变为直线运动，带动x轴工作台移动；x轴工作台与固定的底座之间有沿x方向的弹簧连接，当x轴离合机构断开时，弹簧力可保持被测齿轮与码特齿的双侧齿面紧密接触；实现码特齿轮轴系旋转运动的机械结构的组成部分包括主动轴、码特齿轮、轴承、驱动码特齿轮的伺服电机；在主动轴上安装有用于获取码特齿轮旋转角度的角度传感器a以及对应的读数头；在测量中，码特齿轮轴系带动被测齿轮轴系旋转；实现被测齿轮轴系旋转运动的机械结构的组成部分包括被动轴、被测齿轮、轴承；在被动轴上安装有用于获取被测齿轮旋转角度的角度传感器b以及对应的读数头；电控部分包括高速同步数据采集系统、伺服电机驱动控制系统和计算机；高速同步数据采集系统采集各角度传感器和位移传感器的信号，进行处理后送入计算机；计算机通过伺服电机驱动控制系统对各个伺服电机进行驱动和控制，计算机用于实现人机交互、测量过程控制、测量数据处理与存储、打印报表、联网通信功能。2.如权利要求1所述的一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置，其特征在于：上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，当测量效率要求较低时，可将x轴离合机构、x轴伺服电机和x轴直线运动机构去掉，改为用手工方式调整码特齿轮沿水平方向的位置。3.如权利要求1所述的一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置，其特征在于：上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，将弹簧去掉，把码特齿轮和被测齿轮的中心距调整到预先设定的中心距，并锁定码特齿轮沿水平方向的位置，则该装置可以用于被测齿轮切向综合偏差的测量。4.如权利要求1所述的一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置，其特征在于：上述基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置中，驱动码特齿轮的电机不直接驱动主动轴，而是经由齿轮传动系统、带传动系统或摩擦轮传动系统驱动主动轴，同样可以实现测量功能。5.一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1：测量开始之前，要对x轴位移传感器进行标定，使其读数能够反映码特齿轮和被测齿轮中心距的绝对值；s2：测量开始之前，要对角度传感器a和角度传感器b进行回零操作，使其读数能够反映旋转角度的绝对坐标值；s3：测量开始之前，要装上码特齿轮，并使码特齿轮的基准齿对准被测齿轮轴线，使码
特齿轮的基准齿的中分平面精确的通过被测齿轮轴线；s4：测量开始之前，要装上被测齿轮；该方法中，以上步骤s1～s4的先后顺序在可行的前提下是可以改变的；s5：开始测量，驱动码特齿轮的伺服电机旋转，带动码特齿轮旋转，码特齿轮带动被测齿轮旋转；测量过程中，在弹簧力的作用下，码特齿轮和被测齿轮保持双侧齿面紧密接触；s6：在码特齿轮转速平稳后开始计数；开始计数的同时，记录当前时间为时刻t0，记录x轴位移传感器、角度传感器a、角度传感器b的当前值作为基准值；s7：计数开始后，实时获取并记录x轴位移传感器、角度传感器a和角度传感器b的读数；计数开始后的t时刻，码特齿轮相对于s6中记录的基准值的实际旋转角度记为被测齿轮相对于s6中记录的基准值的实际旋转角度记为被测齿轮和码特齿轮的中心距绝对值记为a
c
(t)；s8：计数开始后，如果被测齿轮的所有轮齿的左右齿面均被测量过，即与码特齿轮的测量齿面进行过一次啮合，则判定数据采集过程已完成；否则回到s7，继续采集数据；s9：根据提前获得的码特齿轮齿廓数据和上述步骤中获得的各个时刻的a
c
(t)数据，可以计算出被测齿轮各个轮齿的测得齿廓，进而计算出被测齿轮的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线，步骤如下：1)获得码特齿轮各个轮齿齿廓的参数方程，据此可绘制出码特齿轮相对于初始位置旋转任意角度后的各个轮齿的齿廓曲线；2)在xoy平面内，建立固定在被测齿轮上的坐标系o
2-x2y2，原点o2选取在被测齿轮的旋转轴线处；3)在坐标系o
2-x2y2内，按照“码特齿轮和被测齿轮的中心连线o1o2相对于被测齿轮中心o2旋转码特齿轮中心沿中心连线o1o2方向变动a
c
(t)，码特齿轮的轮齿齿廓相对于码特齿轮中心o1旋转的规律，获得在o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮的各个轮齿的齿廓曲线；4)根据o
2-x2y2坐标系内时刻t的码特齿轮的各个轮齿的齿廓曲线，可以获得被测齿轮一个齿面上一点处法线方向上当前时刻的最大可能展长；将测量过程中各个时刻的码特齿轮的轮齿齿廓遍历一遍，就可以获得被测齿轮该齿面上该点处法线方向上各个时刻的最大可能展长；求出这些最大可能展长中的最小值，即为被测齿轮该齿面上该点处法线方向上的测得展长；计算出该齿面上各个点处法线方向的测得展长，就得到了该齿面的测得齿廓；5)计算出各个齿面的测得齿廓后，就可以利用现有的齿轮几何学、图形学知识，根据齿轮精度标准，计算得到被测齿轮的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线。

技术总结
本发明提供了一种基于双面啮合的齿轮整体误差测量装置及测量方法，测量装置包括机械部分和电控部分，机械部分可实现一个直线运动和两个旋转运动，直线运动为码特齿轮沿水平方向的位置移动，两个旋转运动为码特齿轮轴系的旋转运动和被测齿轮轴系的旋转运动，码特齿轮轴系为主动轴系，被测齿轮轴系为被动轴系；测量方法用双面啮合方式，计算出被测齿轮各个轮齿的测得齿廓，进而计算出被测齿轮的齿廓偏差、齿距偏差和齿轮整体误差曲线。本发明仪器结构较为简单、成本较低，使用本发明提出的装置和方法可以弥补传统方法的不足，提高齿轮整体误差测量的测量效率。体误差测量的测量效率。体误差测量的测量效率。


技术研发人员：王笑一 石照耀
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/7/12