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齒輪測量儀器

為了正確測量和評定產(chǎn)品質(zhì)量，齒輪測量儀器通常應(yīng)按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10095-2001（等同于ISO1328：1997）的漸開線圓柱齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的精度項(xiàng)目、精度評定方法以及規(guī)定的公差，對產(chǎn)品齒輪進(jìn)行快速、高效、可靠的測量。由于市場（如汽車行業(yè)）對齒輪測量不斷提出新的更高要求，因此齒輪測量精為了正確測量和評定產(chǎn)品質(zhì)量，齒輪測量儀器通常應(yīng)按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10095-2001（等同于ISO1328：1997）的漸開線圓柱齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的精度項(xiàng)目、精度評定方法以及規(guī)定的公差，對產(chǎn)品齒輪進(jìn)行快速、高效、可靠的測量。由于市場（如汽車行業(yè)）對齒輪測量不斷提出新的更高要求，因此齒輪測量精度項(xiàng)目也應(yīng)不斷有所發(fā)展，齒輪測量儀器也應(yīng)有所創(chuàng)新，使測量功能不斷增強(qiáng)，以滿足新的需求。

齒輪測量儀器通常由儀器主機(jī)、坐標(biāo)或位移傳感器、測頭裝置、測量拖板數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)電氣裝置與接口，以及計(jì)算機(jī)等主要部分組成。隨著關(guān)鍵精密零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，尤其是近年來信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械制造技術(shù)以及精密測量技術(shù)的發(fā)展，推動了齒輪測量儀器的研制與開發(fā)。新的控制軟件和測量軟件的開發(fā)顯得更為重要。

（1）CNC齒輪測量中心

從上世紀(jì)80年代開始，齒輪測量中心的開發(fā)受到眾多齒輪測量儀器制造商的重視；90年代逐步形成了系列化產(chǎn)品推向市場。CNC齒輪測量中心是信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)在齒輪測量儀器上集成應(yīng)用的結(jié)晶，是坐標(biāo)式齒輪測量儀器發(fā)展中的一個(gè)里程碑。該儀器實(shí)質(zhì)上是含有一個(gè)回轉(zhuǎn)角坐標(biāo)的四坐標(biāo)測量機(jī)——圓柱坐標(biāo)測量機(jī)，主要用于齒輪單項(xiàng)幾何精度的檢測，也可用于（靜態(tài)）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(diǎn)是采用了專利的三維數(shù)字式高精度光柵測量頭（使用了HEINDENHAIN的超高精度光柵）；性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身，高性能直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)；高精度滾珠軸系和密珠滾動導(dǎo)軌。儀器精度達(dá)到德國標(biāo)準(zhǔn)1級。據(jù)報(bào)道該廠生產(chǎn)并經(jīng)精化的一臺P65齒輪測量中心，被英國國家齒輪計(jì)量實(shí)驗(yàn)室選定，作為英國齒輪精度傳遞及標(biāo)定的基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)導(dǎo)軌，成為該儀器的特色（近年也采用了直線電機(jī)驅(qū)動），儀器測量不確定度為2μm。德國MAHR的GMX275采用的模擬量測量頭，可選擇掃描或單點(diǎn)采樣方式，可以按0.1°間距轉(zhuǎn)動，使測頭的測尖能處于被測齒面的法面上，儀器測量不確定度在測量空間內(nèi)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、凸輪軸等復(fù)雜型面的回轉(zhuǎn)體零件。國外齒輪測量中心廠商，大多還開發(fā)了適用于不同制式錐齒輪的測量軟件和錐齒輪加工機(jī)床的參數(shù)修正軟件，這有益于加快錐齒輪的首件試切。通過接口或網(wǎng)絡(luò)的信息集成，將測量機(jī)、錐齒輪設(shè)計(jì)及錐齒輪加工機(jī)床連接一起，構(gòu)建成錐齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)——將試切錐齒輪幾何形狀的測量信息，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)機(jī)床參數(shù)的調(diào)整信息后反饋到機(jī)床，實(shí)現(xiàn)錐齒輪加工的CAD/CAM/CAT，使錐齒輪的“零廢品”制造成為可能（可惜目前還未見國內(nèi)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道）；選用相關(guān)軟件，還能用于反求工程對工件參數(shù)進(jìn)行測定。高精度和一機(jī)多能的特點(diǎn)，使齒輪測量中心更適合于工廠計(jì)量站使用。

日本的齒輪測量儀器制造商，在我國市場經(jīng)過近十年的沉寂后近年來亮相頻繁。大阪精機(jī)在GC-HP系列齒輪測量儀器的基礎(chǔ)上，開發(fā)出CNC電子創(chuàng)成式的CLP系列齒輪測量儀器。特別值得一提的是最近在國內(nèi)參展亮相的東京技術(shù)儀器公司（Tokyo Technical Instruments Inc.）。在2003年底上海中國國際齒輪傳動、制造技術(shù)及裝備展覽會上該廠首次展出TTI-300E型CNC齒輪檢測儀，據(jù)稱其質(zhì)量較小的測頭部件能單獨(dú)在徑向運(yùn)動，便于快速測量齒輪齒距偏差。密珠軸系的主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.03μm，儀器測量重復(fù)性達(dá)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(jìn)行測量。該公司產(chǎn)品近年在中國已售出30余臺（主要集中在臺資企業(yè)）。

近年來，國產(chǎn)CNC齒輪測量中心有了長足的發(fā)展，哈爾濱量具刃具廠、哈爾濱精達(dá)公司都先后成功開發(fā)出了系列產(chǎn)品。哈量的3903A齒輪測量中心，經(jīng)過幾年努力，儀器精度和測量速度據(jù)稱已達(dá)到或接近KLINGELNBERG公司產(chǎn)品的先進(jìn)水平。精達(dá)公司作為后起之秀，發(fā)展引人矚目，其JD、JDS系列齒輪測量中心，目前在國內(nèi)產(chǎn)品中銷量最多。國產(chǎn)齒輪測量中心的質(zhì)量和性能不斷提高，已經(jīng)具有和國外產(chǎn)品競爭的能力。不過在儀器精度、穩(wěn)定性，尤其在測量軟件（如弧錐齒輪的測量軟件）、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(nèi)齒輪量儀制造商已有共識，已聯(lián)合高校院所協(xié)同攻關(guān)努力縮小差距；隨著性價(jià)比的迅速提高，參與市場競爭能力的增強(qiáng)，國產(chǎn)齒輪測量中心的發(fā)展前景看好，在國內(nèi)市場所占比重將會越來越大。

（2）齒輪嚙合檢查儀

①齒輪單面嚙合滾動點(diǎn)掃描測量儀

這類儀器在我國曾得到大力開發(fā)與生產(chǎn)，特別適合摩托車汽車齒輪批量生產(chǎn)現(xiàn)場的質(zhì)量檢測和生產(chǎn)工藝監(jiān)控。成都工具研究所研制的CNC蝸桿式齒輪整體誤差測量儀是一個(gè)典型實(shí)例，至今已在國內(nèi)市場銷售200余臺，少量銷往國外。它的特點(diǎn)是采用跳牙磨薄測量蝸桿與被測齒輪嚙合，對齒輪齒面進(jìn)行滾動點(diǎn)掃描測量。測量信息豐富，測量效率高。德國FRENCO公司最近推向市場的URM齒輪誤差滾動掃描測量儀的測量原理完全類同于我國齒輪整體誤差測量技術(shù)。該儀器可稱為平行軸齒輪式齒輪整體誤差測量儀，它采用高精度圓光柵作為角度傳感器，特殊測量齒輪為測量元件，測量基本單元是測量齒輪上特制的測量棱線，分別為齒廓測量棱線和齒向（螺旋線）測量棱線。測量儀器的不確定度為3.5~4.5μm，測量重復(fù)性為2~3μm。測量時(shí)間1~2分鐘，測量齒輪使用壽命約20萬次。該產(chǎn)品已在德國福特汽車廠、大眾汽車廠得到應(yīng)用。成都工具研究所生產(chǎn)的CSZ500A、B型錐齒輪整體誤差測量儀，是滾動點(diǎn)掃描測量技術(shù)在錐齒輪測量上的應(yīng)用范例。測量錐齒輪的齒廓、齒向測量棱線的制作采用了自行開發(fā)的專利技術(shù)，儀器測量重復(fù)性可高達(dá)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(qū)。測量時(shí)間取決于大小錐齒輪齒數(shù)，通常為5~10分鐘。

②齒輪雙面嚙合檢查儀

近年來，由于計(jì)算機(jī)、精密光柵傳感器以及數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的齒輪雙面嚙合檢查儀經(jīng)過技術(shù)改造提升，整體水平有了質(zhì)的改變，分析功能增強(qiáng)。哈爾濱量具刃具廠的智能雙面嚙合齒輪測量儀配備了筆記本電腦、長、圓光柵傳感器、直流伺服電機(jī)和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集，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(jìn)行測量外，還能對毛刺、劃傷、磕碰等缺陷進(jìn)行判定。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信息、辦公機(jī)器以及照像機(jī)、玩具行業(yè)等用小模數(shù)齒輪（尤其是塑料齒輪）產(chǎn)量大增，質(zhì)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(yīng)增加。2003年上海展覽會上就展出了日本東京技術(shù)儀器和大阪精機(jī)的齒輪雙面嚙合檢查儀。據(jù)東京技術(shù)儀器公司介紹，他們的TF-40NC是世界上第一臺CNC齒輪雙面嚙合檢查儀，其特點(diǎn)除了自動校零點(diǎn)、顯示最大、最小和中心距平均值外，還能對基準(zhǔn)（測量）齒輪的徑向振擺進(jìn)行自動補(bǔ)償。除了MARPOSS的M62系列、大阪精機(jī)的GTR-PC、北井產(chǎn)業(yè)的KGT等產(chǎn)品外，我國的哈爾濱精達(dá)測量儀器有限公司也生產(chǎn)用于工位檢測、具有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)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(yàn)機(jī)。典型實(shí)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(yàn)機(jī)。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，以及加載加速時(shí)的三維結(jié)構(gòu)噪音分析、齒面接觸斑點(diǎn)，用以評定傳動副配對質(zhì)量。我國原內(nèi)江機(jī)床廠最近與重慶大學(xué)合作，成功研制出國產(chǎn)CNC錐齒輪滾動檢驗(yàn)機(jī)，為趕超國外先進(jìn)水平做出了貢獻(xiàn)。小模數(shù)齒輪刀具制造商日本小笠原開發(fā)的MEATA-3型齒輪副傳動精度檢測儀，可以測量蝸桿蝸輪副、內(nèi)外直/斜圓柱齒輪副、錐齒輪副、端面齒輪副等的傳動誤差，儀器分辨率為1角秒。

（3）齒輪在線測量分選機(jī)

這類儀器主要應(yīng)用于批量生產(chǎn)汽車轎車齒輪質(zhì)量的最終檢測，以保證齒輪變速箱的裝配總成質(zhì)量。由英國MOORE公司制造、美國ITW出產(chǎn)的齒輪在線自動分選機(jī)，實(shí)質(zhì)上是一種改型的齒輪雙面嚙合在線檢測分選機(jī)。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，由于配備了特殊的二維齒向測量機(jī)構(gòu)，儀器還能測量雙嚙齒向偏差和雙嚙齒向錐度偏差等齒輪誤差。該儀器適用于車間現(xiàn)場，能滿足批量生產(chǎn)汽車齒輪100%的在線檢測和自動分選的要求。該機(jī)測量速度快，每小時(shí)可測300~600個(gè)齒輪；使用不同的工裝夾具，可分別對內(nèi)、外齒輪，盤、軸齒輪進(jìn)行測量；配有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和SPC統(tǒng)計(jì)分析軟件，能對齒輪加工過程和工藝狀況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)；此外，它還具有儀器自身故障自動診斷功能。儀器重復(fù)性精度指標(biāo)為：齒厚4μm，徑跳3μm，齒向4μm，毛刺7μm。據(jù)稱美國、德國的汽車制造廠都配備了類似儀器，以對齒輪質(zhì)量和加工進(jìn)行有效監(jiān)控。大阪精機(jī)的AG系列齒輪自動分選機(jī)也在日本得到了很好的應(yīng)用。

（4）激光齒輪測量儀

有關(guān)激光齒輪測量儀，近年日本報(bào)道較多。大阪精機(jī)近年開發(fā)用于基準(zhǔn)傳遞、漸開線樣板檢測的CNC高精度齒輪測量儀，采用了高精度氣浮主軸，氣浮導(dǎo)軌，高精度長、圓編碼器的同時(shí)，還采用了激光測長系統(tǒng)進(jìn)行齒面精度檢測。據(jù)報(bào)道儀器測量精度（重復(fù)精度）0.2~0.3μm。日本AMTEC公司的G3-SYSTEM 50非接觸式齒輪測量儀采用了激光全息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確、高速測量。該儀器是一臺由伺服電機(jī)驅(qū)動X、Y、Z、C軸運(yùn)動的四軸（圓柱）坐標(biāo)測量機(jī)。儀器配置了CONOPROBE激光全息測量頭，當(dāng)其物鏡為HD25mm時(shí)，測頭的絕對精度<1μm，重復(fù)性1σ<0.2μm，工作區(qū)域?yàn)?.65mm。該儀器可測量漸開線直、斜齒輪和花鍵、螺紋等，今后還將可以測量蝸桿、傘齒輪等。齒輪模數(shù)小至0.1mm，直徑1~50mm，齒寬0.1~100mm，齒數(shù)4~200。由于采用激光非接觸測量方式，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(fā)的仿真軟件可以模擬求得被測齒輪與其配對齒輪嚙合時(shí)的傳動誤差，進(jìn)行相應(yīng)的FFT頻譜分析；所測數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)還可通過LAN共享。

（5）超精密三坐標(biāo)測量機(jī)

日本松下電器產(chǎn)業(yè)開發(fā)了采用原子力測頭的超精密三坐標(biāo)測量機(jī)，精度為0.01μm。用它測量齒輪時(shí)，由于測頭只能沿垂直方向運(yùn)動，所測齒輪受到一定限制。但是在測量限定齒數(shù)的實(shí)物樣板時(shí)，測量精度可達(dá)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。隨著我國齒輪制造業(yè)的快速發(fā)展，隨著漸開線圓柱齒輪精度國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10095-2001（等同于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1328：1997）的公布、宣傳和貫徹，我國齒輪測量技術(shù)和齒輪測量儀器的發(fā)展方向更明，步伐更快。齒輪測量技術(shù)已成為先進(jìn)齒輪制造技術(shù)中不可或缺的一個(gè)重要組成部分。隨著齒輪質(zhì)量要求的不斷提高，新的齒輪精度評定指標(biāo)的出現(xiàn)將推動齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，齒輪測量技術(shù)和齒輪測量儀器也將不斷發(fā)展。近年來，中國齒輪專業(yè)協(xié)會在組織、引導(dǎo)我國齒輪制造業(yè)、提高行業(yè)整體齒輪制造技術(shù)和質(zhì)量方面，做出了卓有成效的努力；中國儀器儀表學(xué)會機(jī)械量測試儀器分會對于齒輪測量儀器的發(fā)展，給予了關(guān)注和支持。因此，我們有理由相信我國齒輪測量儀器制造業(yè)必將實(shí)現(xiàn)新的振興。

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