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齿轮整体测量技术的发展趋势
2022-01-07 10:53:43

随着现代计算机技术、传感器技术和互联网/物联网技术的快速发展,齿轮的设计、制造、测量等领域都发生着快速的变化,新的技术方案不断出现。由于具有测量效率高、信息全等原理优势,齿轮整体误差测量在新技术条件下迎来了新的发展机遇,具有广阔的应用前景。 

01
测量仪器方面

齿轮整体误差测量仪器是齿轮整体误差测量技术 的载体,是相关技术与理论的集中体现。下面从精度、 效率、功能、新技术应用和使用范围拓展等方面对齿 轮整体误差测量仪器的发展趋势进行展望。受限于测量元件的精度和测量仪器自身的精度, 测量精度相对较低是整体误差式齿轮测量仪器逊于齿 轮测量中心的主要不足。提高测量元件精度的方法前 文已经述及。提高仪器精度的措施很多,包括改进机械结构设计、提高机械加工和装配精度、采用高精度的传感器、采用高性能的数据采集系统、采用有效的误差补偿算法和数据处理算法等。其中借鉴三坐标测量机的误差补偿研究成果,针对整体误差测量机自身的结构特点开发专用的误差分离和补偿算法是最容易取得成效的研究领域。测量效率和精度是量仪重要的性能指标。目前, 整体误差式齿轮测量仪器的效率远高于齿轮测量中心, 但仍有继续提高的空间。

随着机械动力学的快速发展 和计算机软、硬件水平的提升,齿轮传动领域的动力学研究已经非常广泛和深入,机床动力学对齿轮加工过程也有很多研究,但测量领域的动力学研究目前还很不充分,而整体误差测量机动力学研究几乎是一片空白。为了进一步提高整体误差式齿轮量仪的测量效率,有必要深入研究整体误差测量机动力学,一方面 解决一定机械结构参数下最高许用测量速度的理论计算问题,另一方面为提高最高许用测量速度提出机械、 电气和控制策略方面的优化建议。齿轮整体误差测量中 “脱啮”现象的形成条件、影响因素及规律,以及抑制措施等也是亟待研究的重点问题。此外,引入机器人上下料和机器视觉手段减少测量辅助时间也是提 高整体效率的有效措施。目前齿轮整体误差测量技术主要用于批量生产的圆柱齿轮测量,有用于锥齿轮测量的仪器但实际应用不多,在面齿轮、摆线齿轮等测量领域则没有产品化的量仪。

随着我国机器人减速器行业的快速发展,用于摆线针轮减速器组件的整体误差测量仪器也是发展方向之一。整体误差式测量仪器的机构非常简单,仅需要两个回转运动主轴即可完成测量。相比于齿轮测量中心, 不但对环境因素不敏感,而且误差形式简单、误差项目少,易于实现实时补偿。因此,整体误差式测量仪器是最适合于生产现场的测量仪器。对于难以用常规方法测量的特大齿轮和微小齿轮,开发基于整体误差的在机测量装置也是有可能取得重要进展的研究方向。 

02
工艺误差分析方面
传统的统计过程控制 ( Statistical Process Control, SPC) 主要关注加工过程的稳定性分析,对工业误差溯源的帮助则较为有限。借助齿轮整体误差测量技术 可高效地获取被测齿轮的全部齿廓误差信息或齿面拓 扑信息,采用新的统计分析方法处理整体误差的大量 测量数据可以得到优于传统方法的评价结果,可用于分析齿轮加工误差来源及预测齿轮使用性能。这 种新的分析和评价方法的正确性和有效性通过大量的 应用实例验证之后,未来可应用于针对特定加工设备 的在线误差补偿。传统上圆柱齿轮加工中基于测量的机床参数反调 是由人工完成的,仅在调整参数特别复杂的螺旋锥齿 轮加工领域引入了机床参数的计算机辅助调整。但随 着齿轮传动系统功率密度的不断提升,圆柱齿轮的齿廓修形、齿向修形以及组合修形已得到普遍推广,圆柱齿轮拓扑修形的加工和测量技术已得到实际应用。因此,用于修形圆柱齿轮的基于测量的机床参数自动反调技术 ( 即修形圆柱齿轮的 “闭 环” 制 造 技 术) 已具有了实际的应用价值。齿轮整体误差测量具有效 率高、信息全的优点,是最适用于该应用场合的齿轮 测量原理,未来在这个领域内的研究必将取得丰硕的 成果。


03
齿轮配对方面
在齿轮整体误差概念提出伊始就已经有了对批量生产齿轮进行基于测量的配对使用,从而在不提高加工质量的前提下改善齿轮传动质量的构想。齿轮副整体误差理论建立了主、从动齿轮几何误差与齿轮副 运动误差之间的桥梁,为基于齿轮测量的有误差齿轮啮合过程分析和传动质量预报提供了理论基础。以齿轮副整体误差为基础的新动力学模型为分析和控制 齿轮系统的动力学行为提供了理论依据,为通过齿轮 选配降低齿轮振动和噪声提供了一种新途径。随着汽车齿轮快速测量机和齿轮振动性能实验机相继投入试用,在大量整体误差测量数据和齿轮 传动性能试验数据的支持下,基于齿轮整体误差测量的齿轮分选和配对理论的研究必将取得突破性的进展, 有望在短期内得到实际应用。未来,随着在机测量装置及数控机床数据接口标准化工作的不断发展,以及物联网、云计算、大数据 等使能条件的完善,齿轮配对将突破一厂、一地的限 制,最终趋势是实现全领域齿轮的全局智能调配使用。 


04
其他方面

齿轮整体误差测量在基础理论方面有两个需要重点关注的研究领域。一是进一步解决基础理论中的核心关键问题,包括在有轴系运动误差和测量元件误差 条件下的整体误差理论单元曲线的精确计算问题、进 一步提高齿廓评定区域自动确定算法的精度及其鲁棒性问题、进一步减小和消除整体误差测量结果的差异 问题等; 二是继续拓展整体误差测量技术的应用范围, 开发用于圆锥齿轮、面齿轮、摆线齿轮等传动元件的 整体误差测量方法、仪器和相应的测量数据分析与评价方法。此外,测量元件的通用性较差一直是影响整体误差测量推广应用的重要因素之一。目前的整体误差测量原理要求测量元件和被测齿轮的模数、压力角和基 圆齿距等要取得基本一致,这就限制了测量元件的通 用性。能否在现代数控技术的支持下,采用特殊的测 量元件改善整体误差测量元件的通用性,也是近期有 可能取得重大突破的研究领域。 

 结语

齿轮整体误差测量技术作为我国首创的齿轮整体误差理论的重要组成部分,曾经为我国齿轮行业整体 技术水平的提升发挥过重要作用。虽然随着齿轮测量 中心的推广普及,近20年来齿轮整体误差测量技术的 发展和应用进入了瓶颈期,但我们必须看到该技术在测量原理上的先进性和在一些细分市场上的优势。齿轮测量中心得到大量的应用之后,其购置成本高、对环境要求高、测量效率低,应用于现场工艺分析耗费工时且信息量小的不足逐渐显现出来。随着齿轮整体 误差测量基础理论中关键问题的深入研究和逐步解决, 齿轮整体误差测量精度较低、柔性较差的不足正在被 克服和弥补,齿轮整体误差测量的优势正在突显出来。同时,随着计算机、传感器、数控系统等领域的技术进步,及物联网、云计算、大数据等使能技术的不断发展,齿轮加工和检测领域出现了全新的技术条件。在新技术条件下,齿轮整体误差测量中的一些传统的难题获得了全新的解决方案,而其测量效率高、 信息全面的传统优势则更加突出。


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