齿轮特征线统一模型及在齿轮三维误差评定中的应用

表征渐开螺旋齿轮的特征线有多种,广为熟知的是几何意义明确的渐开线和螺旋线。其实齿面上还有法向啮合齿形、接触线等工程价值突出的其他特征线。但特征线增多带来了两个问题,一是复杂的特征线方程彼此不关联,数学上缺乏统一性;二是除了渐开线和螺旋线,其他特征线没有测量手段,缺乏可测性。据渐开线齿轮传动的特点,将齿面特征线映射到啮合平面里,发现齿面上各条特征线在啮合平面里都有各自对应的二维直线,以此建立直线模型统一表达了齿面各种特征线;基于齿轮三维误差测量数据和特征线统一模型,提出了各种特征线偏差的提取方法,应用于测量实践,通过与通用齿轮仪器测量的渐开线偏差和螺旋线偏差作比对,证明了特征线统一模型及特征线偏差提取方法的有效性和实用性,解决了齿面复杂特征线的可测性问题。同时,齿轮特征线统一模型在齿轮工艺误差溯源、传动性能预报等方面也有重要应用价值。     

基于正交距离回归齿面的齿轮误差评定

为了通过测量齿面拓扑轮廓来获取特征线误差,提出了一种基于正交距离回归齿面的误差计算方法。对该方法涉及的实际齿面与理论齿面匹配算法、拓扑轮廓误差的计算与分解及齿面特征线误差的评定算法进行了研究。首先,通过坐标测量方法获取的齿面拓扑数据,建立包含回归齿面参数的非线性方程。然后,求解非线性方程得到回归齿面参数的最优近似解,从而得到与实际齿面匹配的理论齿面,拓扑测量点相对理论齿面的正交距离即为齿面拓扑误差。最后,基于齿轮误差多自由度理论,对实际齿面进行局部自由度及全局自由度回归,进一步分解出齿面的齿廓误差和螺旋线误差。以一标准圆柱直齿轮的齿面拓扑测量点数据为例进行了误差计算,结果显示:计算的结果与直接进行特征线测量的结果差值小于0.5μm,表明提出的基于正交距离回归齿面进行齿轮误差评定的方法是有效的,可以应用于坐标类仪器检测齿轮误差。     

基于累积法的齿轮误差评定

确定被测齿面的平均齿廓线和平均螺旋线是评定齿轮齿廓误差和螺旋线误差的关键步骤。本文介绍了以累积法为基础的平均齿廓线和平均螺旋线的参数估计方法,并给出了相应的齿轮误差评定模型、评定方法及评定实例。     

齿轮误差多自由度理论

目前,对齿轮齿面开展三维拓扑测量已成为研究热点,但对齿面空间误差理论分析还未引起足够重视。基于运动学原理,对齿面空间多自由度进行分析并参数化,完成齿面多自由度表征。通过对齿面综合误差分解为0阶、1阶和高阶误差,分析各阶误差与齿面自由度的关系,指出误差的产生实质是齿面存在未受约束的自由度,为齿面误差评定建立了理论基础。基于上述误差多自由度理论,提出通过齿面正交距离回归求解齿面自由度参数,进而建立多自由度齿面实现齿轮各项误差多自由度评定的方法。应用该方法对一右旋斜齿轮进行误差测量和评定,测量分别采用特征线测量方式和拓扑方式,评定结果验证了齿轮误差多自由度理论和基于多自由度回归齿面评定误差方法的正确性,为齿轮整体质量检测提供了理论基础和技术手段。     

锥齿轮齿距及齿形偏差测量与分析方法

研究了基于齿轮测量中心的锥齿轮齿距偏差和齿形偏差测量与分析方法及其实现技术。该方法应用齿轮啮合理论,根据锥齿轮齿面成形方法,建立了齿面几何参数计算模型;在齿面上建立测量网格,控制齿轮测量中心四轴运动使齿面和测头于测量网格点接触,采集实际坐标轴及测头读数;应用B样条法构造实际齿面,计算其齿形偏差。在此基础上,开发了基于哈量集团公司制造的390X系列齿轮测量中心的实现软件系统。30家锥齿轮制造企业实际应用表明,该软件系统为提高锥齿轮精度、减小齿形偏差提供了先进的测量与分析手段。     

齿轮三维误差表征与分解

复杂曲面测量技术的发展使得快速获取齿轮齿面三维拓扑误差成为现实。为挖掘齿轮三维误差信息,实现齿轮精度的全面评价和测量结果的充分利用,齿轮三维误差的表征与分解成为了一个基础问题。在建立齿面法向偏差计算模型的基础上,将齿面法向偏差映射至齿轮啮合面坐标系,通过降维处理,实现齿面三维误差的二维化,以此构建基于Legendre正交多项式的齿面三维误差表征方法;建立Legendre多项式的展开系数与齿轮齿面各项特征误差之间的关系,实现齿面三维误差中各项特征误差的解耦;试验结果验证齿面三维误差Legendre多项式表征与分解的有效性,为齿轮三维测量大数据分析、齿轮精度全面评定、工艺误差溯源和齿轮性能预报提供理论依据。     

成形磨削人字齿轮齿面扭曲消减设计方法

齿面扭曲是螺旋线修形人字齿轮成形磨削时产生的一种加工误差,为了消减齿面扭曲,提高磨削精度,基于逆向思维提出了一种齿轮反扭曲加工计算方法来消减齿面扭曲引起的加工误差。根据成形磨削人字齿轮空间啮合坐标系,求解标准齿轮齿面、齿面扭曲和齿面反扭曲多位置处的接触线,并通过计算齿面法曲率和螺旋线修形量,建立人字齿轮齿面反扭曲模型;联合蒙特卡洛法对修形前后人字齿轮进行接触线优化,通过有限元方法分析齿面反扭曲和齿面扭曲的传动误差、齿面接触应力;最后,比较了修形后齿面扭曲和齿面反扭曲的动态特性。结果表明,齿面反扭曲加工能够有效消减人字齿轮齿面加工原理性误差,提高人字齿轮磨削精度。     

加工圆弧齿轮切齿深的优化控制

本文以圆弧齿轮的通用齿面方程及弦齿厚与弦齿深的关系为基础,推导出圆弧齿轮的测量齿厚与切齿深度误差之间的关系;用优化法和数值计算解决滚齿及磨齿加工中切齿深度控制的难题。与渐开线齿轮相比,圆弧齿轮具有体积小、承载能力大、使用寿命长等优点。圆弧齿轮传动属于点啮合制传动,理论上是从凸凹齿面上的一对螺旋线啮合传动的,这两条螺旋线是过齿廓上压力角为名义压力角     

大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响

螺旋线总偏差是齿轮等级评定中的必检项目之一。出于研制基准级标准齿轮的需要,以Y7125磨齿机为例分析了大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响,并推导出了影响系数的数学表达式。研究结果表明砂轮与齿面有效接触宽度对齿轮螺旋线形状偏差的影响不大,而随着被磨齿轮齿宽的加大,对齿轮螺旋线形状偏差的影响系数会显著增大;砂轮磨削面锥形误差使被磨齿轮螺旋线偏差曲线呈弧形,且弧度从齿根到齿顶逐渐增大。最后通过磨齿实验与偏差测量论证了这一结论。     

控制大平面砂轮磨削面锥形误差提高齿轮螺旋线精度

为了研制高精度标准齿轮,以Y7125磨齿机为例分析了大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响。建立了磨削的几何模型,推导出了影响量的数学表达式。理论分析结果显示,砂轮与齿面有效接触宽度对齿轮螺旋线形状偏差的影响不大,而随着被磨齿轮齿宽的加大,对齿轮螺旋线形状偏差的影响系数会显著增大;砂轮磨削面锥形误差使被磨齿轮螺旋线偏差曲线呈弧形,且弧度从齿根到齿顶逐渐增大。最后通过一实例进行了误差测量、磨齿实验与偏差分析。研究结果表明,控制大平面砂轮磨削面的锥形误差在2.7′以内可满足加工1级螺旋线精度齿轮的加工要求。     

齿轮误差三维评定方法

研究了齿轮误差三维评定方法,以消除测量仪器定位误差对齿轮误差评定的影响,提高齿轮测量仪器的测量精度。分析了传统齿轮二维评定方法的弊端,提出将齿轮误差评定从二维评定模式转变为三维评定模式。该评定模式不再要求齿轮各项误差测量点位于特征面内,实现了三维空间内的齿轮误差测量与评定。为提高齿轮三维误差评定算法的效率,通过螺旋降维方法将三维数据降至二维数据,再对二维测量数据进行各项误差的评定。以特大型齿轮激光跟踪在位测量系统作为实验对象,对4级标准齿轮的齿廓误差进行了测量,并与传统的齿轮二维误差评定方法以及德国ZEISS公司InvolutePro软件的评定结果进行了对比。结果表明:传统齿轮二维误差评定方法有较大误差,三维齿廓评定方法与德国ZEISS公司InvolutePro软件评定结果一致,精度达到0.1μm,证明了提出的齿廓误差三维评定方法完全正确,可以消除仪器定位误差对测量结果的影响,提高了测量仪器的测量精度。     

齿轮齿向位置偏差的双面啮合综合检测

简要介绍了国外开发的新型齿轮双啮仪的结构特点,分析了影响齿向位置偏差的工艺因素,初步探讨了齿轮齿向位置误差的双面啮合综合测量原理。带二维测量机构的新型双啮仪可从齿轮双面啮合滚动检测中获取更多的齿轮精度及加工工艺系统信息,在汽车、摩托车齿轮制造业具有广阔的应用前景。     

安装误差对直齿标准齿轮螺旋线偏差的影响规律

在齿轮螺旋线的实际测量过程中,不同轮齿的螺旋线倾斜偏差经常会出现较大差异。为提高齿轮螺旋线偏差的测量精度,分别研究了芯轴和齿轮安装误差对齿轮螺旋线偏差的影响规律。首先分别建立了芯轴安装偏心和倾斜误差及齿轮安装偏心和偏摆误差对齿轮螺旋线形状偏差和倾斜偏差影响的数学模型,然后制作了平垫圈(1#、4#)和楔角误差分别5.5μm/45mm(2#)和11.9μm/45mm(3#)的楔形垫圈,用于进行齿轮螺旋线偏差的精密测试实验。得到如下结果:采用2#楔形垫圈时,螺旋线倾斜偏差f_(Hβ)的最大值与理论模型相差0.17μm,相对误差为7%;采用3#楔形垫圈时,螺旋线倾斜偏差f_(Hβ)的最大值与理论模型相差0.06μm,相对误差为1%;而两次试验中齿轮螺旋线的形状偏差ffβ基本不变。实验结果表明:齿轮安装偏摆误差对螺旋线偏差的实测结果与理论值基本吻合,从而验证了所建数学模型的准确性。依据本文所建螺旋线的数学模型,得到通过调整齿轮安装偏摆误差补偿各齿轮螺旋线倾斜偏差差异的误差补偿方法。本文研究对于研制高精度标准齿轮具有重要研究意义。     

齿轮测量中心交流伺服控制系统的设计与仿真

齿轮测量中心的数控系统要求高精度和运动平稳性。设计了齿轮测量中心的交流伺服控制系统,研究了驱动器的控制算法,应用Matlab/Simulink软件对控制系统进行仿真分析,节省人力的同时进一步提高系统的控制精度。现已应用于齿轮测量中心,实验结果表明该控制系统具有较高的测量精度和较好的重复性。     

Pitch deviation measurement of an involute spur gear by a rotary profiling system

This paper presents surface-profiling based gear pitch deviation measurement for an involute spur gear. A rotary profiling system, which consists of an air-bearing spindle and a displacement sensor with a diamond stylus, is employed to measure gear pitch deviation. In measurement of gear pitch deviation, an eccentric error between a gear axis and a motion axis of the rotary stage in the profiling system would affect accuracy of gear profile measurement. In this paper, at first, the influence of the eccentric error on measurement of gear pitch deviation is estimated in computer simulation based on a geometric model of the profiling system. After that, a new scanning method named “opposite-direction dual scanning method” is proposed so that a steep profile of gear flank surface with a local slope of up to 90° can be measured by the developed rotary profiling system. For compensating distortions in the measured gear tooth profile, which are induced not only by the eccentric error but also by a probe offset introduced by the proposed scanning method, a self-calibration and compensation method is applied. To verify the feasibility of the proposed method, measurement of gear pitch deviation of a master involute spur gear with a certificate data is carried out. Measurement uncertainty of the proposed method is also analyzed.     

基于遗传算法的可控螺旋角锥齿轮传动的优化设计

传统仿形法加工锥齿轮齿形误差大导致载荷不均、寿命短,而可控螺旋角锥齿轮是一种基于数控加工技术的新型雏齿轮,其为使用普通机床实现大型锥齿轮的精加工开辟了一条新途径.但该齿轮体积大是其缺点,本文通过对该齿轮传动的分析与设计,建立了优化数学模型,以体积最小作为优化目标,利用遗传算法进行优化,与传统优化方法进行了比较,结果表明,遗传算法用于求解可控螺旋角锥齿轮传动多变量、多约束优化问题的有效性和正确性,具有实际应用价值.     

面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位

提出了面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位测量方法以提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的齿轮定位精度并精确确定测量仪器与被测齿轮位置与姿态的关系。根据激光跟踪仪多站位测量提供的冗余数据优化求解空间两点间共线方程,建立了特大型齿轮激光跟踪多站位测量模型。然后,提出了利用奇异值分解修正多站位测量模型解析矩阵条件数的方法。 实验结果表明,使用多站位测量模型求得的不同站位待测点间距离的标准差的均值为0.008 mm,明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024 mm,表明多站位测量模型具有良好精度控制效果。本文的研究提高了齿轮定位时所需测量点的三维测量精度,为特大型齿轮激光跟踪多站位测量系统建立齿轮坐标模型提供了可靠的数据来源。     

数控齿轮加工机床的在机测量系统

基于齿轮渐开线轮廓面的构型机理和数控齿轮加工机床的运动功能,提出了一种齿轮在机测量方法,并开发了相应的在机测量系统。该方法在不增加额外的测量系统机械机构的情况下,充分利用数控机床自身的高速、高精密和高可靠性的伺服运动实现渐开线齿轮的齿形、齿向及齿距等误差项目的在机测量。在机测量实验表明了该系统的有效性和可行性,是齿轮在机测量中高效率、高精度、低成本的解决方案,构成了数控机床质量保证系统中的一个重要环节。