本發(fā)明屬于精密齒輪測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置及其調(diào)整方法。

背景技術(shù)：

齒輪的齒距偏差包括單個(gè)齒距偏差f_pt，齒輪累積偏差f_pk和齒距累積總偏差F_p，其中單個(gè)齒距偏差f_pt和齒距累積總偏差F_p是齒輪國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1328-1:2013和齒輪國家GB/T 10095.1-2008中的默認(rèn)檢查項(xiàng)目，也是我國標(biāo)準(zhǔn)齒輪鑒定規(guī)程JJG 1008-2006中對齒輪精度等級劃分的五個(gè)參考依據(jù)之二。齒距偏差對傳動齒輪振動和噪聲的影響已到微米量級，其數(shù)值已達(dá)到齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)和齒輪國際標(biāo)準(zhǔn)中的最高等級。要實(shí)現(xiàn)如此高精度齒輪齒距偏差的測量，必須具有高分度精度的齒輪專用測試設(shè)備和高精度的齒距測量方法。目前，用于高精度齒輪齒距偏差測量的基準(zhǔn)分度系統(tǒng)主要有電子分度系統(tǒng)和機(jī)械式端齒分度系統(tǒng)兩大類。其中，端齒分度系統(tǒng)的分度精度最穩(wěn)定，分度精度也最高，一般可達(dá)到0.5″，最高可達(dá)到0.1″，滿足齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)和齒輪國際標(biāo)準(zhǔn)中的最高等級齒輪齒距偏差的測量要求。另外，端齒分度盤的系統(tǒng)誤差還可以過全組合測量方法進(jìn)行精確標(biāo)定，并補(bǔ)償?shù)綔y試程序中，進(jìn)一步提高齒輪齒距偏差的測量精度。提高齒距偏差測量裝置的分度基準(zhǔn)精度可顯著提高齒輪齒距的測量精度，然而測頭裝置的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集方法對測量結(jié)果的影響也不容忽視。

根據(jù)齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10095.1-2008的定義，齒輪齒距偏差測量位置位于齒輪的分度圓上，測量方向?yàn)榉侄葓A的切線方向。根據(jù)此規(guī)定，傳統(tǒng)的齒距偏差測量方法大都采用測桿軸線通過齒輪回轉(zhuǎn)中心的一維旁向測頭或三維測頭，間歇進(jìn)入齒面測量位置進(jìn)行齒輪齒距偏差的測量。該方法由于測頭運(yùn)動方向與測點(diǎn)齒廓的切線方向有一個(gè)α角(α為齒輪分度圓壓力角)，因此測頭運(yùn)動方向上的定位誤差對測量結(jié)果會產(chǎn)生較大的影響。由于測頭在壓縮空氣、電磁力或彈簧力的驅(qū)動下間歇進(jìn)入齒面測點(diǎn)位置時(shí)會產(chǎn)生一定的沖擊力，沖擊力的不穩(wěn)定性使得測頭的重復(fù)定位精度難以保證。以測量分度圓壓力角α＝20°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪為例，測頭定位誤差Δ的34.2％(sin 20°)將直接加到齒距偏差測量結(jié)果中，引起測量誤差。另外一維旁向測頭采用單簧片結(jié)構(gòu)，示值誤差具有一定的非線性，致使杠桿式旁向測頭的測量精度沒有軸向測頭的高。可見，目前齒距測量裝置中測頭的結(jié)構(gòu)及測量方法仍有一定的提升空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了減小現(xiàn)有技術(shù)中測頭的定位精度對測量結(jié)果的影響，進(jìn)一步提高齒輪的齒距測量精度到微米甚至亞微米量級，本發(fā)明提供了一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置及其調(diào)整方法。發(fā)明了一種利用無回程誤差的交叉簧片鉸鏈杠桿補(bǔ)償測量方向的角度誤差的測頭裝置，使傳遞給微位移傳感器的微位移量恰好等于齒輪的齒距累積偏差；發(fā)明了一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置的調(diào)整方法，通過升降平臺和測量平臺的調(diào)整，使測點(diǎn)位置調(diào)整到齒輪中截面的分度圓上，且測量方向與齒廓的切線方向相同；在該方位下測量，測頭的定位誤差對齒距偏差測量結(jié)果的影響為高階無窮小，因此該裝置及其測量方法可實(shí)現(xiàn)高精度齒距偏差的測量。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置，主要包括交叉簧片鉸鏈杠桿、升降平臺、測量平臺、驅(qū)動電機(jī)、測量驅(qū)動凸輪、凸輪擋板；其中，交叉簧片鉸鏈杠桿包括簧片固定塊、簧片、測頭、測頭杠桿架、微位移傳感器；

其中一個(gè)簧片中間開設(shè)方孔，方孔的寬度大于另一簧片的寬度，另一簧片穿過方孔，兩個(gè)簧片成90°交叉，確保兩簧片在工作過程中不發(fā)生干涉；兩個(gè)簧片的有效寬度相等，確保兩簧片微變形的線性精度；兩簧片的固定端通過壓板和螺釘固定于簧片固定塊上，簧片固定塊通過螺栓固定到測量平臺上的動平臺上；測量杠桿架是以兩個(gè)簧片交叉中心點(diǎn)為支點(diǎn)的直角型杠桿，測量杠桿架包括兩個(gè)杠桿臂，兩個(gè)杠桿臂之間存在倒角，兩個(gè)杠桿臂的靠近支點(diǎn)端分別與兩個(gè)簧片的自由端通過螺釘連接；一個(gè)杠桿臂的自由端與測頭連接，另一個(gè)杠桿臂的自由端與微位移傳感器接觸。

測量平臺中的下平臺固定在升降平臺的上平臺上，驅(qū)動電機(jī)固定于升降平臺的上平臺上。驅(qū)動電機(jī)帶動測量驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，測量驅(qū)動凸輪帶動固定于測量平臺動平臺上的凸輪擋板，用于控制固定在在測量平臺動平臺上的測頭的往復(fù)運(yùn)動。

所述的兩個(gè)杠桿臂的靠近支點(diǎn)端分別加工出一個(gè)插槽，能夠?qū)⒒善淖杂啥瞬迦?，并通過螺釘連接。

所述的測量驅(qū)動凸輪為偏心輪，偏心輪的偏心量e按最大測量模數(shù)m和測頭半徑r_p設(shè)計(jì)，偏心量e的最大位移略大于m+r_p，以確保測頭退出齒槽后不與旋轉(zhuǎn)的齒輪發(fā)生干涉；

上述一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置的調(diào)整方法，包括如下步驟：

第一步，調(diào)整微位移傳感器位置；根據(jù)被測齒輪分度圓上的壓力角α，調(diào)整微位移傳感器與測量杠桿架的接觸點(diǎn)到簧片交叉中心點(diǎn)的距離l₂，使得l₁/l₂＝cosα；其中l(wèi)₁為測點(diǎn)到簧片交叉中心點(diǎn)的距離；調(diào)整完畢后將傳感器固定座固定于測量平臺上的動平臺上；

第二步，調(diào)整測點(diǎn)位置及驅(qū)動電機(jī)的安裝位置；

1)首先根據(jù)被測齒輪分度圓的大小和壓力角的大小，通過升降調(diào)整微分頭將測點(diǎn)位置調(diào)整到被測齒輪齒寬的中截面上，擰緊升降平臺鎖緊螺釘；

2)其次調(diào)整被測齒輪與高精度分度臺的轉(zhuǎn)角位置，使微位移傳感器的示值在0±10μm的量程內(nèi)，通過鎖緊螺母和十字墊圈將被測齒輪固定到高精度分度臺上；

3)然后調(diào)整測點(diǎn)位置，通過調(diào)整測量微分頭搜索到微位移傳感器的最大示值后，將測點(diǎn)調(diào)整微分頭鎖死，此時(shí)測頭與被測齒輪齒面的接觸點(diǎn)即為測點(diǎn)位置；

4)最后調(diào)整電機(jī)的安裝位置；當(dāng)測頭到達(dá)測點(diǎn)位置后，調(diào)整電機(jī)的安裝位置使偏心輪的最小極徑對準(zhǔn)凸輪擋板，且與凸輪擋板剛好不接觸，再將電機(jī)固定到升降平臺的上平臺上。

本發(fā)明的有益效果在于，測頭的運(yùn)動方向與被測齒輪分度圓處的齒廓相切，該方向上測頭的示值誤差與定位誤差的比值為高階無窮小，因此該方向上的定位誤差對齒距偏差測量結(jié)果的影響可以忽略。雖然測頭測量方向的定位誤差對測量結(jié)果的影響較大，但該方向基本不受力，只要合理控制測量平臺導(dǎo)軌的間隙，該方向上的定位誤差可控制到0.1μm以下。為了補(bǔ)償齒距偏差的測量方向與標(biāo)準(zhǔn)定義的方向相差α角的測量誤差，本發(fā)明提供了一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置，其利用無回程誤差的交叉簧片鉸鏈杠桿補(bǔ)償測量方向的角度誤差，使傳遞給微位移傳感器的微位移量恰好等于齒輪的齒距累積偏差。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，測量誤差源較少，測量方向的角度誤差可通過杠桿臂的長短進(jìn)行完全補(bǔ)償，具有測量靈敏度高及測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)亞微米量級的齒距偏差的測量。

附圖說明

圖1齒距測量裝置。

圖2齒輪的安裝定位。

圖3測頭裝置。

圖4交叉簧片鉸鏈杠桿。

圖5測量裝置前視圖。

1.平臺；2.高精度分度臺；3.被測齒輪；4.測量芯軸；5.鎖緊螺母；6.十字墊圈7.密珠軸套；8.壓板；9.位移傳感器固定座；10.傳感器鎖緊螺釘；11.傳感器位置調(diào)整螺釘；12.測量平臺鎖緊螺釘；13.升降平臺；14.升降調(diào)整微分頭；15.測點(diǎn)調(diào)整微分頭；16.測量平臺；17.升降平臺鎖緊螺釘；18.驅(qū)動電機(jī)；19.凸輪擋板；20.簧片固定塊；21.簧片；22.測頭；23.測頭杠桿架；24.微位移傳感器；25.凸輪

具體實(shí)施方式

為實(shí)現(xiàn)高精度齒輪齒距偏差的測量，首先要提高分度臺的基準(zhǔn)精度、齒輪的安裝定位精度、采用誤差補(bǔ)償方法及改善測試環(huán)境的溫濕度、振動、電磁干擾等，以提高裝置的測量精度。采用高精度可調(diào)式測量芯軸4、密珠軸套7及全組合測量方法可進(jìn)一步減小齒輪定位誤差對齒距偏差測量結(jié)果的影響。選用高精度的端齒分度臺2并通過全組合測量法分離出分度臺的系統(tǒng)誤差并補(bǔ)償?shù)綔y試程序中，可進(jìn)一步提高齒輪齒距偏差測量的基準(zhǔn)精度。

然后需要提高測頭22的運(yùn)動及定位精度、微位移傳感器24的測量精度。本發(fā)明主要提供了一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置，包括交叉簧片鉸鏈杠桿、升降平臺13、測量平臺16、驅(qū)動電機(jī)18、測量驅(qū)動凸輪24、凸輪擋板25；其中，交叉簧片鉸鏈杠桿包括簧片固定塊20、簧片21、壓板、測頭22、測頭杠桿架23、微位移傳感器24及連接螺釘?shù)取?/p>

簧片21選用材料為65Mn，厚度為0.09mm的彈簧鋼片，有效長度約為40mm，可獲得較合適的測量力與靈敏度。交叉簧片鉸鏈杠桿中的一個(gè)簧片中間開設(shè)方孔，方孔的寬度大于另一簧片的寬度，另一簧片穿過方孔，兩個(gè)簧片成90°交叉，確保兩簧片在工作過程中不發(fā)生干涉；兩個(gè)簧片的有效寬度相等，確保兩簧片微變形的線性精度；兩個(gè)簧片21的固定端通過壓板和螺釘固定于簧片固定塊上，簧片固定塊20通過螺栓固定到測量平臺16中的動平臺上。測量杠桿架23是以兩個(gè)簧片交叉中心點(diǎn)為支點(diǎn)的直角型杠桿，兩個(gè)杠桿臂的靠近支點(diǎn)端通過線切割加工出間隙約為0.2mm、方向垂直的兩個(gè)槽，將交叉簧片21分別插入該槽中，通過螺釘將簧片壓緊；也可以通過另外的壓板8將簧片21固定到測量杠桿架23上。測量杠桿架23的另一端成倒錐形，可減少測量杠桿架23的重量。測量杠桿架23與微位移傳感器24的讀數(shù)方向垂直，接觸位置粗糙度要求小于Ra0.2，以提高杠桿的傳遞精度與靈敏度。

測頭22測球中點(diǎn)到簧片21交點(diǎn)的距離l₁不宜過大，可選擇50～60mm。微位移傳感器24與測量杠桿架23的接觸點(diǎn)到兩簧片21交點(diǎn)的距離為l₂，使得l₁/l₂＝cosα，其中l(wèi)₁為測點(diǎn)到簧片交叉中心點(diǎn)的距離，通過兩個(gè)傳感器位置調(diào)整螺釘10進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完畢后將傳感器固定座固定于測量平臺16上的動平臺上。由于本發(fā)明中測頭22的測量方向與齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)定義的齒距偏差測量方向相差α角，所以測頭的實(shí)際采集值F_p0是齒輪齒距累積偏差F_p的一個(gè)分量，即F_p0＝F_p×cosα。根據(jù)杠桿原理，測頭的實(shí)際采集值F_p0與微位移傳感器的示值F_p1之間的關(guān)系為：F_p0/l₁＝F_p1/l₂。因此，只要保證l₁/l₂＝cosα，則微位移傳感器的示值F_p1就等于齒輪齒距累積偏差F_p。

測量平臺16中的下平臺固定在升降平臺13的上平臺上，驅(qū)動電機(jī)18固定于升降平臺13的上平臺上。驅(qū)動電機(jī)18帶動測量驅(qū)動凸輪25轉(zhuǎn)動，測量驅(qū)動凸輪25帶動固定于測量平臺16動平臺上的凸輪擋板19，用于控制測量平臺16中動平臺上的測頭22的往復(fù)運(yùn)動。

測量驅(qū)動凸輪25為偏心輪，偏心輪的偏心量e按最大測量模數(shù)m和測頭半徑r_p設(shè)計(jì)，偏心量e的最大位移略大于m+r_p1mm左右，以確保測頭退出齒槽后不與旋轉(zhuǎn)的齒輪發(fā)生干涉；當(dāng)測頭22到達(dá)測點(diǎn)位置時(shí)，測量驅(qū)動凸輪25與凸輪擋板19脫離，測量平臺16的動平臺在測點(diǎn)調(diào)整微分頭15的止動下保持靜止，穩(wěn)定2s后采集齒輪齒距偏差的測量數(shù)據(jù)。

發(fā)明了一種提高齒輪齒距測量精度的測頭裝置的調(diào)整方法，通過調(diào)整，使測點(diǎn)位置調(diào)整到齒輪中截面的分度圓上；測量方向與齒廓的切線方向一致。在該方位下測量，測頭的定位誤差對齒距偏差測量結(jié)果的影響為高階無窮小，因此該方向上的定位誤差對齒距偏差測量結(jié)果的影響可以忽略。調(diào)整方法包括如下步驟：

第一步，調(diào)整微位移傳感器24與測量杠桿架23接觸點(diǎn)的位置；

根據(jù)被測齒輪分度圓上的壓力角α，調(diào)整微位移傳感器24與測量杠桿架23的接觸點(diǎn)到簧片21交叉中心點(diǎn)的距離l₂，使得l₁/l₂＝cosα；其中l(wèi)₁為測點(diǎn)到簧片21交叉中心點(diǎn)的距離；調(diào)整完畢后將傳感器固定座10固定于測量平臺16上的動平臺上。

第二步，調(diào)整測點(diǎn)位置；

1)首先根據(jù)被測齒輪分度圓的大小和壓力角的大小，通過升降調(diào)整微分頭17將測點(diǎn)位置調(diào)整到被測齒輪3齒寬的中截面上，擰緊升降平臺的鎖緊螺釘17；

2)其次調(diào)整被測齒輪3與高精度分度臺2的轉(zhuǎn)角位置，使微位移傳感器24的示值在0±10μm的量程內(nèi)，通過十字墊片6和鎖緊螺母5將被測齒輪固定到精密分度臺2上；

3)然后調(diào)整測點(diǎn)位置，通過調(diào)整測量微分頭15搜索到微位移傳感器24的最大值后，將測點(diǎn)調(diào)整微分頭鎖死，此時(shí)測頭與被測齒輪齒面的接觸點(diǎn)即為測點(diǎn)位置；

4)最后調(diào)整驅(qū)動電機(jī)18的安裝位置；當(dāng)測頭21到達(dá)測點(diǎn)位置后，調(diào)整驅(qū)動電機(jī)18的安裝位置使偏心輪的最小極徑對準(zhǔn)凸輪擋板19，且與凸輪擋板19剛好不接觸，再將驅(qū)動電機(jī)19固定到升降平臺13的上平臺上。

調(diào)整完畢后便可以對齒輪的齒距偏差進(jìn)行測量，測試環(huán)境溫度要求在20±1℃的室溫下進(jìn)行。微位移傳感器24采集的初始值作為F_p(1)，并通過電感測微儀電箱或測量程序?qū)⑵錃w零，然后驅(qū)動電機(jī)18啟動，帶動固定在測量平臺動平臺上測頭22退出齒槽；接著驅(qū)動電機(jī)停轉(zhuǎn)，高精度分度臺啟動，轉(zhuǎn)過一齒的角度后定位，驅(qū)動電機(jī)再次啟動，測頭22在測量動平臺16中彈簧的作用下緩慢進(jìn)入下一齒面的測點(diǎn)位置，通過控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制測頭進(jìn)入測點(diǎn)位置的速度，避免測頭系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，影響測量示值的穩(wěn)定性。測頭到達(dá)測點(diǎn)位置后，穩(wěn)定2s再采集該齒面的齒距累積偏差值F_p(2)。以此類推，直至采集完所有的齒距偏差測量值F_p(i)，其中i為小于等于齒輪齒數(shù)的整數(shù)。如果已經(jīng)通過全組合測量方法分離出高精度分度臺的系統(tǒng)誤差F_p⁰(i)，其中包括可調(diào)芯軸的殘余偏心誤差，則被測齒輪的齒距累積總偏差可表示為F_p＝max[F_p(i)-F_p⁰(i)]-min[F_p(i)-F_p⁰(i)]；齒輪的單個(gè)齒距偏差f_pt為F_p(i)-F_p⁰(i)-F_p(i-1)+F_p⁰(i-1)中絕對值的最大值，并保留原符號。