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金嘉琦等： 大型齿轮的特点及在机测量 项测量法处于主导地位 !
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于大模数齿轮而言， 由于一般为轴齿轮， 可直接用 其顶尖孔作为测量基准 ! 而对于大尺寸齿轮的设 计基准为定位孔径或定位止口，在测量时以定位 孔或定位止口做测量基准是相当困难的 ! 上置式 量仪如 "# $ %&’ 的定位基准为被测齿面，被测齿 面的误差导致了测量基准误差， 影响了测量精度 ! 采用直角坐标法测量时，要求工件坐标系与仪器 坐标系有严格的对正关系，由于被测齿轮的结构 大，从工件坐标系到仪器坐标系的基准转换误差 也很大 ! 测量中的惯性问题突出 %） 由于大尺寸齿轮的重量大到超常规的程度， 同时为了保证测量仪器的高刚度，其运动部件的 尺寸也较大，这就使得整个测量系统具有很大的 惯性， 无法适应测量中的频繁启动和停止， 即使勉 强实现也难以做到准确定位 ! 这一问题在齿距测 量中表现得尤为突出， 在惯性影响下， 大型被测齿 轮无法准确地频繁分度，只能在连续回转的条件 下进行测头的跟踪测量，给测量系统的控制带来 很大困难 ! 在齿向测量中，测量运动应是齿轮的 回转和测头沿齿轮轴线运动的复合，即齿轮的转 角与测头的位移应满足齿轮螺旋角关系 ! 一种比 较不利的情况是： 齿轮的螺旋角较小时， 齿轮转动 一个小角度， 测头将移动一个较大的位移， 这使测 头的跟踪控制成为很大困难 ! 比较有效的方法是 降低被测齿轮的转速，但又有可能产生工作台的 低速爬行问题 ! 测量效率低的问题突出 (） 大型齿轮测量中的对正、调整操作应该说比 较复杂， 加之精度要求很高， 所以调整所用时间比 较长，提高测量过程的自动化程度是仪器设计中 要考虑的重要内容 ! 综上所述，由于大型齿轮的大参数、大尺寸、 大重量的特点， 导致了其精度测量的诸多难点， 本 文旨在分析大型齿轮测量的特点和难点，对症下 药， 探索即符合国情， 又可有效解决测量的难点问 题的技术和方法 !
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沈 阳 工 业 大 学 学 报 89:;<=> 9? )@A<B=<C D<EFA;GEHB 9? IAJ@<9>9CB
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文章编号： "’’’ * "6+6 3 #’’# 4 ’+ * ’#7+ * ’$
大型齿轮的特点及在机测量
一般将参数、 尺寸、 重量大到超出常规情况的 齿轮称为大型齿轮 ! 大型齿轮主要用于一些关键 的要害领域和影响全局的重要行业， 如水利发电、 矿山行业、大型工程机械、大型船舶及导弹发射 等 ! 其在国民经济和国防事业中起着十分重要的 作用 ! 大型齿轮可分为两大类： 大模数齿轮， 其特点是模数大、 齿槽深、 展 "） 成长度长，多为轴齿轮，且一般为人字或斜齿轮， 被广泛地应用于轧钢机械上 ! #）大尺寸齿轮，主要指其外径 ! 这类齿轮模 数不很大， 但齿数很多， 外径和重量都很大 ! 其外 形多为盘形 ! 严格地讲，本文主要针对后者进行 研究和探讨 ! 大型齿轮参数、尺寸和重量大到了超常规的 程度， 使其精度测量方法发生了从量到质的突变 ! 用常规的精度测量方法已很难实现其测量，这也 严重影响了大型齿轮的制造精度、性能和质量 ! 本文旨在研究大型齿轮的特点和测量难点，总结 出实现大尺寸齿轮有效测量基本思想 !
$ %、& % 直径的齿轮的台式量仪的结构尺寸将达 人们采用 到近 "’ %） ! 寻求解决这一难题的途径， 了“ 蚂蚁啃骨头”的思想，采用上置式、旁置式量 仪，如目前已应用的测量仪器 () * +,’、() * +’" 等，显著减小了测量仪器的结构尺寸 ! 即便如此， 考虑到仪器结构的高刚度， 上置式、 旁置式量仪的 结构也不可能很小 ! 被测齿轮尺寸、 参数过大， 不仅使测量装置的 支撑结构过大，而且相应的运动副 （ 导轨、轴承 等） 、 测量元件 （ 如光栅等） 的结构必然相应很大， 给其本身的制造带来很大的困难 ! 如早年 -../ 公司生产的齿轮量仪上的基圆盘、 直尺， 其本身的 高精度制造就是难题， 限制了其结构不可能很大 ! 由于量仪结构尺寸的相应庞大，给测量的安 装、调整带来很大困难 ! 吊车的采用解决了搬动 问题， 但很难做到精确对正、 调整 ! 分齿角小， 齿数多 #） 大直径齿轮的齿数一般都很多，相应的分齿 角小 ! 如对于齿数 #’’、模数 #’ 的齿轮其每齿所 夹的角度为 "! &0，其渐开线齿形特征已接近于直 线，每齿从齿根到齿顶的展开角区段小 ! 这是有 别于大模数齿轮的 （ 大模数齿轮每齿所夹的角度 一般均在 ,’0以上） 从齿顶到齿根的渐开线 ! 当然， 齿形接近于直线或圆弧的特点，又具有其积极的 一方面，如有的量仪就是利用此特点制造的 ! 而 其消极的一面是测量效率低、 测量精度不高 ! 测量基准选择困难 ,） 齿轮测量的理论基准一般为其设计基准 ! 对
金嘉琦 "5 # 5 李文龙 " 5 商向东 "
（ " 沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 ""’’#, ； # 东北大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 ""’’’6 ）
摘
பைடு நூலகம்
要：针对大型齿轮的特点，综述了其高精度测量的难点 ! 在分析国内外大型齿轮测量技术及量
仪发展现状的基础上，阐明了大型齿轮在机测量方法的优越性和实施大型齿轮在机测量方法的基本 出发点和立足点 ! 关 键 词：大型齿轮 M 在机测量 M 量仪设计 文献标识码： . 中图分类号： IN +17
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大型齿轮量仪型式及技术发展
多年来，国内外诸多学者在大型齿轮测量领
域进行了宝贵的研究，丰富了大型齿轮测量方面 的理论和方法 ! 综合来看，目前大型齿轮常用的 测量方法有两种：单项测量和综合测量 ! 其中单
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沈
阳
工
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大
学
学
报
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!）上置式量仪 " 针对台式量仪的局限，上置 式量仪在测量的思路上产生很大变化，仪器一般 以被测齿轮的齿面或齿顶定位并支承在被测齿轮 上完成齿轮多项误差的测量 " 在测量原理上可有 基圆盘展成法、 坐标法、 圆弧基准法或直线基准法 等 " 如瑞士 #$$% 公司的 & ’ ()) 和 & ’ (*) 上置 式齿形检查仪等， 采用基圆盘展成法， 利用渐开线 展成原理，以一个与被测齿轮同心安装且半径等 于被测齿轮半径的扇形板为基准，通过与其纯滚 的直尺上的测头检查出被测齿形误差； 瑞士 #$$ % 公司的 +, ’ -() 上置式齿形仪、我国哈尔滨量 具刃具厂研究开发了上置式齿形测量仪 ( !.) 等， 采用直角坐标法，测量齿面上各点的 !、 " 坐标 值，通过数据处理而得到齿形误差；英国 %/012 345 ’ #6175/8 ’ $" +" 9 上置式齿形量仪等，采用圆 弧基准法，以一定的圆弧曲线代替渐开线进行测 量， 圆弧中心一般选为齿面节点的曲率中心， 圆弧 半径为节点处的曲率半径，此原理适合于精度不 高、 模数不大、 齿数较多的齿轮测量， 对精度稍高 些的齿轮测量，可以对测量结果进行原理误差补 偿；苏联古比雪夫巨型推土机厂的桥式大齿轮量 仪等， 采用直线基准法， 用一特定的直线代替被测 齿轮的理论渐开线齿形对实际齿形进行测量，由 于这种方法原理误差较大，因此必须对测量结果 进行原理误差补偿，此原理一般只使用于精度比 较低的齿轮测量 " 上置式量仪装置体积小、 成本低， 可保证一定 精度的测量，不足之处是这类量仪一般将测量基 准建立在误差不可知的被测齿轮上，定位精度较 低， 致使测量精度不高 " ( : 旁置式量仪 " 量仪定位安装在加工机床上 （ 一般安装在刀架上 ） 而实现齿轮多项误差的测 量， 故亦称在机 （ 临床） 测量， 或就地测量 " 如日本 大阪精密的 %; ’ !)<=、 我国大连理工大学运用电 子演算式原理及异步驱动同步测量原理，研究的 大齿轮的齿形、齿向、齿距就地测量仪；西德 <>&?+@ 公司生产的与三坐标测量机配套使用的 旁置式齿形、 齿向测量装置， 瑞士 #$$% 公司在其 生产的 A B 磨齿 机上配置了 测量基准和 相应附 件， 可完成齿形、 齿向误差的在机测量； 日本东京 电讯大学研制的在大型精密滚齿机工作台侧向圆 柱面录磁以实现角度测量，线位移测量装于滚齿 机刀架上的齿轮就地测量仪器等 " 与上置式量仪一样，该类量仪克服了台式量
仪测量齿轮的范围不能很大的局限，同时仪器定 位于机床上，所以定位精度比上置式仪器的定位 精度高，从而测量精度相对提高 " 这也是目前人 们致力于研究此类量仪的重要原因 " 应当说，旁 置式齿轮量仪较比于上置式量仪，测量精度有了 很大提高，但仍存在机床的原始误差影响测量精 度的问题，测量精度仍不能达到很高 " 一些学者 在此方面已开始了可贵探索， 如文献 C D E 在测量齿 向误差时， 运用 “ 最小自乘法” 计算出齿轮螺旋角， 可消除机床的立柱导轨几何误差对齿向测量精度 的影响； 文献 C F- E 通过建立补偿数学模型提高仪 器的定位精度 " 应当看到，基于在机测量方法之上的旁置式 量仪测量超大型齿轮具有很大的优越性，但测量 技术有待发展 " 为了实现真正的在机 （ 临床 ） 测 量， 必须探索新的测量技术和测量方法， 包括对机 床关键部分进行误差修正，实现以工件基准为测 量基准，从而达到机床误差不影响测量精度的目 的" 本文完成的原机械工业部技术基金和辽宁省 科学技术基金 “ 大型齿轮在机测量原理与技术及 综合测量仪” 课题， 在测量原理和技术上取得了一 些突破性成果，丰富和发展了大型齿轮精度测量 技术 " 大型齿轮综合测量方法及技术，仍然是从中、 小模数齿轮的综合测量发展而来的，值得重视的 还是单面啮合综合测量方法 " 这在中、小模数齿 轮测量上已有充分体现， 通过数据处理， 又可得到 单项的齿形、 齿向、 齿距等误差项目， 只是前者属 于几何误差范畴， 后者属于传动误差范畴， 即是传 动框架下的单项误差 " 如何将其移植到大型齿轮 测量上，是很值得探讨的问题 " 作为大型齿轮精 度测量的一种方向，单面啮合综合测量具有仪器 体积小、 安装方便、 误差信息大等优点， 但尚存在 许多技术难题， 如工具元件的制造等 " 从大型齿轮整个测量技术发展来看，可肯定 的经验和思路可概括如下： F）从大型齿轮测量技术发展脉络上看，其是 借助于中、 小模数齿轮精密测量技术， 考虑大型齿 轮特点发展起来的， 集中体现在台式量仪上， 而这 种发展方式已是当今技术发展的特点 " 在中、小 模数齿轮成熟的测量技术基础上，根据大型齿轮 的实际特殊性做些改进， 符合继承和发展的关系 " !）体现了量变与质变的关系 " 由于被测对象