1 概述

    錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在汽車、直升飛機(jī)、機(jī)床及電動(dòng)工具制造業(yè)中，得到了廣泛的應(yīng)用。不同的用途對(duì)錐齒輪性能質(zhì)量的要求也不同，歸納起來(lái)包括：①有良好的接觸區(qū)，能可靠的傳遞動(dòng)力扭矩；②有良好匹配的幾何形狀，能平穩(wěn)的傳遞運(yùn)動(dòng)，從而保證載荷均勻、傳動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低。工廠通常采用雙嚙儀及檢測(cè)接觸斑點(diǎn)的滾動(dòng)檢查儀來(lái)控制錐齒輪的質(zhì)量，但實(shí)際上很難精確判定錐齒輪的使用性能。

錐齒輪的精度測(cè)量方法和圓柱齒輪類同，通�？煞譃槿�種：①坐標(biāo)式幾何解析測(cè)量法。即把錐齒輪作為一個(gè)幾何實(shí)體，對(duì)其幾何元素分別進(jìn)行單項(xiàng)幾何精度的測(cè)量；齒輪測(cè)量中心是其主要測(cè)量?jī)x器。②嚙合式綜合精度測(cè)量法。即把錐齒輪作為一個(gè)傳動(dòng)元件，對(duì)其傳動(dòng)精度、接觸斑點(diǎn)、振動(dòng)噪音進(jìn)行綜合測(cè)量。其測(cè)量?jī)x器主要有錐齒輪單面嚙合檢查儀、錐齒輪雙面嚙合測(cè)量?jī)x及錐齒輪滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)。③錐齒輪整體誤差測(cè)量法。它將錐齒輪作為一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能的幾何實(shí)體，或用坐標(biāo)測(cè)量法按單項(xiàng)幾何精度測(cè)量方式測(cè)量出錐齒輪的整體誤差，實(shí)現(xiàn)錐齒輪單項(xiàng)幾何誤差和傳動(dòng)精度、質(zhì)量之間內(nèi)在聯(lián)系的分析研究；或按單面嚙合測(cè)量方式、采用嚙合點(diǎn)掃描測(cè)量方法，對(duì)錐齒輪的整體誤差進(jìn)行測(cè)量，得到錐齒輪的綜合運(yùn)動(dòng)精度、接觸斑點(diǎn)以及各單項(xiàng)幾何精度。因此，錐齒輪整體誤差測(cè)量法是前兩種測(cè)量方法的集成和發(fā)展。

隨著坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制與測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)對(duì)錐齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)的研究得到很快的發(fā)展。由于齒輪測(cè)量中心等圓柱式多坐標(biāo)多功能測(cè)量?jī)x器的測(cè)量性能、數(shù)據(jù)處理能力的提高，錐齒輪的坐標(biāo)式幾何解析測(cè)量技術(shù)，已由單項(xiàng)幾何誤差測(cè)量發(fā)展到錐齒輪整體誤差測(cè)量，提高了錐齒輪設(shè)計(jì)、加工、精度質(zhì)量的檢測(cè)判定以及使用性能的預(yù)測(cè)等整個(gè)錐齒輪制造技術(shù)的水平。由我國(guó)自行開(kāi)發(fā)、基于“可控點(diǎn)運(yùn)動(dòng)—幾何測(cè)量原理”的錐齒輪單面嚙合點(diǎn)掃描測(cè)量技術(shù)及基于該技術(shù)開(kāi)發(fā)的錐齒輪整體誤差測(cè)量?jī)x，也正在更多地走向生產(chǎn)第一線，使我國(guó)錐齒輪測(cè)量理論、測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用得到了進(jìn)一步的提高和發(fā)展。

2 錐齒輪精度主要測(cè)量方法及儀器

2．1坐標(biāo)式幾何解析測(cè)量方法及儀器

    機(jī)械展成坐標(biāo)式直錐齒輪測(cè)量?jī)x較早就有產(chǎn)品，以瑞士馬格KP42型為代表，精度很高但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。自1990年前后，CNC齒輪測(cè)量中心推向市場(chǎng)，坐標(biāo)式弧錐齒輪幾何形狀誤差測(cè)量方法才有了迅速發(fā)展并得到推廣應(yīng)用�，F(xiàn)今市場(chǎng)上國(guó)外的齒輪測(cè)量中心，無(wú)論是德國(guó)克林伯格的P63，還是美國(guó)格里森/馬爾的 GMX275、M＆M的西格馬3，都已具備了測(cè)量錐齒輪的功能。這些儀器都達(dá)到VDI/VDE等級(jí)規(guī)定的1級(jí)，空間測(cè)量不確定度在2微米以上；可對(duì)錐齒輪的單項(xiàng)幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)，如齒距偏差（包括單個(gè)齒距偏差、齒距累計(jì)偏差、齒距累計(jì)總偏差）、齒廓偏差（包括齒廓總偏差、齒廓形狀偏差、齒廓傾斜偏差）、齒向偏差（包括齒向總偏差、齒向形狀偏差、齒向傾斜偏差）并可輸出三維齒面形狀偏差形貌圖等。

2．2 單面嚙合滾動(dòng)檢驗(yàn)綜合測(cè)量方法及儀器

    錐齒輪單面嚙合滾動(dòng)檢測(cè)方法在生產(chǎn)中已經(jīng)使用多年。以美國(guó)格里森N0.513滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)為例，在被測(cè)錐齒輪副單面嚙合的情況下，模擬其工作狀態(tài)，加以一定的速度和載荷，調(diào)整V/H，進(jìn)行著色接觸區(qū)（斑點(diǎn)）的檢測(cè)，以判定該被測(cè)錐齒輪副的接觸狀況；借助于加速度傳感器、拾音器測(cè)量其振動(dòng)和噪音，對(duì)齒頻諧波進(jìn)行掃描檢測(cè)。這種方法屬于“準(zhǔn)動(dòng)態(tài)”測(cè)量方法，它對(duì)于錐齒輪的精度檢測(cè)是不夠完整、不夠準(zhǔn)確的。而采用光電編碼器作為角度基準(zhǔn)、用于錐齒輪切向綜合精度檢測(cè)的錐齒輪單面嚙合檢查儀，如德國(guó)克林伯格公司的PSKE900，因其檢測(cè)項(xiàng)目單一，尤其難以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)錐齒輪加工機(jī)床參數(shù)的調(diào)整給以指導(dǎo)、以改進(jìn)錐齒輪加工質(zhì)量。性價(jià)比較差，故生產(chǎn)中不多采用。

近年來(lái)格里森公司推出的鳳凰500HCT數(shù)控錐齒輪滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)則同時(shí)具備了滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)和單面嚙合檢查儀的測(cè)量功能，既能測(cè)量錐齒輪的切向綜合誤差，又能數(shù)字化測(cè)量錐齒輪接觸區(qū)、進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)噪音分析等。該機(jī)型功能先進(jìn)，代表了該類產(chǎn)品當(dāng)代的發(fā)展水平，雖價(jià)格昂貴，但在國(guó)內(nèi)已有個(gè)別用戶。與此類似的還有克林伯格GKC60、奧立孔T50等數(shù)控錐齒輪檢驗(yàn)機(jī)。

2．3 整體誤差測(cè)量方法及儀器

    錐齒輪整體誤差測(cè)量是在同一個(gè)回轉(zhuǎn)角度位移坐標(biāo)上按嚙合順序?qū)㈠F齒輪工作齒面上各檢測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的所有單項(xiàng)幾何誤差集成為一個(gè)錐齒輪整體誤差圖，并以此為基礎(chǔ)，完成對(duì)于錐齒輪單項(xiàng)幾何精度、綜合運(yùn)動(dòng)精度以及錐齒輪副接觸狀態(tài)的分析計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于錐齒輪使用性能和質(zhì)量的評(píng)估和監(jiān)控。錐齒輪整體誤差測(cè)量方法和儀器，目前可分為二類三種。一類為坐標(biāo)式幾何解析測(cè)量法，該方法又分為“點(diǎn)到點(diǎn)測(cè)量法”和“點(diǎn)掃描測(cè)量法”，兩種方法采用的儀器都為CNC齒輪測(cè)量中心，但配用的測(cè)量軟件包有所不同；另一類為嚙合式運(yùn)動(dòng)幾何測(cè)量法（即嚙合式點(diǎn)掃描測(cè)量法，該方法為我國(guó)首創(chuàng)），所采用的儀器為錐齒輪單面嚙合檢查儀，配有專用的測(cè)量錐齒輪和測(cè)量軟件包。

（1）坐標(biāo)式點(diǎn)到點(diǎn)錐齒輪整體誤差的測(cè)量

    在齒輪測(cè)量中心上，用三維測(cè)頭沿錐齒輪的齒廓和齒向兩個(gè)方向，按預(yù)先確定的間距，對(duì)被測(cè)齒面各檢測(cè)點(diǎn)（通常為齒廓上5處、齒向上9處，共45點(diǎn)）的幾何形狀誤差進(jìn)行一點(diǎn)一點(diǎn)的測(cè)量。這種方法可以避免三維測(cè)頭和被測(cè)齒面間在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生摩擦力而影響測(cè)量結(jié)果。該測(cè)量方法采用的是“直接測(cè)量” 原理，具體步驟為：首先根據(jù)錐齒輪加工機(jī)床的調(diào)整參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到被加工大、小錐齒輪理想加工齒面的幾何參數(shù)；將該齒面作為參照齒面，分別與實(shí)際加工（或經(jīng)熱處理后）的大、小齒輪的齒面進(jìn)行比較，測(cè)得實(shí)際齒面與理想齒面的幾何偏差。借助于專用的MATCH程序，確定相應(yīng)于被測(cè)實(shí)際齒面的假象機(jī)床加工參數(shù)；再按照嚙合模型進(jìn)行TCA分析，計(jì)算得到錐齒輪副的切向綜合偏差和接觸狀況，檢驗(yàn)是否滿足要求。如有必要，相應(yīng)軟件將根據(jù)測(cè)量結(jié)果，重新計(jì)算并調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，以便再次試切時(shí)，能加工出質(zhì)量更滿意的產(chǎn)品。

（2）坐標(biāo)式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差的測(cè)量

    日本大阪精機(jī)近來(lái)提出的、采用二維測(cè)頭對(duì)錐齒輪齒面進(jìn)行點(diǎn)掃描測(cè)量的方法，得到了可靠滿意的測(cè)量結(jié)果。該方法具有以下特點(diǎn)：通過(guò)控制工件的回轉(zhuǎn)、測(cè)頭的平行位移運(yùn)動(dòng)，避免了測(cè)頭與齒面間的摩擦力對(duì)測(cè)量的不利影響；由于采用掃描測(cè)量方式，測(cè)量區(qū)域可覆蓋整個(gè)齒面包括齒頂以及接近大、小端的區(qū)域；測(cè)量路徑可有多種選擇，通常齒形數(shù)及齒向數(shù)各為3條，共6條；每條掃描線上的采樣數(shù)可達(dá)113個(gè)點(diǎn)，由于采樣密度大，能夠反映齒面上的微小波紋度（該波紋往往是不悅耳噪音的主要來(lái)源，用常規(guī)的點(diǎn)到點(diǎn)測(cè)量方法難以測(cè)量）。該方法采用的是“共軛測(cè)量”原理，其具體步驟為：首先根據(jù)機(jī)床加工參數(shù)和刀具參數(shù)計(jì)算得到大齒輪理想加工齒面的幾何參數(shù)，計(jì)算出與它相共軛、無(wú)傳動(dòng)誤差的虛擬共軛小齒輪的齒面幾何參數(shù)；將實(shí)際加工的大齒輪齒面與理想加工大齒輪齒面進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，檢測(cè)出齒廓及齒向上的相對(duì)偏差；將實(shí)際加工的小齒輪齒面與計(jì)算得到的虛擬共軛小齒輪齒面進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，檢測(cè)出齒廓及齒向上的相對(duì)偏差。根據(jù)所測(cè)得的相對(duì)偏差，計(jì)算得到該錐齒輪副的三維齒面綜合偏差形貌圖、切向綜合偏差和接觸形態(tài)（包括接觸路徑，接觸區(qū)域形狀、大小位置等）。經(jīng)實(shí)物測(cè)量、比對(duì)驗(yàn)證，點(diǎn)到點(diǎn)測(cè)量法和點(diǎn)掃描測(cè)量法的測(cè)量計(jì)算結(jié)果是一致的。

（3）嚙合式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差的測(cè)量

    成都工具研究所提出的錐齒輪嚙合式點(diǎn)掃描測(cè)量法，是在錐齒輪單面嚙合檢查儀上，按設(shè)計(jì)安裝位置、采用特殊測(cè)量錐齒輪與被測(cè)錐齒輪進(jìn)行單面嚙合的滾動(dòng)測(cè)量。這種測(cè)量錐齒輪副的“基礎(chǔ)”幾何參數(shù)和被測(cè)錐齒輪副的幾何參數(shù)是完全一樣的。測(cè)量時(shí)采用腐蝕方法或粘貼方法，在大、小測(cè)量齒輪相間的輪齒上做成所需的齒廓或齒向測(cè)量棱線，通過(guò)測(cè)量錐齒輪的齒廓或齒向測(cè)量棱線與相配對(duì)的被測(cè)錐齒輪齒面接觸傳動(dòng)，完成錐齒輪的嚙合點(diǎn)掃描整體誤差測(cè)量。測(cè)量路徑數(shù)與測(cè)量齒輪齒數(shù)有關(guān)，一般為3+3共6條。錐齒輪嚙合式點(diǎn)掃描整體誤差測(cè)量采用的是“局部基準(zhǔn)相對(duì)測(cè)量”原理。具體測(cè)量步驟如下：根據(jù)錐齒輪副實(shí)際跑車/試車實(shí)驗(yàn)（或經(jīng)驗(yàn)），由廠方選出能最佳滿足使用要求的錐齒輪副作為“基準(zhǔn)”錐齒輪副（稱為局部基準(zhǔn)），它的切向綜合偏差、一齒切向綜合偏差及接觸區(qū)形態(tài)被確認(rèn)為評(píng)定該對(duì)錐齒輪副精度的主要參照指標(biāo)。測(cè)量錐齒輪和局部基準(zhǔn)錐齒輪相嚙合，在錐齒輪單面嚙合檢查儀上測(cè)得綜合齒廓偏差局—測(cè)(局部基準(zhǔn)錐齒輪副—測(cè)量基準(zhǔn)錐齒輪副，下同)、綜合齒向偏差局—測(cè)、切向綜合偏差局— 測(cè)、一齒綜合偏差局—測(cè)、接觸區(qū)形態(tài)局—測(cè)以及三維齒面綜合偏差形貌圖局—測(cè)等，并被確認(rèn)為批量錐齒輪檢測(cè)時(shí)評(píng)定該單個(gè)錐齒輪主要精度指標(biāo)的參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。被測(cè)工件錐齒輪和測(cè)量錐齒輪按同樣方法進(jìn)行測(cè)量，得到各項(xiàng)偏差的工件錐齒輪—測(cè)量錐齒輪數(shù)據(jù)；經(jīng)運(yùn)算得到相應(yīng)各項(xiàng)偏差工—局?jǐn)?shù)據(jù)（即工件錐齒輪相對(duì)于局部基準(zhǔn)錐齒輪的相應(yīng)各項(xiàng)精度指標(biāo)的偏差）。然后根據(jù)所測(cè)得的工—局偏差數(shù)據(jù)和制定的精度指標(biāo)公差范圍，來(lái)判定錐齒輪的質(zhì)量及可互換性水平。

    錐齒輪整體誤差測(cè)量方法簡(jiǎn)便，快捷可靠，測(cè)量信息豐富，特別適用于大批量生產(chǎn)。由于測(cè)量時(shí)必須采用特殊測(cè)量齒輪，因此這種測(cè)量方法不宜用于單件小批量的測(cè)量。然而，由于錐齒輪整體誤差測(cè)量?jī)x同時(shí)還具備錐齒輪滾動(dòng)檢查儀的功能，因此它完全可用于單件小批錐齒輪副綜合精度檢測(cè)及批量生產(chǎn)工件的試切及機(jī)床調(diào)試。

3 結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)回顧近年來(lái)錐齒輪測(cè)量技術(shù)研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外錐齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)、方法及開(kāi)發(fā)的相應(yīng)儀器。我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的嚙合式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，已逐步得到國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可；依據(jù)該技術(shù)開(kāi)發(fā)的錐齒輪整體誤差測(cè)量?jī)x正在推向生產(chǎn)一線并在測(cè)量實(shí)踐中繼續(xù)完善�？梢韵嘈�，依托嚙合式點(diǎn)掃描錐齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)，建立錐齒輪批量產(chǎn)品精度數(shù)據(jù)庫(kù)，完全有可能根據(jù)使用要求采用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)弧錐齒輪的自動(dòng)快速配對(duì)。