隨著我國汽車摩托車制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽摩齒輪制造業(yè)也得到了空前快速的發(fā)展。盡快成為汽摩齒輪的全球制造與供應基地，是我國齒輪制造業(yè)的總體發(fā)展戰(zhàn)略，并已經(jīng)成為我國眾多齒輪制造商的共識。航空航天工業(yè)的崛起、造船業(yè)的興盛、機械裝備制造業(yè)的復蘇以及IT行業(yè)的快速發(fā)展，都對齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，也提供了前所未有的機遇。無論是國有企業(yè)、股份公司還是民營企業(yè)，齒輪制造商在擴大齒輪產(chǎn)量、品種的同時，更加注重提高齒輪制造質(zhì)量。為此，最近幾年來在引進技術、購置設備、更新工藝、加強信息化管理等技術改造和技術升級方面進行了大量的投入；強化并提高齒輪制造全過程的測量與監(jiān)控技術水平獲得了空前的重視，并成為確保齒輪質(zhì)量的一個關鍵。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的齒輪測量技術和儀器，滿足我國齒輪制造質(zhì)量檢測的迫切需要，提高國產(chǎn)齒輪儀器在國內(nèi)市場的占有率，是我國齒輪測量儀器制造業(yè)當前所面臨的一項重要而緊迫的任務。

1 齒輪測量技術的發(fā)展

    齒輪測量技術的發(fā)展已有近百年的歷史。對應于齒輪精度標準，可將現(xiàn)代齒輪測量技術歸納為如下三種類型：

（1）齒輪單項幾何形狀誤差測量技術

    它采用坐標式幾何解析測量法，將齒輪作為一個具有復雜形狀的幾何實體，在所建立的測量坐標系（直角坐標系、極坐標系或圓柱坐標系）上，按照設計幾何參數(shù)對齒輪齒面的幾何形狀偏差進行測量。測量方式主要有兩種：離散坐標點測量方式和連續(xù)幾何軌跡點掃描（如展成）測量方式。所測得的齒輪誤差是被測齒輪齒面上被測點的實際位置坐標（實際軌跡或形狀）和按設計參數(shù)所建立的理想齒輪齒面上相應點的理論位置坐標（理論軌跡或形狀）之間的差異，通常也就是和幾何坐標式齒輪測量儀器對應測量運動所形成的測量軌跡之間的差異。測量的誤差項目是齒輪的單項幾何偏差，以齒廓、齒向和齒距等三項基本偏差為主。近年來由于坐標測量技術、傳感器技術、計算機技術的發(fā)展，尤其是數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強，三維齒面形貌偏差、分解齒輪單項幾何偏差和頻譜分析等誤差項目的測量得到了推廣。單項幾何偏差測量的優(yōu)點是便于對齒輪（尤其是首件）加工質(zhì)量進行分析和診斷、對機床加工工藝參數(shù)進行再調(diào)整；儀器可借助于樣板進行校正，實現(xiàn)基準的傳遞。

（2）齒輪綜合誤差測量技術

    它采用嚙合滾動式綜合測量法，把齒輪作為一個回轉(zhuǎn)運動的傳動元件，在理論安裝中心距下，和測量齒輪嚙合滾動，測量其綜合偏差。綜合測量又分為齒輪單面嚙合測量，用以檢測齒輪的切向綜合偏差和單齒切向綜合偏差；以及齒輪雙面嚙合測量，用以檢測齒輪的徑向綜合偏差和單齒徑向綜合偏差。為了更有效地發(fā)揮齒輪雙面嚙合測量技術的質(zhì)量監(jiān)控作用，增加了偏差的頻譜分析測量項目;近年來還從徑向綜合偏差中分解出徑向綜合螺旋角偏差和徑向綜合齒向錐度偏差。這是齒輪徑向綜合測量技術中的一個新發(fā)展。綜合運動偏差測量的優(yōu)點是測量速度快，適合批量產(chǎn)品的質(zhì)量終檢，便于對齒輪加工工藝過程進行及時監(jiān)控。儀器可借助于標準元件（如標準齒輪）進行校驗，實現(xiàn)基準的傳遞。上述兩項測量技術基于傳統(tǒng)的齒輪精度理論，然而隨著對齒輪質(zhì)量檢測要求的不斷增加和提高，這些傳統(tǒng)的齒輪測量技術也在不斷細化、豐富、更新、提高。

（3）齒輪整體誤差測量技術

    它所基于的齒輪整體誤差理論，是由我國機床工具行業(yè)、尤其是成都工具研究所的科研技術人員共同努力創(chuàng)建和不斷完善的一種新型齒輪測量理論。把齒輪作為一個用于實現(xiàn)傳動功能的幾何實體,或采用坐標式幾何解析法對其單項幾何精度進行測量,并按齒輪嚙合傳動順序和位置,集成為一條“靜態(tài)”齒輪整體誤差曲線；或按單面嚙合綜合測量方式，使用特殊測量齒輪，采用滾動點掃描測量法對其進行測量，得到齒輪“運動”整體誤差曲線。上述兩種齒輪整體誤差曲線，經(jīng)過運算和數(shù)據(jù)處理，都可以得到齒輪綜合運動偏差、各單項幾何偏差、三維齒面形貌偏差，以及接觸區(qū)狀態(tài)，從而能更全面、準確的評定齒輪質(zhì)量和齒輪加工工藝的分析和診斷。齒輪整體誤差測量技術是對傳統(tǒng)齒輪測量技術的繼承和發(fā)展。尤其是采用單面嚙合、滾動點掃描測量的齒輪整體誤差測量技術更具有測量信息豐富、測量速度快、測量精度更接近使用狀態(tài)的特點，特別適合批量產(chǎn)品齒輪精度的檢測與質(zhì)量的控制。在汽車齒輪要求100%全部檢測的態(tài)勢下，這種由我國首先開發(fā)出來的齒輪整體誤差測量技術得到了重視和推廣，其中，成都工具研究所開發(fā)的錐齒輪整體誤差測量技術曾于90年代轉(zhuǎn)讓給德國KLINGELNBERG公司。德國FRENCO公司近年推向市場的齒輪單面嚙合滾動點掃描測量儀器，采用了完全類同的技術。

    當前齒輪制造業(yè)的一個發(fā)展趨勢，是將齒輪測量技術和齒輪設計、加工制造進行集成，實現(xiàn)齒輪制造信息的融合及CAD/CAM/CAT的集成，從而構建一個先進的齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)（由于通常由數(shù)字化信息來實現(xiàn)，可稱為數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)）。美國GLEASON和德國KLINGELNBERG開發(fā)的錐齒輪閉環(huán)制造技術和系統(tǒng)是個典型實例。

    此外，在儀器測量形態(tài)和檢測系統(tǒng)方面，現(xiàn)代齒輪測量技術還有如下的進展。

（4）齒輪在機測量技術

    該技術近年來有了較快的發(fā)展，是一個重要發(fā)展趨勢。直接將齒輪測量裝置集成于齒輪加工機床，齒輪試切或加工后不用拆卸，立即在機床上進行在機測量，根據(jù)測量結(jié)果對機床（或滾輪）參數(shù)及時調(diào)整修正（主要針對磨齒）。這對于成形磨齒加工和大齒輪磨齒加工而言，在提高生產(chǎn)效率、降低成本方面，尤其具有重要意義。德國KAPP廠的數(shù)控磨齒機就是一個典型代表。CNC齒輪加工機床的迅速發(fā)展，為推動齒輪在機測量技術的應用和發(fā)展提供了可靠的工作平臺。

    由于對大批量生產(chǎn)的汽車轎車齒輪質(zhì)量要求的提高，齒輪在線測量分選技術的應用已是必不可少。上海汽車齒輪廠近年首次從美國ITW公司引進了該項技術和相應儀器裝備，取得了預期效果，據(jù)稱還將陸續(xù)購進該類檢測儀器。

（5）齒輪激光測量技術

    通常是指在齒輪的幾何尺寸和形狀位置精度的測量中，采用了激光技術，包括采用激光測長系統(tǒng)（如采用雙頻激光干涉儀作為齒輪測量儀器的長度基準或傳感器）、激光測量頭系統(tǒng)（如采用非接觸點反射式激光測量頭作為齒輪誤差的檢測傳感器）、以及激光全息式齒輪測量系統(tǒng)（如采用激光全息技術對齒輪的齒面幾何形狀誤差進行測量的系統(tǒng)）等。由于激光是長度溯源基準，不少高精度齒輪計量系統(tǒng)或齒輪測量基準儀器，采用激光測量系統(tǒng)作為其長度坐標測量系統(tǒng)。美國FELLOWS廠70年代開發(fā)的MICROLOG60就是一個實例。加拿大溫莎精密測量儀器廠在80年代初生產(chǎn)的齒輪測量儀器就采用了非接觸點反射式激光測量頭，可用于測量塑料制成的軟齒面齒輪。近年來，齒輪激光測量技術在日本倍受重視，并逐步完善成為產(chǎn)品推向市場。日本AMTEC公司的G3齒輪測量系統(tǒng)，采用的是CONO激光測量頭，齒輪回轉(zhuǎn)，測頭位置相應變化，測出齒輪的截面形狀。大阪精機開發(fā)的激光齒輪測量儀，采用激光全息技術，用光干涉法對被測齒輪的全齒面形狀進行精度測量。

2 齒輪測量儀器的發(fā)展

    為了正確測量和評定產(chǎn)品質(zhì)量，齒輪測量儀器通常應按照我國國家標準GB/T10095-2001（等同于ISO1328：1997）的漸開線圓柱齒輪精度標準所規(guī)定的精度項目、精度評定方法以及規(guī)定的公差，對產(chǎn)品齒輪進行快速、高效、可靠的測量。由于市場（如汽車行業(yè)）對齒輪測量不斷提出新的更高要求，因此齒輪測量精度項目也應不斷有所發(fā)展，齒輪測量儀器也應有所創(chuàng)新，使測量功能不斷增強，以滿足新的需求。

    齒輪測量儀器通常由儀器主機、坐標或位移傳感器、測頭裝置、測量拖板數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)電氣裝置與接口，以及計算機等主要部分組成。隨著關鍵精密零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標準化、模塊化，尤其是近年來信息技術、計算機技術、精密機械制造技術以及精密測量技術的發(fā)展，推動了齒輪測量儀器的研制與開發(fā)。新的控制軟件和測量軟件的開發(fā)顯得更為重要。

（1）CNC齒輪測量中心

    從上世紀80年代開始，齒輪測量中心的開發(fā)受到眾多齒輪測量儀器制造商的重視；90年代逐步形成了系列化產(chǎn)品推向市場。CNC齒輪測量中心是信息技術、計算機技術和數(shù)控技術在齒輪測量儀器上集成應用的結(jié)晶，是坐標式齒輪測量儀器發(fā)展中的一個里程碑。該儀器實質(zhì)上是含有一個回轉(zhuǎn)角坐標的四坐標測量機——圓柱坐標測量機，主要用于齒輪單項幾何精度的檢測，也可用于（靜態(tài)）齒輪整體誤差的測量。

    德國KLINGELNBERG的P系列齒輪測量中心，其特點是采用了專利的三維數(shù)字式高精度光柵測量頭（使用了HEINDENHAIN的超高精度光柵）；性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身，高性能直線電機驅(qū)動系統(tǒng)；高精度滾珠軸系和密珠滾動導軌。儀器精度達到德國標準1級。據(jù)報道該廠生產(chǎn)并經(jīng)精化的一臺P65齒輪測量中心，被英國國家齒輪計量實驗室選定，作為英國齒輪精度傳遞及標定的基準儀器。美國M&M的齒輪測量中心，其三維高精度電感測量頭；花崗石基座；精密氣浮軸系以及精密直線滾動體結(jié)構導軌，成為該儀器的特色（近年也采用了直線電機驅(qū)動），儀器測量不確定度為2μm。德國MAHR的GMX275采用的模擬量測量頭，可選擇掃描或單點采樣方式，可以按0.1°間距轉(zhuǎn)動，使測頭的測尖能處于被測齒面的法面上，儀器測量不確定度在測量空間內(nèi)為（2.3μm+L/200）。齒輪測量中心除了能測量圓柱漸開線齒輪，還能測量齒輪滾刀，插齒刀，剃齒刀等齒輪刀具，以及蝸桿、蝸輪、凸輪軸等復雜型面的回轉(zhuǎn)體零件。國外齒輪測量中心廠商，大多還開發(fā)了適用于不同制式錐齒輪的測量軟件和錐齒輪加工機床的參數(shù)修正軟件，這有益于加快錐齒輪的首件試切。通過接口或網(wǎng)絡的信息集成，將測量機、錐齒輪設計及錐齒輪加工機床連接一起，構建成錐齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)——將試切錐齒輪幾何形狀的測量信息，轉(zhuǎn)換成相應機床參數(shù)的調(diào)整信息后反饋到機床，實現(xiàn)錐齒輪加工的CAD/CAM/CAT，使錐齒輪的“零廢品”制造成為可能（可惜目前還未見國內(nèi)應用的相關報道）；選用相關軟件，還能用于反求工程對工件參數(shù)進行測定。高精度和一機多能的特點，使齒輪測量中心更適合于工廠計量站使用。

    日本的齒輪測量儀器制造商，在我國市場經(jīng)過近十年的沉寂后近年來亮相頻繁。大阪精機在GC-HP系列齒輪測量儀器的基礎上，開發(fā)出CNC電子創(chuàng)成式的CLP系列齒輪測量儀器。特別值得一提的是最近在國內(nèi)參展亮相的東京技術儀器公司（Tokyo Technical Instruments Inc.）。在2003年底上海中國國際齒輪傳動、制造技術及裝備展覽會上該廠首次展出TTI-300E型CNC齒輪檢測儀，據(jù)稱其質(zhì)量較小的測頭部件能單獨在徑向運動，便于快速測量齒輪齒距偏差。密珠軸系的主軸回轉(zhuǎn)精度可達0.03μm，儀器測量重復性達到0.5μm。除了能對漸開線齒輪高精度測量外，該儀器還能對齒輪刀具（如滾刀、剃齒刀、插齒刀）以及蝸輪蝸桿進行測量。該公司產(chǎn)品近年在中國已售出30余臺（主要集中在臺資企業(yè)）。

    近年來，國產(chǎn)CNC齒輪測量中心有了長足的發(fā)展，哈爾濱量具刃具廠、哈爾濱精達公司都先后成功開發(fā)出了系列產(chǎn)品。哈量的3903A齒輪測量中心，經(jīng)過幾年努力，儀器精度和測量速度據(jù)稱已達到或接近KLINGELNBERG公司產(chǎn)品的先進水平。精達公司作為后起之秀，發(fā)展引人矚目，其JD、JDS系列齒輪測量中心，目前在國內(nèi)產(chǎn)品中銷量最多。國產(chǎn)齒輪測量中心的質(zhì)量和性能不斷提高，已經(jīng)具有和國外產(chǎn)品競爭的能力。不過在儀器精度、穩(wěn)定性，尤其在測量軟件（如弧錐齒輪的測量軟件）、儀器故障診斷功能等方面，和國外還有一定差距。令人欣慰的是國內(nèi)齒輪量儀制造商已有共識，已聯(lián)合高校院所協(xié)同攻關努力縮小差距；隨著性價比的迅速提高，參與市場競爭能力的增強，國產(chǎn)齒輪測量中心的發(fā)展前景看好，在國內(nèi)市場所占比重將會越來越大。

（2）齒輪嚙合檢查儀

①齒輪單面嚙合滾動點掃描測量儀

    這類儀器在我國曾得到大力開發(fā)與生產(chǎn)，特別適合摩托車汽車齒輪批量生產(chǎn)現(xiàn)場的質(zhì)量檢測和生產(chǎn)工藝監(jiān)控。成都工具研究所研制的CNC蝸桿式齒輪整體誤差測量儀是一個典型實例，至今已在國內(nèi)市場銷售200余臺，少量銷往國外。它的特點是采用跳牙磨薄測量蝸桿與被測齒輪嚙合，對齒輪齒面進行滾動點掃描測量。測量信息豐富，測量效率高。德國FRENCO公司最近推向市場的URM齒輪誤差滾動掃描測量儀的測量原理完全類同于我國齒輪整體誤差測量技術。該儀器可稱為平行軸齒輪式齒輪整體誤差測量儀，它采用高精度圓光柵作為角度傳感器，特殊測量齒輪為測量元件，測量基本單元是測量齒輪上特制的測量棱線，分別為齒廓測量棱線和齒向（螺旋線）測量棱線。測量儀器的不確定度為3.5～4.5μm，測量重復性為2～3μm。測量時間1～2分鐘，測量齒輪使用壽命約20萬次。該產(chǎn)品已在德國福特汽車廠、大眾汽車廠得到應用。成都工具研究所生產(chǎn)的CSZ500A、B型錐齒輪整體誤差測量儀，是滾動點掃描測量技術在錐齒輪測量上的應用范例。測量錐齒輪的齒廓、齒向測量棱線的制作采用了自行開發(fā)的專利技術，儀器測量重復性可高達1～2μm，可測量錐齒輪的齒形、齒向、齒距偏差，齒面形貌偏差，切向綜合偏差以及接觸區(qū)。測量時間取決于大小錐齒輪齒數(shù)，通常為5～10分鐘。

②齒輪雙面嚙合檢查儀 

    近 年來，由于計算機、精密光柵傳感器以及數(shù)控技術的應用，傳統(tǒng)的齒輪雙面嚙合檢查儀經(jīng)過技術改造提升，整體水平有了質(zhì)的改變，分析功能增強。哈爾濱量具刃具廠的智能雙面嚙合齒輪測量儀配備了筆記本電腦、長、圓光柵傳感器、直流伺服電機和單片機數(shù)據(jù)采集，能對齒輪的徑向綜合偏差、一齒徑向綜合偏差、徑向跳動等進行測量外，還能對毛刺、劃傷、磕碰等缺陷進行判定。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信息、辦公機器以及照像機、玩具行業(yè)等用小模數(shù)齒輪（尤其是塑料齒輪）產(chǎn)量大增，質(zhì)量要求也越來越高，小型齒輪雙面嚙合檢查儀市場需求相應增加。2003年上海展覽會上就展出了日本東京技術儀器和大阪精機的齒輪雙面嚙合檢查儀。據(jù)東京技術儀器公司介紹，他們的TF-40NC是世界上第一臺CNC齒輪雙面嚙合檢查儀，其特點除了自動校零點、顯示最大、最小和中心距平均值外，還能對基準（測量）齒輪的徑向振擺進行自動補償。除了MARPOSS的M62系列、大阪精機的GTR-PC、北井產(chǎn)業(yè)的KGT等產(chǎn)品外，我國的哈爾濱精達測量儀器有限公司也生產(chǎn)用于工位檢測、具有計算機數(shù)據(jù)處理功能的齒輪雙面嚙合檢查儀。

③齒輪單面嚙合檢查儀

    齒輪單面嚙合檢查儀又稱為齒輪副傳動精度檢查儀或齒輪滾動檢驗機。典型實例是美國GLEASON公司的鳳凰HCT500、德國KLINGELNBERG公司的GKC60 CNC錐齒輪滾動檢驗機。它裝有高精度圓光柵，可以測量錐齒輪、圓柱齒輪副的傳動精度——切向綜合偏差，以及加載加速時的三維結(jié)構噪音分析、齒面接觸斑點，用以評定傳動副配對質(zhì)量。我國原內(nèi)江機床廠最近與重慶大學合作，成功研制出國產(chǎn)CNC錐齒輪滾動檢驗機，為趕超國外先進水平做出了貢獻。小模數(shù)齒輪刀具制造商日本小笠原開發(fā)的MEATA-3型齒輪副傳動精度檢測儀，可以測量蝸桿蝸輪副、內(nèi)外直/斜圓柱齒輪副、錐齒輪副、端面齒輪副等的傳動誤差，儀器分辨率為1角秒。

(3)齒輪在線測量分選機

    這類儀器主要應用于批量生產(chǎn)汽車轎車齒輪質(zhì)量的最終檢測，以保證齒輪變速箱的裝配總成質(zhì)量。由英國MOORE公司制造、美國ITW出產(chǎn)的齒輪在線自動分選機，實質(zhì)上是一種改型的齒輪雙面嚙合在線檢測分選機。除了能測量齒輪徑向綜合偏差、齒厚、齒輪加工毛刺及磕碰缺陷以外，由于配備了特殊的二維齒向測量機構，儀器還能測量雙嚙齒向偏差和雙嚙齒向錐度偏差等齒輪誤差。該儀器適用于車間現(xiàn)場，能滿足批量生產(chǎn)汽車齒輪100%的在線檢測和自動分選的要求。該機測量速度快，每小時可測300～600個齒輪；使用不同的工裝夾具，可分別對內(nèi)、外齒輪，盤、軸齒輪進行測量；配有計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和SPC統(tǒng)計分析軟件，能對齒輪加工過程和工藝狀況進行監(jiān)測和預報；此外，它還具有儀器自身故障自動診斷功能。儀器重復性精度指標為：齒厚4μm，徑跳3μm，齒向4μm，毛刺7μm。據(jù)稱美國、德國的汽車制造廠都配備了類似儀器，以對齒輪質(zhì)量和加工進行有效監(jiān)控。大阪精機的AG系列齒輪自動分選機也在日本得到了很好的應用。

（4）激光齒輪測量儀

    有關激光齒輪測量儀，近年日本報道較多。大阪精機近年開發(fā)用于基準傳遞、漸開線樣板檢測的CNC高精度齒輪測量儀，采用了高精度氣浮主軸，氣浮導軌，高精度長、圓編碼器的同時，還采用了激光測長系統(tǒng)進行齒面精度檢測。據(jù)報道儀器測量精度（重復精度）0.2～0.3μm。日本AMTEC公司的G3-SYSTEM 50非接觸式齒輪測量儀采用了激光全息技術，實現(xiàn)了精確、高速測量。該儀器是一臺由伺服電機驅(qū)動X、Y、Z、C軸運動的四軸（圓柱）坐標測量機。儀器配置了CONOPROBE激光全息測量頭，當其物鏡為HD25mm時，測頭的絕對精度＜1μm，重復性1σ＜0.2μm，工作區(qū)域為0.65mm。該儀器可測量漸開線直、斜齒輪和花鍵、螺紋等，今后還將可以測量蝸桿、傘齒輪等。齒輪模數(shù)小至0.1mm，直徑1～50mm，齒寬0.1～100mm，齒數(shù)4～200。由于采用激光非接觸測量方式，儀器可以測量齒面上非漸開線齒根部分幾何形狀，專門開發(fā)的仿真軟件可以模擬求得被測齒輪與其配對齒輪嚙合時的傳動誤差，進行相應的FFT頻譜分析；所測數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)還可通過LAN共享。

(5)超精密三坐標測量機

    日本松下電器產(chǎn)業(yè)開發(fā)了采用原子力測頭的超精密三坐標測量機，精度為0.01μm。用它測量齒輪時，由于測頭只能沿垂直方向運動，所測齒輪受到一定限制。但是在測量限定齒數(shù)的實物樣板時，測量精度可達到納米級。測量樣板所用測針的頂端曲率半徑為2μm，因而可以測量齒面粗糙度。隨著我國齒輪制造業(yè)的快速發(fā)展，隨著漸開線圓柱齒輪精度國家標準GB/T10095-2001（等同于國際標準ISO1328：1997）的公布、宣傳和貫徹，我國齒輪測量技術和齒輪測量儀器的發(fā)展方向更明，步伐更快。齒輪測量技術已成為先進齒輪制造技術中不可或缺的一個重要組成部分。隨著齒輪質(zhì)量要求的不斷提高，新的齒輪精度評定指標的出現(xiàn)將推動齒輪精度標準的不斷發(fā)展，齒輪測量技術和齒輪測量儀器也將不斷發(fā)展。近年來，中國齒輪專業(yè)協(xié)會在組織、引導我國齒輪制造業(yè)、提高行業(yè)整體齒輪制造技術和質(zhì)量方面，做出了卓有成效的努力；中國儀器儀表學會機械量測試儀器分會對于齒輪測量儀器的發(fā)展，給予了關注和支持。因此，我們有理由相信我國齒輪測量儀器制造業(yè)必將實現(xiàn)新的振興