论文部分内容阅读
[摘 要]××车间P100型齿轮测量中心（以下简称P100）长时间24小时不间断使用，致使故障率居高不下，在用标准齿轮样板进行校准时发现，该台测量中心测得的齿向误差偏大，甚至会相差十几个微米，在对齿轮工件测量时也发现此类问题，严重影响了车间生产进度，调整精度，降低故障率迫在眉睫。
[关键词]同轴度 平行度、顶尖 调整
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0153-02
1、前言
P100是德国克林贝格集团经过数十年齿轮测量技术的发展和改进而研发出来的P系列仪器，采用4轴测量技术的高精度系统，数字传感测量值，带有严密的防撞保护技术，高精度温度-中性光栅（陶瓷玻璃）及温度补偿，，可以检测各种不同结构设计的直齿和斜齿圆柱齿轮以及各种齿轮刀具，如插齿刀、剃齿刀和滚刀，也可以检测蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮。此外，还可检测旋转对称工件（轴类）的尺寸和形位误差，以及凸轮和平面凸轮的运转轨迹。
近日，在用标准齿轮样板对P100进行年度周期校准时发现，该台测量中心测得的齿向误差偏大，甚至会相差十几个微米，在对齿轮工件测量时也发现此类问题，严重影响了车间生产进度。针对以上出现的问题，我们立即组织分析原因，寻找解决办法。必须保证两台齿轮测量机测量结果一致性，为车间检测质量负责，为公司的产品质量负责。
2、仪器参数校准
P100的基本机械结构如图2所示：
经过对P100垂直滑架切向及径向平行度、上下顶尖同轴度和测微系统示值误差等参数进行检查，发现上下顶尖同轴度值很大。通过对P100齿轮测量机工作原理的方向，并结合简单的试验，影响P100齿轮测量机测量参数的主要技术指标有下顶尖的跳动、上下顶尖轴线同轴度、X轴平行度和Y轴平行度。基于各项技术指标厂家和校准依据对P100齿轮测量机均有误差范围的要求，因此在误差范围内进行调整，即不会影响测量机的精度，又可以微小改变测量值的大小和方向。以上的分析为调整P100齿轮测量机精度奠定了理论基础。
因此，调整P100齿轮测量机精度重点从下顶尖的跳动、上下顶尖轴线同轴度、X轴平行度和Y轴平行度几方面着手，但对于以上几项指标对P100齿轮测量机参数的影响大小及方向只能通过实验来获得更加真实可靠的数据。
上下顶尖同轴度检测过程（如图3）：
将300mm的心轴装在两顶尖间，使扭簧表与心轴上端接触，校准时扭簧表和心轴随主轴一同转动，所示，扭簧表示值的最大变化即为同轴度。在检测过程中发现，上下顶尖同轴度达到了10个多微米，而厂家规定的同轴度为1个微米以内为合格。
3、上下顶尖同轴度对齿轮测量参数的影响
上下顶尖同轴度对P100的影响最终表现为回转偏心，回转偏心对齿向测量的影响决定于偏心的方向和初始相位角。如果齿轮安装成与轴线不垂直，则测量截面呈椭圆形。经过试验，下顶尖的跳动按照技术要求≤1.0μm，在误差允许范围内，下顶尖的跳动该项技术指标对P100齿轮测量机的精度影响表现并不显著，下顶尖的跳动对各项参数虽然成正比例关系，但斜率很小。进一步分析数据发现，下顶尖的跳动对测量重复性影响较显著。
分析可知，下顶尖起定位作用，并且每次调整下顶尖都要进行测头标定，因此下顶尖的偏差主要是标定测头的系统误差，下顶尖的跳动的大小会体现在标定的不确定度中。因此，下顶尖的跳动的值越小越好。通过试验，上下顶尖轴线同轴度的变化对影响齿向误差影响较大，对齿形误差影响不十分明显。其主要原因是，按P100齿轮测量机技术要求，上下顶尖轴线同轴度在300mm范围内不大于2.0μm，在700mm范围内不大于3.5μm；X轴、Y轴的平行度在700mm范围内不大于7.0μm，X轴、Y轴的平行度技术要求只是上下顶尖轴线同轴度技术要求的一半。
通过分析，P100齿轮测量机在进行齿形测量时，测头延Z轴方向上升，转台则同步旋转，使得测头和被测目标之间形成了延X轴的相对运动，而在Y轴方向上形成了相对静止的状态。因此，当上下顶尖轴线同轴度延Y轴方向倾斜时，测头的运行轨迹则无法记录倾斜的大小（如图3）。当上下顶尖轴线同轴度延X轴方向倾斜时，测头的运行轨迹则与倾斜的方向一致，并且倾斜的大小直接反映到测量结果当中（如图4）。
以下顶尖偏心为例（图5）：由于下顶尖偏心a使工作运动偏斜，相当于被测齿轮基圆在水平面内有一位移量a′，其影响将与齿轮的偏心相同。
因设 a=0.002mm，L=300mm，L′=L/2，
展开角：，
则
4、X、Y轴平行度对齿轮测量参数的影响
4.1 X轴平行度对精度的影响
通过试验和分析，测量机X轴平行度影响齿形误差较大，由于X轴平行度是与测量齿形的测头运动方向垂直，当X轴平行度发生变化时，其变化结果直接作用在测头运动方向上，改变了测头运动方向的轨迹，使得评价结果发生较大的变化。因此，在进行X轴平行度调整时，要将X轴平行度调整到技术要求的二分之一，即700mm以内小于3.5μm，才能使齿形误差参数处于较好的状态。
4.2 Y轴平行度对精度的影响
Y轴平行度则是与测量齿形的运动方向平行，因此，当Y轴平行度变化时，只是改变了测头在X轴上的坐标位置，并不改变测量轨迹和方向，因此Y軸平行度对齿形测量结果影响远远小于X轴平行度，所以调整过程中一定要将Y轴平行度调整到技术要求即可。
5、同轴度参数调整和比对
在上下顶尖同轴度为10μm时，对标准齿轮样板齿向（以右旋15度为例）参数进行测量所得偏差值见表1。
对测量中心上下顶尖位置进行调整，见图6、图7把上下顶尖同轴度调整为1μm时，对标准圆柱齿轮齿向参数进行测量所得误差值见表2。
不同的同轴度时，测得的齿向误差也不同，其关系如图8：
X轴坐标表示测量中心上下顶尖同轴度值，Y轴坐标表示对同一标准齿轮样板同一齿的齿向误差值。由图7可以看出，同轴度越大，对齿向测量的偏差值越大，要保证测得的齿向误差接近真值，就要确保上下顶尖同轴度在1个微米以内。
6、平行度参数调整和比对
6.1 X轴平行度的调整
将700mm标准心轴固定在两顶尖之间，测量机测头与心轴延Y轴方向的顶点相切，Z轴调整至最低点，使测量机延Z轴方向匀速上升，记录X轴平行度值x1。将心轴旋转90°，重复上述测量，记录X轴平行度值x2。当x1和x2的平均值大于3.5μm时，调整测量机臂架顶端定位螺钉，至X轴平行度小于3.5μm为止。
6.2 Y轴平行度的调整
同样将700mm标准心轴固定在两顶尖之间，测量机测头侧面与心轴延X轴方向的顶点相切，Z轴调整至最低点，使测量机延Z轴方向匀速上升，记录Y轴平行度值y1。将心轴旋转90°，重复上述测量，记录Y轴平行度值y2。当y1和y2的平均值大于7.0μm时，调整测量机臂架顶端定位螺钉，至X轴平行度小于7.0μm为止
7、P100的重复性评定
由表2中得到10次测量数据，采用贝塞尔公式计算P100重复性，
— 第i测量结果；
— 10次测量结果的平均值；
n — 测量次数。
P100重复性为0.08μm，满足该台仪器的重复性要求。
参考文献
[1] 齿轮双面啮合测量仪校准规范，质量监督总局，北京，中国计量出版社，2010.
[2] 齿轮测量中心，中国国家标准化管理委员会，北京，中国计量出版社，2008.
[关键词]同轴度 平行度、顶尖 调整
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0153-02
1、前言
P100是德国克林贝格集团经过数十年齿轮测量技术的发展和改进而研发出来的P系列仪器，采用4轴测量技术的高精度系统，数字传感测量值，带有严密的防撞保护技术，高精度温度-中性光栅（陶瓷玻璃）及温度补偿，，可以检测各种不同结构设计的直齿和斜齿圆柱齿轮以及各种齿轮刀具，如插齿刀、剃齿刀和滚刀，也可以检测蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮。此外，还可检测旋转对称工件（轴类）的尺寸和形位误差，以及凸轮和平面凸轮的运转轨迹。
近日，在用标准齿轮样板对P100进行年度周期校准时发现，该台测量中心测得的齿向误差偏大，甚至会相差十几个微米，在对齿轮工件测量时也发现此类问题，严重影响了车间生产进度。针对以上出现的问题，我们立即组织分析原因，寻找解决办法。必须保证两台齿轮测量机测量结果一致性，为车间检测质量负责，为公司的产品质量负责。
2、仪器参数校准
P100的基本机械结构如图2所示：
经过对P100垂直滑架切向及径向平行度、上下顶尖同轴度和测微系统示值误差等参数进行检查，发现上下顶尖同轴度值很大。通过对P100齿轮测量机工作原理的方向，并结合简单的试验，影响P100齿轮测量机测量参数的主要技术指标有下顶尖的跳动、上下顶尖轴线同轴度、X轴平行度和Y轴平行度。基于各项技术指标厂家和校准依据对P100齿轮测量机均有误差范围的要求，因此在误差范围内进行调整，即不会影响测量机的精度，又可以微小改变测量值的大小和方向。以上的分析为调整P100齿轮测量机精度奠定了理论基础。
因此，调整P100齿轮测量机精度重点从下顶尖的跳动、上下顶尖轴线同轴度、X轴平行度和Y轴平行度几方面着手，但对于以上几项指标对P100齿轮测量机参数的影响大小及方向只能通过实验来获得更加真实可靠的数据。
上下顶尖同轴度检测过程（如图3）：
将300mm的心轴装在两顶尖间，使扭簧表与心轴上端接触，校准时扭簧表和心轴随主轴一同转动，所示，扭簧表示值的最大变化即为同轴度。在检测过程中发现，上下顶尖同轴度达到了10个多微米，而厂家规定的同轴度为1个微米以内为合格。
3、上下顶尖同轴度对齿轮测量参数的影响
上下顶尖同轴度对P100的影响最终表现为回转偏心，回转偏心对齿向测量的影响决定于偏心的方向和初始相位角。如果齿轮安装成与轴线不垂直，则测量截面呈椭圆形。经过试验，下顶尖的跳动按照技术要求≤1.0μm，在误差允许范围内，下顶尖的跳动该项技术指标对P100齿轮测量机的精度影响表现并不显著，下顶尖的跳动对各项参数虽然成正比例关系，但斜率很小。进一步分析数据发现，下顶尖的跳动对测量重复性影响较显著。
分析可知，下顶尖起定位作用，并且每次调整下顶尖都要进行测头标定，因此下顶尖的偏差主要是标定测头的系统误差，下顶尖的跳动的大小会体现在标定的不确定度中。因此，下顶尖的跳动的值越小越好。通过试验，上下顶尖轴线同轴度的变化对影响齿向误差影响较大，对齿形误差影响不十分明显。其主要原因是，按P100齿轮测量机技术要求，上下顶尖轴线同轴度在300mm范围内不大于2.0μm，在700mm范围内不大于3.5μm；X轴、Y轴的平行度在700mm范围内不大于7.0μm，X轴、Y轴的平行度技术要求只是上下顶尖轴线同轴度技术要求的一半。
通过分析，P100齿轮测量机在进行齿形测量时，测头延Z轴方向上升，转台则同步旋转，使得测头和被测目标之间形成了延X轴的相对运动，而在Y轴方向上形成了相对静止的状态。因此，当上下顶尖轴线同轴度延Y轴方向倾斜时，测头的运行轨迹则无法记录倾斜的大小（如图3）。当上下顶尖轴线同轴度延X轴方向倾斜时，测头的运行轨迹则与倾斜的方向一致，并且倾斜的大小直接反映到测量结果当中（如图4）。
以下顶尖偏心为例（图5）：由于下顶尖偏心a使工作运动偏斜，相当于被测齿轮基圆在水平面内有一位移量a′，其影响将与齿轮的偏心相同。
因设 a=0.002mm，L=300mm，L′=L/2，
展开角：，
则
4、X、Y轴平行度对齿轮测量参数的影响
4.1 X轴平行度对精度的影响
通过试验和分析，测量机X轴平行度影响齿形误差较大，由于X轴平行度是与测量齿形的测头运动方向垂直，当X轴平行度发生变化时，其变化结果直接作用在测头运动方向上，改变了测头运动方向的轨迹，使得评价结果发生较大的变化。因此，在进行X轴平行度调整时，要将X轴平行度调整到技术要求的二分之一，即700mm以内小于3.5μm，才能使齿形误差参数处于较好的状态。
4.2 Y轴平行度对精度的影响
Y轴平行度则是与测量齿形的运动方向平行，因此，当Y轴平行度变化时，只是改变了测头在X轴上的坐标位置，并不改变测量轨迹和方向，因此Y軸平行度对齿形测量结果影响远远小于X轴平行度，所以调整过程中一定要将Y轴平行度调整到技术要求即可。
5、同轴度参数调整和比对
在上下顶尖同轴度为10μm时，对标准齿轮样板齿向（以右旋15度为例）参数进行测量所得偏差值见表1。
对测量中心上下顶尖位置进行调整，见图6、图7把上下顶尖同轴度调整为1μm时，对标准圆柱齿轮齿向参数进行测量所得误差值见表2。
不同的同轴度时，测得的齿向误差也不同，其关系如图8：
X轴坐标表示测量中心上下顶尖同轴度值，Y轴坐标表示对同一标准齿轮样板同一齿的齿向误差值。由图7可以看出，同轴度越大，对齿向测量的偏差值越大，要保证测得的齿向误差接近真值，就要确保上下顶尖同轴度在1个微米以内。
6、平行度参数调整和比对
6.1 X轴平行度的调整
将700mm标准心轴固定在两顶尖之间，测量机测头与心轴延Y轴方向的顶点相切，Z轴调整至最低点，使测量机延Z轴方向匀速上升，记录X轴平行度值x1。将心轴旋转90°，重复上述测量，记录X轴平行度值x2。当x1和x2的平均值大于3.5μm时，调整测量机臂架顶端定位螺钉，至X轴平行度小于3.5μm为止。
6.2 Y轴平行度的调整
同样将700mm标准心轴固定在两顶尖之间，测量机测头侧面与心轴延X轴方向的顶点相切，Z轴调整至最低点，使测量机延Z轴方向匀速上升，记录Y轴平行度值y1。将心轴旋转90°，重复上述测量，记录Y轴平行度值y2。当y1和y2的平均值大于7.0μm时，调整测量机臂架顶端定位螺钉，至X轴平行度小于7.0μm为止
7、P100的重复性评定
由表2中得到10次测量数据，采用贝塞尔公式计算P100重复性，
— 第i测量结果；
— 10次测量结果的平均值；
n — 测量次数。
P100重复性为0.08μm，满足该台仪器的重复性要求。
参考文献
[1] 齿轮双面啮合测量仪校准规范，质量监督总局，北京，中国计量出版社，2010.
[2] 齿轮测量中心，中国国家标准化管理委员会，北京，中国计量出版社，2008.