齒輪測量技術(shù)的發(fā)展,主要表現在三個(gè)方面:

　　1)在測量原理方面,實(shí)現了由“比較測量”到“嚙合運動(dòng)測量”,直至“模型化測量”的發(fā)展。

　　2)在實(shí)現測量原理的技術(shù)手段上,歷經(jīng)了“以機械為主”到“機電結合”,直至當今的“光-機-電”與“信息技術(shù)”綜合集成的演變。

　　3)在測量結果的表述與利用方面,歷經(jīng)了從“指示表加肉眼讀取”,到“記錄器記錄加人工研判”,直至“計算機自動(dòng)分析并將測量結果反饋到制造系統”的飛躍。與此同時(shí),齒輪量?jì)x經(jīng)歷了從單品種單參數儀器(典型儀器有單盤(pán)漸開(kāi)線(xiàn)檢查儀) ,單品種多參數儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀) ,到多品種多參數儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。

　　1　 機械展成式測量技術(shù)

　　20世紀70年代以前,齒輪測量原理主要以比較測量為主,其實(shí)質(zhì)是相對測量。具體方式有兩種:一是將被測齒輪與一標準齒輪進(jìn)行實(shí)物比較,從而得到各項誤差;二是展成測量法,就是將儀器的運動(dòng)機構形成的標準特征線(xiàn)與被測齒輪的實(shí)際特征線(xiàn)作比較,來(lái)確定相應誤差;而精確的展成運動(dòng)是借助一些精密機構來(lái)實(shí)現的。不同的特征線(xiàn)需要不同的展成機構,同一展成運動(dòng)可用不同的機械結構來(lái)實(shí)現。比較測量的主要缺點(diǎn)是:測量精度依賴(lài)于標準件或展成機構的精度,機械結構復雜,柔性較差,同一個(gè)齒輪需要多臺儀器測量。

　　從20世紀20年代至60年代末,各國對機械展成式測量技術(shù)的研究歷經(jīng)了近半個(gè)世紀。早期著(zhù)重于漸開(kāi)線(xiàn)展成測量技術(shù)的研究,后來(lái)將展成測量思想移植到了螺旋線(xiàn)測量上,先后開(kāi)發(fā)出多種機械式漸開(kāi)線(xiàn)展成機構,如單盤(pán)式、圓盤(pán)杠桿式、正弦杠桿式、靠模式等。尤以圓盤(pán)杠桿式應用最廣,屬于這一類(lèi)的儀器有: Zeiss V G450 , Carl Mahr 890和891S , MAAG SP60和HP100 ,大阪精機GC -4H和GC - 6H以及哈量3201。對于齒廓誤差測量而言,機械展成式測量技術(shù)僅限于漸開(kāi)線(xiàn)齒廓誤差測量上。對于非漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的端面齒廓測量,采用展成法測量是十分困難的,因為展成機構太復雜并且缺乏通用性。對于精確的螺旋展成機構,主要采用正弦尺原理,只是如何將正弦尺的直線(xiàn)運動(dòng)精確地轉換為被測工件的回轉運動(dòng)的方式各不相同。這種機構在滾刀螺旋線(xiàn)測量上應用最為典型,例如,德國Fet te公司生產(chǎn)的UWM型滾刀測量?jì)x, Zeiss廠(chǎng)生產(chǎn)的萬(wàn)能滾刀測量?jì)x,前蘇聯(lián)ВНИИ設計的萬(wàn)能型滾刀測量?jì)x,意大利Samputensili廠(chǎng)的Su - 130型滾刀測量?jì)x,美國Michigan公司生產(chǎn)的萬(wàn)能滾刀測量?jì)x, Klingelnberg公司的PWF250/ 300 ,等等。

　　20世紀70年代以前,機械展成式測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟,并在生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)受了考驗。迄今,基于這些技術(shù)的儀器仍是一些工廠(chǎng)檢測齒輪的常用工具。但70年代以后,隨著(zhù)電子展成式測量技術(shù)的出現,機械展成式測量技術(shù)的發(fā)展宣告終結。

　　2　 齒輪整體誤差測量技術(shù)

　　1970年是齒輪測量技術(shù)的轉折點(diǎn)。齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機(中心)的出現解決了齒輪測量領(lǐng)域的一個(gè)難題,即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項技術(shù)雖然都基于現代光、機、電、計算機等技術(shù),但走上了不同的技術(shù)路線(xiàn)。齒輪整體誤差測量技術(shù)是從齒輪綜合測量中提取單項誤差和其他有用信息。1970年,我國在齒輪測量技術(shù)方面取得突破,發(fā)明了基于“跳牙”蝸桿的齒輪整體誤差測量原理。

　　經(jīng)過(guò)30多年的完善與推廣[11 ],這種起源于漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪測量的方法現已成為傳動(dòng)元件的運動(dòng)幾何測量法[12 ],采用的標準元件也從蝸桿擴展到齒輪、齒條等。其基本思想是,將被測對象作為一個(gè)剛性的功能元件或傳動(dòng)元件與另一標準元件作嚙合運動(dòng),通過(guò)測量嚙合運動(dòng)誤差來(lái)反求被測對象的誤差。其鮮明特點(diǎn)是:形象地反映齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程并精確地揭示了齒輪單項誤差的變化規律以及誤差間的關(guān)系,特別適合于齒輪工藝誤差分析和動(dòng)態(tài)性能預報。采用這種方法的儀器測量效率高,適用于大批量生產(chǎn)中的零件檢測和在線(xiàn)分選測量。但該方法需要標準元件并且測量精度不僅與測量?jì)x器相關(guān),更取決于標準元件的精度。典型儀器是成都工具研究所生產(chǎn)的CZ450齒輪整體誤差測量?jì)x、CSZ500錐齒輪測量機和CQB700擺線(xiàn)齒輪測量?jì)x。我國開(kāi)發(fā)的錐齒輪整體誤差測量技術(shù)的專(zhuān)利已經(jīng)賣(mài)到德國,德國也開(kāi)發(fā)了圓柱齒輪整體誤差測量技術(shù)及其儀器。

3 　CNC坐標測量技術(shù)

　　“坐標測量”是1959年夏季在法國巴黎召開(kāi)的國際機床博覽會(huì )上由英國Ferranti公司首先提出的。這一概念的提出是對傳統測量概念的重大突破,其重要意義在于把對測量概念的理解從單純的“比較”引伸到“模型化測量”的新領(lǐng)域,從而推動(dòng)了測量技術(shù)的蓬勃發(fā)展。對齒輪而言,從真正意義上講,坐標化測量始于70年代初;之后,基于各種坐標原理的齒輪測量技術(shù)一直是重要的研究課題。模型化坐標測量原理的實(shí)質(zhì)是將被測零件作為一個(gè)純幾何體(相對“運動(dòng)幾何法”而言) ,通過(guò)測量實(shí)際零件的坐標值(直角坐標、極坐標、圓柱坐標等) ,并與理想要素的數學(xué)模型作比較,從而確定相應的誤差。坐標測量法的特點(diǎn)是:通用性強,主機結構簡(jiǎn)單,可達到很高的測量精度。齒輪測量坐標法細分為直角坐標法、極坐標法和圓柱坐標法。實(shí)現坐標法有多種形式,如用萬(wàn)能工具顯微鏡與分度頭的組合也可以用來(lái)測量齒輪,顯然,這種靜態(tài)測量方式不僅效率低,而且測量精度得不到保證?，F代光電技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件工程、精密機械等技術(shù)的發(fā)展才真正為坐標測量法的優(yōu)越性提供了堅實(shí)的技術(shù)基礎。齒輪的CNC坐標測量技術(shù)起源于20世紀70年代的電子展成測量技術(shù)[13 ]。電子展成法是相對機械展成法而言的。所謂“電子展成”,即通過(guò)由計算機、控制器、伺服驅動(dòng)裝置及傳動(dòng)裝置組成的展成系統,取代機械展成法中的展成裝置,形成某種特定曲線(xiàn)軌跡(如螺旋線(xiàn)、齒廓線(xiàn)等)[14 ]。

　　20世紀70年代以來(lái),電子展成經(jīng)歷了從NC到CNC的發(fā)展過(guò)程。目前的CNC展成根據實(shí)際運動(dòng)軌跡可分為兩種,一種是展成系統形成一條非常標準的理論軌跡,測頭感受到的示值可直接作為被測齒輪的誤差。這種展成系統可由閉環(huán)控制系統或混合型(半閉環(huán))控制系統來(lái)完成。由于形成理論標準軌跡的系統相對復雜,因此實(shí)際應用中還有另一種驅動(dòng)系統,即開(kāi)環(huán)驅動(dòng)加誤差補償(即“粗傳動(dòng)+補償”)。由于計算機的計算誤差以及驅動(dòng)裝置與傳動(dòng)裝置等都存在誤差,開(kāi)環(huán)電子展成系統中測頭運動(dòng)軌跡不能直接作為測量基準,此時(shí),測頭示值中既有被測量的成份,也包含展成系統的誤差,因此,必須用位移檢測元件測出各相關(guān)運動(dòng)的實(shí)際位移量,再由計算機將實(shí)際位移量和測頭的示值進(jìn)行合成,補償展成系統的誤差,得到被測齒面上對應點(diǎn)的實(shí)際坐標;然后,計算機將實(shí)際坐標與被測量的理論模型進(jìn)行比較,才能得到被測量的誤差,這就是“非標準軌跡的電子展成法”[15 ]。電子展成法一般是按被測齒輪的理論方程進(jìn)行控制的。

　　90年代以后, CNC齒輪測量技術(shù)中出現了跟蹤測量法。它是按被測參數的實(shí)際值進(jìn)行控制的,可采用測頭跟蹤法和軸對軸跟蹤法。測頭跟蹤法是在測量過(guò)程中根據測頭的示值對相應坐標軸的測量位置進(jìn)行調節,達到測頭跟蹤被測齒面運動(dòng),實(shí)現對齒輪的測量。軸對軸跟蹤法是根據一根坐標軸的實(shí)際測量位置來(lái)調節其他坐標軸的位置,以完成測量工作。跟蹤測量法不僅可以減少控制調節環(huán)節,而且有較大的測量靈活性,適合參數未知曲面,或雖然理論方程已知但工件實(shí)際誤差超出測頭量程的情況。當然,跟蹤法的測量效率相對較低。CNC坐標測量技術(shù)在齒輪刀具、蝸輪蝸桿、錐齒輪、小模數齒輪、大齒輪和齒輪在線(xiàn)測量中也得到廣泛采用。70年代以來(lái),坐標測量法是齒輪測量技術(shù)的世界性主要潮流。

　　4 　 測量數據的處理與利用

　　在早期的齒輪測量中,人工讀指示表(如千分表等)獲取齒輪誤差,得到的是誤差幅值,僅僅能用來(lái)評判被檢項目合格與否;電動(dòng)記錄器的出現,靠人工讀曲線(xiàn),使工藝誤差分析成為可能;計算機的采用使自動(dòng)處理測量結果、分析工藝誤差并將分析結果反饋到加工系統進(jìn)而修正加工參數成為現實(shí)。集專(zhuān)家系統、知識工程于一體的齒輪誤差智能分析系統也開(kāi)始得到應用。迄今,在齒輪測量數據處理方面,廣泛使用的是最小二乘法,同時(shí)數字濾波技術(shù)也得到應用。雖然現代信號處理的一些方法已逐漸應用于齒輪測量數據處理中,但尚未實(shí)用化。

　　5 　 其他齒輪測量技術(shù)

　　進(jìn)入20世紀90年代,基于各種光學(xué)原理(特別是相移原理)的非接觸式齒輪測量技術(shù)得到了一定發(fā)展[16 ],這種可稱(chēng)為“并聯(lián)測量”的新方法代表著(zhù)齒輪測量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。