1 引言

      大型齒輪通（tōng）常指直徑大、模數大的齒輪（lún）[1]，它廣泛應用於交（jiāo）通、冶金、采礦、機車等設備以及航天（tiān）、火箭、導彈發射等部門，其重要（yào）性不言而喻。目前（qián）世界上大型齒輪製造技（jì）術在不斷提高，品種和規格在逐漸（jiàn）擴大。而齒輪的精度不僅取決於齒（chǐ）輪的設（shè）計（jì）加工，也取決於齒輪誤差（chà）的（de）測量分析。目前，對於小（xiǎo）於2.5m 的齒輪的測量（liàng）技（jì）術已經非常成熟，以齒輪測（cè）量機為主導的各種測量儀器幾（jǐ）乎（hū）完成了該（gāi）直徑範圍（wéi）內齒輪所有誤差項目的精密測量，而國內對直徑超過2.5m 的大型齒（chǐ）輪的精度測量技術還不夠成熟。因此，大型齒（chǐ）輪（lún）的關鍵環節。另外，為了保證大型齒輪的精度，通常采用磨削加（jiā）工作（zuò）為（wéi）齒輪的精加工，和其他齒（chǐ）輪精加工方法相（xiàng）比較（jiào）而言，磨齒對齒輪預加工時產生的（de）誤差糾正能力較強[2]，而且能夠加工淬硬的（de）齒輪，其加工精度也較其他方（fāng）法高得多。基於這種（zhǒng）情況提出了檢測與磨削加工同步進行的方法。

      2 在線檢測係統總體方案

      齒輪測量技術的發展已近百（bǎi）年[3]，在線檢測技術的應用成為（wéi）近年來機械加工過（guò）程中一大趨勢（shì），因其可以在不（bú）影響其他操作（zuò）的情況下，完成所需參數的測量和控製，實時對工作過程的某些參數進行監測，並且將測量結果進行分析處理後與理論參數進行比較，由此作為工藝決策的依據，該技術可以極有效（xiào）地保證被加工零件的質量（liàng），確保機床設備處（chù）於正常運行狀態。

      在線檢測係統的組成包括機械結構、硬件平台的（de）搭建（jiàn）以（yǐ）及軟件係統的開發。采用旁置式測量方（fāng）式（shì）[4]，在數控磨齒機上設計一個測量裝置，采用直線導軌和滾珠絲杠傳動，通過硬（yìng）件電路控製該（gāi）裝置按（àn）照測量要求（qiú）的軌跡進行運（yùn）動，同時齒輪能（néng）夠繞其中心軸進（jìn）行驅動，可以控製各傳動（dòng）軸聯動完（wán）成測量過程。測量裝（zhuāng）置和被測量齒輪的（de）位移（yí）信息可以由位置檢測元件進（jìn）行記錄和反饋，反饋信息傳（chuán）送至上位機，並由上位（wèi）機進（jìn）行處理分析，對齒輪誤差進行求解和評價，測（cè）量結果可（kě）以由打印機輸出測量報告。係統的總（zǒng）體結構示意圖，如圖1 所示。測量（liàng）原理示意圖，如圖2 所示。

      3 校正測量過程

      成形法磨齒的精度，主要取決於成（chéng）形砂輪的修整精（jīng）度和機床的分齒精度[5]。由於存在分度誤差及刀具的安裝誤差，要提高加工精度必須解決分度誤差（chà）以及道具安裝誤差。這種方法特別（bié）適合於大型齒輪（lún）的（de）測量。因此，為保證測量精度（dù）以（yǐ）及加工精度，在此之（zhī）前，必須進行齒輪（lún）對中，即保證砂輪進給必須在齒槽的中心線（xiàn）上。對被測齒輪（lún）的（de）參（cān）數計算都是基於（yú）齒（chǐ）輪坐標係，而測量得到的數（shù）據都是基於測頭坐標係，因（yīn）此，必須（xū）要經過坐（zuò）標變換才能進（jìn）行計算。忽（hū）略z 軸移動得到兩坐標係經過平移變換以及旋轉變得到變化矩陣為：

      理論（lùn）坐（zuò）標（biāo）值（x，y）與測量（liàng）坐標值之間（x1，y1）的關係為：

      進（jìn）行校正測量時在齒寬中（zhōng）部附近（jìn）垂（chuí）直於齒輪回轉（zhuǎn）軸線的平（píng）麵上進行，測頭的運動軌跡平行於齒輪的回轉軸，位置在被測齒（chǐ）輪的（de）分度圓附近[6]。在測量過程中上得到兩點A（x1，y1，z1），B（x2， y2，z2），其中，A 點所在圓半徑R1，B 點所（suǒ）在圓半徑R2，且有Z1=Z2，坐標A、B 分別位於半徑為R1、R2 的圓上：

      代入A、B 點（diǎn）坐標值，可得到R1 和R2 的確定值（zhí），經比較：

      若是R1>R2，可將（jiāng）分（fèn）度盤逆時針微動α1；若是（shì）R1<R2，可將（jiāng）分度（dù）盤順時（shí）針微動（dòng）α2。

      微動角度ε 的（de）計算（suàn）如下。

      如圖3 所示，測頭隨沿工作台平移，理論移動軌跡為AC 部分（fèn），實際上因為工作台分度以及齒輪（lún）在安裝過程中存在（zài）誤差，測頭開（kāi）始位置一般不會準確位於齒槽間隙中間線，所以開始測量時，需（xū）要在實（shí）際測量之前需要（yào）對齒輪進行對中調試，調試過程如下（xià）：假設齒輪初始位（wèi）置，如圖3 所示。在這個位置時，測頭運動軌跡為AB，現（xiàn）在根據測頭測量數據對齒輪進行調整，根據A、B 兩點的坐標可得到∠OAB 和∠OBA，計算如下：

      式中： S-AB長度；R1、R2-點A、B 所在（zài）圓的半徑；α、β-角∠OAB和∠OBA 的值。

      若齒輪位於正確位置，那麽α 和β 應該相等，實際上，由於安裝調試（shì）存在誤差，有（yǒu）以下兩（liǎng）種情況：

      當α 小於β 時，齒輪逆時針（zhēn）旋轉角度為α，其大（dà）小為：

ε1 =（β-α）/2

      同（tóng）理當（dāng）α 大（dà）於β 時，齒輪順時針旋轉α，其大小為：

ε2 =（α-β）/2

      所以，當兩角度值不相等時，齒（chǐ）輪（lún）應旋（xuán）轉值大小為：

ε=（β-α） /2

      比較α 和β 值大小可確（què）定齒輪旋轉方向。在（zài）實際測（cè）量過程中，要在分（fèn）度（dù）圓上下至少取兩個坐標點（diǎn）；並調整（zhěng）參數z，在不同z值下得出多個坐標點，綜合計算以更加精準確定旋轉角度。

      4 校正軟件程序設計

      在完成基本的測量功能和硬件的基礎上，軟件（jiàn）程（chéng）序設計采用（yòng）模塊化結構[7]，主要功能包括被測齒輪的基本參數設置，計算分析參數，采集角度數據並計算，評定齒輪位置（zhì）是否對（duì）中等模塊（kuài）。係統（tǒng）初始化完成後，提示（shì）輸入所需齒（chǐ）輪參數，程序根據參數計算測頭運動位（wèi）移坐標，采集坐標點進行角度計算，最終完成校正砂（shā）輪位置，返回（huí）開始進（jìn）行測量。程（chéng）序流程，如圖4 所示。

      5 結論

      主要介紹了大型齒輪在線檢測係統，並針對大型齒輪加工中測量不便，誤差較（jiào）多的（de）問題（tí），具體闡述了（le）測（cè）量原（yuán）理和以及校正計（jì）算方法（fǎ）。在線檢測是齒（chǐ）輪製造業一個重要的發展趨勢（shì），係統設計結構（gòu）簡單，操作方便，實現了將加工過程（chéng）和測量過程的交叉進行，齒（chǐ）輪加工的一道（dào）工序完（wán）成後，齒輪不（bú）必拆卸即可對其（qí）進行在線測量（liàng），將（jiāng）加工和測量兩個過程結合一起，構建（jiàn）齒輪製造的閉（bì）環控製係統，減少了（le）大型齒輪加工時安（ān）裝定位誤差（chà），從而提高了齒輪加工效率和精（jīng）度，對於大型齒輪尤（yóu）其是大型精密齒（chǐ）輪的加（jiā）工來說是一種高效的測量手段。