基准级渐开线测试理论与技术研究

论文摘要

齿轮是机械制造领域中重要的基础件与传动元件,它被广泛应用于现代工业中的各个方面。齿轮制造质量的提高取决于诸多方面,其中齿轮测试技术与仪器的精度是一个重要的因素。在渐开线圆柱齿轮若干精度指标中,齿形检验难度较大。当前渐开线齿形量仪的测量原理主要有标准曲线法、标准轨迹法、坐标法及基于激光测量技术的齿形测量方法等。上述方法目前最高只能测量GB/T1009.1-2001标准中的2级精度渐开线圆柱齿轮的齿形误差,无法胜任1级精度渐开线齿形的测量。本文针对1级精度渐开线齿形的测量展开研究。通过论证超精密渐开线齿形的最佳测量方法,认为基准级渐开线测量仪在现有渐开线量仪中具有最少的测量误差源,测量精度最高。文中设计制作了基准级渐开线测量仪测量支架机构,分析了无回差微位移传递杠杆的位移传递精度,并进行实验验证;采用机械补偿法对基圆盘、齿轮与芯轴组件进行配位安装,使组件偏心引起的测量误差最小;在分析测头位置偏差对渐开线齿形测量影响的基础上,提出了齿形角比较法与测点偏差试值补偿法用于基准级渐开线测量仪的测头位置调整,调整精度能满足1级精度渐开线齿形的测量要求;文中还对基圆盘与基准导尺间的弹性蠕滑问题进行了探讨,计算出基圆盘与基准导尺间的弹性蠕滑率。通过分析基准级渐开线测量仪所有测量误差源对渐开线齿形测量的影响,采用《测量不确定度评定与表示指南》（GUM）对仪器的测量不确定度进行评价,并与1级精度渐歼线齿廓总公差进行比较,得知仪器的测量精度能完全满足1级精度渐开线齿形的测量要求。由于GUM法评价仪器测量不确定度时,无法体现仪器部分作用误差间可能具有的相互抵消与补偿的关系,采用蒙特卡罗法对仪器的测量不确定度进行了分析,使评价结果更加接近真实值。本文还研制了测量数据采集与处理系统,并对齿形误差评价区间的选择、测量异常值处理,以及采样间隔的确定等问题进行了分析。根据对仪器测量误差源的分析,建立了相应的误差补偿模型,并对基圆盘直径偏差、基圆盘与齿轮组件的残余偏心补偿模型进行了验证。对部分误差源进行补偿后,基准级渐开线测量仪的测量精度有较大提高。最后,对1级精度渐开线圆柱齿轮齿形进行测量实验,并与中国计量院KlingelnbergP65齿轮测量中心进行量值比对。经比较当前各国家级计量单位齿形测量仪的测量不确定度,认为本文研制的基准级渐开线测量仪在现有渐开线齿形量仪中的测量精度最高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 齿轮测量技术与仪器的发展现状
• 1.1.1 齿轮测量技术的发展
• 1.1.2 齿轮测量技术与仪器分类
• 1.2 渐开线齿廓偏差测量技术与仪器
• 1.2.1 标准曲线法
• 1.2.2 标准轨迹法
• 1.2.3 坐标法
• 1.2.4 基于激光测量技术的齿廓测量方法
• 1.2.5 在机测量法
• 1.2.6 单面啮合整体测量法
• 1.3 本文的研究意义及内容
• 2 基准级渐开线测量方法与测量仪器研究
• 2.1 各种超精密渐开线齿廓量仪测量原理分析
• 2.2 基准级渐开线测量仪结构与测量原理
• 2.2.1 基准级渐开线测量仪组成
• 2.2.2 仪器测量原理
• 2.2.3 仪器驱动系统
• 2.3 超精密渐开线齿廓最佳测量原理的分析
• 2.4 测量支架机构设计与精度分析
• 2.4.1 测量支架设计
• 2.4.2 微位移传递杠杆传递精度分析
• 2.5 本章小结
• 3 基准级渐开线测量仪部分关键技术研究
• 3.1 基圆盘、齿轮及芯轴的精确配位与安装
• 3.2 测头位置调整方式的研究
• 3.2.1 延长渐开线与缩短渐开线
• 3.2.2 测头位置偏差引起的测量误差
• 3.2.3 测点位置调整方式
• 3.3 基圆盘与基准导尺间弹性蠕滑问题研究
• 3.3.1 弹性蠕滑机理
• 3.3.2 基圆盘与钢导尺间的弹性蠕滑率
• 3.3.3 基圆盘与花岗岩导尺间的弹性蠕滑
• 3.4 本章小结
• 4 基准级渐开线测量仪误差源分析与测量不确定度评定
• 4.1 测量误差源分析
• 4.1.1 影响生成标准渐开线轨迹的误差因素
• 4.1.2 影响被测渐开线齿廓在测量仪中位置精度的误差因素
• 4.1.3 其它误差
• 4.2 基准级渐开线测量仪测量不确定度评定
• 4.2.1 测量不确定度评定步骤
• 4.2.2 基于《测量不确定度评定与表示指南》评定测量仪的测量不确定度
• 4.3 基于蒙特卡罗方法评定仪器测量不确定度
• 4.3.1 蒙特卡罗方法简介
• 4.3.2 基准级渐开线测量仪测量不确定度评定模型
• 4.3.3 误差源模拟
• 4.4 两种测量不确定评定方法的比较
• 4.5 本章小结
• 5 测量数据采集与处理系统的研制
• 5.1 系统电路设计
• 5.2 系统软件设计
• 5.2.1 电机控制模块
• 5.2.2 数据采集与处理模块
• 5.2.3 齿廓误差评定区间选择
• 5.2.4 异常数据检验与剔除
• 5.2.5 三次样条函数拟合测量数据
• 5.2.6 测量误差补偿
• 5.2.7 齿廓偏差评定
• 5.2.8 测量采样间隔的确定
• 5.2.9 其它模块
• 5.3 本章小结
• 6 基准级渐开线测量仪主要测量误差源的补偿实验及量值比对分析
• 6.1 仪器主要误差源的误差补偿实验
• 6.1.1 基圆盘与芯轴的精确配位与装配实验
• 6.1.2 基圆盘直径误差补偿模型验证
• 6.1.3 基圆盘、齿轮与芯轴综合偏心误差补偿模型验证
• 6.1.4 部分误差源补偿后仪器测量不确定度的评定
• 6.2 基准级渐开线测量仪与其它渐开线测量仪间的量值比对
• 6.2.1 基准级渐开线测量仪与Klingelnberg P65齿轮测量中心的量值比对
• 6.2.2 基准级渐开线测量仪与其它渐开线量仪测量精度的比较
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢