齿轮双面啮合多维测量理论及技术研究

论文摘要

齿轮应用有悠久的历史,但在现代工业中仍起着不可替代的作用。2007年全世界的齿轮产值是4200亿,中国齿轮行业的产值为890亿,其中车辆齿轮占三分之二。为确保齿轮质量,诸如美国的行业标准规定,应对成品齿轮进行100%的测量。虽然在计量室条件下齿轮测量是成熟的技术,但在生产现场的大批量检测中,如何快速获取齿轮的精度信息却是个难题。而之前,我国的研究与应用几乎是空白。目前世界上应用在生产现场的齿轮快速测量通常采用齿轮双面啮合测量原理,主要是其原理简单、测量效率高、对环境无严格要求、测量齿轮制作简便,能适应相对恶劣的生产现场环境而又能满足快速测量的要求。但是基于双面啮合测量所获得的径向综合偏差很难保证齿轮轴向精度是否合格,而齿轮轴向精度与齿轮寿命、振动和噪声是密切相关的。在保持了传统齿轮双面啮合测量优点的基础上,为获取齿轮轴向精度信息,本文对齿轮双面啮合多维测量理论及技术展开了研究,主要内容如下:(1)研究了齿轮双面啮合多维测量原理的实现方式,即在Gimbal机构上获取齿轮轴向精度信息。建立了齿轮双面啮合多维测量模型,分析系统动态特性,得出了固有频率、测量速度以及阻尼对系统响应的影响,为测量系统设计及选用合适的测量条件提供依据。(2)定义了齿轮轴向精度新指标:径向综合齿向倾斜偏差、一齿径向综合齿向倾斜偏差、径向综合齿向锥度偏差、一齿径向综合齿向锥度偏差,给出了各指标的评定方法。分析了新指标与齿轮工艺因素的关系,表明了设立这些新指标的必要性。(3)研制成功基于齿轮双面啮合多维测量原理的齿轮在线测量机:给出了总体方案、机械系统的主机及多维测量机构、控制系统的线路接口及实现功能的方法步骤以及测控软件系统的测量流程及界面。(4)给出了系统标定方法。标定需要用到工件标准齿轮、齿向特征齿轮、锥度特征齿轮;测量需要用到测量齿轮和特殊测量齿轮。本文设计出了这五种特征齿轮。(5)分析了测量不确定度:以径向综合齿向倾斜偏差的测量为例,从机械系统误差、标准量误差、信号处理与软件算法误差三方面计算标准不确定度,并进行合成以得到展伸不确定度。对本系统进行了试验研究:给出了系统精度检定的项目、要求、方法和检定数据;开展了静态精度试验,得到静态测量的重复性误差、传感器回零误差;进行了动态特性试验,测试系统在不同速度下传感器的输出,对测量数据进行FFT分析;进行了功能试验、重复性试验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 齿轮测量技术的发展
• 1.2 齿轮测量研究的前沿问题
• 1.3 齿轮双面啮合测量的研究现状
• 1.3.1 双面啮合测量的误差项目、测量原理及仪器
• 1.3.2 径向综合偏差的分析
• 1.3.3 双面啮合测量仪中的两个问题
• 1.3.4 齿轮双面啮合测量的发展趋势
• 1.4 齿轮快速测量的研究现状
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 第2章 齿轮双面啮合多维测量的基本理论
• 2.1 测量原理
• 2.2 误差项目定义及评定
• 2.2.1 原始测量参数
• 2.2.2 数据预处理
• 2.2.3 轴向精度新指标的定义及评定
• 2.2.4 其它误差项目的定义及评定
• 2.3 影响轴向精度的工艺因素
• 2.4 误差产生机理
• 2.4.1 径向综合齿向倾斜偏差的产生机理
• 2.4.2 径向综合齿向锥度偏差的产生机理
• 2.5 本章小结
• 第3章 齿轮双面啮合多维测量动态特性
• 3.1 测量模型
• 3.2 径向测量动态特性
• 3.2.1 径向幅频、相频特性
• 3.2.2 径向对单位阶跃输入的响应
• 3.2.3 径向对给定输入的响应
• 3.3 切向测量动态特性
• 3.3.1 切向幅频、相频特性
• 3.3.2 切向对单位阶跃输入的响应
• 3.3.3 切向对给定输入的响应
• 3.4 锥向测量动态特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于齿轮双面啮合多维测量原理的仪器研制
• 4.1 系统设计
• 4.1.1 功能要求
• 4.1.2 性能参数
• 4.1.3 检测能力
• 4.1.4 总体方案
• 4.1.5 工作原理
• 4.2 机械系统
• 4.2.1 主机结构
• 4.2.2 多维测量机构
• 4.3 控制系统
• 4.3.1 硬件框图
• 4.3.2 运动控制卡
• 4.3.3 伺服电机及驱动器
• 4.3.4 光栅传感器
• 4.3.5 数据采集板
• 4.4 测控软件系统
• 4.4.1 软件框图
• 4.4.2 数据结构
• 4.4.3 主测量流程
• 4.4.4 界面设计
• 4.5 标定方法
• 4.6 测量不确定度分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 特征齿轮设计
• 5.1 测量齿轮设计
• 5.1.1 设计要求
• 5.1.2 测量齿轮计算
• 5.1.3 测量齿轮验算
• 5.2 标定齿轮设计
• 5.2.1 工件标准齿轮
• 5.2.2 锥度特征齿轮
• 5.2.3 齿向特征齿轮
• 5.3 本章小结
• 第6章 齿轮在线测量机的试验研究
• 6.1 精度检定
• 6.1.1 机械系统精度检定
• 6.1.2 测控系统精度检定
• 6.2 静态精度试验
• 6.3 动态特性试验
• 6.3.1 径向试验
• 6.3.2 切向试验
• 6.3.3 锥向试验
• 6.4 功能试验
• 6.5 重复性试验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢