探讨大齿轮测量现状与趋势

目前，大齿轮测量缺少相应的样板，所以即使开发了测量仪器，其量值传递也是个问题，导致测量不确定度无法确定，可以说测量的结果是不可信的。因此，大齿轮样板的开发及仪器标定技术也是大齿轮测量的关键技术之一。

大齿轮测量现状

在齿轮测量领域，大小齿轮的测量一直是技术难题，其中特大齿轮测量和微小齿轮测量属于“绝端测量范畴”。齿轮测量一般分为：以齿廓、螺旋线和齿距测量为基础的分析式测量(图2)；以综合测量(双面、单面啮合测量)为基础的功能式测量；将单项和综合集合于一体的齿轮整体误差测量。对大齿轮而言，主要采用分析式测量。大齿轮测量方法众多，依据齿轮测量时加工机床、被测齿轮和仪器的位置关系，可分为两类：齿轮离位测量和齿轮在位测量。

1.齿轮离位测量

齿轮离位测量是指测量时齿轮必须从加工机床上取下来搬到仪器上进行测量。测量仪器包括大型齿轮测量中心和大型三坐标测量机，这类台式仪器精度高、测量条件好，可测量齿轮的多个误差项目。用大型仪器测量大齿轮是一种“以大测大”的思路，即要测量大尺寸工件，就发展一种更大尺寸的测量仪器。

1）大型齿轮测量中心

大型齿轮测量中心是常规中、小型齿轮测量中心的“放大”。除了仪器结构做了相应改进外，测量原理也有所差异。中、小型齿轮测量中心一般采用电子展成测量，而大型齿轮测量中心是电子展成测量与极坐标测量的综合。中国、德国、美国和日本有多家齿轮量仪厂生产大型齿轮测量中心。例如我国哈量集团在2004年研制的齿轮测量中心3920，可测2m齿轮、模数1～32mm，最大工件质量为10t，采用电子展成测量原理。德国Klingelnberg公司针对大齿轮的测量研制了P150～P350系列齿轮测量中心(图3)，采用水平测量臂和水平式三维串联测头，齿廓测量一般采用电子展成的法向坐标测量原理；对展开长度大于仪器切向导轨行程的齿轮，采用极坐标测量原理。该系列仪器测量精度能满足ISO1328的3级齿轮测量要求，个别误差项目达到了2级。其中P350可测量工件最大直径3.8m，模数1～32mm，重量可达20t。另外，该公司针对风电齿轮测量的特殊性，研制了P150W～P350W系列齿轮测量中心，采用垂直测量臂和铅垂式三维并联窝装测头，更适合内齿圈、行星齿轮和太阳齿轮的测量。德国Wenzel公司的WGT系列齿轮测量中心也可用于大齿轮测量，其中WGT4000可测量外径4m大齿轮，最大承载重量可达30t。美国Gleason公司Sigma系列齿轮测量中心可测量齿轮最大直径3m，模数0.8～32mm，工件最大重量9t。Sigma系列齿轮测量中心配置了一套分析式测量软件GAMA，具有操作简单、过程可控及结果实时显示等特点，与同级别的仪器相比，测量可以节约一半的时间。

2）大型三坐标测量机

三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高、高精度测量系统，在工业生产与科学研究中，得到广泛应用。采用通用坐标测量机测量大齿轮是最近10年的研究重点，这种任务通常只有精密级坐标测量机才能满足测量精度要求。大型三坐标测量机也是从传统的中、小型三坐标测量机发展而来；迄今，世界上的一些知名量仪公司都开发了相应的大型三坐标测量机，用于解决大型工件的测量问题。如德国Leitz公司开发了可测量大齿轮的PMM-C、PMM-F和PMM-G等系列大型三坐标量机。其中PMM-G最具代表性(图4)，它是一种龙门式机构，最大空间测量范围为6000mm×4000mm×3000mm，可以测量齿轮种类繁多。对于分段加工的齿轮，PMM-G更具优势。如图5所示为应用PMM-G测量4段直径5m齿圈的方案。德国Wenzel公司生产了LH系列、LHF系列的大型坐标测量机，2008年还研发了一台超大型测量机LHF3020，其测量范围达到了3000mm×10000mm×2000mm，特别适合大齿轮的测量。德国Zeiss公司也针对大型工件生产MMZ系列大型龙门式坐标测量机，其中以MMZ-G3000的空间测量范围最大，为3000mm×6000mm×2000mm，仪器上配备了配备VAST主动扫描探头及测量风能系统部件的专用软件，可在生产车间使用。理论上讲，直径5m以下的大齿轮测量问题是得到解决了的；但实际中这些台式量仪一般安装在计量室而不适合安放在生产现场，由于大齿轮搬运不方便、在仪器上的安装调试也非常麻烦，加之仪器价格昂贵，影响了这类仪器的应用。针对台式量仪的局限性，将仪器置于齿轮上或在机床上对齿轮进行在位测量，就成了大齿轮测量的顺理选择。

2.齿轮在位测量

齿轮在位测量是指测量时把仪器装于齿轮之上或是加工机床上进行测量。根据国际标准化组织齿轮技术委员会(ISO/TC60)的相关规定，在位测量的含义包含两方面，一是在机测量，即在机床上对齿轮进行测量；二是上置式测量，即把测量装置搬到齿轮上测量。

1）在机测量系统

采用在机测量系统测量大齿轮时，不需要对被测齿轮进行吊装、找正等操作，省时省力、测量效率高。同时，免除了购置大型齿轮测量中心，可显著降低设备的投入成本。在机测量包括两类：独立在机测量和集成在机测量。前者是在机床旁增加了一套测量装置，齿轮的测量运动仍借助机床的机械系统，实现齿轮在机床上的测量。20世纪90年代以前的在机测量，主要采用这种形式。当前，一些老机床的技术改造也是这种形式。德国Klingelnberg公司曾开发一台专门测量齿距和跳动误差的独立在机仪器EVTM-D，其测量齿轮模数范围为1～40mm，最小工件外径为20mm，理论上对工件最大外径没有要求，但该仪器测量时，需要借助加工机床的旋转工作台带动被测齿轮连续慢速转动，两个测量触头则伸入到齿槽中进行测量。独立在机测量的主要问题是：测头定位精度低，测量精度不高；测量系统与机床数控系统没有集成，检测结果必须经过转换才能对齿轮加工参数进行调整。集成在机测量利用机床的控制系统、部分伺服运动轴及附加测量装置共同完成齿轮测量。国内外新一代大型数控齿轮机床，如滚齿机、磨齿机等，都带有集成在机测量机构，能实现齿廓、螺旋线和齿距测量。这些机载齿轮测量装置将测量系统和机床数控系统集成为一体，测量信息处理后能反馈至机床，及时修正加工参数。我国的秦川机床工具集团有限公司在YK7380等型号磨床上配备了随机测量系统，用于工件的调整和测量。德国Kapp公司生产的ZP08~ZP60系列磨床上配备了测头系统(图6)，可对加工中的齿轮进行现场测量。德国Hfler公司生产的RAPID2500～RAPID6000系列磨齿机上均集成了三维测头系统，可以测量齿廓的三维拓扑误差。大齿轮在机测量存在一个测量方法问题：测量齿廓偏差时，由于机床切向的最大行程比较小，无法采用基圆展成的法向极坐标法，为此，通常也采用直角坐标测量齿廓偏差。另外，在机测量精度严重依赖机床的原始精度。这存在一个所谓的“自己测自己”的问题，即测量结果不能反映机床系统误差的影响。因此，在机测量系统的测量误差修正是关键所在。