平面包络环面蜗杆制造误差检测分析系统研究.pdf

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1、 中文摘要 I 摘 要 平面包络环面蜗杆传动副具有多齿接触、承载能力高、润滑效果好及使用寿 命长等优点，在航空航天、船舶航海、矿山冶金、道路交通等领域得到了广泛的 应用。但是由于平面包络环面蜗杆齿面为复杂的空间曲面，一直缺乏齿面误差检 测，严重制约了平面包络环面蜗杆制造精度的提高及该蜗杆传动的进一步推广和 应用。针对这一问题，本文着重从平面包络环面蜗杆齿面几何学出发，深入系统 研究并提出了该蜗杆齿面的误差检测原理与方法、误差溯源及修正加工技术，并 与有关单位合作，首次研制成功一台平面包络环面蜗杆误差检测分析仪器，并进 行了误差检测试验，验证了测量原理、方法等的正确性。对于平面包络环面蜗杆 制造

2、精度检测分析技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。论文的主要工作 可概括如下： 应用微分几何及空间啮合原理，推导了平面包络环面蜗杆齿面方程，分析了 平面包络环面蜗杆的齿廓、螺旋线、齿厚及螺旋升角等几何特性，为后续研究工 作奠定了理论基础。 在蜗杆传动的使用要求基础上，分析平面包络环面蜗杆精度相关标准和平面 包络环面蜗杆误差项目的定义，提出符合平面包络环面蜗杆齿面特点和误差定义 的测量原理，并给出了测量装置的结构方案，研究测头半径的误差补偿方法及测 量关键技术等，为测量系统的研发奠定了理论基础。 在分析平面包络环面蜗杆齿面在制造过程中误差产生原因的基础上，建立含 制造误差的齿面方程及环面螺旋线

3、方程，给出螺旋线误差的定义，分析各项制造 误差对螺旋线误差的影响规律，结合遗传算法研究了平面包络环面蜗杆齿面制造 误差的溯源方法。 在平面包络环面蜗杆齿面测量原理和方法、检测仪设计方案、加工调整参数 误差诊断原理和方法的研究的基础上，进行了计算分析软件设计，最终形成了平 面包络环面蜗杆误差检测分析系统。 为了验证前述平面包络环面蜗杆齿面误差检测原理及其误差溯源和修正加工 方法的正确性，设计制造平面包络环面蜗杆样件，检测样件蜗杆齿面的螺旋线误 差，并对样件蜗杆进行误差溯源计算和修正加工实验，验证了上述理论的正确性。 关键词关键词：平面包络环面蜗杆；齿面几何学；误差检测；误差溯源；修正加工 重庆大

4、学博士学位论文 II 英文摘要 III ABSTRACT The planar enveloping hourglass worm drive is characterized with multi-tooth line contact, high-load carrying capacity, good lubrication condition and long service life, which is widely applied in the fields of aerospace, ship navigation, metallurgy mine and road transpo

5、rt industry. However, because of the lower precision and no feasible detecting instrument, it seriously restricts the development and application of planar enveloping hourglass worm drive. Aiming at those problems, the paper researched the testing theory of tooth profile error, error trace-to-source

6、 and correction processing and experimental verification. And cooperating with the relevant companies, the first error-detection instrument of tooth surface was successfully developed for planar enveloping hourglass worm drive, which verifies the validity of the measurement principle and method. It

7、has important theoretical significance and practical value of developing manufacturing precision testing technologies of planar enveloping hourglass worm drive. The prime content of the paper may summarize as follows: Based on the theory of differential geometry, the tooth profile equation of planar

8、 enveloping hourglass worm was deduced. Geometric features of planar enveloping hourglass worm such as the tooth profile, hourglass spiral, tooth thickness and helix angle were researched, which laid the foundation for further work. According to the using requirements of the worm drive, the related

9、precision standards of planar enveloping hourglass worm were analyzed and the error object was defined. The testing theory and the testing method were developed, which were according with the tooth thickness requirement and the error definition. The structure scheme of measurement device and the pro

10、be radius error compensation method were investigated, which established the theoretical basis for research and development of measurement system. In analyzing the error cause reasons on planar enveloping hourglass worm tooth surface during the manufacturing process, the tooth surface equation with

11、manufacturing errors and the hourglass spiral equation with manufacturing errors are established. The definition of hourglass spiral error was given. The variety laws of the hourglass spiral error with various kinds manufacturing errors were analyzed. Combined with genetic algorithm, the error trace

12、-to-source method of tooth surface manufacturing error for planar enveloping hourglass worm was developed. 重庆大学博士学位论文 IV Based on the research of tooth surface testing principle and method, and the processing parameters of error diagnosis principle and method, the key technologies of error detection

13、 analysis system were analyzed, and related software were designed. In order to verify the correctness of the tooth surface error detection method, the error trace-to-source and the error correction processing were researched. The sample of planar enveloping hourglass worm was designed and manufactu

14、red. Hourglass spiral error of sample worm tooth surface was tested. Through calculating error trace-to-source and experimenting correction processing, it verified that the correctness of the theory mentioned above . Key words: Planar enveloping hourglass worm; Tooth surface geometry; Error detectio

15、n. Error trace-to-source; Correction processing 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要 I 英文摘要英文摘要 . III 1 绪论绪论 1 1.1 问题的提出及研究的意义问题的提出及研究的意义 . 1 1.2 蜗杆测量技术的发展蜗杆测量技术的发展 . 3 1.2.1 比较测量技术 4 1.2.2 啮合运动测量技术 6 1.2.3 坐标测量技术 7 1.3 蜗杆制造误差补偿技术的发展蜗杆制造误差补偿技术的发展 . 9 1.4 本文的主要研究工作本文的主要研究工作 . 10 2 平面包络环面蜗杆齿面几何学平面包络环面蜗杆齿面几何学 . 11 2.1 引

16、言引言 . 11 2.2 平面包络环面蜗杆包络过程平面包络环面蜗杆包络过程 . 11 2.2.1 蜗杆齿面形成原理 11 2.2.2 标架设置及其变换 12 2.2.3 啮合方程 16 2.3 平面包络环面蜗杆齿面几何特性平面包络环面蜗杆齿面几何特性 . 17 2.3.1 理论蜗杆齿面方程 17 2.3.2 蜗杆齿面上的非工作区和根切判别 18 2.3.3 理论蜗杆螺旋线及其螺旋升角 22 2.3.4 理论蜗杆齿廓及齿厚 25 2.4 本章小结本章小结 . 31 3 平面包络环面蜗杆几何误差测量原理和方法平面包络环面蜗杆几何误差测量原理和方法 . 33 3.1 引言引言 . 33 3.2 平面

17、包络环面蜗杆几何误差平面包络环面蜗杆几何误差 . 33 3.2.1 平面包络环面蜗杆的精度标准 33 3.2.2 平面包络环面蜗杆误差项目及特点 34 3.3 平面包络环面蜗杆齿面测量原理平面包络环面蜗杆齿面测量原理 . 37 3.4 平面包络环面蜗杆齿面测量装置平面包络环面蜗杆齿面测量装置 . 38 3.4.1 测量装置的转台随动方案 38 3.4.2 测量装置的硬件结构方案 40 重庆大学博士学位论文 VI 3.4.3 测量装置的坐标系 42 3.4.4 测量装置的电气控制方案 42 3.4.5 测量装置的信号采集与处理基本原理 43 3.5 球形测头半径补偿和测头运动位置坐标计算球形测头

18、半径补偿和测头运动位置坐标计算 . 44 3.5.1 球形测头半径补偿方法 44 3.5.2 测头运动位置坐标计算方法 48 3.6 本章小结本章小结 . 49 4 平面包络环面蜗杆齿面制造误差分析及溯源技术平面包络环面蜗杆齿面制造误差分析及溯源技术. 51 4.1 引言 . 51 4.2 含安装调整参数误差的蜗杆齿面方程含安装调整参数误差的蜗杆齿面方程 . 51 4.2.1 机床工具安装调整过程及调整误差 51 4.2.2 标架设置及其变换 53 4.2.3 含安装调整参数误差的啮合方程 57 4.2.4 含安装调整参数误差的蜗杆齿面方程 58 4.3 螺旋线误差计算方法螺旋线误差计算方法

19、. 58 4.4 机床工具调整参数误差对蜗杆螺旋线误差的影响机床工具调整参数误差对蜗杆螺旋线误差的影响 . 60 4.4.1 中心距误差影响 60 4.4.2 蜗杆轴线安装歪斜误差影响 61 4.4.3 蜗杆轴向位置误差影响 62 4.4.4 母平面倾角误差影响 63 4.4.5 主基圆半径误差影响 64 4.5 蜗杆齿面制造误差溯源研究蜗杆齿面制造误差溯源研究 . 65 4.5.1 误差溯源原理 65 4.5.2 遗传算法简介 65 4.5.3 溯源流程 67 4.5.4 实例分析 68 4.6 本章小结本章小结 . 70 5 平面包络环面蜗杆误差检测分析系统平面包络环面蜗杆误差检测分析系统

20、 . 71 5.1 引言引言 . 71 5.2 平面包络环面蜗杆误差检测系统结构和功能平面包络环面蜗杆误差检测系统结构和功能 . 71 5.3 测量装置测量装置 . 72 5.4 计算分析软件设计计算分析软件设计 . 73 5.4.1 MATLAB 简介 . 73 5.4.2 计算分析软件设计流程 74 目 录 VII 5.4.3 计算分析软件设计 74 5.5 本章小结本章小结 . 76 6 误差检测分析与修正加工实验误差检测分析与修正加工实验 . 77 6.1 引言引言 . 77 6.2 样件蜗杆的设计制造样件蜗杆的设计制造 . 77 6.3 齿面误差测量齿面误差测量 . 78 6.3.1

21、 测量装置和被测蜗杆的安装与校准 78 6.3.2 齿面测量 82 6.4 螺旋线误差分析螺旋线误差分析 . 84 6.5 误差溯源及修正加工误差溯源及修正加工 . 85 6.6 本章小结本章小结 . 88 7 结论及展望结论及展望 . 89 7.1 主要结论主要结论 . 89 7.2 主要创新点主要创新点 . 89 7.3 后续研究工作的展望后续研究工作的展望 . 90 致致 谢谢 . 91 参考文献参考文献 . 93 附附 录录 . 101 A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录作者在攻读博士学位期间发表的论文目录 101 B. 作者在攻读博士学作者在攻读博士学位期间参加的科研项目位期

22、间参加的科研项目 101 C. 作者在作者在攻读博士攻读博士学位学位期间参与编写的论著期间参与编写的论著 102 D. 作者在攻读博士学位期间授权的发明专利作者在攻读博士学位期间授权的发明专利 102 重庆大学博士学位论文 VIII 1 绪 论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究的意义 平面包络环面蜗杆传动1, 2由于具有多齿接触、蜗杆可用平面砂轮合理磨削、 承载能力高、润滑效果好及使用寿命长等优点而在现代工业中得以广泛应用。平 面包络环面蜗杆传动可分为平面一次包络环面蜗杆传动和平面二次包络环面蜗杆 传动，前者又包括正平面一次包络环面蜗杆传动3、斜平面一次包络环面蜗杆传动 4以及本论文指导

23、教师张光辉教授提出的侧隙可调式平面一次包络环面蜗杆传动5 等形式。 正平面一次包络环面蜗杆传动3是 1922 年由美国齿轮学者威尔德哈卜（E. Wildharber）发明的，所以也称之为“威氏蜗杆传动” 。这种传动的蜗轮是一个以 直线为齿廓的正齿轮，齿面是与蜗轮轴线平行的正平面；蜗杆是一包围着蜗轮的 环面蜗杆，其齿面是以上述蜗轮齿平面作为母面，按蜗轮与蜗杆的啮合关系作展 成运动形成的包络面。该传动的特点是：蜗杆与蜗轮同时啮合的齿数多；蜗杆齿 面可以淬火合理磨削；蜗轮齿面为正平面，齿廓为直线，易于精确加工因此可望 精密制造。该传动适用于大传动比分度机构。 斜平面一次包络环面蜗杆传动4，顾名思义，

24、蜗轮齿面是与蜗轮轴线以一定的 倾斜角 斜交的斜平面，它是 1955 年由日本东京工业大学佐藤申一教授在肯定威 氏蜗杆的可磨削性能的基础上，针对威氏蜗杆不适于较小传动比、无法适应动力 传动的需要而改进提出的。该传动的蜗杆同样可以淬火并用平面砂轮精确磨削， 蜗轮可用精密分度盘单齿分度加工，易于精密制造。加之其承载能力远比圆柱蜗 杆传动高，属于重载蜗杆之列。 自从六十年代我国应用美国威氏蜗杆传动开始，至今已有近五十年的历史了。 五十年来，我国在平面包络环面蜗杆传动方面经历了一个从引进消化到自主创新 的漫长历史，并为之作出了重大贡献。 本论文指导教师张光辉教授于 1974 年因参编机械工程手册包络蜗杆

25、章节 到首钢机械厂收集资料，得悉该厂七十年代初曾为北京电视大楼电梯曳引机直廓 环面蜗杆副研制代用配件时，制造了一套平面一次包络环面蜗杆蜗轮副，并特意 按蜗杆制作了一把“滚刀” ，将平面蜗轮反包络滚切了一下。张光辉教授发现该做 法具有二次包络的思想，立即向冶金部建议与首钢机械厂合作开展关于平面二次 包络环面蜗杆传动的研究，并获得批准。1975 年冶金部正式下文并下拨给重庆大 学专项科研经费 5 万元， 开创了我国关于平面二次包络环面蜗杆传动的研究。 1977 年 3 月冶金部在北京举行“新型蜗轮副经验交流会” ，发表了重庆大学和首钢机械 重庆大学博士学位论文 2 厂 1976 年合写的论文新型弧

26、面蜗杆（平面二次包络弧面蜗杆）传动10，宣告 了这种新型传动诞生。会上冶金部将其命名为“SG-71 型蜗轮副” 。1978 年全国科 学大会上该项成果作为合作研究成果，重庆大学和首钢同获大会奖，张光辉和首 钢工人张德华同时出席大会并同获“全国先进科技工作者”称号。1980 年该项技 术由首钢单方申请获国家二等发明奖。该传动综合了世界著名的德国“CAVEX” 圆柱蜗杆传动和美国“Cone Drive”环面蜗杆传动的优点，蜗杆齿面经淬火后磨削 而成，具有瞬时双线接触、多齿同时啮合、接触点法向速度和综合曲率半径大、 齿面精度高、润滑性能好、接触应力小等特点。被迅速推广应用于冶金轧钢机械 等，成功解决

27、了太钢 2300 冷轧机压下装置中心距 1200 毫米、攀钢 1450 半连轧机 和重钢 2450 轧机中心距 900 毫米等大型蜗轮及 33 潜艇舵机、 33、 035 潜艇锚绞机、 051 导弹驱逐舰主力炮三机系统等多项蜗轮难题，产生了巨大经济效益和社会效 益。重庆大学因此于 1985 年获得国家科技进步三等奖。有关该传动应用基础及应 用技术的研究包括啮合分析数值化解、传动参数分析与优化设计、蜗轮强度的弹 性有限元分析及实验、该传动通用减速器的系列化设计及 CAD、蜗杆数控磨床、 蜗杆磨削新方法等。80 年代，重庆大学继续坚持开展全方位的系统研究，并将其 应用于解决电解铝厂多功能天车。90

28、 年代进一步推广应用于建筑升降机械、石油 机械、水泥车、高架轻轨工程等领域。目前，平面二次包络环面蜗杆传动的相关 国家标准和机械部标准（包括精度标准 GB/T 16445-1996平面二次包络环面蜗杆 传动精度97）相继颁布，并广泛被载入了各种设计手册，各设计部门竞相采用， 生产该蜗杆减速器的大大小小的工厂星罗棋布，产品应用面十分宽广。然而由于 至今仍没有检测分析平面包络环面蜗杆制造精度的成套技术，生产厂家只能靠蜗 轮与蜗杆配对滚动后观察蜗杆和蜗轮齿面的接触斑点来判断制造质量11。这种方 法虽然能在一定程度上控制蜗轮副的啮合质量，但主要依靠检验人员的经验判断， 而且检测结果对于分析误差来源和提

29、高制造精度的指导作用不大。这一现状极大 影响了平面二次包络环面蜗杆副的生产和质量。 针对平面二次包络环面蜗杆传动的蜗轮滚刀只能手工铲背、高精度蜗轮副的 制造相当困难且齿侧间隙无法调整和补偿等问题，张光辉教授于 1999 年发明提出 了侧隙可调式平面包络环面蜗杆传动5-9 (专利号 ZL 99 1 17383.X)。该传动的蜗轮 轮齿的两侧齿平面倾角 右左 ，轮齿沿轴向呈楔形，且左右两侧齿面的接触线都 落在轮齿偏薄的半边，因而通过蜗轮的轴向移位可以实现齿侧间隙的合理调整。 该传动是一种新型精密动力蜗杆传动，它是对美国威氏蜗杆的又一次重大发展， 既保留了平面一次包络环面蜗杆在承载能力和精密制造方面

30、的优点，同时又克服 了威氏蜗杆难以调整侧隙、补偿蜗轮齿面磨损减薄量的缺点，在工程上根本解决 了蜗杆传动长期存在的“高精度低性能”或“高性能低精度”的问题。在齿轮机 1 绪 论 3 床、数控系统、火炮、电梯曳引机、跟踪随动系统等行业中用作高性能、精密、 微侧隙的传动机构，有着广阔的应用前景。该新型传动已获得国家发明专利，目 前已被相关单位决定采用于空间技术、精密压力机和电梯曳引机，使平面包络环 面蜗杆进入了精密传动领域。作为精密蜗杆传动，其制造精度再也不可能仅靠观 察齿面接触斑点来判断，因此平面包络环面蜗杆的制造误差检查和分析已成为发 展我国自主创新的平面包络环面蜗杆传动技术产品亟待解决的问题，

31、对侧隙可调 式平面包络环面蜗杆精密传动而言，它甚至已成为该传动能否被应用的技术关键。 分析平面包络环面蜗杆目前缺乏可推广应用的精度检查技术和仪器的原因主 要有两个。原因一是，蜗杆几何形状比较复杂2,68。平面包络环面蜗杆齿面是以与 基圆柱相切的正平面（=0）或与基圆锥相切的斜平面（0）作为工具母面，按 一定的相对运动关系在蜗杆坯件上包络展成的螺旋面，是一个不等距变径空间螺 线的直纹渐开螺面，蜗杆的一侧齿面在任意方向的截面中不存在相同的齿形。从 齿向看，在一侧齿面与任意圆环面的交线即任意一条螺旋线上，各点的螺旋升角 处处不等，齿距也处处不等。从齿厚看，在特定唯一轴截面中，其两侧轴向齿廓 对称并且

32、齿厚对称相等，离开该特定截面的任何截面中，不存在任何相等的齿厚。 而且上述各种几何特征值均与传动的诸多参数有关。因此，平面包络环面蜗杆齿 部制造精度的检测和分析是一个非常复杂的问题。原因二是，要完成这样一套检 测、分析技术的研究，需要综合应用齿轮啮合理论、蜗杆制造工艺知识、误差理 论、计算机软硬件技术、光机电技术等，存在一定的难度。 为了适应该传动生产发展的形势，研究解决该类蜗杆制造误差的检测与分析 是保证产品质量的关键，也是当务之急。本课题旨在对平面包络环面蜗杆制造误 差检测分析技术展开深入系统的研究，得出一套适用于工厂、高校和研究单位的、 能够检测分析环面蜗杆误差并能进行误差溯源的技术方法

33、和手段。该项技术将不 但可以应用于平面包络环面蜗杆，而且通过配备不同的软硬件，便可应用于直廓 环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆等其它类型的环面蜗杆的检测分析中。该项研究具 有重要的理论意义和工程实用价值。 1.2 蜗杆测量技术的发展 蜗杆测量技术属于齿轮测量技术的范畴。随着齿轮测量技术的发展，蜗杆测 量技术经历了从“比较测量”发展到“啮合运动测量”再到“坐标测量”的发展， 测量手段也从“以机械为主”发展到“机电结合”再到“机电”与“信息技术” 集成，在测量结果的表述与利用方面则实现了从“指示表加肉眼读取”到“记录 器记录加人工研判”直至“计算机自动分析”的飞跃12,90。 重庆大学博士学位论文 4

34、1.2.1 比较测量技术 在 70 年代以前，蜗杆螺旋线误差测量的原理主要以比较测量为主。比较测量 的实质是相对测量。具体方法有直接比较法和展成测量法两种： 直接比较法 将被测蜗杆与一标准蜗杆进行实物比较，从而得到螺旋线误差。螺旋线的直 接比较测量技术起源于上世纪 30 年代，其实现方式有并联式和串联式两种13,115。 并联式蜗杆螺旋线测量原理如图 1.1 所示。测量蜗杆(标准元件)和被测蜗杆安 装在位于同一水平面内的顶尖之间，并可随滑板作直线运动，定位测头和测头分 别与测量蜗杆和被测蜗杆的齿面中部相接触。调整千分表对零，当转动手轮时， 测量蜗杆与被测蜗杆同步转动，保持测量蜗杆与定位测头的接

35、触，使滑板作直线 运动，这时即可从千分表上读出被测蜗杆的螺旋线误差。 滑板 测头 指示表 被测蜗杆 手轮 测量蜗杆 定位测头 图 1.1 并联式螺旋线测量原理 Fig.1.1 Measure theory of parallel Helical line 串联式螺旋线测量原理如图 1.2 所示。定位测头和测头分别与测量蜗杆(标准 元件)和被测蜗杆的相应点接触，当转动手轮并使滑板作直线运动时，可从千分表 上读出螺旋线误差。该仪器结构符合阿贝原则，因此比并联式测量方式精密一些， 缺点是仪器长度较长。 1 绪 论 5 被测蜗杆 测量蜗杆 测量心轴 定位测头 测头 滑板 指示表 手轮 图 1.2 串联

36、式螺旋线测量原理 Fig.1.2 Tandem theory of parallel Helical line 无论是并联式还是串联式，直接比较法测量的关键都在于标准蜗杆的制造精 度，而标准蜗杆的制造成本较高，因此直接比较法一般只适用于测量精度较低的 蜗杆。 展成测量法 由仪器的运动机构形成标准特征线，与被测蜗杆的实际特征线作比较，来确 定相应的误差。而形成标准特征线的精确的展成运动依靠精密机构来实现。 从上世纪 20 年代至 60 年代末，机械展成式测量技术得到了深入的研究。标 准螺旋线轨迹的展成是靠精密机构来实现的，50 年代初采用的杠杆加钢带圆盘及 类似车床的齿轮加丝杠等形式，到 60

37、年代逐步被正弦尺等形式代替，例如美国 Michigan 公司生产的万能滚刀测量仪、德国 Zeiss 厂生产的万能滚刀测量仪以及 Klingeinberg 公司生产的 PWF250/300，都采用了正弦尺原理。 图 1.3为国产 GDY-250 滚刀万能检查仪的测量原理示意图，其标准传动链由直 尺基圆盘和正弦机构建立形成。机械式展成测量法的主要缺点是，测量精度依赖 于展成机构的精度，机械结构复杂，柔性较差。 上世纪 70 年代以后，电子展成式测量技术13的出现宣告机械展成式测量技术 发展的终结。所谓电子展成，就是通过数控装置、伺服驱动装置、传动装置及位 置检测装置组成电子展成系统，取代机械展成系

38、统。与机械展成法相比，电子展 成法具有结构简单、精度高、精度保持性好、软件改变参数等优点。 螺旋齿面的 CNC 测量技术就起源于电子展成测量技术。目前的 CNC 展成可 以分为两种：一种是展成系统形成一条非常标准的理论轨迹，测头感受到的示值 可以直接作为被测齿面的误差，这种展成系统相对较复杂；另一种是展成系统形 重庆大学博士学位论文 6 成一条非标准的轨迹，将位移检测元件测量的实际位移量和测头的示值进行合成， 补偿展成系统的误差，得到被测点的实际坐标，实际坐标与理论模型进行比较得 到误差。标准轨迹的电子展成法属于比较测量法，非标准轨迹的展成法则属于坐 标法。 图 1.3 滚刀检查仪结构图 1.

39、 滚刀滑座 2. 直尺 3. 基圆盘 4. 正弦机构 5. 垂直滑架 6. 测量架 Fig.1.3 The Structure of inspection tester of hobbing cutter 1.2.2 啮合运动测量技术 啮合运动测量技术一般采用整体误差测量原理。1970 年，以机械电子工业部 成都工具研究所黄潼年24为主的中国工程师研发出了齿轮整体误差测量技术，标 志着运动几何法（即啮合运动法）测量齿轮的开始。该技术的基本思想是，将被 测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一个标准元件作啮合运动，通过 1 绪 论 7 测量啮合运动误差来反求被测对象的误差。该技术能形象地反映

40、齿轮啮合传动过 程并精确地揭示齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系。采用该方法的仪器 测量效率高，但该方法需要标准元件并且测量精度不仅与测量仪器相关，更取决 于标准元件的精度。 成都工具研究所在八十年代为首钢机械厂研制出国内外第一台平面二次包 络环面蜗杆误差检查仪并于 1990 年申请了实用新型专利平面二次包络弧面蜗杆 副测量机25，用于测量平面二次包络环面蜗杆副的综合误差和单项误差：当测 量综合误差时，被测蜗轮与被测蜗杆啮合；当测量单项误差如螺旋线误差时，采 用一个标准齿平面测头来模拟展成蜗杆齿面的母平面，与被测蜗杆单面啮合。被 测蜗轮（或标准齿平面）及被测蜗杆的传动误差经圆光栅角度传感器

41、采集后经信 号处理装置和计算机处理误差数据和图形输出。由于平面测头与实际蜗杆齿面接 触时呈不确定的线接触或不确定的点接触，要从啮合运动误差中获取蜗杆的单项 误差非常困难。 现在该研究所生产的蜗轮蜗杆类测量仪是 CWG-800 蜗杆副综合检 测仪，其功能是在被测量蜗杆副啮合传动过程中测量出蜗杆副传动的运动误差及 周期误差，用于蜗轮、蜗杆零件选配及产品蜗杆副的综合精度检验等，不具备蜗 杆几何误差检测功能。 1.2.3 坐标测量技术 坐标测量法(或称为模型化测量)，是将被测零件作为一个纯几何体，通过测 量实际零件的坐标值，并与理论要素的数学模型作比较，从而确定相应的误差。 坐标测量法的特点是无需标准

42、元件，通用性强，主机结构简单，可达到很高的测 量精度。70 年代以来，基于各种坐标原理的齿轮测量技术一直是重要的研究课题， 成为齿轮测量技术的世界性主要潮流。 三坐标测量机作为一种精密、通用的坐标测量仪器，被应用在蜗杆的测量技 术研究中。王新14在 PKM630 极坐标测量仪上测量 ZA 蜗杆齿形；石照耀15等在 HCM320 柱坐标测量机上进行了 ZK1 蜗杆齿廓精密测量；石万凯16等在 Z003 型 三坐标测量机上对 ZC1 蜗杆齿面进行了随机采点测量；秦大同17,18等在 3000QC GEAR ANALYZER 齿轮量仪上测量平面包络环面蜗杆齿形，采用三坐标测量机对 直廓环面蜗杆齿面进

43、行了坐标测量。L. V. Mohan19等运用三坐标测量机测量 ZA 蜗杆齿面上多点坐标。 姬永军20等基于 CNC 齿轮测量中心研究了环面蜗杆的测量 测量方法及实现原理。从理论上来说，三坐标测量机可以测量一切空间曲面，自 然可以用来测量蜗杆齿面，但是由于它通用性太强、针对性差、正确定位困难、 测量效率低，所以很难用于批量生产过程中。尤其在测量环面蜗杆时，测头需要 在圆环面上逐点移动，测量点数受限，测量效率也十分低，缺乏实用性。 德国 Klingelnberg、 美国 Gleason 西安工业大学, 2009. 21 黄凤翔, 张凝, 胥尚, et al. 精密蜗杆精度参数测量方法及装置: 中

44、国. 1991-. 22 彭东林. 弧面蜗杆运动误差检测的光电及微机处理系统研制 D. 重庆; 重庆大学, 1988. 23 孙书民. 平面包络环面蜗杆制造误差的分布式检测分析系统 D. 重庆; 重庆大学, 2003. 24 黄潼年. 齿轮动态全误差曲线及其测量方法 J. 中国科学, 1973, 17(4): 434-53. 25 张新民, 王洪, 张德华, et al. 平面二次包络弧面蜗杆付测量机: 中国. 1990-. 26 王小椿, 王军, 姜虹, et al. 螺旋锥齿轮的齿面测量及机床加工参数修正 J. 机械工程 学报, 2003, 39(8): 125-30. 27 中国机械工业

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