前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的探讨大齿轮测量现状与趋势，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
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。#p#分页标题#e#
2)上置式测量装置
上置式测量装置最早于20世纪50年代就开始被研制并应用于大齿轮测量。其体积小、成本低、实用性强，理论上对被测量齿轮直径尺寸没有上限要求，特别适合大齿轮在位测量。但这种仪器一般以齿面或齿顶定位，测量基准与齿轮的设计、制造基准不一致，定位精度严重依赖于齿轮的制造精度，测量精度很难提高。此类仪器的典型产品是瑞士MAAG公司于20世纪70年代开发的生产的ES-430渐开线齿廓测量仪。上置式测量仪由于定位要求高，测量精度较低，近30年已停止发展。
3.各种仪器性能比较
综上所述，各类仪器和测量方式都有自身优缺点，因此同时采用几种测量仪器或测量方式来保证齿轮质量是可行的。目前，齿轮在位式测量主要是作为大齿轮加工过程中质量监控的辅助手段，其测量结果并不能作为质量报告的依据；而使用齿轮测量中心或者三坐标测量仪的离位式测量方式只有用齿轮样板进行校准后，其测量结果才可作为质量合格与否的唯一判据。迄今，大齿轮的量值传递体系在国内外均未建立，其溯源仍然是世界性难题。大齿轮各类测量仪器的性能比较见表1。
大齿轮测量技术的发展趋势
对大齿轮测量而言，离位式测量和在位式测量都存在诸多缺点，不能完全满足大齿轮的发展需求；解决大齿轮特别是特大型齿轮的测量问题，仍将是齿轮测量技术面临的主要挑战。传统以齿廓、螺旋线和齿距测量为基础的分析式测量属于特征线测量，是简化了的测量方式，包含两种含义，一是简化了齿轮误差表征，用少数特征线的误差代表齿轮的全齿面误差，这是统计学的方法；其二是简化了测量，特征线测量属于二维测量，相对齿面三维测量，可大幅提升测量效率，还能获得高测量精度。这种简化了的测量方式是与齿轮加工工艺密切关联的。齿轮加工主要有展成法和成形法，滚齿和插齿是典型的展成法、铣齿和成形磨是典型的成形法。对于中小齿轮而言，每一步切削或磨削进刀的时间都很短。在此期间，机床温度、刀具磨损或者外部环境温度都是相对稳定的，最终也保证了齿轮各个轮齿的一致性。因此对这些齿轮的特征线进行测量，可反映整个齿轮的加工误差。但对大齿轮尤其是特大型齿轮加工而言，考虑到多种因素，特别是铣齿成形法，加工周期较长，刀具磨损及外部环境条件都会在齿轮加工过程中发展变化，也存在齿轮局部受热变形，这些都会影响轮齿的一致性。如果对大齿轮依旧假设各轮齿具有一致性，继而依据传统测量技术只测量圆周3、4个齿的特定特征线，是不能正确反映大齿轮的整体加工误差的。同时考虑到大齿轮主要用来传递动力，为使其运行平稳，会进行端部减薄、鼓形修整等各种修形处理。建立以曲面为导向(图7)，考虑齿轮修形等因素，以全信息的齿轮精度3D表征为基础，提出反映大齿轮整体质量的新参数，进而实现大齿轮质量的全局表征和快速测量。这是大齿轮精度理论和测量技术总体要求和发展方向。随着传感器、信息、先进制造等技术在齿轮测量领域中的应用，大齿轮测量在新原理新方法、量值溯源等方面也呈现出新的发展态势。
1.多站点集成式特大型齿轮并行测量技术
特大型齿轮直径大、齿数多、惯性大，测量中如果仪器频繁启动、停止、反向回转，既不方便、测量效率低下，又因轴系扭转变形而可能导致无法满足测量精度要求，因此，特大型齿轮测量适宜在一次单向回转中完成各种误差项目的测量。基于这种理念，多站点集成式特大型齿轮并行测量方案被提出来。图8所示是德国Leitz公司针对10m齿轮测量提出的方案。齿轮置于大型旋转平台上，两个三维测量平台对称分布在转台周围，测量平台和旋转平台通常是分离的。这种方案的优点如下：①三维平台制造相对容易；②对齿轮尺寸变化的适应性好；③齿轮旋转一周就能同时完成左右齿面的测量，或者齿轮不用旋转一周就能完成单向齿面的测量，提高测量效率的同时，也避免了传统方案中测量特大齿轮的缺陷。其难点如下：①对旋转平台的各种性能要求太高，包括轴系精度、驱动、承载能力、齿轮定位与姿态调整等；②对测角圆光栅的精度有极高要求；③两个三维测量平台与旋转平台的相对位置的精确确定与位置精度的保持性；④3个平台间同步驱动同步测量技术。可以说，这种测量方案仍然是“以大测大”的方案，实现它将聚集德国精密机械的最高水平。作为一个案例，出于同一思路，德国Wenzel公司为齿轮机床厂商利勃海尔Liebher研制了这种双臂测量机-LAFD(图9)，可测齿轮最大直径为6m。测量前两个三坐标测量臂要通过特殊的标定工具进行调整定位，测头采用Renishaw公司生产的SP80扫描测头，测量效率得到显著提高。笔者看来，特大齿轮齿面的视觉测量或光学测量是有前景的，如将上述测量技术与视觉(光学)测量结合，将进一步提高这种方案的测量效率，并能真正实现特大齿轮的3D测量和全局质量表征。
2.大齿轮样板
目前虽然有多种大齿轮测量仪器得到应用，但事实上，大齿轮测量没有相应的齿轮样板，更缺乏检测大尺度齿轮样板的高精度仪器，因此迄今国内外没有建立大尺度齿轮量值传递系统，大齿轮溯源一直是个难题。由于风电齿轮测量的迫切需要，2009年德国国家计量研究院启动了大尺度齿轮样板的研制工作。该研究院研制了一种50°的扇形齿样板(图10)，齿顶圆直径1000mm，样板重450kg，法向模数20mm，压力角20°，齿宽400mm，其上包含了左旋20°、右旋10°和直齿三种不同类型的轮齿，可用于渐开线和螺旋线的溯源。德国国家计量研究院设计了该样板，包括霍夫勒(Hofler)在内的多家德国顶尖企业参与了试制。该样板制造工艺复杂，集成了多家德国企业的工艺技术。如图11所示，德国国家计量研究院采用高精度三坐标测量机标定该样板，在标定开始前需要把该样板放置于恒温实验室数周，同时使用数个传感器对该样板的内部温度进行监测。齿廓偏差及螺旋线偏差测量结果及测量不确定度如图12所示(fHα为笔者看来，特大齿轮齿面的视觉测量或光学测量是有前景的，如将上述测量技术与视觉(光学)测量结合，将进一步提高这种方案的测量效率，并能真正实现特大齿轮的3D测量和全局质量表征。
3.齿廓测量新方法
如图13所示，用展成法测量大齿轮时，锥形测头要从偏置位置A开始测量，加上齿廓展成长度lB，考虑到左右齿廓，则测量导轨的长度为lY，对应齿轮转角为θ，这种长导轨的制造精度是个难题。而用极坐标法测量齿廓时，测头运动方向是齿轮径向，仪器导轨长度短，但这种方法的缺点是对测头在齿根处的测量很“敏感”，容易产生测量误差。新测量原理采用的是啮合线测量法(图14)，测头所走路径是齿轮啮合线方向，实际是展成法和极坐标法的综合，兼具两者的优点。应用这种测量方法，仪器的切向导轨长度为l'Y，l'Y远小于lY，测量左齿面和右齿面所对应的齿轮转角都是，本方法的优点：①避免了切向导轨过长、难以制造的难题，使得仪器结构紧凑；②测头移动量小，减少了因导轨滑块移动引起的仪器重心移动量，有利于保证测量精度；③避免了齿根测量“敏感”的问题。啮合线测量法用于内齿轮测量更具优势。如图15所示，用展成法测量内齿轮具有诸多不便之处：①齿轮转角较大，需要采用尖测头测量，且测头与齿轮顶圆易干涉；②在测量完一个齿面后，必须把测头调转方向才能测量另一个齿面；③测量导轨较长，精度难以保证；④测头移动量大，增加重心移动量，影响测量精度。如图16所示，采用啮合线法测量内齿轮，由于齿轮转角较小，可以采用球测头测量，既避免了传统测量方法的缺点，又可实现内齿轮齿廓连续、快速测量。啮合线测量法目前受到极大的关注，日本东京仪器公司的齿轮测量中心采用了该方法，日本三菱重工生产的大型外齿成型磨床ZGA2000也采用了该技术。该磨齿机最大可加工齿轮直径为2m，采用啮合线测量法测量齿轮齿廓(图17)，极大缩短了切向导轨的长度。#p#分页标题#e#
4.特大型齿轮激光跟踪在位测量方法
就齿轮在位测量而言，无论是在机测量系统还是上置式测量系统，其共同问题是测量仪器与被测齿轮的位置如何精确确定。这种位置关系包含两个基本问题：一是根据齿轮的位置确定测量仪器的姿态；其二是齿轮轴线(或基准面)与测量仪器的真实空间距离的确定。为了建立测量装置和被测齿轮的位置关系，需要测量精度高、测量范围大的“第三方”来完成此项工作。高精度的激光跟踪测量技术为此提供了手段基于激光跟踪干涉测量技术的优点，作者研制了特大型齿轮激光跟踪在位测量系统。该测量系统由激光跟踪干涉仪、三维测量平台及测控软件等部分组成(图18)。测量时，利用激光跟踪干涉仪建立齿轮坐标系和三维测量平台的仪器坐标系，经坐标变换将齿轮坐标系、仪器坐标系统一到激光跟踪仪所在的测量坐标系中，确定了齿轮坐标系与三维测量平台坐标系的位置关系，特大型齿轮测量便可转化为常规的齿轮测量，即实现了特大型齿轮“搬”到三维测量平台上进行测量。激光跟踪在位测量技术集成了激光跟踪和坐标测量技术的优点，具有较好的灵活性，通过“大尺寸化小”或“以小测大”这一思路，实现了特大型齿轮的高精度测量；与传统的“以大测大”方式有本质的区别。这一方案也就可用于其它大型复杂零件的测量，精度高、通用性强，具有发展前景。
结论
(1)源于大齿轮的特点，大齿轮测量以分析式测量为主，而很少采用功能式综合测量；面向分析测量的大齿轮离位测量和在位测量都得到一定发展。大型齿轮测量中心和大型精密三坐标测量机是大齿轮离位测量的两种仪器，受精密机械技术的制约，最大被测齿轮直径没超过5000mm。大齿轮测量存在许多问题，缺乏大尺度样板、量值不能溯源是最主要问题。(2)随着大齿轮尺度不断增大及其相应加工工艺的变化，引发了大齿轮测量技术从量到质的变化。以全信息的齿轮精度3D表征为基础，实现大齿轮质量的全局表征和快速测量，是大齿轮测量技术的总体要求和发展方向。目前，大齿轮测量技术呈现新的发展态势，包括：①多站点集成式特大型齿轮并行测量技术；②大齿轮样板；③克服传统测量模式难题的新测量方法；④基于激光跟踪测量原理的特大齿轮在位测量技术。(3)“以小测大”是解决特大型齿轮高精度测量的新思路。激光跟踪在位测量技术集成了激光跟踪和坐标测量技术的优点，具有较好的灵活性，是实现“以小测大”的较好方式。这一方案也能应用于其它大型复杂零件的测量，精度高、通用性强，具有发展前景。(本文图、表略)
本文作者：石照耀 林虎 林家春 张白 单位：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院
