萬能齒輪測量機設計

楊福來， 劉江省

（哈爾濱量具刃具集團有限公司，哈爾濱150040）

萬能齒輪測量機設計

楊福來， 劉江省

（哈爾濱量具刃具集團有限公司，哈爾濱150040）

介紹了3060A型萬能齒輪測量機的主要技術指標和參數，并從測量機的機械結構、電氣控制系統和測量軟件三個部分概述了儀器的設計過程及特點。

萬能齒輪測量機；齒輪量儀；鋼球帶密珠導軌

0 引言

隨著機械行業的迅速發展，作為重要傳動零件的齒輪及其相關行業也有了長足的發展，由此也產生了對齒輪檢測儀器的大量需求。哈量集團作為國內最早研發齒輪量儀產品的廠商，經過多年的發展現已成功研發出多個系列、不同規格、不同功能、不同價位的齒輪量儀產品。3060A型齒輪測量機便是應市場需求而最新研發的一種通過CNC全閉環控制的、綜合性的智能化高精度齒輪測量儀器，它適應世界齒輪量儀向多功能、多參數、高精度、高效率、高可靠性及智能化方向發展的潮流。儀器操作簡單、方便，自動化程度高，可在被測工件一次裝夾中自動完成全部被測項目的檢測，同時將測量結果以圖表的形式繪制成測量報告，并進行自動評定。本儀器可以廣泛應用于齒輪制造、機床、電動工具等行業的加工生產部門、科研部門及計量檢驗單位。

1 主要技術規格和參數

通過對市場需求的調研分析，我們確定3060A型萬能齒輪測量機的主要技術規格和參數如下：最高可以檢測3級精度的齒輪；可測工件模數范圍1～20 mm，最大外徑600 mm，螺旋角范圍±90°；主軸最大承載重量400 kg；工件立柱上下頂尖間距離20～800 mm；測頭到下頂尖的移動范圍5～405 mm。

2 萬能齒輪測量機的設計

在設計高精度齒輪量儀產品時，我們一般遵循功能精度要求、可靠性要求、檢測效率要求、使用條件要求、經濟性要求和外觀造型要求等幾個方面進行儀器的設計，本文僅針對組成齒輪量儀的機械主機、電氣控制系統和測量軟件三大部分的設計及特點進行介紹。

2.1 機械主機設計

1）總體結構設計。機械主機是齒輪量儀的主體，主要由底座與切向滑板、旋轉工作臺軸系、工件裝夾立柱部件、測量立柱部件和徑向滑板部件五大部件組成。經過分析論證，并參考國內外同類儀器的設計方案，我們決定采用方形的布局結構，這種形式的布局儀器整機結構緊湊，強度高，裝夾方便，儀器外觀也比較美觀。具體布局及各部件名稱如圖1所示。

圖1 萬能齒輪測量機機械主機布局

2）底座與切向滑板部件設計。儀器底座采用上下分體式的結構，下層鑄件底座內部留有空腔，用于安放電控系統，這樣使得儀器具有更好的緊湊性，而且便于儀器的吊裝運輸。儀器的上層平臺采用了大理石材質，因為大理石平臺具有穩定性好、強度大、硬度高、不生銹、耐腐蝕等優點，而且易于加工，成本較低。

切向滑板部件設計時，首先通過計算確定切向滑板的行程長度L0，根據設計任務要求，儀器要能夠測量最大模數m=20 mm、最大外徑da=600 mm（半徑Ra=300 mm）的齒輪，據此可以計算獲得能夠測量的最大基圓半徑Rb=R× cos20°=（Ra-m）×cos20°=263.114 mm（取齒高系數1），將以上數據代入切向滑板所需最短行程L的計算公式，可得考慮到行程設計要留有一定余量，所以取L0=160mm，完全能夠滿足設計的行程要求。

作為齒輪量儀的重要部件，切向滑板的運動精度將直接影響儀器的測量精度，經過論證分析決定采用經典的鋼球帶密珠導軌結構（如圖2所示），這種結構由固定有消隙軸承和上導軌的切向滑板、固定在大理石平臺上通過整體精磨得到的下導軌，和上下導軌之間的密珠鋼球帶組成，具有技術成熟、加工方便、精度高、穩定性好的特點，能夠很好地保證切向滑板直線運動精度的要求。

圖2 鋼球帶密珠導軌結構

3）旋轉工作臺主軸系統設計。齒輪測量機在測量工件時，大部分的測量動作都伴隨著旋轉工作臺軸系帶動被測工件的旋轉運動，所以主軸系統的精度將直接影響整臺測量機的綜合精度。主軸系統在設計時要求主軸能夠在一定載荷下具有一定的回轉精度，同時還要求有一定的剛度和熱穩定性。非標密珠滾動軸承軸系結構無疑是一種很好的選擇，這種結構在精密測控儀器中是一種常用的主軸軸系結構，其機械結構主要由主軸、軸套和密集分布于兩者之間的具有過盈配合的鋼球所組成，具有技術較為成熟、回轉精度高、摩擦力矩小、對溫度變化較不敏感和維修簡單等優點。在以往的量儀產品設計上，這種結構的應用都取得了很好的效果，所以這次仍沿用這種結構。結構方案確定后就要進行具體的軸系裝配圖和零件圖設計，在設計過程中因為旋轉工作臺主軸系統的技術指標中有對承載能力的要求，所以對主軸軸系內承重的承載能力進行校驗，具體計算步驟如下：

4）測量立柱部件、徑向滑板部件和工件立柱部件的設計。測量立柱部件和徑向滑板部件都需要參與測量的運動部件，因為與切向滑板部件的運動形式相同，所以參考前面切向滑板部件的設計，仍然采用鋼球帶密珠導軌結構。不同的是，由于空間位置和使用情況的不同，這兩個部件采用的是通過過盈量的調整，用前后滑板夾著鋼球帶包圍導軌的環抱夾緊結構，具有運動靈活、運動精度高、性能穩定的特點。工件立柱部件的主要作用是在測量時夾緊軸類被測工件，雖然依然采用的是半包圍式鋼球帶密珠導軌結構，但精度要求不需要像其它幾個部件那么高，只要滿足頂尖滑座上下運動靈活、夾緊工件時穩定可靠即可，但需要注意的是上頂尖的徑向跳動和裝配時上下頂尖的同軸度的調整也是必須要保證的。

2.2 電氣控制系統設計及特點

測量機的電控系統采用了CNC全閉環控制系統（原理框圖如圖3所示），系統以PMAC多軸運動控制卡最為核心控制單元，通過基于DSP+FPGA設計的接口電路與外圍設備進行信息交互，以高精度光柵尺（角度編碼器）、電感測頭、光電開關等作為反饋元件，控制交流伺服電機（主軸為直驅力矩電機）帶動機械運動部件實現各種測量動作，而且在運動過程中采用了空間曲線差補運算，使得測量運動路徑最優化，大大提高了儀器的測量效率。整套電控系統功能齊全、響應速度快、性能穩定可靠，具有較高的運動精度和定位控制精度。

圖3 原理框圖

2.3 測量軟件設計及特點

測量機的測量軟件主要功能是實現用戶與儀器的交互，處理測量數據并根據使用情況給電控系統發布指令。本次設計專門針對萬能齒輪測量機所開發的測量軟件具有以下特點：1）基于Windows操作平臺，測量界面人性化，圖形化，操作簡單；軟件有中英文兩種界面，可供不同用戶使用；2）參數設置簡單直觀，內容或界面可隨時切換、編輯、存儲，參數設置有錯誤提示功能，避免了不合理的參數設置；3）軟件功能齊全、內容豐富，除了能測量圓柱齒輪外，還可測量插齒刀、齒輪滾刀、剃齒刀等齒輪刀具，以及蝸輪蝸桿、花鍵等特殊工件；測量結果可按GB10095-2008、AGMA2000-A88等多種標準進行自動評定；4）能夠通過互連網進行遠程診斷與調試。

3 結語

在3060A型萬能齒輪測量機的設計過程中，借鑒了同類齒輪量儀的優點，整機技術成熟、設計合理，能很好地實現設計要求。目前該型號齒輪測量機已經成功完成樣機試制并投放市場，獲得了用戶的認可。

［1］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，1997.

［2］ 浦昭邦，王寶光.測控儀器設計［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］ 董玉紅.機械控制工程基礎［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

［4］ 薛實福.精密儀器設計［M］.北京：清華大學出版社，1990.

（編輯昊 天）

Design of Universal Gear Measuring Machine

YANG Fulai,LIU Jiangsheng
（Harbin Measuring&Cutting Tool Group Co.,Ltd,Harbin 150040,China）

The major specifications and parameters of universal gear measuring machine model 3060A are introduced. The design process and feature of mechanical construction,electric control system and measuring software,are summarized.

universal gear measuring machine;gear measuring machine;rolling ball guide

TG 86

A

1002－2333（2014）05－0064－02

楊福來（1981—），男，工程師，從事齒輪量儀設計工作。

2014-03-03