楊福來(lái)， 劉江省

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司，哈爾濱150040）

萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)

楊福來(lái)， 劉江省

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司，哈爾濱150040）

介紹了3060A型萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)，并從測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)和測(cè)量軟件三個(gè)部分概述了儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程及特點(diǎn)。

萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)；齒輪量?jī)x；鋼球帶密珠導(dǎo)軌

0 引言

隨著機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，作為重要傳動(dòng)零件的齒輪及其相關(guān)行業(yè)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，由此也產(chǎn)生了對(duì)齒輪檢測(cè)儀器的大量需求。哈量集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)最早研發(fā)齒輪量?jī)x產(chǎn)品的廠商，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展現(xiàn)已成功研發(fā)出多個(gè)系列、不同規(guī)格、不同功能、不同價(jià)位的齒輪量?jī)x產(chǎn)品。3060A型齒輪測(cè)量機(jī)便是應(yīng)市場(chǎng)需求而最新研發(fā)的一種通過(guò)CNC全閉環(huán)控制的、綜合性的智能化高精度齒輪測(cè)量?jī)x器，它適應(yīng)世界齒輪量?jī)x向多功能、多參數(shù)、高精度、高效率、高可靠性及智能化方向發(fā)展的潮流。儀器操作簡(jiǎn)單、方便，自動(dòng)化程度高，可在被測(cè)工件一次裝夾中自動(dòng)完成全部被測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果以圖表的形式繪制成測(cè)量報(bào)告，并進(jìn)行自動(dòng)評(píng)定。本儀器可以廣泛應(yīng)用于齒輪制造、機(jī)床、電動(dòng)工具等行業(yè)的加工生產(chǎn)部門、科研部門及計(jì)量檢驗(yàn)單位。

1 主要技術(shù)規(guī)格和參數(shù)

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)需求的調(diào)研分析，我們確定3060A型萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格和參數(shù)如下：最高可以檢測(cè)3級(jí)精度的齒輪；可測(cè)工件模數(shù)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(cè)頭到下頂尖的移動(dòng)范圍5～405 mm。

2 萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)高精度齒輪量?jī)x產(chǎn)品時(shí)，我們一般遵循功能精度要求、可靠性要求、檢測(cè)效率要求、使用條件要求、經(jīng)濟(jì)性要求和外觀造型要求等幾個(gè)方面進(jìn)行儀器的設(shè)計(jì)，本文僅針對(duì)組成齒輪量?jī)x的機(jī)械主機(jī)、電氣控制系統(tǒng)和測(cè)量軟件三大部分的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.1 機(jī)械主機(jī)設(shè)計(jì)

1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械主機(jī)是齒輪量?jī)x的主體，主要由底座與切向滑板、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸系、工件裝夾立柱部件、測(cè)量立柱部件和徑向滑板部件五大部件組成。經(jīng)過(guò)分析論證，并參考國(guó)內(nèi)外同類儀器的設(shè)計(jì)方案，我們決定采用方形的布局結(jié)構(gòu)，這種形式的布局儀器整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)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(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)機(jī)械主機(jī)布局

2）底座與切向滑板部件設(shè)計(jì)。儀器底座采用上下分體式的結(jié)構(gòu)，下層鑄件底座內(nèi)部留有空腔，用于安放電控系統(tǒng)，這樣使得儀器具有更好的緊湊性，而且便于儀器的吊裝運(yùn)輸。儀器的上層平臺(tái)采用了大理石材質(zhì)，因?yàn)榇罄硎脚_(tái)具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度大、硬度高、不生銹、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且易于加工，成本較低。

切向滑板部件設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過(guò)計(jì)算確定切向滑板的行程長(zhǎng)度L0，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，儀器要能夠測(cè)量最大模數(shù)m=20 mm、最大外徑da=600 mm（半徑Ra=300 mm）的齒輪，據(jù)此可以計(jì)算獲得能夠測(cè)量的最大基圓半徑Rb=R× cos20°=（Ra-m）×cos20°=263.114 mm（取齒高系數(shù)1），將以上數(shù)據(jù)代入切向滑板所需最短行程L的計(jì)算公式，可得考慮到行程設(shè)計(jì)要留有一定余量，所以取L0=160mm，完全能夠滿足設(shè)計(jì)的行程要求。

作為齒輪量?jī)x的重要部件，切向滑板的運(yùn)動(dòng)精度將直接影響儀器的測(cè)量精度，經(jīng)過(guò)論證分析決定采用經(jīng)典的鋼球帶密珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)（如圖2所示），這種結(jié)構(gòu)由固定有消隙軸承和上導(dǎo)軌的切向滑板、固定在大理石平臺(tái)上通過(guò)整體精磨得到的下導(dǎo)軌，和上下導(dǎo)軌之間的密珠鋼球帶組成，具有技術(shù)成熟、加工方便、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠很好地保證切向滑板直線運(yùn)動(dòng)精度的要求。

圖2 鋼球帶密珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

3）旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。齒輪測(cè)量機(jī)在測(cè)量工件時(shí)，大部分的測(cè)量動(dòng)作都伴隨著旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸系帶動(dòng)被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以主軸系統(tǒng)的精度將直接影響整臺(tái)測(cè)量機(jī)的綜合精度。主軸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要求主軸能夠在一定載荷下具有一定的回轉(zhuǎn)精度，同時(shí)還要求有一定的剛度和熱穩(wěn)定性。非標(biāo)密珠滾動(dòng)軸承軸系結(jié)構(gòu)無(wú)疑是一種很好的選擇，這種結(jié)構(gòu)在精密測(cè)控儀器中是一種常用的主軸軸系結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由主軸、軸套和密集分布于兩者之間的具有過(guò)盈配合的鋼球所組成，具有技術(shù)較為成熟、回轉(zhuǎn)精度高、摩擦力矩小、對(duì)溫度變化較不敏感和維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在以往的量?jī)x產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用都取得了很好的效果，所以這次仍沿用這種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)方案確定后就要進(jìn)行具體的軸系裝配圖和零件圖設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中因?yàn)樾D(zhuǎn)工作臺(tái)主軸系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)中有對(duì)承載能力的要求，所以對(duì)主軸軸系內(nèi)承重的承載能力進(jìn)行校驗(yàn)，具體計(jì)算步驟如下：

4）測(cè)量立柱部件、徑向滑板部件和工件立柱部件的設(shè)計(jì)。測(cè)量立柱部件和徑向滑板部件都需要參與測(cè)量的運(yùn)動(dòng)部件，因?yàn)榕c切向滑板部件的運(yùn)動(dòng)形式相同，所以參考前面切向滑板部件的設(shè)計(jì)，仍然采用鋼球帶密珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。不同的是，由于空間位置和使用情況的不同，這兩個(gè)部件采用的是通過(guò)過(guò)盈量的調(diào)整，用前后滑板夾著鋼球帶包圍導(dǎo)軌的環(huán)抱夾緊結(jié)構(gòu)，具有運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。工件立柱部件的主要作用是在測(cè)量時(shí)夾緊軸類被測(cè)工件，雖然依然采用的是半包圍式鋼球帶密珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，但精度要求不需要像其它幾個(gè)部件那么高，只要滿足頂尖滑座上下運(yùn)動(dòng)靈活、夾緊工件時(shí)穩(wěn)定可靠即可，但需要注意的是上頂尖的徑向跳動(dòng)和裝配時(shí)上下頂尖的同軸度的調(diào)整也是必須要保證的。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

測(cè)量機(jī)的電控系統(tǒng)采用了CNC全閉環(huán)控制系統(tǒng)（原理框圖如圖3所示），系統(tǒng)以PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡最為核心控制單元，通過(guò)基于DSP+FPGA設(shè)計(jì)的接口電路與外圍設(shè)備進(jìn)行信息交互，以高精度光柵尺（角度編碼器）、電感測(cè)頭、光電開(kāi)關(guān)等作為反饋元件，控制交流伺服電機(jī)（主軸為直驅(qū)力矩電機(jī)）帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量動(dòng)作，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采用了空間曲線差補(bǔ)運(yùn)算，使得測(cè)量運(yùn)動(dòng)路徑最優(yōu)化，大大提高了儀器的測(cè)量效率。整套電控系統(tǒng)功能齊全、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定可靠，具有較高的運(yùn)動(dòng)精度和定位控制精度。

圖3 原理框圖

2.3 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

測(cè)量機(jī)的測(cè)量軟件主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶與儀器的交互，處理測(cè)量數(shù)據(jù)并根據(jù)使用情況給電控系統(tǒng)發(fā)布指令。本次設(shè)計(jì)專門針對(duì)萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)所開(kāi)發(fā)的測(cè)量軟件具有以下特點(diǎn)：1）基于Windows操作平臺(tái)，測(cè)量界面人性化，圖形化，操作簡(jiǎn)單；軟件有中英文兩種界面，可供不同用戶使用；2）參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單直觀，內(nèi)容或界面可隨時(shí)切換、編輯、存儲(chǔ)，參數(shù)設(shè)置有錯(cuò)誤提示功能，避免了不合理的參數(shù)設(shè)置；3）軟件功能齊全、內(nèi)容豐富，除了能測(cè)量圓柱齒輪外，還可測(cè)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(cè)量結(jié)果可按GB10095-2008、AGMA2000-A88等多種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)定；4）能夠通過(guò)互連網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷與調(diào)試。

3 結(jié)語(yǔ)

在3060A型萬(wàn)能齒輪測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，借鑒了同類齒輪量?jī)x的優(yōu)點(diǎn)，整機(jī)技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)合理，能很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。目前該型號(hào)齒輪測(cè)量機(jī)已經(jīng)成功完成樣機(jī)試制并投放市場(chǎng)，獲得了用戶的認(rèn)可。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［2］ 浦昭邦，王寶光.測(cè)控儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 董玉紅.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］ 薛實(shí)福.精密儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)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(lái)（1981—），男，工程師，從事齒輪量?jī)x設(shè)計(jì)工作。

2014-03-03