一、項目背景

 

　　智能時代，齒輪天地，齒輪測量是一個看似古老而又充滿生機的研究方向，不管是從單一零部件測量還是組合系統(tǒng)整體來看，齒輪等具有復(fù)雜三維空間型面的高精度測量技術(shù)依然是非常有挑戰(zhàn)的。

 

　　國家齒輪基標準體系由螺旋線基準、漸開線標準和齒距標準三個單參數(shù)裝置和相應(yīng)的不同等級的量傳標準器組成，但原有的齒輪基標準裝置已老化無法工作。自2014年起我國齒輪產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居全球第一，國內(nèi)齒輪制造面臨向中高端轉(zhuǎn)型的壓力，而齒輪基準的研制及量傳體系的完善對保證國內(nèi)齒輪產(chǎn)品制造質(zhì)量和應(yīng)用量值準確一致有重要作用，因此需要研制和制造相匹配的新的齒輪基準裝置。

 

　　新的ISO齒輪標準中對齒輪和齒輪儀器提出了更高的精度要求，齒輪測量中心和坐標測量機已成為齒輪制造現(xiàn)場主流設(shè)備，但其核心的多軸聯(lián)動復(fù)雜曲面成型控制反饋和測量技術(shù)是不對國內(nèi)開放的。

 

　　二、方案創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)

 

　　齒輪基準生成的標準量值需要滿足制造的要求：高精度、多參量綜合測量的溯源需求，又無法依靠國外技術(shù)，因此立足自主研發(fā)，建立新一代齒輪基準，提升國家現(xiàn)有齒輪基準能力對保證國內(nèi)齒輪制造精度的準確可靠和適應(yīng)新的國際標準要求具有非常重要的、基礎(chǔ)性的作用。

 

　　不同形成機理、不同空間方向的螺旋線和漸開線共存同一齒面，雖然空間幾何型面復(fù)雜，但可以抽象看作是長度尺寸、角度尺寸與形狀的復(fù)合測量。

 

　　為了達到基準高精度測量和直接溯源的目標，又為了規(guī)避商品類儀器修正模型不向國內(nèi)開放的限制，項目提出了空間軌跡曲線測量系統(tǒng)和生成運動控制系統(tǒng)分離的設(shè)計方案，整套裝置結(jié)構(gòu)在國內(nèi)加工和調(diào)試，其中空間軌跡生成運動控制系統(tǒng)采用了商用的坐標機多軸聯(lián)動控制方案和技術(shù)，只用來做齒輪螺旋線和漸開線軌跡的生成，而齒輪測量和溯源的部分則由空間軌跡跟隨測量系統(tǒng)實現(xiàn)，整個跟隨測量系統(tǒng)由項目獨立設(shè)計的二維激光干涉測量光路、自校準回轉(zhuǎn)工作臺系統(tǒng)、二維跟隨機構(gòu)、主從級6軸驅(qū)動控制和測量采集系統(tǒng)以及四個漸開線螺旋線量化控制和測量補償模型組成。從外觀結(jié)構(gòu)看，整套裝置變成了一個6軸坐標系統(tǒng)，空間軌跡跟隨測量系統(tǒng)被嵌套于齒輪空間軌跡生成系統(tǒng)(齒輪測量中心)內(nèi)，但又相互分離。跟隨測量系統(tǒng)具備如下三個特點：

 

　　跟隨系統(tǒng)按照項目研發(fā)的齒輪螺旋線漸開線空間展成模型設(shè)計路徑規(guī)劃，合理設(shè)置X/Z向直線位移與回轉(zhuǎn)角的不同步距，使得激光干涉直線位移光路能同步跟隨上按照齒輪空間軌跡線運行的小反射鏡，并通過回轉(zhuǎn)臺的測量同步觸發(fā)，實時同步采集激光干涉位移、回轉(zhuǎn)角位移和3D探測系統(tǒng)的微位移信號，得到齒面軌跡實際測量信息，最后通過項目研發(fā)的齒輪螺旋線漸開線修正模型運算得到齒輪空間軌跡實際擬合線及齒輪參量誤差。項目將復(fù)雜的螺旋線和漸開線空間曲線測量轉(zhuǎn)化為更高準確度的激光干涉直線位移和自校準的回轉(zhuǎn)角測量，實現(xiàn)了高準確度的齒輪空間軌跡線的測量及齒輪參量的直接溯源。不采用控制生成系統(tǒng)中的多軸光柵尺的信號做測量，也就最大程度避免生成系統(tǒng)的多軸結(jié)構(gòu)幾何誤差對測量的影響。

 

　　跟隨路徑的控制與同步實時采集依賴于項目研發(fā)的主從級6軸聯(lián)動驅(qū)動控制和測量采集系統(tǒng)，它由兩個既獨立又共同觸發(fā)關(guān)聯(lián)的控制模塊組成，一個是以商業(yè)Pantec為主控制器的齒輪軌跡線多軸聯(lián)動控制模塊，另一個是以PMAC為主控制器的跟隨測量采集系統(tǒng)。軌跡生成和跟隨測量兩個模塊既相互獨立，又相互聯(lián)接，通過自校準回轉(zhuǎn)臺的光柵信號作為觸發(fā)信號控制生成系統(tǒng)中的軌跡線生成和測量系統(tǒng)中跟隨測量信號同步。兩個模塊需要控制整個裝置中6個運動軸的驅(qū)動和9路測量控制信號的采集。

 

　　且二維激光光路經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，將小反射鏡固定在3D探測系統(tǒng)的測桿上，實際的測量線從原來軌跡生成系統(tǒng)的導軌光柵尺布局的500mm處前移到了距離探測測頭的50mm處，結(jié)構(gòu)布局更符合阿貝原則，這樣當儀器導軌角擺誤差同樣為0.5″時，可以使齒面展成測長誤差從De1=1.2μm降低到De2=0.12μm，因此軌跡生成系統(tǒng)的三軸結(jié)構(gòu)誤差對齒輪參量測量結(jié)果的影響大大降低。

 

　　針對3D 探測系統(tǒng)沿齒面掃描時產(chǎn)生的撓曲變形對激光干涉測量齒面展長的精度損失問題，建立了激光測長補償技術(shù)，使探測誤差為1μm的3D探測系統(tǒng)對測長的影響降低到0.3μm以下，保證了漸開線和螺旋線測量準確度。

 

　　依據(jù)角度自封閉特性，實現(xiàn)了負載下螺旋線漸開線的回轉(zhuǎn)角誤差自校準修正技術(shù)，解決了工作臺旋轉(zhuǎn)運行時，由于螺旋線樣板或漸開線樣板由于自身重量或樣板結(jié)構(gòu)不對稱造成偏載，對回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)生新的回轉(zhuǎn)角誤差的修正問題，在不使用外部角度標準器的條件下，使回轉(zhuǎn)臺原始角誤差由± 1.5″降低到± 0.15″，回轉(zhuǎn)角精度提高一個數(shù)量級，有效提高了螺旋線漸開線的測量準確度。

 

　　螺旋線漸開線展成的回轉(zhuǎn)角范圍在十幾度到一百多度，非整周運動，例如螺旋角30°標準樣板的展成回轉(zhuǎn)角范圍是0°~80°，但自校準技術(shù)通過整周多點布局采樣處理，使得各位置的角度自然封閉，這樣就可以把任意位置的回轉(zhuǎn)角都直接和360°這個自然基準進行比較，實現(xiàn)了最短鏈條的角度溯源。

 

　　帶載工作臺回轉(zhuǎn)角誤差的自校準和動態(tài)修正是在線測量的經(jīng)典技術(shù)難題。螺旋線基準裝置可以根據(jù)被測標準樣板或標準齒輪實際負載的重量和偏心，實時修正補償回轉(zhuǎn)角誤差曲線。

 

　　僅以齒輪標準器放置前的0kg負載和放置標準器后的5kg負載為例，從下圖可看到不同負載下的回轉(zhuǎn)工作臺的角度誤差曲線是不同的，且角度差最大能到0.5″;而且無負載時的回轉(zhuǎn)角度偏差曲線并不是最小，實驗結(jié)果的結(jié)論和常規(guī)認知并不同，這是因為氣浮回轉(zhuǎn)臺有負載設(shè)計要求，只有在最佳負載范圍內(nèi)才能達到最好的使用性能。而常規(guī)的修正補償技術(shù)只能在無負載的理想情況下進行，用無負載的補償曲線修正計算帶載下的回轉(zhuǎn)角，可能會造成更大的誤差。

 

　　新一代螺旋線基準裝置在研究齒輪空間幾何曲線綜合測量和溯源方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了雙激光干涉光路用于空間復(fù)雜型面--漸開線及螺旋線的測量技術(shù)、帶載回轉(zhuǎn)工作臺角度自校準修正技術(shù)、三維探測掃描系統(tǒng)撓曲補償技術(shù)、主從級閉環(huán)多軸聯(lián)動驅(qū)動控制和測量技術(shù)等多個儀器關(guān)鍵單元技術(shù)，成功研制了可直接溯源的復(fù)合式齒輪螺旋線測量裝置，螺旋線偏差測量不確定度U=0.9μm/100mm (k=2)，經(jīng)技術(shù)鑒定及國際比對驗證，螺旋線測量能力及技術(shù)指標達到國際先進水平。

 

　　項目從裝置研制到國家基準的授權(quán)，歷經(jīng)9年積累，從無到有，突破了幾何量測量儀器設(shè)計多個技術(shù)瓶頸，建立了新一代齒輪螺旋線基準裝置，從質(zhì)量保證的最高源頭進行技術(shù)創(chuàng)新和能力提升，完善了國家齒輪量傳體系，提升了我國齒輪螺旋線校準測量能力，齒輪標準量值通過各校準機構(gòu)的量傳和校準服務(wù)的輻射，確保了國內(nèi)齒輪量儀和齒輪加工的量值準確性和一致性。項目已獲國家市場監(jiān)管總局科研成果獎二等獎。新一代齒輪螺旋線基準裝置研制成功

發(fā)布時間：2021-09-22 | 來源：北京精密 | 作者： 薛梓

 　　新一代齒輪螺旋線基準裝置的研制

　　一、項目背景

 

　　智能時代，齒輪天地，齒輪測量是一個看似古老而又充滿生機的研究方向，不管是從單一零部件測量還是組合系統(tǒng)整體來看，齒輪等具有復(fù)雜三維空間型面的高精度測量技術(shù)依然是非常有挑戰(zhàn)的。

 

　　國家齒輪基標準體系由螺旋線基準、漸開線標準和齒距標準三個單參數(shù)裝置和相應(yīng)的不同等級的量傳標準器組成，但原有的齒輪基標準裝置已老化無法工作。自2014年起我國齒輪產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居全球第一，國內(nèi)齒輪制造面臨向中高端轉(zhuǎn)型的壓力，而齒輪基準的研制及量傳體系的完善對保證國內(nèi)齒輪產(chǎn)品制造質(zhì)量和應(yīng)用量值準確一致有重要作用，因此需要研制和制造相匹配的新的齒輪基準裝置。

 

　　新的ISO齒輪標準中對齒輪和齒輪儀器提出了更高的精度要求，齒輪測量中心和坐標測量機已成為齒輪制造現(xiàn)場主流設(shè)備，但其核心的多軸聯(lián)動復(fù)雜曲面成型控制反饋和測量技術(shù)是不對國內(nèi)開放的。

 

　　二、方案創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)

 

　　齒輪基準生成的標準量值需要滿足制造的要求：高精度、多參量綜合測量的溯源需求，又無法依靠國外技術(shù)，因此立足自主研發(fā)，建立新一代齒輪基準，提升國家現(xiàn)有齒輪基準能力對保證國內(nèi)齒輪制造精度的準確可靠和適應(yīng)新的國際標準要求具有非常重要的、基礎(chǔ)性的作用。

 

　　不同形成機理、不同空間方向的螺旋線和漸開線共存同一齒面，雖然空間幾何型面復(fù)雜，但可以抽象看作是長度尺寸、角度尺寸與形狀的復(fù)合測量。

 

　　為了達到基準高精度測量和直接溯源的目標，又為了規(guī)避商品類儀器修正模型不向國內(nèi)開放的限制，項目提出了空間軌跡曲線測量系統(tǒng)和生成運動控制系統(tǒng)分離的設(shè)計方案，整套裝置結(jié)構(gòu)在國內(nèi)加工和調(diào)試，其中空間軌跡生成運動控制系統(tǒng)采用了商用的坐標機多軸聯(lián)動控制方案和技術(shù)，只用來做齒輪螺旋線和漸開線軌跡的生成，而齒輪測量和溯源的部分則由空間軌跡跟隨測量系統(tǒng)實現(xiàn)，整個跟隨測量系統(tǒng)由項目獨立設(shè)計的二維激光干涉測量光路、自校準回轉(zhuǎn)工作臺系統(tǒng)、二維跟隨機構(gòu)、主從級6軸驅(qū)動控制和測量采集系統(tǒng)以及四個漸開線螺旋線量化控制和測量補償模型組成。從外觀結(jié)構(gòu)看，整套裝置變成了一個6軸坐標系統(tǒng)，空間軌跡跟隨測量系統(tǒng)被嵌套于齒輪空間軌跡生成系統(tǒng)(齒輪測量中心)內(nèi)，但又相互分離。跟隨測量系統(tǒng)具備如下三個特點：

 

　　跟隨系統(tǒng)按照項目研發(fā)的齒輪螺旋線漸開線空間展成模型設(shè)計路徑規(guī)劃，合理設(shè)置X/Z向直線位移與回轉(zhuǎn)角的不同步距，使得激光干涉直線位移光路能同步跟隨上按照齒輪空間軌跡線運行的小反射鏡，并通過回轉(zhuǎn)臺的測量同步觸發(fā)，實時同步采集激光干涉位移、回轉(zhuǎn)角位移和3D探測系統(tǒng)的微位移信號，得到齒面軌跡實際測量信息，最后通過項目研發(fā)的齒輪螺旋線漸開線修正模型運算得到齒輪空間軌跡實際擬合線及齒輪參量誤差。項目將復(fù)雜的螺旋線和漸開線空間曲線測量轉(zhuǎn)化為更高準確度的激光干涉直線位移和自校準的回轉(zhuǎn)角測量，實現(xiàn)了高準確度的齒輪空間軌跡線的測量及齒輪參量的直接溯源。不采用控制生成系統(tǒng)中的多軸光柵尺的信號做測量，也就最大程度避免生成系統(tǒng)的多軸結(jié)構(gòu)幾何誤差對測量的影響。

 

　　跟隨路徑的控制與同步實時采集依賴于項目研發(fā)的主從級6軸聯(lián)動驅(qū)動控制和測量采集系統(tǒng)，它由兩個既獨立又共同觸發(fā)關(guān)聯(lián)的控制模塊組成，一個是以商業(yè)Pantec為主控制器的齒輪軌跡線多軸聯(lián)動控制模塊，另一個是以PMAC為主控制器的跟隨測量采集系統(tǒng)。軌跡生成和跟隨測量兩個模塊既相互獨立，又相互聯(lián)接，通過自校準回轉(zhuǎn)臺的光柵信號作為觸發(fā)信號控制生成系統(tǒng)中的軌跡線生成和測量系統(tǒng)中跟隨測量信號同步。兩個模塊需要控制整個裝置中6個運動軸的驅(qū)動和9路測量控制信號的采集。

 

　　且二維激光光路經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，將小反射鏡固定在3D探測系統(tǒng)的測桿上，實際的測量線從原來軌跡生成系統(tǒng)的導軌光柵尺布局的500mm處前移到了距離探測測頭的50mm處，結(jié)構(gòu)布局更符合阿貝原則，這樣當儀器導軌角擺誤差同樣為0.5″時，可以使齒面展成測長誤差從De1=1.2μm降低到De2=0.12μm，因此軌跡生成系統(tǒng)的三軸結(jié)構(gòu)誤差對齒輪參量測量結(jié)果的影響大大降低。

 

　　針對3D 探測系統(tǒng)沿齒面掃描時產(chǎn)生的撓曲變形對激光干涉測量齒面展長的精度損失問題，建立了激光測長補償技術(shù)，使探測誤差為1μm的3D探測系統(tǒng)對測長的影響降低到0.3μm以下，保證了漸開線和螺旋線測量準確度。

 

　　依據(jù)角度自封閉特性，實現(xiàn)了負載下螺旋線漸開線的回轉(zhuǎn)角誤差自校準修正技術(shù)，解決了工作臺旋轉(zhuǎn)運行時，由于螺旋線樣板或漸開線樣板由于自身重量或樣板結(jié)構(gòu)不對稱造成偏載，對回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)生新的回轉(zhuǎn)角誤差的修正問題，在不使用外部角度標準器的條件下，使回轉(zhuǎn)臺原始角誤差由± 1.5″降低到± 0.15″，回轉(zhuǎn)角精度提高一個數(shù)量級，有效提高了螺旋線漸開線的測量準確度。

 

　　螺旋線漸開線展成的回轉(zhuǎn)角范圍在十幾度到一百多度，非整周運動，例如螺旋角30°標準樣板的展成回轉(zhuǎn)角范圍是0°~80°，但自校準技術(shù)通過整周多點布局采樣處理，使得各位置的角度自然封閉，這樣就可以把任意位置的回轉(zhuǎn)角都直接和360°這個自然基準進行比較，實現(xiàn)了最短鏈條的角度溯源。

 

　　帶載工作臺回轉(zhuǎn)角誤差的自校準和動態(tài)修正是在線測量的經(jīng)典技術(shù)難題。螺旋線基準裝置可以根據(jù)被測標準樣板或標準齒輪實際負載的重量和偏心，實時修正補償回轉(zhuǎn)角誤差曲線。

 

　　僅以齒輪標準器放置前的0kg負載和放置標準器后的5kg負載為例，從下圖可看到不同負載下的回轉(zhuǎn)工作臺的角度誤差曲線是不同的，且角度差最大能到0.5″;而且無負載時的回轉(zhuǎn)角度偏差曲線并不是最小，實驗結(jié)果的結(jié)論和常規(guī)認知并不同，這是因為氣浮回轉(zhuǎn)臺有負載設(shè)計要求，只有在最佳負載范圍內(nèi)才能達到最好的使用性能。而常規(guī)的修正補償技術(shù)只能在無負載的理想情況下進行，用無負載的補償曲線修正計算帶載下的回轉(zhuǎn)角，可能會造成更大的誤差。

 

　　新一代螺旋線基準裝置在研究齒輪空間幾何曲線綜合測量和溯源方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了雙激光干涉光路用于空間復(fù)雜型面--漸開線及螺旋線的測量技術(shù)、帶載回轉(zhuǎn)工作臺角度自校準修正技術(shù)、三維探測掃描系統(tǒng)撓曲補償技術(shù)、主從級閉環(huán)多軸聯(lián)動驅(qū)動控制和測量技術(shù)等多個儀器關(guān)鍵單元技術(shù)，成功研制了可直接溯源的復(fù)合式齒輪螺旋線測量裝置，螺旋線偏差測量不確定度U=0.9μm/100mm (k=2)，經(jīng)技術(shù)鑒定及國際比對驗證，螺旋線測量能力及技術(shù)指標達到國際先進水平。

 

　　項目從裝置研制到國家基準的授權(quán)，歷經(jīng)9年積累，從無到有，突破了幾何量測量儀器設(shè)計多個技術(shù)瓶頸，建立了新一代齒輪螺旋線基準裝置，從質(zhì)量保證的最高源頭進行技術(shù)創(chuàng)新和能力提升，完善了國家齒輪量傳體系，提升了我國齒輪螺旋線校準測量能力，齒輪標準量值通過各校準機構(gòu)的量傳和校準服務(wù)的輻射，確保了國內(nèi)齒輪量儀和齒輪加工的量值準確性和一致性。項目已獲國家市場監(jiān)管總局科研成果獎二等獎。