CN103954447B - 一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及谐波减速器用柔性齿轮，特指一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法。激光探头发出两道距离一定的平行激光束，分别射在不同的齿面上，再由探头输出各自测出的距离。若出现过切或欠切，齿厚必然会发生变化，从而导致探头输出信号的变化，由滚齿机的切削深度和刀具磨损引起的切削误差就可以由输出信号的差异计算出来，同时还可以通过旋转齿轮，测量其全齿来降低由于调整齿轮和探头相对位置引起的定位误差，达到制造质量控制的要求。

Description

一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法
技术领域
本发明涉及谐波减速器用柔性齿轮，通过激光探头和旋转测量台***对齿廓的切削误差进行测量；为减小传统测量方法中千分尺和范Kuven线对测量过程造成的不便和对测量结果造成的误差，本发明专利提出了一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法，属于先进装备精密制造技术。
背景技术
谐波减速器主要结构分别为谐波发生器、柔性外齿齿轮和刚性内齿齿圈。谐波减速器具有较高的减速率且几乎不存在齿侧间隙，它以高定位精度、较好的可重复性、高转矩、高效率和低磨损等特点在工业机器人、机床、医疗器械和航天器等方面受到广泛应用。由于多应用在精密制造业，谐波减速器零部件的尺寸公差要求也越来越严格，因此为保证其零部件的制造精度，必须精确测量零部件的切削误差并同时将误差信息反馈给机床从而控制制造精度。然而，对于谐波减速器而言，柔性齿轮的制造精度控制尤为困难，其切削精度大概只在几个微米之间，会大大影响谐波减速器的性能。一般对柔性齿轮的切削误差的测量，是通过测量一个由柔性齿轮、范Kuven线和千分尺组成的***来实现的。将线嵌在相邻两齿之间，用千分尺压住线并测量此时的齿顶圆直径，如果切削过程中出现过切，那么相邻两齿之间的间距会增加，范Kuven线会向齿轮中心移动，利用这种方法得到的测量数据与参考数据比较就能得到柔性齿轮的切削误差。但是实际操作起来非常困难，因为齿轮尺寸非常小，还具有很好的弹性，并且在测量时必须停止切削，这使得整个测量过程不稳定、效率低而且数据很难保证精确。基于齿轮尺寸过小难以测量，同时要保证尺寸精度和测量效率的问题，本发明专利提出一种使用两个激光探头和旋转测量台的测量***对柔性齿轮的切削误差进行非接触式、无弹性变形的测量方法，能有效提高测量精度和测量效率。
发明内容
本发明专利涉及的谐波减速器用柔性齿轮切削误差的测量***由两个平行激光探头和旋转测量台构成，激光探头发出两道距离一定的平行激光束，分别射在不同的齿面上，再由探头输出各自测出的距离。若出现过切或欠切，齿厚必然会发生变化，从而导致探头输出信号的变化，由滚齿机的切削深度和刀具磨损引起的切削误差就可以由输出信号的差异计算出来。同时还可以通过旋转齿轮，测量其全齿来降低由于调整齿轮和探头相对位置引起的定位误差，达到制造质量控制的要求。
附图说明
图1测量***示意图；
1-激光探头；2-柔性齿轮；3-旋转测量台。
图2参考齿轮校准测量示意图；
m10-激光探头1测量出的距离；m20-激光探头2测量出的距离；θi-齿轮旋转的角度；mA探头到节圆的距离；θA-两探头测出距离相等时转过的角度；D-两个激光探头间距离。
图3待测齿轮的测量示意图；
m1-激光探头1测量出的距离；m2-激光探头2测量出的距离；mB-两探头测出的距离相等时的距离；θB-两探头测出的距离相等时转过的角度；Δα-切削误差。
图4旋转一圈两测头测量差值示意图。
图5旋转多圈测量后各齿轮的测量平均值Δmave示意图。
具体实施方式
(1)如图1测量***示意图，利用静压圆柱夹具将柔性齿轮固定安装在旋转测量台上，测量台通过步进电机驱动；再将两个激光探头平行固定在与齿轮同等高度处，激光探头采用LC-2420型激光位移传感器，分辨率为10nm；两个位移传感器通过AD模块与计算机相连，进行数据采集与计算。
(2)在实际测量前，先选择图2中柔性外齿齿轮作为参考齿轮进行校准测量；调节两平行探头之间的距离，使得激光在齿面上的两个测量点均位于齿轮节圆上，这样可以将测量点周围的小范围测量区域看成一条直线；如图2所示，在测量参考齿轮的两个轮齿时，随着齿轮的顺时针转动，m10逐渐减小，m20逐渐增大，当转过θA后二者相等时即是两个探头到节圆的距离，此时两个测量点均位于节圆上。
所述的参考齿轮指切削误差满足误差范围内的柔性齿轮，并视该齿轮切削误差为0；
误差范围一般参考齿轮精度相关国标，具体的误差范围视实际加工的技术要求而定。
(3)换上需要测量的齿轮后，转动齿轮进行测量，此时得出的转动角度与测量距离之间的关系如图3所示，mB为两探头测出的相等距离，与参考齿轮比较，mA与mB间的误差Δα即为切削误差；但是图2和图3所表示的切削误差均是在不考虑齿轮偏心误差、转动误差及其他误差的情况下得到的理论值，要得到实际精确误差需要将外部影响因素考虑在内。
所述需要测量的齿轮与参考齿轮应为同种齿轮。
(4)数据收集及计算：测量台通过步进电机驱动，每转一次收集一次数据，因此收集的数据以离散的形式出现，通过计算可以比较精确的求出其误差，在水平面内建立X-Y坐标系，Y轴与激光平行，由图3可知当激光探头2测量的距离(即m2)等于mA时，激光探头1的测量结果可用mA+2Δα表示，则m1与m2可表示为
m1＝mA+2Δα+{eCcosθi+eX(θi)}tanφ1(θi)+eCsinθi+eY(θi) (1)
m2＝mA+{eCcosθi+eX(θi)}tanφ2(θi)+eCsinθi+eY(θi)，i＝1，2，…，N (2)
其中N为齿轮齿数；eC为齿轮偏心误差；eX和eY分别为齿轮在X和Y轴方向的转动误差；Φ1和Φ2分别为两个测量齿面与X轴的夹角，均通过测量得到数据，θi为齿轮转动角度，通过测量台内置角度传感器实时测量。
将(1)(2)相减后得到
由(3)式可知相减后Y方向的误差完全消除了，为了减小X方向的误差，将齿轮旋转一周后将测量得到的Δm求平均值即得Δmave
其中
通过实时测量得到m1和m2的值可以计算出测量差值Δm的平均值Δmave，ΔEX也可以通过测量eC、eX、Φ1和Φ2以及实时测量的旋转角度θi计算出来，则最终较为精确的切削误差Δα即可通过求得；从结果可以看出Y方向的误差已经消除，ΔEX主要是由X方向的误差大小决定的，只要通过多次旋转测量取平均值即可大幅度减小，通过此方法测出的Δα，即为柔性齿轮的切削误差。
为验证该方法可行性，选取切削误差分别为-6μm、0、+6μm的三个齿轮试样进行测试实验，图4为三个齿轮试样分别旋转一圈测得的两个测头测量差值Δm，其横坐标表示旋转角度，纵坐标表示两测头的测量差值，从图中可以看出测量结果中包含了偏心误差和转动误差等外部影响因素；图5为三个齿轮试样分别旋转多圈测量后得到的测量差值的平均值Δmave，其横坐标表示不同的切削误差，纵坐标表示Δmave，σ表示其测量不确定度即Δmave的平均误差，从图中可以看出Δmave与切削误差呈线性关系，符合(4)式规律，表示该测量方法是可行的，三个齿轮的测量不确定度为±1.83μm，满足生产线的实际要求。

Claims (5)

1.一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法，其特征在于所述测量方法包括如下步骤：
(1)利用静压圆柱夹具将柔性齿轮固定安装在旋转测量台上，测量台通过步进电机驱动；再将两个激光探头平行固定在与齿轮同等高度处；
(2)在实际测量前，先对参考齿轮进行校准测量；调节两平行探头之间的距离，使得激光在齿面上的两个测量点均位于齿轮节圆上，此时激光探头1测量出的距离m10等于激光探头2测量出的距离m20等于探头到节圆的距离mA；
(3)换上需要测量的齿轮后，转动齿轮进行测量，mB为两探头测出的距离相等时的距离，与参考齿轮比较，mA与mB间的误差Δα即为切削误差，为理论值；
(4)数据收集及计算：测量台通过步进电机驱动，每转一次收集一次数据，因此收集的数据以离散的形式出现，通过计算求出切削误差的精确值，在水平面内建立X-Y坐标系，Y轴与激光平行，当激光探头2测量的距离m2等于mA时，激光探头1的测量结果m1可用mA+2Δα表示，则m1与m2可表示为
m1＝mA+2Δα+{eCcosθi+eX(θi)}tanφ1(θi)+eCsinθi+eY(θi) (1)
m2＝mA+{eCcosθi+eX(θi)}tanφ2(θi)+eCsinθi+eY(θi)，i＝1，2，…，N (2)
其中N为齿轮齿数；eC为齿轮偏心误差；eX和eY分别为齿轮在X和Y轴方向的转动误差；Φ1和Φ2分别为两个测量齿面与X轴的夹角，均通过测量得到数据，θi为齿轮转动角度，通过测量台内置角度传感器实时测量；
将(1)(2)相减后得到：
由(3)式可知相减后Y方向的误差完全消除了，为了减小X方向的误差，将齿轮旋转一周后将测量得到的Δm求平均值即得Δmave
其中
通过实时测量得到m1和m2的值可以计算出测量差值Δm的平均值Δmave，ΔEX也可以通过测量eC、eX、Φ1和Φ2以及实时测量的旋转角度θi计算出来，则最终切削误差Δα的精确值即可通过2Δα＝Δmave-ΔEX求得；从结果看出Y方向的误差已经消除，ΔEX主要是由X方向的误差大小决定的，只要通过多次旋转测量取平均值即可大幅度减小，通过此方法测出的Δα，即为柔性齿轮的切削误差。
2.如权利要求1所述的一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法，其特征在于：所述激光探头采用LC-2420型激光位移传感器，分辨率为10nm；两个位移传感器通过AD模块与计算机相连，进行数据采集与计算。
3.如权利要求1所述的一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法，其特征在于所述使得激光在齿面上的两个测量点均位于齿轮节圆上指：在测量参考齿轮的两个轮齿时，参考齿轮沿顺时针转动，m10逐渐减小，m20逐渐增大，当转过θA后二者相等时即是两个探头到节圆的距离，此时两个测量点均位于节圆上。
4.如权利要求1所述的一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法，其特征在于：所述的参考齿轮指切削误差满足误差范围内的柔性齿轮，并视该齿轮切削误差为0。
5.如权利要求1所述的一种谐波减速器用柔性齿轮的切削误差测量方法，其特征在于：所述需要测量的齿轮与参考齿轮应为同种齿轮。
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