CN105698647A - 一种渐开线齿轮齿厚快速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种渐开线齿轮齿厚快速测量装置，属于机械加工检测技术领域。该装置的壳体上支撑齿轮传动连接的主动齿轮和角度传感齿轮；所述主动齿轮与外端具有测量头的可动测量杆固定连接，所述可动测量杆的一侧相应安置外端具有测量头的参考测量杆，所述参考测量杆与壳体固连；所述壳体上还装有角度传感齿轮转角采集单元，所述采集单元的信号输出端接智能测量模块。当操控壳体使两测量杆外端的测量头分别嵌入待测齿轮的相应齿槽内，获得其相对于初始位置的转角变化，即可借助智能器件的转换，便捷快速并且准确的得到所需的齿厚参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种齿轮齿厚的测量装置，尤其是一种渐开线齿轮齿厚快速测量装置，属于机械加工检测技术领域。
背景技术
渐开线齿轮的齿厚值一直是齿轮设计、加工和测绘中最为重要的齿轮参数之一，如何准确的测量出齿轮的齿厚值，直接关系到齿轮加工工艺的稳定和成品质量的优劣。在齿轮批量制造过程诸如滚齿、插齿、铣齿、磨齿等工序中，如果不能快速有效测量出准确的齿厚值，势必对生产效率和质量都会产生不良影响。
据申请人了解，长期以来，中等精度齿轮最常用的齿厚测量方法是公法线测量和跨棒(球)距测量。这两种方法的优点是测量原理均为精确几何模型不存在理论误差，测量精度高，相应测量工具也比较简单便捷，因此被普遍采用。但是可以发现，公法线和跨棒(球)距测量都一定的局限性：1.公法线测量因测量原理的限制不能用于内齿轮的测量，对于螺旋角大齿宽短的斜齿轮也不能适用，另外碰到大模数或及短齿高的齿轮，由于无法取得合适的测量点更无法测量，上述情况只能使用跨棒(球)距测量；2.跨棒(球)距测量在测量时要求操作人员手动固定两对立齿槽中放置的量棒(球)，同时使用长度千分尺测量其跨棒(球)距，往往一人很难操作，而需要两人合作才能完成，此外操作人员还需有准确的“手感”，能够凭感觉找到跨棒(球)距的极值，所以非专业人员难以保证测量结果准确。对于分度圆很大的内齿圈，测量跨棒(球)距需要借助大型内径长度千分尺，往往需要多人协助才能完成测量，极为不便，没有合适长度的千分尺就无法完成测量。
针对上述跨棒(球)距测量存在的局限性，目前主要是借助辅助装置和特制测量工具来克服，主要是通过机构固定量球并测量跨棒(球)距的装置。此类装置不再需要人工扶正量棒(球)，同时装置上自带千分尺，可以方便快速的对特定大小的齿轮进行测量。然而实践证明，这些装置仍存在一些不足之处，首先鉴于跨棒(球)距的测量原理，当齿轮分度圆增大时，所需的测量装置同样也要增大，制造成本巨大，明显不经济，所以只能用于分度圆不大的齿轮跨棒(球)距测量，其次是测量范围有局限性且内、外齿不能通用；另外这些装置通常只能在固定场合使用，需移动被测齿轮到指定测量位置才能进行测量操作，对于批量生产而言，显然耗时费力，不能作为生产巡检和自检的测量工具。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种适于包括大模数、大螺旋角、短齿宽、短齿高、大型内齿圈等各类特殊渐开线齿轮齿厚测量的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，同时还涉及相应的测量方法。
根据渐开线齿轮的数学几何关系可以推导出以下齿厚与任意齿槽间跨棒(球)距的数学关系：
1)量棒(球)与齿轮中心距的函数关系推导(以外齿轮举例，内齿轮同理可推)
如图1所示，量棒(球)在测量时将置于图示齿槽位置，且分布与左右齿面接触相切，根据此时的几何关系，不难得出量棒(球)中心量棒(球)与齿轮中心距ry的计算公式：
ry＝rb/cos(αy)可得：
αy＝arccos(rb/ry)(1)
式中，rb为齿轮基圆半径，αy为齿轮在ry处的压力角。
同时还可以推导出αy的计算公式：
invαy＝μ+θc+ψ-π/z
＝dk/db+s/d+invα-π/z(2)
＝invα+2*x*tan(α)/z+dk/db-π/(2*z)(3)
上式中，μ为过量棒(球)中心的渐开线与基圆交点、齿轮中心、量棒(球)与右齿面切点，连线之夹角；θc为右齿面渐开线在量棒(球)与右齿面切点处的渐开角；ψ为量棒(球)与右齿面切点、齿轮中心，牙齿中线，连线之夹角；z为齿轮齿数；dk为量棒(球)直径；db为齿轮基圆直径；s为分度圆齿厚；d为分度圆直径；α为齿轮分度圆压力角；渐开线函数invα＝tan(α)-α；x为齿轮变位系数。
再将式(1)代入式(2)可得：
inv(arccos(rb/ry))＝dk/db+s/d+invα-π/z(4)
2)量棒(球)与齿轮中心距的测量设计
实际测量中，式(4)中仅ry和齿厚s是未知，可以看出ry和齿厚s是一元函数关系，也就是说只要能准确测得ry值即可根据此函数关系确定齿厚s,因此如图2所示，放置两量棒(球)(图中为方便阐述跨3齿，实际中可以跨任意齿数i)，根据图中几何原理可以得出：
ry＝L/(2*sin(α1/2))(5)
L＝2*L1*sin(α2/2)(6)
联立(5)、(6)两式可得
ry＝L1*sin(α2/2)/sin(α1/2)(7)
式中，L为两量棒(球)中心距，α1为两量棒(球)中心与齿轮中心连线的夹角，α1＝2*i*π/z(i为两量棒(球)间所跨齿数),L1是测量装置两测量杆的长度，α2为两测量杆之间的夹角。由式(7)不难看出，只要α2能够测出，根据上述公式关系，齿厚值也能完全确定，所以最终确定α2为测量对象即可方便地通过转换精确得到所需测量的齿厚值。
基于以上几何关系推导，为了达到以上目的，申请人提出的渐开线齿轮齿厚快速测量装置基本技术方案为：包括壳体，所述壳体上支撑齿轮传动连接的主动齿轮和角度传感齿轮；所述主动齿轮与外端具有测量头的可动测量杆固定连接，所述可动测量杆的一侧相应安置外端具有测量头的参考测量杆，所述参考测量杆与壳体固连；所述壳体上还装有角度传感齿轮转角采集单元，所述采集单元的信号输出端接智能测量模块。
当操控壳体使两测量杆外端的测量头分别嵌入待测齿轮的相应齿槽内，获得其相对于初始位置的转角变化，即可借助智能器件的转换，便捷快速并且准确的得到所需的齿厚参数。
本发明进一步的完善是，所述外壳还支撑与角度传感齿轮啮合且具有回位趋势的卷条齿轮。因此，可以保持可动测量杆具有靠拢参考测量杆的趋势，自动消除可能存在的啮合间隙，保证测量精度。
进一步，所述壳体内支撑通过从动齿轮过渡传动连接的主动齿轮和角度传感齿轮；所述主动齿轮与从动齿轮的传动比以及所述从动齿轮与角度传感齿轮的传动比均大于1。
进一步，所述角度传感齿轮与角度传感器同轴固定。
进一步，所述角度传感齿轮与卷条齿轮啮合，所述卷条齿轮端面装有卷条弹簧。
进一步，所述角度传感器一侧的壳体内装有作为转角采集单元的采集卡。
进一步，所述采集卡一侧安装具有输入按键和LED显示的面板。
进一步，所述采集卡通过角度传感器获取到的测量杆间转角电压信号通过A/D转换模块转换为数字信号，输出到作为智能测量模块的PLC中。
进一步，所述壳体呈下部开口的盒状，顶部具有把手。
进一步，所述测量头为测量棒或测量球。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是量棒(球)与齿轮中心距的几何关系示意图。
图2是齿厚与测量角的几何关系示意图。
图3是本发明一个实施例的结构示意图。
图4是图1实施例另一个视角的结构示意图。
图5是图1实施例的电路原理框图。
图6是图1实施例应用于外齿轮齿厚测量的示意图。
图7是图1实施例应用于内齿轮齿厚测量的示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的渐开线齿轮齿厚快速测量装置如图3和图4所示，下部开口的盒状壳体13顶部具有把手12。壳体13内支撑通过从动齿轮5过渡传动连接的主动齿轮4和角度传感齿轮6，主动齿轮4与从动齿轮5小侧隙啮合且传动比为i1，从动齿轮5与具有端盘的角度传感齿轮6小侧隙啮合且传动比为i2，角度传感齿轮6与角度传感器9同轴固定，因此主动齿轮4的转动角度通过齿轮传动机构传递到角度传感器9时放大了i1*i2倍(本实施例为2*2倍)。
主动齿轮4与外端具有测量棒(或球)1的可动测量杆3同轴固定连接，可动测量杆3的一侧安置外端具有测量棒(或球)1’的参考测量杆2，两测量棒(或球)等径、两测量杆等长，可动测量杆3可绕主动齿轮4的轮轴相对于固定在壳体13上的参考测量杆2转动，实际测量时两测量杆之间的夹角即为上述的α2角，图3中虚线位置为测量初始的零点位置，此时两测量杆的夹角为定值。由于主动齿轮4与可动测量杆3同轴固定连接，固可动测量杆3与其在虚线位置时的夹角即为主动齿轮4的转动角度。
此外，角度传感齿轮6还与卷条齿轮7啮合，该卷条齿轮7端面装有一卷条弹簧8，该卷条弹簧8在可动测量杆3处于图3虚线的零位时为微收紧状态，当可动测量杆3测量转动时，卷条齿轮7也将同时发生转动，卷条弹簧8进一步收紧，作用在卷条齿轮7上的反向扭矩也逐渐增加，从而使得所有齿轮均获得反向扭矩，确保相互之间单侧齿面啮合，消除齿轮侧隙，保证了测量的稳定性和准确性，同时反向扭矩的存在还使得可动测量杆3始终具有向参考测量杆2靠拢的回位趋势，实现测量过程中测量棒(球)的自动夹紧，方便操作，且进一步保证了测量的稳定、精确。
角度传感器9一侧的壳体13内装有采集卡10，从而构成角度传感齿轮6的转角采集单元。采集卡10一侧还安装具有输入按键和LED显示的面板11。本实施例选用米朗M4500角度传感器，其有效行程为0-355°，线性精度±0.075％，重复精度0.007°。由于测量杆臂长L1设定为100mm，根据几何公式推演可知角度传感器重复精度引起的齿厚测量误差小于0.002mm，完全可以满足测量精度要求。
如图5所示，采集卡10通过角度传感器9获取到的测量杆间转角电压信号通过A/D转换模块转换为数字信号，输出到作为智能测量模块的PLC中，PLC的按键输入和显示输出端口接面板11。
测量时，首先将可动测量杆3与参考测量杆2靠拢，在两测量棒(或球)相互接触后按下面板11上的零位键。此时面板11上LED显示值归零，通过数字按键输入被测齿轮的基本参数并按下确认键后，PLC获得齿轮的初始变量值。参照图6或图7，酌情按照输入的跨齿数将两量棒(球)分别置于相应的齿槽内，并握着把手12向齿槽方向轻轻施力，两量棒(球)均与齿槽的左右齿面接触后即可(斜齿轮要保证两量球中心连线与齿端面保持垂直)。在此过程中，可动测量杆3与参考测量杆2的夹角通过齿轮传动机构传递并放大到角度传感器9中，角度传感器9通过采集卡10将角度的电压力值获取后转换为电信号传递给PLC，PLC则根据此角度值与预置的计算程式计算出齿轮齿厚值、公法线等测量结果，通过面板11上的LED显示器实时显示。
实践表明，采用本实施例的齿厚测量装置可以轻松实现齿轮齿厚快速准确测量，并且测量装置带有自定心功能，无需传统齿厚测量(跨棒距测量等)对操作人员手感的苛刻要求，不存在理论误差，适用于各类内齿和外齿的齿厚测量，尤为适用于大型内齿圈的测量，另外可以通过更换不同规格的量棒及量球，满足各类模数的直齿轮和斜齿轮的齿厚测量。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种渐开线齿轮齿厚快速测量装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体上支撑齿轮传动连接的主动齿轮和角度传感齿轮；所述主动齿轮与外端具有测量头的可动测量杆固定连接，所述可动测量杆的一侧相应安置外端具有测量头的参考测量杆，所述参考测量杆与壳体固连；所述壳体上还装有角度传感齿轮转角采集单元，所述采集单元的信号输出端接智能测量模块。
2.根据权利要求1所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述外壳还支撑与角度传感齿轮啮合且具有回位趋势的卷条齿轮。
3.根据权利要求2所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述壳体内支撑通过从动齿轮过渡传动连接的主动齿轮和角度传感齿轮；所述主动齿轮与从动齿轮的传动比以及所述从动齿轮与角度传感齿轮的传动比均大于1。
4.根据权利要求3所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述角度传感齿轮与角度传感器同轴固定。
5.根据权利要求4所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述角度传感齿轮与卷条齿轮啮合，所述卷条齿轮端面装有卷条弹簧。
6.根据权利要求5所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述角度传感器一侧的壳体内装有作为转角采集单元的采集卡。
7.根据权利要求6所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述采集卡一侧安装具有输入按键和LED显示的面板。
8.根据权利要求7所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述采集卡通过角度传感器获取到的测量杆间转角电压信号通过A/D转换模块转换为数字信号，输出到作为智能测量模块的PLC中。
9.根据权利要求8所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述壳体呈下部开口的盒状，顶部具有把手。
10.根据权利要求9所述的渐开线齿轮齿厚快速测量装置，其特征在于：所述测量头为测量棒或测量球。
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Address after: 213011 258 Wuyi Road, Changzhou, Jiangsu Patentee after: CRRC Qishuyan Locomotive and Rolling Stock Technology Research Institute Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 213011 258 Wuyi Road, Changzhou, Jiangsu Patentee before: CRRC QISHUYAN INSTITUTE Co.,Ltd. Country or region before: China |