CN115615373B - 一种谐波齿轮径向跳动检测装置、检测方法及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动检测技术领域，涉及一种谐波齿轮径向跳动检测装置、检测方法及控制方法。转动谐波齿轮，其齿部沿着椭圆形轨迹转动。伺服电机驱动驱动齿轮转过一个齿。测量气缸驱动量柱，量柱的圆柱面放入谐波齿轮朝上的齿槽，量柱的圆柱面压紧谐波齿轮位于椭圆长轴端的齿槽的两齿侧，量柱的圆柱面压在位移传感器检测触头上，位移传感器检测出位移数值，用来评判谐波齿轮是否合格。本发明能使谐波齿轮的齿部弯曲成使用状态时的曲率半径，能自动测量齿部跳动偏差，能自动评判齿部是否合格，避免不合格谐波齿轮流入谐波减速器生产线，延长谐波减速器使用寿命，避免不合格谐波减速器进入市场，提升产品质量；代替人工，提高生产效率，提高检测质量。

Description

一种谐波齿轮径向跳动检测装置、检测方法及控制方法

技术领域

本发明涉及自动检测技术领域，涉及一种齿轮检测装置，具体涉及一种谐波齿轮径向跳动检测装置、检测方法及控制方法。

背景技术

谐波减速器主要由波发生器、谐波齿轮、柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成；谐波齿轮是可产生弹性形变的薄壁齿轮，谐波齿轮是杯形，分为齿部、柔性连接筒和底部；其中底部是刚性的圆环形，中央有定位孔；齿部是柔性的、中间有内孔的齿轮，齿部其中一侧的轮缘和底部通过柔性连接筒连接，齿部的另一侧是杯形的开口；在工作时柔性轴承使谐波齿轮产生可控弹性变形；波发生器上有一段椭圆形轴，柔性轴承的内圈形状固定，有椭圆形孔，椭圆形轴和椭圆形孔配合，柔性轴承的内圈和外圈之间有椭圆形的钢珠滚道，柔性轴承的外圈受到椭圆形钢珠滚道的约束而变成椭圆形；谐波齿轮的齿部内孔和柔性轴承椭圆形的外圈配合，使谐波齿轮的齿部变成椭圆形；波发生器装配上柔性轴承使谐波齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力。由于它传动速比大、承载能力高、传动精度高、传动效率高、运动平稳、结构简单、安装方便、体积小，所以广泛使用于很多行业，例如智能机器人、航天、军工、起重机械等等。

由于谐波齿轮的齿部材料是柔性的，准确装夹比较困难，在加工中容易发生弹性变形，在切削时容易发生让刀现象，加工完成后解除其夹紧力，发生回弹现象，容易造成各个位置的尺寸偏差，其形位公差很难控制，采购来的谐波齿轮要逐一检测，预防不合格谐波齿轮流入生产线。

不合格谐波齿轮主要表现在齿跳动偏差，如果其壁厚太厚、轮齿太厚，在啮合时与刚性齿轮挤压严重，往往需要较大的驱动力、产生较大噪音、发热，缩短使用寿命；如果其壁厚太薄、轮齿太薄，在啮合时与刚性齿轮的侧隙较大，传动比不精确；这些偏差往往表现为齿跳动偏差较大。所述的谐波齿轮壁厚是指齿部齿根圆表面与内孔表面之间的厚度。到目前为止很少有人研究能自动检测谐波齿轮的装置。

目前由人工使用量柱和通用的量具一起进行检测，把量柱嵌入齿槽内，在没有模拟出需要的曲率的情况下，使用游标卡尺测量量柱背向齿槽的一侧和齿部内孔表面之间的距离，作为评判的参数，很难模拟出使用状态时的曲率，往往检测不准确，造成不合格谐波齿轮流入谐波减速器生产线，影响了产品质量；检测质量低，检测主观性强，检测结果因人而异，检测效率低。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种谐波齿轮径向跳动检测装置、检测方法及控制方法，本发明能使谐波齿轮的齿部弯曲成使用状态时的曲率半径，能自动测量齿部跳动偏差，能自动评判齿部是否合格，避免不合格谐波齿轮流入谐波减速器生产线，延长谐波减速器使用寿命，避免不合格谐波减速器进入市场，提升产品质量；代替人工，提高生产效率，提高检测质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种谐波齿轮径向跳动检测装置，包括双滚轮组件、量柱组件和机架；所述双滚轮组件包括上滚轮、下滚轮、滚轮支架和位移传感器；所述上滚轮和下滚轮分别与滚轮支架通过转动副相联，上滚轮在下滚轮正上方，上滚轮和下滚轮的轴心线平行，都沿着前后方向设置；位移传感器和滚轮支架固定联接；位移传感器的检测触头朝上；所述滚轮支架和机架固定联接；

量柱组件包括量柱和测量气缸；所述测量气缸包括测量气缸体和测量气缸活塞杆；所述测量气缸体和机架固定联接；所述量柱和测量气缸活塞杆固定联接；所述测量气缸活塞杆朝下伸出；所述量柱沿着前后水平方向设置；所述量柱在上滚轮轴心线的上方，所述位移传感器的检测触头在量柱正下方。

谐波齿轮的开口朝前，齿部同时套在上滚轮和下滚轮上，在上滚轮和下滚轮的共同作用下谐波齿轮的齿部被支撑成椭圆形，和使用在谐波减速器中被支撑成的椭圆形形状相同，谐波齿轮的分度圆是一个椭圆，谐波齿轮的椭形分度圆的长轴是上下竖直方向，长轴的长度等于在谐波减速器中与它啮合的刚性齿轮的分度圆直径。

本发明还包括齿轮支撑组件；所述齿轮支撑组件包括平移座、转动座、两个平移导杆、平移导座和紧定螺钉；所述平移导座和机架固定联接；两个所述平移导杆分别和平移导座滑动联接；平移座和平移导杆固定联接，平移座沿着前后方向平移；所述转动座和平移座通过转动副相联，所述转动座的转动轴心线沿着前后方向设置；所述转动座的前端和谐波齿轮的底部通过定位孔固定联接，所述谐波齿轮的齿部即杯形的开口位置朝前。定位孔轴心线、谐波齿轮的椭形分度圆的中心点分别和转动座的转动轴心线重合。

本发明还包括驱动组件；所述驱动组件包括驱动齿轮、伺服电机和举升气缸；所述举升气缸包括举升气缸体和举升气缸活塞杆；所述举升气缸体和机架固定联接；所述伺服电机的法兰和举升气缸活塞杆固定联接；所述驱动齿轮和伺服电机的输出轴固定联接；所述伺服电机输出轴沿着前后方向设置；所述驱动齿轮位于下滚轮的正下方；所述举升气缸把驱动齿轮和伺服电机的组合体朝上举升到行程的最上端时，驱动齿轮和谐波齿轮最低点啮合；伺服电机驱动驱动齿轮每次转过一个齿，带动谐波齿轮转过一个齿，转动结束时总是谐波齿轮的某个齿槽朝上，以便于测量该齿槽。

本发明还包括标准高柱；所述滚轮支架上设有朝上的第一定位面；所述标准高柱放在第一定位面上、量柱下方，在没有安装谐波齿轮时，测量气缸驱动量柱向下平移，抵触在标准高柱的上表面后被迫停止；此时量柱压住位移传感器的检测触头，这时把位移传感器的读数定义为0，此时量柱的位置是标准的正确位置；如果量柱向上偏移，则其读数为负数，单位是毫米，如果量柱向下偏移，则其读数为正数。

安装上谐波齿轮后，不再放置标准高柱，量柱的圆柱面放入谐波齿轮朝上的齿槽，如果量柱只和其中的一边齿侧接触，接触点处是以倾斜的方向接触，所以量柱会推动谐波齿轮沿椭圆轨道转动，齿部沿着椭圆滚道变形旋转，直到量柱和齿槽的另一齿侧也相接触，谐波齿轮被迫停止，量柱对谐波齿轮朝下的压力分解为作用在两齿侧上的垂直正压力，上滚轮的最高点对齿部内孔的最高点产生垂直向上的正压力，下滚轮的最低点对齿部内孔的最低点产生垂直向下的正压力，谐波齿轮受力平衡静止不动。这时量柱的圆柱面压在位移传感器的检测触头上，位移传感器检测出位移数值，即谐波齿轮径向跳动偏差，这个数值是两齿侧厚度误差和壁厚误差的综合指标，三者之中任何一个存在较大偏差，都能从该数值中表现出来，该数值可以用来评判谐波齿轮是否合格。

本发明还包括PLC控制器，所述测量气缸、位移传感器和伺服电机分别与PLC控制器电联接。

本发明的工作过程是这样的。

1.把标准高柱放在第一定位面上、量柱下方，测量气缸驱动量柱向下平移，量柱抵触在标准高柱的上表面后被迫停止；此时量柱压住位移传感器的检测触头，这时把位移传感器的读数定义为0。测量气缸驱动量柱向上平移离开标准高柱，取走标准高柱。

2.谐波齿轮的齿部朝前、底部朝后，使所述转动座的前端和谐波齿轮的底部通过定位孔固定联接。

3.一边捏住谐波齿轮的齿部左右两侧，使它变成上下方向长、左右方向窄的椭圆形，一边朝前推送，平移导杆在平移导座内平移滑动，使谐波齿轮的齿部套在上滚轮和下滚轮上，上滚轮的最高点与谐波齿轮的齿部内孔的最高点相切，下滚轮的最低点与谐波齿轮的齿部内孔的最低点相切。通过紧定螺钉使平移导杆固定，使谐波齿轮的前后位置固定。

4.转动谐波齿轮，其齿部沿着椭圆形轨迹转动，使其中一个齿槽朝下。

5.驱动组件初始化后，驱动齿轮总是有一个齿朝正上方。举升气缸驱动驱动齿轮和伺服电机的组合上升，驱动齿轮恰好其朝上的齿与谐波齿轮齿部朝下的齿槽相啮合。谐波齿轮的齿数是偶数，此时谐波齿轮齿部恰好有一个齿槽朝上。

6.测量气缸驱动量柱向下平移，量柱的圆柱面放入谐波齿轮朝上的齿槽，如果量柱只和其中的一边齿侧接触，接触点处是以倾斜的方向接触，所以量柱会推动谐波齿轮转动，齿部沿着椭圆滚道变形旋转，直到量柱和齿槽的另一齿侧也相接触，谐波齿轮被迫停止，量柱对谐波齿轮朝下的压力可以分解为作用在两齿侧上的垂直正压力，上滚轮的最高点对齿部内孔的最高点产生垂直向上的正压力，下滚轮的最低点对齿部内孔的最低点产生垂直向下的正压力，谐波齿轮受力平衡。这时量柱的圆柱面压在位移传感器的检测触头上，位移传感器检测出位移数值，即谐波齿轮径向跳动偏差，这个数值是两齿侧厚度误差和壁厚误差的综合指标，三者之中任何一个存在较大偏差，都能从该数值中表现出来，该数值可以用来评判谐波齿轮是否合格。

7.测量气缸驱动量柱向上平移离开齿槽。

8.伺服电机驱动驱动齿轮转过一个齿，驱动齿轮共有30个齿，每次转过12度就转过一个齿。相应地，谐波齿轮紧挨着的下一个齿槽转至朝上。

以上步骤6至步骤8重复执行48次，完成所有齿槽的检测。

9.数据评判。如果采集到的所有数据都在区间[-0.01，0.03]毫米范围内则该谐波齿轮的齿跳动偏差合格，否则，只要有一个数据超出该范围，则评判为不合格。

一种谐波齿轮径向跳动检测装置，还可以使用第二个技术方案，即把双滚轮组件更换成柔性轴承组件；所述柔性轴承组件包括柔性轴承、椭圆轴和柔性轴承支架；所述椭圆轴的轴心线与转动座的轴心线重合，所述椭圆轴的横截面椭圆长轴沿着上下竖直方向设置，所述柔性轴承的内圈与椭圆轴固定联接，所述柔性轴承的外圈和内圈之间是椭圆形轨道，里面有滚珠，所述谐波齿轮的齿部内孔与柔性轴承的外圈固定配合，谐波齿轮转动，带动柔性轴承的外圈转动，谐波齿轮的齿部分度圆一直保持为椭形分度圆。

所述柔性轴承支架上设有第二定位面，所述第二定位面朝上，位于量柱的正下方，用于放置标准高柱。

其它未提及的结构、功能与有益效果同第一技术方案。

对同一个模数为2、齿数为48的谐波齿轮，分别使用第一技术方案和第二技术方案检测，当测量气缸向下的推力为10牛至30牛时，其结果相比较几乎没有差别；超过40牛时才能看出差别，第一技术方案所测得的数值偏向于正偏差，上滚轮的曲率半径比柔性轴承外圈的曲率半径小，力量较大时谐波齿轮齿部的壁更容易弯曲变形。

谐波齿轮在第二技术方案中的安装方式与其在谐波减速机中的使用状况几乎完全一样，其测量结果更贴近于实际使用状况，测量数据的可信度更高。

但是相比较而言，在第二技术方案中谐波齿轮和柔性轴承外圈的拆卸比较费时间，操作不方便，而第一技术方案中谐波齿轮和柔性轴承外圈的拆卸比较省时方便，所以优选第一技术方案。

本发明还包括上述技术方案的检测方法，即一种谐波齿轮径向跳动检测装置的检测方法，包括如下步骤：

ST1.把谐波齿轮的底部可旋转地固定，谐波齿轮绕自身的轴心线自由旋转；

ST2.把谐波齿轮的齿部使用两个光滑弧面支撑成椭圆形，椭圆形的长轴两端点对应处是两个支撑点，光滑弧面和齿部内孔表面相切；

ST3.旋转谐波齿轮，使其中一个齿槽位于椭圆长轴端；

ST4.量柱的轴心线与椭圆长轴的延长线垂直相交，量柱的圆柱面压紧谐波齿轮位于椭圆长轴端的齿槽的两齿侧，量柱的圆柱面与齿槽的两齿侧同时接触；

ST5.测量量柱沿着椭圆长轴方向的位移数值，作为评价谐波齿轮径向跳动偏差的参数，与预设的区间范围相比对，用于评判谐波齿轮是否合格。

本发明还包括上述技术方案的控制方法，即一种谐波齿轮径向跳动检测装置的控制方法，包括如下步骤：

S1.举升气缸驱动驱动齿轮和伺服电机的组合上升，驱动齿轮与谐波齿轮相啮合；

S2.定义齿数变量i，i是整数，i=0；

S3.测量气缸驱动量柱向下平移;

S4.位移传感器检测位移数值并持续采集3秒钟；

S5.测量气缸驱动量柱向上平移, 同时计算求得本次循环所采集位移数值中的最大值并保存，作为正在检测齿槽的跳动偏差值；

S6.伺服电机驱动驱动齿轮转过一个齿；

S7.i=i+1；

S8.判断是否i>48，如果否则跳转至步骤S3；如果是则终止循环，执行步骤S9；

S9.举升气缸驱动驱动齿轮和伺服电机的组合下降，驱动齿轮离开谐波齿轮；

S10.评判是否所有跳动偏差值在区间[-0.01，0.03]内，如果是则该谐波齿轮评判为合格，否则谐波齿轮评判为不合格。

本发明的有益效果是：能使谐波齿轮的齿部弯曲成使用状态时的曲率半径，能自动测量齿部跳动偏差，能自动评判齿部是否合格，避免不合格谐波齿轮流入谐波减速器生产线，延长谐波减速器使用寿命，避免不合格谐波减速器进入市场，提升产品质量；代替人工，提高生产效率，提高检测质量。

附图说明

图1是本发明实施例1的三维结构示意图；

图2是图1中沿A-A线的剖视图；

图3是图2中B处的放大视图；

图4是双滚轮组件的三维结构示意图；

图5是量柱组件的三维结构示意图；

图6是齿轮支撑组件的三维结构示意图；

图7是驱动组件的三维结构示意图；

图8是图1中K处的放大视图，未安装谐波齿轮、放置了标准高柱的状况；

图9是本发明实施例1控制系统的控制关系示意图；

图10是本发明实施例2的三维结构示意图；

图11是柔性轴承组件的三维结构示意图；

图12是图10中N处的放大视图，未安装谐波齿轮、放置了标准高柱的状况；

图13是实施例1或实施例2径向跳动偏差随着轮齿序号变化曲线图；

图14是本发明实施例4控制方法的工艺流程示意图。

图中：

1-谐波齿轮；11-齿部；12-柔性连接筒；13-底部；14-定位孔；15-椭形分度圆；16-当量分度圆；2-双滚轮组件；21-上滚轮；22-下滚轮；23-滚轮支架；231-第一定位面；24-位移传感器；3-量柱组件；31-量柱；32-测量气缸；321-测量气缸体；322-测量气缸活塞杆；4-齿轮支撑组件；41-平移座；42-转动座；43-平移导杆；44-平移导座；45-紧定螺钉；5-驱动组件；51-驱动齿轮；52-伺服电机；53-举升气缸；531-举升气缸体；532-举升气缸活塞杆；6-机架；7-标准高柱；8-柔性轴承组件；81-柔性轴承；82-椭圆轴；83-柔性轴承支架；831-第二定位面。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种谐波齿轮径向跳动检测装置，如图1-图7所示，包括双滚轮组件2、量柱组件3和机架6；所述双滚轮组件2包括上滚轮21、下滚轮22、滚轮支架23和位移传感器24；所述上滚轮21和下滚轮22分别与滚轮支架23通过转动副相联，上滚轮21在下滚轮22正上方，上滚轮21和下滚轮22的轴心线平行，都沿着前后方向设置；位移传感器24和滚轮支架23固定联接；位移传感器24的检测触头朝上；所述滚轮支架23和机架6固定联接；

量柱组件3包括量柱31和测量气缸32；所述测量气缸32包括测量气缸体321和测量气缸活塞杆322；所述测量气缸体321和机架6固定联接；所述量柱31和测量气缸活塞杆322固定联接；所述测量气缸活塞杆322朝下伸出；所述量柱31沿着前后水平方向设置；所述量柱31在上滚轮21轴心线的上方，所述位移传感器24的检测触头在量柱31正下方。

谐波齿轮1的开口朝前，齿部11同时套在上滚轮21和下滚轮22上，在上滚轮21和下滚轮22的共同作用下谐波齿轮1的齿部11被支撑成椭圆形，和使用在谐波减速器中被支撑成的椭圆形形状相同，谐波齿轮1的分度圆是一个椭圆，谐波齿轮1的椭形分度圆15的长轴是上下竖直方向，长轴的长度等于在谐波减速器中与它啮合的刚性齿轮的分度圆直径。

本实施例还包括齿轮支撑组件4；所述齿轮支撑组件4包括平移座41、转动座42、两个平移导杆43、平移导座44和紧定螺钉45；所述平移导座44和机架6固定联接；两个所述平移导杆43分别和平移导座44滑动联接；平移座41和平移导杆43固定联接，平移座41沿着前后方向平移；所述转动座42和平移座41通过转动副相联，所述转动座42的转动轴心线沿着前后方向设置；所述转动座42的前端和谐波齿轮1的底部通过定位孔14固定联接，所述谐波齿轮1的齿部11即杯形的开口位置朝前。定位孔14轴心线、谐波齿轮1的椭形分度圆15的中心点分别和转动座42的转动轴心线重合。

本实施例还包括驱动组件5；所述驱动组件5包括驱动齿轮51、伺服电机52和举升气缸53；所述举升气缸53包括举升气缸体531和举升气缸活塞杆532；所述举升气缸体531和机架6固定联接；所述伺服电机52的法兰和举升气缸活塞杆532固定联接；所述驱动齿轮51和伺服电机52的输出轴固定联接；所述伺服电机52输出轴沿着前后方向设置；所述驱动齿轮51位于下滚轮22的正下方；所述举升气缸53把驱动齿轮51和伺服电机52的组合体朝上举升到行程的最上端时，驱动齿轮51和谐波齿轮1最低点啮合；伺服电机52驱动驱动齿轮51每次转过一个齿，带动谐波齿轮1转过一个齿，转动结束时总是谐波齿轮1的某个齿槽朝上，以便于测量该齿槽。

本实施例还包括标准高柱7；所述滚轮支架23上设有朝上的第一定位面231；所述标准高柱7放在第一定位面231上、量柱31下方，在没有安装谐波齿轮1时，测量气缸32驱动量柱31向下平移，抵触在标准高柱7的上表面后被迫停止；此时量柱31压住位移传感器24的检测触头，这时把位移传感器24的读数定义为0，此时量柱31的位置是标准的正确位置；如果量柱31向上偏移，则其读数为负数，单位是毫米，如果量柱31向下偏移，则其读数为正数。

本实施例所检测的谐波齿轮1的模数是m=2，齿数是Z1=48；在谐波减速器中和它相啮合的刚性齿轮模数是m=2，齿数是Z2=50，是内齿轮；两者的变位系数都是0。在两者相啮合时，谐波齿轮1的齿部变形成椭圆形，谐波齿轮1的椭形分度圆15长轴等于和它啮合的刚性齿轮的分度圆直径，即长轴2a=m*Z2=2*50=100毫米；变形前后椭形分度圆15的周长不变，谐波齿轮1的齿部变形前呈圆形时的周长为c=m*Z1*π=2*48*3.1416=301.59毫米；变形成椭圆时的周长为L=2*π*b+4*(a-b)=2*3.1416*b+4*(50-b)；L=c，由此计算出b=45.96毫米；

椭形分度圆的短轴长度为2b=91.92毫米，在短轴对应位置处，刚性齿轮的齿顶和谐波齿轮1的齿顶在转动中相互不干涉；长轴顶点处的曲率半径为R=b^2/a=45.96^2/50=42.246毫米; 谐波齿轮1与刚性齿轮的啮合当量为一个半径为R=42.246毫米，即当量分度圆16直径为d3=84.492毫米的刚性外齿轮与刚性齿轮内啮合，谐波齿轮1在长轴端点处瞬间的工作参数应该和当量齿轮的工作参数相同才能正常工作；所以在评价谐波齿轮1啮合瞬间的参数时要参照当量分度圆16直径为d3=84.492毫米的当量齿轮；当量齿轮的齿数为Z3=d3/m=84.492/2 =42.246；当量分度圆16和谐波齿轮1分度椭圆最上面一个点内切。通用的工具书中并不能找到评判谐波齿轮1径向跳动的检测方法，却很容易找到评判标准齿轮径向跳动的检测方法，比如在《机械设计手册》中就有描述的章节；找到当量齿轮以后，就能参考《机械设计手册》中相关章节所描述的测量径向跳动的理论。

根据化学工业出版社出版、成大先主编的第五版《机械设计手册》第3卷、第14-70页、表14-1-39中指出的量柱直径的计算方法，标准齿轮，内啮合外直齿轮、压力角为20度，查该手册第14-70页的图14-1-28，读曲线，dp/m取值为1.67，量柱直径为1.67* m=1.67*2=3.3毫米，使用直径为dp=3.3毫米的量柱嵌在某个齿槽间时，量柱与齿侧的接触点和当量分度圆16最为接近。

在所述表14-1-39中，量柱(球)中心所在圆的压力角α_M接近于在分度圆上的压力角α，要计算出α_M，直齿轮所对应的公式为：

inv(α_M)=inv(α)+dp/(m*Z3*cos(α))-π/（2*Z3）

公式中：

inv()-渐开线函数，其数值可以在上述《机械设计手册》第3卷、第14-50页、表14-1-24中查到；

α_M-量柱(球)中心所在圆的压力角，单位是角度；

dp-量柱直径，dp=3.3毫米；

m-齿轮模数，m=2；

Z3-当量齿轮的齿数，Z3=42.246；

α-标准齿轮分度圆位置的压力角，α=20°；

把已知数据代入以上公式：

inv(α_M)=inv(20°)+3.3/(2*42.246*cos(20°))-π/（2*42.246）

查所述表14-1-24得：inv(20°)=0.014904；

计算得：inv(α_M)=0.019285；

查所述表14-1-24得：α_M=21°43.587’；

计算量柱测量距M，按偶数齿计算；

M=(m*Z3*cos(α))/cos(α_M)+dp

=(2*42.246*cos(20°))/cos(21°43.587’)+3.3 毫米

=88.768毫米；

M/2=44.384毫米；

h=M/2+e-dp；

其中e是当量齿轮的当量分度圆16圆心与椭形分度圆15中心的竖直向距离，由于当量分度圆16和椭形分度圆15在最高点处相切，所以两点竖直排布，e=a-d3/2；

h是量柱31下象限点与椭形分度圆15中心处水平面的竖直距离；

h=M/2+a-d3/2-dp=44.384+50-84.492/2-3.3=48.838毫米；

第一定位面231和椭形分度圆15中心处水平面重合，所以要使标准高柱7的高度等于48.838毫米，要精确控制量柱31的高度在48.838±0.001毫米，使用量柱31校定位移传感器24的零点，才具备精确测量径向跳动的基本条件。

安装上谐波齿轮1后，不再放置标准高柱7，量柱31的圆柱面放入谐波齿轮1朝上的齿槽，如果量柱31只和其中的一边齿侧接触，接触点处是以倾斜的方向接触，所以量柱31会推动谐波齿轮1沿椭圆轨道转动，齿部沿着椭圆滚道变形旋转，直到量柱31和齿槽的另一齿侧也相接触，谐波齿轮1被迫停止，量柱31对谐波齿轮1朝下的压力分解为作用在两齿侧上倾斜方向的垂直正压力，上滚轮21的最高点对齿部内孔的最高点产生垂直向上的正压力，下滚轮22的最低点对齿部内孔的最低点产生垂直向下的正压力，谐波齿轮1受力平衡静止不动。这时量柱31的圆柱面压在位移传感器24的检测触头上，位移传感器24检测出位移数值，即谐波齿轮径向跳动偏差，这个数值是两齿侧厚度误差和壁厚误差的综合指标，三者之中任何一个存在较大偏差，都能从该数值中表现出来，该数值可以用来评判谐波齿轮1是否合格。

《机械设计手册》第3卷、第14-119页、第6.18节 径向跳动的测量及偏心距的确定，其中描述了径向跳动的测量方法，把量柱放置于齿槽中，测量量柱的背向齿槽的一侧，测量结果用来评判齿的径向跳动。这种操作步骤靠人工操作比较方便，第一步先放置量柱，第二步再使用量表测量，分两步进行；但是自动化测量就比较复杂，两个动作要使用两个驱动元件驱动。本实施例参照了使用量柱测量的方法，在此基础上又做出了改进，则把位移传感器24置于量柱正下方，量柱向下放的同时位移传感器24也完成了测量，只需要一个驱动元件，即测量气缸32，就能完成放置量柱31和测量两个功能，节省了一个驱动元件，简化了结构，简化了操作步骤，提高了可靠性。

本实施例还包括PLC控制器，所述测量气缸32、位移传感器24和伺服电机52分别与PLC控制器电联接。

本实施例的工作过程是这样的。

1.把标准高柱7放在第一定位面231上、量柱31下方，测量气缸32驱动量柱31向下平移，量柱31抵触在标准高柱7的上表面后被迫停止；此时量柱31压住位移传感器24的检测触头，这时把位移传感器24的读数定义为0。测量气缸32驱动量柱31向上平移离开标准高柱7，取走标准高柱7。

2.谐波齿轮1的齿部朝前、底部朝后，使所述转动座42的前端和谐波齿轮1的底部通过定位孔14固定联接。

3.一边捏住谐波齿轮1的齿部左右两侧，使它变成上下方向长、左右方向窄的椭圆形，一边朝前推送，平移导杆43在平移导座44内平移滑动，使谐波齿轮1的齿部套在上滚轮21和下滚轮22上，上滚轮21的最高点与谐波齿轮1的齿部内孔的最高点相切，下滚轮22的最低点与谐波齿轮1的齿部内孔的最低点相切。通过紧定螺钉45使平移导杆43固定，使谐波齿轮1的前后位置固定。

4.转动谐波齿轮1，其齿部沿着椭圆形轨迹转动，使其中一个齿槽朝下。

5.驱动组件5初始化后，驱动齿轮51总是有一个齿朝正上方。举升气缸53驱动驱动齿轮51和伺服电机52的组合上升，驱动齿轮51恰好其朝上的齿与谐波齿轮1齿部朝下的齿槽相啮合。谐波齿轮1的齿数是偶数，此时谐波齿轮1齿部恰好有一个齿槽朝上。

6.测量气缸32驱动量柱31向下平移，量柱31的圆柱面放入谐波齿轮1朝上的齿槽，如果量柱31只和其中的一边齿侧接触，接触点处是以倾斜的方向接触，所以量柱31会推动谐波齿轮1转动，齿部沿着椭圆滚道变形旋转，直到量柱31和齿槽的另一齿侧也相接触，谐波齿轮1被迫停止，量柱31对谐波齿轮1朝下的压力可以分解为作用在两齿侧上的垂直正压力，上滚轮21的最高点对齿部内孔的最高点产生垂直向上的正压力，下滚轮22的最低点对齿部内孔的最低点产生垂直向下的正压力，谐波齿轮1受力平衡。这时量柱31的圆柱面压在位移传感器24的检测触头上，位移传感器24检测出位移数值，即谐波齿轮径向跳动偏差，这个数值是两齿侧厚度误差和壁厚误差的综合指标，三者之中任何一个存在较大偏差，都能从该数值中表现出来，该数值可以用来评判谐波齿轮1是否合格。

7.测量气缸32驱动量柱31向上平移离开齿槽。

8.伺服电机52驱动驱动齿轮51转过一个齿，驱动齿轮51共有30个齿，每次转过12度就转过一个齿。相应地，谐波齿轮1紧挨着的下一个齿槽转至朝上。

以上步骤6至步骤8重复执行48次，完成所有齿槽的检测。

9.数据评判。如果采集到的所有数据都在区间[-0.01，0.03]毫米范围内则该谐波齿轮1的齿跳动偏差合格，否则，只要有一个数据超出该范围，则评判为不合格。

实施例2，一种谐波齿轮径向跳动检测装置，如图9-图11所示，实施例1中的双滚轮组件2更换成了柔性轴承组件8；所述柔性轴承组件8包括柔性轴承81、椭圆轴82和柔性轴承支架83；所述椭圆轴82的轴心线与转动座42的轴心线重合，所述椭圆轴82的横截面椭圆长轴沿着上下竖直方向设置，所述柔性轴承81的内圈与椭圆轴82固定联接，所述柔性轴承81的外圈和内圈之间是椭圆形轨道，里面有滚珠，所述谐波齿轮1的齿部11内孔与柔性轴承81的外圈固定配合，谐波齿轮1转动，带动柔性轴承81的外圈转动，谐波齿轮1的齿部分度圆一直保持为椭形分度圆15。

所述柔性轴承支架83上设有第二定位面831，所述第二定位面831朝上，位于量柱31的正下方，用于放置标准高柱7。

其它未提及的结构、功能与有益效果同实施例1。

对同一个模数为2、齿数为48的谐波齿轮1，分别使用实施例1和实施例2检测，当测量气缸向下的推力为10牛时，其结果相比较几乎没有差别；超过40牛时才能看出差别，实施例1所测得的数值偏向于正偏差，上滚轮21的曲率半径比柔性轴承81外圈的曲率半径小，力量较大时谐波齿轮1齿部的壁更容易弯曲变形；以轮齿序号为横坐标，以径向跳动偏差为纵坐标建立直角坐标系，检测结果画在该坐标系中，如图12所示。

谐波齿轮1在实施例2中的安装方式与其在谐波减速机中的使用状况几乎完全一样，其测量结果更贴近于实际使用状况，测量数据的可信度更高。

但是相比较而言，在实施例2中谐波齿轮1和柔性轴承81外圈的拆卸比较费时间，操作不方便，而实施例1中谐波齿轮1和柔性轴承81外圈的拆卸比较省时方便，所以优选实施例1。

实施例3，一种谐波齿轮径向跳动检测装置的检测方法，包括如下步骤：

ST1.把谐波齿轮1的底部13可旋转地固定，谐波齿轮1绕自身的轴心线自由旋转；

ST2.把谐波齿轮1的齿部使用两个光滑弧面支撑成椭圆形，椭圆形的长轴两端点对应处是两个支撑点，光滑弧面和齿部内孔表面相切；

ST3.旋转谐波齿轮1，使其中一个齿槽位于椭圆长轴端；

ST4.量柱31的轴心线与椭圆长轴的延长线垂直相交，量柱31的圆柱面压紧谐波齿轮1位于椭圆长轴端的齿槽的两齿侧，量柱31的圆柱面与齿槽的两齿侧同时接触；

ST5.测量量柱31沿着椭圆长轴方向的位移数值，作为评价谐波齿轮1径向跳动偏差的参数，与预设的区间范围相比对，用于评判谐波齿轮1是否合格。

实施例4，一种谐波齿轮径向跳动检测装置的控制方法，包括如下步骤：

S1.举升气缸53驱动驱动齿轮51和伺服电机52的组合上升，驱动齿轮51与谐波齿轮1相啮合；

S2.定义齿数变量i，i是整数，i=0；

S3.测量气缸32驱动量柱31向下平移;

S4.位移传感器24检测位移数值并持续采集3秒钟；

S5.测量气缸32驱动量柱31向上平移, 同时计算求得本次循环所采集位移数值中的最大值并保存，作为正在检测齿槽的跳动偏差值；

S6.伺服电机52驱动驱动齿轮51转过一个齿；

S7.i=i+1；

S8.判断是否i>48，如果否则跳转至步骤S3；如果是则终止循环，执行步骤S9；

S9.举升气缸53驱动驱动齿轮51和伺服电机52的组合下降，驱动齿轮51离开谐波齿轮1；

S10.评判是否所有跳动偏差值在区间[-0.01，0.03]内，如果是则该谐波齿轮1评判为合格，否则谐波齿轮1评判为不合格。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种谐波齿轮径向跳动检测装置，包括双滚轮组件（2）、量柱组件（3）和机架（6）；其特征在于：所述双滚轮组件（2）包括上滚轮（21）、下滚轮（22）、滚轮支架（23）和位移传感器（24）；所述上滚轮（21）和下滚轮（22）分别与滚轮支架（23）通过转动副相联，上滚轮（21）在下滚轮（22）正上方，上滚轮（21）和下滚轮（22）的轴心线平行，都沿着前后方向设置；位移传感器（24）和滚轮支架（23）固定联接；位移传感器（24）的检测触头朝上；所述滚轮支架（23）和机架（6）固定联接；

量柱组件（3）包括量柱（31）和测量气缸（32）；所述测量气缸（32）包括测量气缸体（321）和测量气缸活塞杆（322）；所述测量气缸体（321）和机架（6）固定联接；所述量柱（31）和测量气缸活塞杆（322）固定联接；所述测量气缸活塞杆（322）朝下伸出；所述量柱（31）沿着前后水平方向设置；所述量柱（31）在上滚轮（21）轴心线的上方，所述位移传感器（24）的检测触头在量柱（31）正下方；

还包括齿轮支撑组件（4）；所述齿轮支撑组件（4）包括平移座（41）、转动座（42）、两个平移导杆（43）、平移导座（44）和紧定螺钉（45）；所述平移导座（44）和机架（6）固定联接；两个所述平移导杆（43）分别和平移导座（44）滑动联接；平移座（41）和平移导杆（43）固定联接，平移座（41）沿着前后方向平移；所述转动座（42）和平移座（41）通过转动副相联，所述转动座（42）的转动轴心线沿着前后方向设置；所述转动座（42）的前端和谐波齿轮（1）的底部通过定位孔（14）固定联接，所述谐波齿轮（1）的齿部（11）朝前；定位孔（14）轴心线、谐波齿轮（1）的椭形分度圆（15）的中心点分别和转动座（42）的转动轴心线重合；

齿部（11）同时套在上滚轮（21）和下滚轮（22）上，在上滚轮（21）和下滚轮（22）的共同作用下谐波齿轮（1）的齿部（11）被支撑成椭圆形；量柱（31）的圆柱面放入谐波齿轮（1）朝上的齿槽，量柱（31）的圆柱面压在位移传感器（24）的检测触头上，位移传感器（24）检测出位移数值，该位移数值为谐波齿轮径向跳动偏差。

2.如权利要求1所述的一种谐波齿轮径向跳动检测装置，其特征在于：还包括驱动组件（5）；所述驱动组件（5）包括驱动齿轮（51）、伺服电机（52）和举升气缸（53）；所述举升气缸（53）包括举升气缸体（531）和举升气缸活塞杆（532）；所述举升气缸体（531）和机架（6）固定联接；所述伺服电机（52）的法兰和举升气缸活塞杆（532）固定联接；所述驱动齿轮（51）和伺服电机（52）的输出轴固定联接；所述伺服电机（52）输出轴沿着前后方向设置；所述驱动齿轮（51）位于下滚轮（22）的正下方；所述举升气缸（53）把驱动齿轮（51）和伺服电机（52）的组合体朝上举升到行程的最上端时，驱动齿轮（51）和谐波齿轮（1）最低点啮合。

3.如权利要求2所述的一种谐波齿轮径向跳动检测装置，其特征在于：还包括标准高柱（7）；所述滚轮支架（23）上设有朝上的第一定位面（231）；所述标准高柱（7）放在第一定位面（231）上、量柱（31）下方，测量气缸（32）驱动量柱（31）向下平移，抵触在标准高柱（7）的上表面后被迫停止；此时量柱（31）压住位移传感器（24）的检测触头，这时把位移传感器（24）的读数定义为0；如果量柱（31）向上偏移，则其读数为负数，如果量柱（31）向下偏移，则其读数为正数。

4.如权利要求3所述的一种谐波齿轮径向跳动检测装置，其特征在于：还包括PLC控制器，所述测量气缸（32）、位移传感器（24）和伺服电机（52）分别与PLC控制器电联接。

5.如权利要求4所述的一种谐波齿轮径向跳动检测装置，其特征在于：双滚轮组件（2）更换成柔性轴承组件（8）；所述柔性轴承组件（8）包括柔性轴承（81）、椭圆轴（82）和柔性轴承支架（83）；所述椭圆轴（82）的轴心线与转动座（42）的轴心线重合，所述椭圆轴（82）的横截面椭圆长轴沿着上下竖直方向设置，所述柔性轴承（81）的内圈与椭圆轴（82）固定联接，所述柔性轴承（81）的外圈和内圈之间是椭圆形轨道，里面有滚珠，所述谐波齿轮（1）的齿部（11）内孔与柔性轴承（81）的外圈固定配合，谐波齿轮（1）转动，带动柔性轴承（81）的外圈转动，谐波齿轮（1）的齿部分度圆保持为椭形分度圆（15）。

6.如权利要求5所述的一种谐波齿轮径向跳动检测装置，其特征在于：所述柔性轴承支架（83）上设有第二定位面（831），所述第二定位面（831）朝上，位于量柱（31）的正下方，用于放置标准高柱（7）。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的一种谐波齿轮径向跳动检测装置，其特征在于：对于模数为2的谐波齿轮（1），测量气缸向下的推力为10牛至30牛。

8.一种如权利要求5或6所述的谐波齿轮径向跳动检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

ST1.把谐波齿轮（1）的底部（13）可旋转地固定，谐波齿轮（1）绕自身的轴心线自由旋转；

ST2.把谐波齿轮（1）的齿部使用柔性轴承（81）两个光滑弧面支撑成椭圆形，椭圆形的长轴两端点对应处是两个支撑点，光滑弧面和齿部内孔表面相切；

ST3.旋转谐波齿轮（1），使其中一个齿槽位于椭圆长轴端；

ST4.量柱（31）的轴心线与椭圆长轴的延长线垂直相交，量柱（31）的轴心线与谐波齿轮（1）的轴心线平行，量柱（31）的圆柱面压紧谐波齿轮（1）位于椭圆长轴端的齿槽的两齿侧，量柱（31）的圆柱面与齿槽的两齿侧同时接触；

ST5.测量量柱（31）沿着椭圆长轴方向的位移数值，作为评价谐波齿轮（1）径向跳动偏差的参数，与预设的区间范围相比对，用于评判谐波齿轮（1）是否合格。

9.一种如权利要求4或5或6所述的谐波齿轮径向跳动检测装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.举升气缸（53）驱动驱动齿轮（51）和伺服电机（52）的组合上升，驱动齿轮（51）与谐波齿轮（1）相啮合；

S2.定义齿数变量i，i是整数，i=0；

S3.测量气缸（32）驱动量柱（31）向下平移;

S4.位移传感器（24）检测位移数值并持续采集3秒钟；

S5.测量气缸（32）驱动量柱（31）向上平移, 同时计算求得本次循环所采集位移数值中的最大值并保存，作为正在检测齿槽的跳动偏差值；

S6.伺服电机（52）驱动驱动齿轮（51）转过一个齿；

S7.i=i+1；

S8.判断是否i>48，如果否则跳转至步骤S3；如果是则终止循环，执行步骤S9；

S9.举升气缸（53）驱动驱动齿轮（51）和伺服电机（52）的组合下降，驱动齿轮（51）离开谐波齿轮（1）；

S10.评判是否所有跳动偏差值在区间[-0.01，0.03]内，如果是则该谐波齿轮（1）评判为合格，否则谐波齿轮（1）评判为不合格。

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