万能齿轮测量机设计

杨福来， 刘江省

（哈尔滨量具刃具集团有限公司，哈尔滨150040）

万能齿轮测量机设计

杨福来， 刘江省

（哈尔滨量具刃具集团有限公司，哈尔滨150040）

介绍了3060A型万能齿轮测量机的主要技术指标和参数，并从测量机的机械结构、电气控制系统和测量软件三个部分概述了仪器的设计过程及特点。

万能齿轮测量机；齿轮量仪；钢球带密珠导轨

0 引言

随着机械行业的迅速发展，作为重要传动零件的齿轮及其相关行业也有了长足的发展，由此也产生了对齿轮检测仪器的大量需求。哈量集团作为国内最早研发齿轮量仪产品的厂商，经过多年的发展现已成功研发出多个系列、不同规格、不同功能、不同价位的齿轮量仪产品。3060A型齿轮测量机便是应市场需求而最新研发的一种通过CNC全闭环控制的、综合性的智能化高精度齿轮测量仪器，它适应世界齿轮量仪向多功能、多参数、高精度、高效率、高可靠性及智能化方向发展的潮流。仪器操作简单、方便，自动化程度高，可在被测工件一次装夹中自动完成全部被测项目的检测，同时将测量结果以图表的形式绘制成测量报告，并进行自动评定。本仪器可以广泛应用于齿轮制造、机床、电动工具等行业的加工生产部门、科研部门及计量检验单位。

1 主要技术规格和参数

通过对市场需求的调研分析，我们确定3060A型万能齿轮测量机的主要技术规格和参数如下：最高可以检测3级精度的齿轮；可测工件模数范围1～20 mm，最大外径600 mm，螺旋角范围±90°；主轴最大承载重量400 kg；工件立柱上下顶尖间距离20～800 mm；测头到下顶尖的移动范围5～405 mm。

2 万能齿轮测量机的设计

在设计高精度齿轮量仪产品时，我们一般遵循功能精度要求、可靠性要求、检测效率要求、使用条件要求、经济性要求和外观造型要求等几个方面进行仪器的设计，本文仅针对组成齿轮量仪的机械主机、电气控制系统和测量软件三大部分的设计及特点进行介绍。

2.1 机械主机设计

1）总体结构设计。机械主机是齿轮量仪的主体，主要由底座与切向滑板、旋转工作台轴系、工件装夹立柱部件、测量立柱部件和径向滑板部件五大部件组成。经过分析论证，并参考国内外同类仪器的设计方案，我们决定采用方形的布局结构，这种形式的布局仪器整机结构紧凑，强度高，装夹方便，仪器外观也比较美观。具体布局及各部件名称如图1所示。

图1 万能齿轮测量机机械主机布局

2）底座与切向滑板部件设计。仪器底座采用上下分体式的结构，下层铸件底座内部留有空腔，用于安放电控系统，这样使得仪器具有更好的紧凑性，而且便于仪器的吊装运输。仪器的上层平台采用了大理石材质，因为大理石平台具有稳定性好、强度大、硬度高、不生锈、耐腐蚀等优点，而且易于加工，成本较低。

切向滑板部件设计时，首先通过计算确定切向滑板的行程长度L0，根据设计任务要求，仪器要能够测量最大模数m=20 mm、最大外径da=600 mm（半径Ra=300 mm）的齿轮，据此可以计算获得能够测量的最大基圆半径Rb=R× cos20°=（Ra-m）×cos20°=263.114 mm（取齿高系数1），将以上数据代入切向滑板所需最短行程L的计算公式，可得考虑到行程设计要留有一定余量，所以取L0=160mm，完全能够满足设计的行程要求。

作为齿轮量仪的重要部件，切向滑板的运动精度将直接影响仪器的测量精度，经过论证分析决定采用经典的钢球带密珠导轨结构（如图2所示），这种结构由固定有消隙轴承和上导轨的切向滑板、固定在大理石平台上通过整体精磨得到的下导轨，和上下导轨之间的密珠钢球带组成，具有技术成熟、加工方便、精度高、稳定性好的特点，能够很好地保证切向滑板直线运动精度的要求。

图2 钢球带密珠导轨结构

3）旋转工作台主轴系统设计。齿轮测量机在测量工件时，大部分的测量动作都伴随着旋转工作台轴系带动被测工件的旋转运动，所以主轴系统的精度将直接影响整台测量机的综合精度。主轴系统在设计时要求主轴能够在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性。非标密珠滚动轴承轴系结构无疑是一种很好的选择，这种结构在精密测控仪器中是一种常用的主轴轴系结构，其机械结构主要由主轴、轴套和密集分布于两者之间的具有过盈配合的钢球所组成，具有技术较为成熟、回转精度高、摩擦力矩小、对温度变化较不敏感和维修简单等优点。在以往的量仪产品设计上，这种结构的应用都取得了很好的效果，所以这次仍沿用这种结构。结构方案确定后就要进行具体的轴系装配图和零件图设计，在设计过程中因为旋转工作台主轴系统的技术指标中有对承载能力的要求，所以对主轴轴系内承重的承载能力进行校验，具体计算步骤如下：

4）测量立柱部件、径向滑板部件和工件立柱部件的设计。测量立柱部件和径向滑板部件都需要参与测量的运动部件，因为与切向滑板部件的运动形式相同，所以参考前面切向滑板部件的设计，仍然采用钢球带密珠导轨结构。不同的是，由于空间位置和使用情况的不同，这两个部件采用的是通过过盈量的调整，用前后滑板夹着钢球带包围导轨的环抱夹紧结构，具有运动灵活、运动精度高、性能稳定的特点。工件立柱部件的主要作用是在测量时夹紧轴类被测工件，虽然依然采用的是半包围式钢球带密珠导轨结构，但精度要求不需要像其它几个部件那么高，只要满足顶尖滑座上下运动灵活、夹紧工件时稳定可靠即可，但需要注意的是上顶尖的径向跳动和装配时上下顶尖的同轴度的调整也是必须要保证的。

2.2 电气控制系统设计及特点

测量机的电控系统采用了CNC全闭环控制系统（原理框图如图3所示），系统以PMAC多轴运动控制卡最为核心控制单元，通过基于DSP+FPGA设计的接口电路与外围设备进行信息交互，以高精度光栅尺（角度编码器）、电感测头、光电开关等作为反馈元件，控制交流伺服电机（主轴为直驱力矩电机）带动机械运动部件实现各种测量动作，而且在运动过程中采用了空间曲线差补运算，使得测量运动路径最优化，大大提高了仪器的测量效率。整套电控系统功能齐全、响应速度快、性能稳定可靠，具有较高的运动精度和定位控制精度。

图3 原理框图

2.3 测量软件设计及特点

测量机的测量软件主要功能是实现用户与仪器的交互，处理测量数据并根据使用情况给电控系统发布指令。本次设计专门针对万能齿轮测量机所开发的测量软件具有以下特点：1）基于Windows操作平台，测量界面人性化，图形化，操作简单；软件有中英文两种界面，可供不同用户使用；2）参数设置简单直观，内容或界面可随时切换、编辑、存储，参数设置有错误提示功能，避免了不合理的参数设置；3）软件功能齐全、内容丰富，除了能测量圆柱齿轮外，还可测量插齿刀、齿轮滚刀、剃齿刀等齿轮刀具，以及蜗轮蜗杆、花键等特殊工件；测量结果可按GB10095-2008、AGMA2000-A88等多种标准进行自动评定；4）能够通过互连网进行远程诊断与调试。

3 结语

在3060A型万能齿轮测量机的设计过程中，借鉴了同类齿轮量仪的优点，整机技术成熟、设计合理，能很好地实现设计要求。目前该型号齿轮测量机已经成功完成样机试制并投放市场，获得了用户的认可。

［1］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，1997.

［2］ 浦昭邦，王宝光.测控仪器设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］ 董玉红.机械控制工程基础［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

［4］ 薛实福.精密仪器设计［M］.北京：清华大学出版社，1990.

（编辑昊 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

杨福来（1981—），男，工程师，从事齿轮量仪设计工作。

2014-03-03