智能時(shí)代，齒輪天地，齒輪測(cè)量是一個(gè)看似古老而又充滿生機(jī)的研究方向，不管是從單一零部件測(cè)量還是組合系統(tǒng)整體來(lái)看，齒輪等具有復(fù)雜三維空間型面的高精度測(cè)量技術(shù)依然是非常有挑戰(zhàn)的。
國(guó)家齒輪基標(biāo)準(zhǔn)體系由螺旋線基準(zhǔn)、漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)和齒距標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)單參數(shù)裝置和相應(yīng)的不同等級(jí)的量傳標(biāo)準(zhǔn)器組成，但原有的齒輪基標(biāo)準(zhǔn)裝置已老化無(wú)法工作。自2014年起我國(guó)齒輪產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居全球第一，國(guó)內(nèi)齒輪制造面臨向中高端轉(zhuǎn)型的壓力，而齒輪基準(zhǔn)的研制及量傳體系的完善對(duì)保證國(guó)內(nèi)齒輪產(chǎn)品制造質(zhì)量和應(yīng)用量值準(zhǔn)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(zhǔn)裝置?！?/div>
新的ISO齒輪標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)齒輪和齒輪儀器提出了更高的精度要求，齒輪測(cè)量中心和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已成為齒輪制造現(xiàn)場(chǎng)主流設(shè)備，但其核心的多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)雜曲面成型控制反饋和測(cè)量技術(shù)是不對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)放的。
二、方案創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)
齒輪基準(zhǔn)生成的標(biāo)準(zhǔn)量值需要滿足制造的要求：高精度、多參量綜合測(cè)量的溯源需求，又無(wú)法依靠國(guó)外技術(shù)，因此立足自主研發(fā)，建立新一代齒輪基準(zhǔn)，提升國(guó)家現(xiàn)有齒輪基準(zhǔn)能力對(duì)保證國(guó)內(nèi)齒輪制造精度的準(zhǔn)確可靠和適應(yīng)新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求具有非常重要的、基礎(chǔ)性的作用。
不同形成機(jī)理、不同空間方向的螺旋線和漸開(kāi)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(zhǎng)度尺寸、角度尺寸與形狀的復(fù)合測(cè)量。
為了達(dá)到基準(zhǔn)高精度測(cè)量和直接溯源的目標(biāo)，又為了規(guī)避商品類儀器修正模型不向國(guó)內(nèi)開(kāi)放的限制，項(xiàng)目提出了空間軌跡曲線測(cè)量系統(tǒng)和生成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分離的設(shè)計(jì)方案，整套裝置結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)加工和調(diào)試，其中空間軌跡生成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了商用的坐標(biāo)機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)控制方案和技術(shù)，只用來(lái)做齒輪螺旋線和漸開(kāi)線軌跡的生成，而齒輪測(cè)量和溯源的部分則由空間軌跡跟隨測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)跟隨測(cè)量系統(tǒng)由項(xiàng)目獨(dú)立設(shè)計(jì)的二維激光干涉測(cè)量光路、自校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)、二維跟隨機(jī)構(gòu)、主從級(jí)6軸驅(qū)動(dòng)控制和測(cè)量采集系統(tǒng)以及四個(gè)漸開(kāi)線螺旋線量化控制和測(cè)量補(bǔ)償模型組成。從外觀結(jié)構(gòu)看，整套裝置變成了一個(gè)6軸坐標(biāo)系統(tǒng)，空間軌跡跟隨測(cè)量系統(tǒng)被嵌套于齒輪空間軌跡生成系統(tǒng)(齒輪測(cè)量中心)內(nèi)，但又相互分離。跟隨測(cè)量系統(tǒng)具備如下三個(gè)特點(diǎn)：
跟隨系統(tǒng)按照項(xiàng)目研發(fā)的齒輪螺旋線漸開(kāi)線空間展成模型設(shè)計(jì)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(yùn)行的小反射鏡，并通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)量同步觸發(fā)，實(shí)時(shí)同步采集激光干涉位移、回轉(zhuǎn)角位移和3D探測(cè)系統(tǒng)的微位移信號(hào)，得到齒面軌跡實(shí)際測(cè)量信息，最后通過(guò)項(xiàng)目研發(fā)的齒輪螺旋線漸開(kāi)線修正模型運(yùn)算得到齒輪空間軌跡實(shí)際擬合線及齒輪參量誤差。項(xiàng)目將復(fù)雜的螺旋線和漸開(kāi)線空間曲線測(cè)量轉(zhuǎn)化為更高準(zhǔn)確度的激光干涉直線位移和自校準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)角測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的齒輪空間軌跡線的測(cè)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(hào)做測(cè)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(duì)測(cè)量的影響。
跟隨路徑的控制與同步實(shí)時(shí)采集依賴于項(xiàng)目研發(fā)的主從級(jí)6軸聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制和測(cè)量采集系統(tǒng)，它由兩個(gè)既獨(dú)立又共同觸發(fā)關(guān)聯(lián)的控制模塊組成，一個(gè)是以商業(yè)Pantec為主控制器的齒輪軌跡線多軸聯(lián)動(dòng)控制模塊，另一個(gè)是以PMAC為主控制器的跟隨測(cè)量采集系統(tǒng)。軌跡生成和跟隨測(cè)量?jī)蓚€(gè)模塊既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)接，通過(guò)自校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)臺(tái)的光柵信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)控制生成系統(tǒng)中的軌跡線生成和測(cè)量系統(tǒng)中跟隨測(cè)量信號(hào)同步。兩個(gè)模塊需要控制整個(gè)裝置中6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)和9路測(cè)量控制信號(hào)的采集。
且二維激光光路經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將小反射鏡固定在3D探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)桿上，實(shí)際的測(cè)量線從原來(lái)軌跡生成系統(tǒng)的導(dǎo)軌光柵尺布局的500mm處前移到了距離探測(cè)測(cè)頭的50mm處，結(jié)構(gòu)布局更符合阿貝原則，這樣當(dāng)儀器導(dǎo)軌角擺誤差同樣為0.5″時(shí)，可以使齒面展成測(cè)長(zhǎng)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(duì)齒輪參量測(cè)量結(jié)果的影響大大降低。
針對(duì)3D 探測(cè)系統(tǒng)沿齒面掃描時(shí)產(chǎn)生的撓曲變形對(duì)激光干涉測(cè)量齒面展長(zhǎng)的精度損失問(wèn)題，建立了激光測(cè)長(zhǎng)補(bǔ)償技術(shù)，使探測(cè)誤差為1μm的3D探測(cè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)長(zhǎng)的影響降低到0.3μm以下，保證了漸開(kāi)線和螺旋線測(cè)量準(zhǔn)確度。
依據(jù)角度自封閉特性，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載下螺旋線漸開(kāi)線的回轉(zhuǎn)角誤差自校準(zhǔn)修正技術(shù)，解決了工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，由于螺旋線樣板或漸開(kāi)線樣板由于自身重量或樣板結(jié)構(gòu)不對(duì)稱造成偏載，對(duì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)生新的回轉(zhuǎn)角誤差的修正問(wèn)題，在不使用外部角度標(biāo)準(zhǔn)器的條件下，使回轉(zhuǎn)臺(tái)原始角誤差由± 1.5″降低到± 0.15″，回轉(zhuǎn)角精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，有效提高了螺旋線漸開(kāi)線的測(cè)量準(zhǔn)確度。
螺旋線漸開(kāi)線展成的回轉(zhuǎn)角范圍在十幾度到一百多度，非整周運(yùn)動(dòng)，例如螺旋角30°標(biāo)準(zhǔn)樣板的展成回轉(zhuǎn)角范圍是0°~80°，但自校準(zhǔn)技術(shù)通過(guò)整周多點(diǎn)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(gè)自然基準(zhǔn)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了最短鏈條的角度溯源。
帶載工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角誤差的自校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)修正是在線測(cè)量的經(jīng)典技術(shù)難題。螺旋線基準(zhǔn)裝置可以根據(jù)被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣板或標(biāo)準(zhǔn)齒輪實(shí)際負(fù)載的重量和偏心，實(shí)時(shí)修正補(bǔ)償回轉(zhuǎn)角誤差曲線。
僅以齒輪標(biāo)準(zhǔn)器放置前的0kg負(fù)載和放置標(biāo)準(zhǔn)器后的5kg負(fù)載為例，從下圖可看到不同負(fù)載下的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的角度誤差曲線是不同的，且角度差最大能到0.5″;而且無(wú)負(fù)載時(shí)的回轉(zhuǎn)角度偏差曲線并不是最小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)論和常規(guī)認(rèn)知并不同，這是因?yàn)闅飧』剞D(zhuǎn)臺(tái)有負(fù)載設(shè)計(jì)要求，只有在最佳負(fù)載范圍內(nèi)才能達(dá)到最好的使用性能。而常規(guī)的修正補(bǔ)償技術(shù)只能在無(wú)負(fù)載的理想情況下進(jìn)行，用無(wú)負(fù)載的補(bǔ)償曲線修正計(jì)算帶載下的回轉(zhuǎn)角，可能會(huì)造成更大的誤差。
新一代螺旋線基準(zhǔn)裝置在研究齒輪空間幾何曲線綜合測(cè)量和溯源方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙激光干涉光路用于空間復(fù)雜型面--漸開(kāi)線及螺旋線的測(cè)量技術(shù)、帶載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)角度自校準(zhǔn)修正技術(shù)、三維探測(cè)掃描系統(tǒng)撓曲補(bǔ)償技術(shù)、主從級(jí)閉環(huán)多軸聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制和測(cè)量技術(shù)等多個(gè)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(cè)量裝置，螺旋線偏差測(cè)量不確定度U=0.9μm/100mm (k=2)，經(jīng)技術(shù)鑒定及國(guó)際比對(duì)驗(yàn)證，螺旋線測(cè)量能力及技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
項(xiàng)目從裝置研制到國(guó)家基準(zhǔn)的授權(quán)，歷經(jīng)9年積累，從無(wú)到有，突破了幾何量測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)多個(gè)技術(shù)瓶頸，建立了新一代齒輪螺旋線基準(zhǔn)裝置，從質(zhì)量保證的最高源頭進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和能力提升，完善了國(guó)家齒輪量傳體系，提升了我國(guó)齒輪螺旋線校準(zhǔn)測(cè)量能力，齒輪標(biāo)準(zhǔn)量值通過(guò)各校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的量傳和校準(zhǔn)服務(wù)的輻射，確保了國(guó)內(nèi)齒輪量?jī)x和齒輪加工的量值準(zhǔn)確性和一致性。項(xiàng)目已獲國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局科研成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
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