1 引言
近年来，我国的汽车及摩托车齿轮制造业取得了迅速的进步和发展，骨干专业生产厂目前已发展到近百家。同时也引进了不少国外的先进齿轮制造工艺、技术、装备以及先进的生产经营管理模式，产品品种和质量基本满足了国内中低档轿车及摩托车变速箱用齿轮的要求，但行业整体水平与国外仍有很大的差距，尤其在齿轮测量技术领域差距更为突出。目前，国内生产的齿轮测量仪器主要用于计量室、计量站，自动化程度低、整体可靠性差、测量速度慢、品种欠缺、对使用环境有较高的要求，难以适应车间现场使用。近年来，开发成功的齿轮测量中心达到国外上世纪80年代末、90年代初的水平，但不能适应汽车齿轮生产的快速节拍，难以实现完全检测和分选。实现100%的对齿轮制造缺陷进行快速在线检测，对于实际生产具有重大而深远的意义。
汽车齿轮可分为盘类齿轮和轴类齿轮，以圆柱外齿轮居多，也有少量的内齿轮。根据此特点，采用双面啮合原理进行轴类齿轮和盘类齿轮测量，检测齿厚、径向综合偏差、径向跳动、平均齿向偏差、齿向偏差、锥度误差、毛刺等参数。利用双面啮合的快速特点，检测出齿轮的误差参数及缺陷，找出齿轮制造工艺上的不稳定因素，实现制造工艺流程的加工过程质量监控。
在汽车齿轮中，轴类齿轮的检测显现得尤为重要，同时轴类齿轮在制造过程中由于各种因素的影响，极易产生轴类零件的弯曲变形。针对这样的特点，我们以生产图号为QS1701111-472A输入轴上的一档齿轮为项目的研究对象。
2 测量原理
项目研究内容包含齿轮的径向误差（齿厚、径向综合偏差、径向跳动、毛刺等）和轴向误差（平均齿向偏差、齿向偏差、锥度误差）。采用双面啮合原理测量齿轮的轴向误差在国内还属空白，为此，针对齿轮轴向误差的测量，还需从双面啮合齿轮轴向误差测量原理上进行探索研究，同时为满足快速测量节拍的需要，工件的快速正确安装也是在测量原理中需要考虑和探究的内容。为此，研制三维齿轮轴向误差测量机构和齿轮快速装夹是实现本项目研究内容的核心部件。
双面啮合原理测量齿轮是用测量齿轮和被测齿轮做对比测量，工件的误差是通过测量齿轮与其双啮传动，由各部件上的高精度传感器读取，仪器又是用校对齿轮与测量齿轮来标定，测量齿轮和校对齿轮在此就是仪器的基准元件。因此其设计和制造在仪器的测量精度及重复性有着关键的作用，也是仪器研制的重要之处，其测量齿轮和校对齿轮也是仪器的基准传递元件。
（1）轴向测量部件
轴向测量部件用于测量齿轮的轴向误差（平均齿向偏差、齿向偏差、锥度误差）。齿轮的轴向误差是在X轴和Y轴的旋转方向的变化，同时在X方向浮动，以抵消齿轮径向误差产生的径向位移。在轴向测量部件X轴和Y轴的旋转方向上安装用于感受轴向标准齿轮与被测齿轮双啮滚动时、由于被测齿轮轴向误差而产生的轴向标准齿轮的轴向偏摆的传感器，此偏摆反映了被测齿轮的轴向误差。电脑控制气缸运动将轴向标准齿轮与被测齿轮双面啮合，被测齿轮由电机转动，带动轴向标准齿轮做双面啮合转动，与被测齿轮同轴的圆光栅每隔一定的脉冲发出采样信号，X、Y旋转方向的传感器时时感受轴向的误差信息，并通过计算机进行处理计算。
（2）径向测量部件
径向测量部件用于测量齿轮的径向误差（齿厚、径向综合偏差、径向跳动、毛刺等），部件只具有径向的一维位移。在径向测量部件上安装用于感受径向标准齿轮与被测齿轮双啮滚动时、由于被测齿轮径向误差而产生的径向标准齿轮径向位移的传感器。电脑控制气缸运动将径向标准齿轮与被测齿轮双面啮合，并通过传感器保证啮合的正确性，被测齿轮由电机转动，带动径向标准齿轮做双面啮合转动，与被测齿轮同轴的圆光栅每隔一定的脉冲发出采样信号，传感器时时感受径向的误差信息，并通过计算机进行处理计算。
（3）快速装夹机构
快速夹紧机构用于快速装夹被测齿轮。其由Z向的气缸、上顶尖、带动器、主轴组成；被测齿轮可方便的放置在安放于主轴上的带动器上，在电脑控制气缸做向下的运动，带动上顶尖向下，使之被测齿轮正确定位于上下顶尖之间并由带动器自动夹紧。被测齿轮定位夹紧与否由气缸上的位置传感器感受。
（4）仪器测量流程
工件安装在测量主轴上（完成自动定心，自动夹紧）；径向测量部件（一维）上安装径向标准齿轮（测量功能齿厚、径向综合偏差、径向跳动、毛刺等），此部件在被测工件径向方向，由工件与径向齿轮做双啮滚动，并在径向做高精度移动，由高精度传感器感受其径向位移误差；轴向测量部件（三维）上安装轴向测量齿轮（测量齿向偏差、平均齿向偏差及锥度偏差），此部件在被测工件轴向方向，由工件与轴向标准齿轮做双啮滚动，并在工件的轴切面X-Z（锥度偏差）和径切面Y-Z（齿向偏差、齿向平均偏差）作高精度旋转移动，由高精度传感器感受其轴向误差；当程序控制的电机及气缸，完成自动进给和自动啮合，由被测工件带动标准齿轮做双啮转动三圈左右，完成误差采样，各部件自动退回初始位置；测量计算机做误差计算和处理，输出测量结果；结束测量。
要达到快速测量的目的，按照测量原理，仪器的单件测量时间控制在15s/件以内，但是在线的大批量的测量过程中，齿轮的准确安装时间将影响到实际测量的时间。在满足测量的基础上，也必须保证齿轮的快速正确安装。
3 设计方案
本项目的仪器是用于生产现场的快速检测仪器，要保证高的可靠性和精度，并且在使用上要力求方便快捷，仪器与企业生产车间现场要保持较好的一致性。
生产现场使用的环境不可预见的影响仪器的因素较多，为保证仪器的稳定工作，从测量原理上，仪器需要用校对齿轮对仪器校对标定。为减少使用中的标定工作频率，我们选用具有绝对零位的光栅传感器，这样，仪器的绝对位置就由传感器所记忆。当仪器经过机械的调整和较长使用周期后，需使用校对齿轮进行仪器的标定。而标定工作，通过仪器自身所具有的标定功能由计算机进行计算完成。
按照这样的测量原理，仪器要求要保证具有高的可靠性和精度，同时按照测量原理要对齿轮误差进行采集，从而满足测量项目的需要。双啮测量原理测量齿轮的轴向误差是一个全新的概念，为了实现这个目的，我们设计的具有三维运动功能的用于齿轮轴向误差的测量部件，在工件的轴切面和径切面做高精度移动，由高精度传感器感受其轴向误差引起的位移变化量；另外一维运动用于抵消工件径向误差对轴向误差测量的影响。
为了满足测量节拍的需要，设计上需要工件快速、精确、方便安装。为此从快速安装的角度上，自动夹紧和定位的设计决定着能否实现测量节拍的要求。上顶尖的上下运动，由计算机控制的气缸带动顶尖做定位和放松；工件和下顶尖的连接由快速夹紧带动器自动夹紧，由此实现工件的快速、精确、方便安装，大大减少了工件安装的时间。
4 电气及控制系统
基于经济快速、性能可靠，面向现场（车间）用户使用的设计原则，汽车齿轮在线快速缺陷测量的测量基准选用了德国HEIDENHAIN公司生产的体积小、可靠性高的笔式长光栅（防护等级：IP64）及长春光机所生产的密封式圆光栅；运动控制系统采用德国FESTO公司的气缸、阀岛及其开关、仪表；交流侍服电机及控制器及运动控制卡选用日本富士产品。自行设计开发了光栅信号采集、细分及处理PC插卡和通用的带光电隔离的I/O插卡。
测量软件可以进行的误差处理操作有：对采样值进行标准齿轮误差及轴跳动误差的修正处理、毛刺的处理、双啮中心距误差变动分解曲线、径向综合总偏差Fi”、齿圈径向跳动、功能齿厚偏差、锥度误差和齿向误差。
5 结语
随着汽车制造业的高速发展，人们对汽车的性能要求也不断提高，齿轮的质量与汽车的振动、噪音等密切相关，为保证齿轮制造的质量和效率，在齿轮生产线上实行100%的快速检测，已成为国外汽车齿轮生产厂控制齿轮质量的重要手段，此种检测方法已作为国外汽车齿轮质量控制的行业规定。
本项目的研究将应用于汽车制造业中关键零部件制造行业，用户主要是汽车及摩托车变速箱齿轮生产制造厂。
1/30/2007
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