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齿轮检查仪贯彻新国标精度保证条件
齿轮检查仪贯彻新国标精度保证条件
 
张伟
(中国计量科学研究院长度处  北京  100013)
 
 摘要  齿轮新国标即将颁布贯彻实施,对于我国使用中数量众多的机械式齿轮检查仪,
存在一个适应性的问题。本文将介绍新国标的要求,分析测量仪精度保证条件及改造
            方法,充分发挥老设备的作用,为生产服务。
            关键词 新国标  机械式齿轮测量仪  精度分析  改造方法
 齿轮是机械设备的重要零件,广泛应用于机床、汽车、拖拉机、冶金、矿山、船舶、工程机械等各个领域。人们在齿轮的材料、设计、工艺、加工、测量和装配等每一环节不断的研究新课题,来适应现代工业飞速发展的需要,而齿轮制造公差标准也依需要来制定。自二十世纪八十年代,我国有关齿轮方面的国家标准、行业标准、国家规范规程等,其制定和修订的数量已达到近百个,其中参照或采用国际标准和国外先进标准的约占70%以上,即将颁布实施的渐开线圆柱齿轮制造精度国家标准(以下简称为新标准)GB/T10095.1¾2001、GB/T 10095.2¾2001,就等同采用了国际标准 ¾ ISO 精度制1328 ¾ 1:1995和ISO 1328¾2:1997。
贯彻齿轮新标准对CNC自动测量设备只存在精度保证问题,而对机械式齿轮测量仪则存在着精度保证和改变评估方法两个问题。在六、七十年代,我国从德国、瑞士等国进口了许多齿轮检查仪,目前大多数还都在使用中,相对而言,我们可以将这些检查仪称为老设备。下面就老设备贯彻新标准的问题进行分析探讨。
 
1        对新标准的认识
 
(1)新标准等同采用ISO - 1328九十年代国际齿轮精度制
新标准等同采用国际标准,是我国齿轮制造业与国际同步发展的标志。ISO - 1328九十年代
标准是在75标准的基础上修订而成,吸收了德国、美国等先进国家标准的成熟性和科学性,使标准更加合理适用,并成为制定齿轮相关标准的依据。
新标准将齿轮的检测项目分成二部分:第一部分GB/T10095.1¾2001轮齿同侧齿面偏差的定义和允许值,明确规定齿距、齿廓和螺旋线这三项偏差是完整评定单个齿轮精度的强制性检定项目,为国际间贸易和交流制定了评定准则;第二部分GB/T10095.2¾2001径向偏差与径向跳动的定义和允许值,用于大批量生产及小模数齿轮的检验。
第二部分其方法和测量仪器较成熟,不多涉及, 下文展开的讨论,均针对第一部分。
(2)设计齿廓、设计螺旋线与平均迹线
  设计齿廓、设计螺旋线与平均迹线成为新标准的一个重点。
对于修形的设计齿廓,可以用公差带的方法来进行检验,而修形齿也是生产中经常采用的齿形,啮合性能好又不增加成本。新标准对于设计齿形的强调,代表了它的科学性和适用性;平均迹线,是新标准提出的一个新定义,依据平均迹线,确定形状和倾斜偏差,据此加工配对齿轮,能降低加工难度却相对提高啮合性能。可以说,新标准为我们提供了能达到齿轮最佳使用性能的依
据;是促进我国齿轮制造质量向高水平迈进的技术保障;对于与国际接轨、开拓国际市场都有着十分重要的意义. 
 
2          新标准对齿轮检测方面的要求
 
2.1          精度要求
       GB/T10095.1-2001标准由88标准的12个精度等级增加到13个,其中0级最高。检查项目只规定了三项:齿廓总偏差Fa、螺旋线总偏差Fb和齿距偏差(齿距偏差包括单个齿距偏差fPt、齿距累积偏差FPk和齿距累积总偏差FP)。公差值较88标准略有放松,其原因是新标准引入的一个新的概念,即齿廓和螺旋线允许值的大小对啮合性能的影响不是绝对的,而形状和倾斜偏差的综合影响才是关键,而且倾斜偏差的确定在加工中有着重要的意义,它是指导工艺,修正机床位置误差的依据。而我国新标准等同采用ISO标准其真正用意也在于此。但这并不意味着测量精度可以降低。因为88标准与六十年代的JB179-60标准相比,齿形和齿向公差要求提高了1 ¾ 1.5级,而据统计得之,八十年代初,上海地区参加试贯JB179-83标准(后升为GB10095-88)的单位,在试贯前,合格率仅为0-30%,主要是齿形、齿向超差,造成超差的原因有两个,一是制造问题。二是测量准确性问题。正是看到了这一点,从1982年至1984年试贯JB179-83期间,机械部委托中国计量科学研究院配合试贯工作,承担齿轮测量设备的检修和量值统一,把住测量一关,保证测量结果的准确无疑是至关重要的。在贯彻GB/T10095-2001标准的今天,测量这一环节依然不容忽视。
2.2          评定方法
评定方法就齿廓、螺旋线项目而言,有二点改变:一是平均迹线法,二是公差带法。
新标准定义了齿廓和螺旋线总偏差、形状和倾斜偏差及平均迹线,平均迹线是依据实际曲线采用“最小二乘法”拟和得出,从而得到形状和倾斜偏差量的大小。这是新标准提出的科学严谨的计算方法。
对于修型齿的制造误差,标准提倡公差带法来评估,从测量角度讲,公差带直观的特点,为测量和加工都提供了切实的依据。
以上二点,对于机械式齿形齿向检查仪的记录系统,由人工判断测量结果,测量和加工的意见分歧时有发生,交流极不方便,难以实现新标准要求,所以必须对其记录系统进行改造,由计算机自动数据处理系统取而代之,无疑是实施新标准的一项重点工作。
 
3          机械式齿形齿向检查仪贯彻实施新标准的途径
 
六七十年代进口的齿形齿向检查仪(以下简称为仪器),至今已使用了三十多年,老设备要切实达到新标准的精度要求,显然是一个需要认真对待的大问题。下面从仪器精度和评估方法两方面入手进行分析和介绍,探讨其适应性。
3.1      仪器精度分析
3.1.1 依据
进口设备如SP-60、891、PFS600、PFSU系列、HFR系列、630、PH100等等,这些仪器经长期使用,会出现一些需要修理的问题,如测头、记录器、电器元件、工作面锈迹等属于外围精度因素,本文不多涉及。从机构精度方面讲,这些型号的仪器在正常状态下,具备一定的稳定性,在肯定这一点的基础上,我们来分析仪器达到一定精度的条件。
德国工程师协会的指导性文件VDI/VDE 2612对测量齿形、齿向偏差的仪器,分别提出了精
度要求。本文以齿向仪器的精度要求(见表1)为例,结合我国检定规程,进行分析。
                            表1    齿向测量仪精度保证条件(VDI/VDE 2612)         单位:  mm
精度级别
 
    齿轮精度级别
 ISO-1328 、 DIN 3962
 
0
 
1
 
2
 
3
 
4
 
5
 
6
 
7
 
8
 
9
 
10
 
11
 
12
1)   室温变化要求(20°C<T< 23°C)
 
0.5
1.0
2.0
 
2) 样板齿面粗糙度
 
                        £ 2.0
 
3) 所用样板螺旋线形状偏差
 
               £ 2.0
£ 3.0
 
4) 所用样板螺旋线斜率偏差的测量不确定度(k = 2)
 
£ 2.0
£ 3.0
£ 5.0
 
5) 样板形状和螺旋线斜率
   偏差的测量重复性
 
0.3
0.5
1.5
 
6) 样板同一旋向左右齿面差值
 
0.7
1.5
2.5
 
7) 仪器与工件温度差
 
0.5
2.0
3.0
 
8) 仪器轴线与工件轴线差值
 
1.0
1.5
2.5
 
9) 仪器螺旋线斜率偏差
   示值误差的不确定度
 
1.5-3.0
2.5-4.5
3.5-7.0
 
10)仪器螺旋线总偏差示值
   误差的不确定度
 
2.5-4.5
3.5-7.0
5.5-10.0
 
*) 样板直径<200mm,齿宽=100mm,螺旋角=0°、15°、30°、45°.   **) 表1中Ⅰ级仪器可测量4级及4级以上精度齿轮;Ⅱ级仪器可测量5--8级精度齿轮;Ⅲ级仪器可测量9--12级精度齿轮。
 
从表1看出,第1)、7)两项是温度条件,其中第1)条0.5°C要求对于一般的计量室较难达到,
第7)条的问题是如果不做温度修正,则基本上不能实现,因为仪器基体大,各部件位置及形体不一,而仪器本身存在热源,要想达到仪器与工件温差为0.5°C,本人认为必须采取温度修正。
第5)条为样板形状和螺旋线倾斜偏差的测量重复性,对于Ⅰ级仪器,要求达到0.3mm,如果第2)、3)条实际值为2mm时,则第5)条很难达到。第8)条,仪器轴线与工件轴线差值,在这里我们将工件换成样板来分析,国家标准二等样板顶尖孔径跳要求是2mm ,我国检定规程JJG91-89(基圆盘式渐开线螺旋线检查仪检定规程)对仪器下顶尖的要求是2mm、轴系回转精度要求2mm所以机械式测量仪的精度不能满足此条要求。
分析至此,可以看出VDI/VDE2612标准,对Ⅰ级仪器的要求是非常严格的,我们不多涉及。由于机床和汽车等行业,齿轮精度一般为5-8级,下面分析使用中的仪器能否满足Ⅱ级要求。
VDI/VDE2612标准的要求分为:温度要求、标准器要求、仪器本身的单项精度和综合精度要求四个方面,根据这些误差因素,具体分析齿轮螺旋线斜率偏差的不确定度,进而确定仪器的精度等级。
设测量用螺旋线样板齿宽  b = 100mmm,半径r = 50mm,螺旋角b = 15°。
3.1.2  各误差分量
a)室温变化引入的测量误差w1

    基圆盘加杠杆放大式仪器对温度变化比较敏感,当温度不平衡时,会产生机构误差和刻度尺的零位误差,但对于测量螺旋线偏差,测量过程基圆盘不动,此时只考虑温度变化对刻度尺的影响。如果计量室温度变化要求1°C,以此计算仪器径向零位误差,数值是非常大的,根据我国螺旋线样板检定规程JJG408--2000,二等样板测量过程温度瞬时变化要求W1=0.5°C/h,设刻度尺距回转轴线的距离l=400mm,则刻度尺零位变化为:
    此时可认为所放置的基圆位置有1.4mm的误差,测量齿宽Lb=100mm,螺旋角b=15°,半径r=50mm,对螺旋角的影响为0.000416°»1.5²(按导程计算,公式从略)。

将角度值换算为线值:
    视为均匀分布,取其半宽,则由实验室温度变化w1引起的标准不确定度u1为:
 

b)仪器与样板温差w2
VDI/VDE2612第7)条要求是仪器与工件温度差,这里我们以样板代替工件,依据样板检定规
程仪器与样板相对温差小于0.5°C,假设样板导程伸长或缩短,按导程公式计算,可使螺旋角发生0.3²的变化,换算成线值,fhb2=0.16mm,则由w2引起的标准不确定度u2为:

c)齿面粗糙度及样板形状偏差d1
表1第2) 、第3)条要求£2.0mm,依据经验,设其对螺旋角的综合影响为0.3mm,视为均匀分布,u3为:
 

d)样板螺旋角斜率偏差测量不确定度d2
中国计量科学研究院传递的二等螺旋线样板,螺旋角测量不确定度为

1.83mm/100mmk =3)(样板螺旋角b=15°), 标准不确定度u4为:         
e)测量重复性
表1 第5)条,用样板在仪器上进行独立重复测量10次,单次测量标准差S由贝塞尔

公式得到:

平均值的标准差Sx:
标准不确定度u5为:

f)导轨及其顶尖连线的位置误差i1
   表1第6)条要求,同一旋向的一个齿面,正反掉头测量差值为1.5mm,差值产生的原因主要包括:垂直导轨与顶尖连线的平行度、垂直导轨扭摆及直线度等,根据我们的检测结果统计,基
本与VDI/VDE的要求接近,视为均匀分布,则u6
 

g)安装误差i2
    表1第8)条,仪器轴线与工件轴线之差,可理解为本文的安装误差,样板安装在仪器顶尖间,样板顶尖孔与仪器顶尖配合轴线,相对仪器上下顶尖连线之差。对于二等样板完全有可能产生1.5mm的误差,设样板轴长300mm ,测量齿宽100mm,则可发生0.5mm误差, 视其服从均匀分布,标准不确定度为u7
3.1.3      
 合成不确定度
  

   由于各分量无关,且为均匀分布,则uc为:
   
 
3.1.4   扩展不确定度U
    取置信因子k =2,则U为:

  
依据表1要求以及我国基圆盘式渐开线螺旋线检查仪检定规程JJG91-89的要求,对于5级
精度仪器,螺旋角示值误差应不大于3mm
    机械式齿轮测量仪示值误差不是一个定数,它取决于仪器各部件制造误差和安装误差以及几何位置调整状况。上述分析中有关仪器的不确定度因素可以认为是最佳调整状态,
本人理解VDI/VDE2612的第9)条要求应该是示值误差的随机部分,是由环境条件、标准器、仪器和方法引入的不可消除的误差,因而认为是不确定因素,应与不确定度相对应。VDI/VDE2612提出的8项单项要求,与我们实际工作中确定仪器精度等级的方式方法基本一致,从我们所分析的不确定度的量化方面讲,也与实际检测情况相吻合。
3.2      改变评估方式,适应新标准要求
3.2.1        有关机械式记录系统存在的问题
a)      元器件老化,致使灵敏性降低,稳定性和对称性差;
 
b)      零位钮误操作,破坏放大倍率线性;
c)      只画轮廓曲线,由人工依曲线判断形状和斜率偏差,判断结果不严谨,易产生分歧;
d)      测量记录不易保存,信息量小,交流性差。
3.2.2  新标准评估方法
a)      定义
    新标准提出的形状和位置偏差的定义,都以平均迹线为基础,而平均迹线应采用“最小二乘法”计算。
形状偏差的定义:在评定范围内,包容实际曲线且与平均迹线平行(相同)的两条迹线之间的坐标距离。
斜率偏差的定义:在评定范围内,与平均迹线两端分别相交的两条平行设计线之间的坐标距离。
b)      评估方法
依据定义从误差曲线中分离出形状和位置偏差;
依据标准规定确定计值范围;
对于修型齿,可采用公差带型式评估检测结果。
3.3      改造记录系统,适应新标准要求
3.3.1应用范围
通过精度分析,在可以满足一定精度需要的基础上,对仪器的记录系统进行改造。主要针对进口设备:SP系列、HP系列、PFSU系列、HFR系列及891、890、PFS600、630、VG450等等.
几年来,计量院长度处一直在完善机械式齿轮测量仪的改造工作,规范评定范围和输出格
式,力求使操作方便快捷,减少误操作的可能性,尤其在设计齿廓测量软件开发方面,满足用户需求。
3.3.2改造方法
将原来的机械记录系统改造成自动数据处理系统,根据新的齿轮公差标准要求评价误差曲线,以规范的格式打印测量结果。
上述型号测量仪,如原配记录系统工作正常,依然可以使用,也就是说一个测头传感器即可与原有记录仪配用,也可与计算机自动数据处理系统相连,只将测头电缆插头插入相应插头座,就可实现机械式纪录和自动纪录两套系统按需使用。
仪器配置是机械式测头的也可加装传感器测头实现自动记录。
自动数据处理系统与仪器的连接方式是在仪器传动丝杠的输出端安装连接组件,将旋转运动传输给编码器,编码器输出脉冲信号经信号处理卡、采样控制卡及数据采集卡进入计算机主机,彩色监视器适时显示误差曲线。其结构如图1所示。
 
 

  彩色监示器
                              

  计算机主机
数据采集卡(A/D)
 

 

    打印机
          打印机                                   

                                                        
                                                                       

信号处理控制卡
  位移传感器
                                                     A

                                                                                           
                                                     B    
                                            P

 角编码器组件
 


                                  测量仪传动输出
 
 
图1  齿轮测量仪自动数据处理系统框图
3.3.3  测量软件
a)标准渐开线齿廓和螺旋线测量软件;
b)设计齿廓、设计螺旋线测量软件,包括凸型、鼓型等
c)样板测量软件;
d)用户提出的特殊需要的软件;
由计量院长度处编制的齿轮测量软件,严格按照新标准要求进行,齿廓起始点长度及有效测量长度按GB/T13924-92渐开线圆柱齿轮精度检验规范推荐的公式计算,并通过实验进行验证
3.3.4       操作和输出形式
对于齿轮的终结测量,必须按标准和规范规定,输入参数,建立数据库存储测量结果,按
标准要求输出打印结果。
    用于工艺分析时,可通过可视化窗口随时修改所输入信息,为用户提供灵活方便的软件工作方式。
3.3.5       自动数据处理系统精度验证项目
a)           放大倍率;
b)           测量长度(齿廓起始点、有效长度、齿向测量长度);
c)           测量重复性;
d)           示值误差(形状、斜率、总偏差)。
 
 
3.4  结束语
机械式齿形齿向测量仪,目前还是我国大多数企业的重要测量设备。使用时间长磨损严重也是一个现实问题。我们国家正处在发展阶段, 大量购买自动测量设备,价格昂贵,暂时不能实现。而通过对仪器进行改造,冲分发挥老设备的作用,实现老设备适应新标准要求,则是一种行之有效的方法。
欢迎同行通过各种方式与我们联系,继续探讨有关问题。
 
 
参考文献
 
1  全国齿轮标准化委员会、机械部机械院、郑州机械所译《ISO1328—九十年代国际齿轮精度制》 1998
2  叶孝佑等 《齿轮测量自动数据处理系统》 计量学报期刊社   1998 
3  STD.VDI / VDE  2612-GEAR   Juli 1998
 
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