基於精密測量技術組建測量線的（de）蝸杆M値自動分選機（jī）設（shè）計

2018-08-16    click: 10823

摘要：針對蝸杆檢測要求高和批量大的（de）需求，本文在（zài）流水線化測量理念的基礎上，設（shè）計了蝸杆M值自動分選機。通過將流水線化測量分解為上料-檢測-分組三個任（rèn）務，儀器采用上料及工件傳輸模塊、齒麵清理模塊、測量模塊、激光（guāng）打標模塊、分組裝箱模塊及各種控製單元完成上述需求。並在測量模塊中采用哈爾（ěr）濱精（jīng）達測（cè）量儀器有限公（gōng）司的“雙片（piàn）簧精密（mì）測量機構”數字（zì）式二維測（cè）頭，實現了以精密測量為基礎的蝸杆M值自動檢測線，為蝸杆大批量高（gāo）精（jīng）度檢測提供了新（xīn）途徑。

關鍵詞：M值 檢測線 數字式二維（wéi）測頭（tóu） 蝸杆

0引言

  隨著汽車製（zhì）造業和機器人行業的快速發展，蝸杆（gǎn）作（zuò）為傳動（dòng）係統的主要零部件（jiàn）之一，其製造精度要求也在不斷（duàn）提高。在汽車車窗升降、電動（dòng）座椅等傳動係統中（zhōng），大（dà）量采（cǎi）用小模數蝸輪蝸杆傳動，一般（bān）蝸輪采取鑄塑工藝的塑膠材料（liào）製造，由於製造工藝等原因（yīn），蝸輪齒厚變化較大，導致蝸輪和蝸杆做齧合運動時傳動側隙難於控製，對傳動係（xì）統的精度與動態特（tè）性（特別是（shì）振動與噪聲）有直接影響[1]。為保證蝸輪蝸（wō）杆齧合傳動的（de）平穩性，雖然蝸杆通過機械加工可以達到比較高的精度及齒（chǐ）厚（以M値進行度量）一致性，但是需要刻意（yì）對蝸杆的齒厚情況進行分組以保證與不同（tóng）齒厚的蝸輪進行配合，控製側隙的一致性。在大批量生產條件下，如何能實現齒輪（蝸（wō）杆）的高精度快速檢測分組，並具有多種輔助功能的生產現場測量線，已成為提升產品質量的關鍵設備。

目前國外為實現齒輪的快速檢測，已經做了一些研究並（bìng）有一些產品，如霍梅爾(Hommel)的專用多參（cān）數全自動綜（zōng）合測量分選機，適用各種汽車（chē）零件，實現大批量快速檢測，可自動分組、打標記、自動分選等（děng）多種功能[2]。日本大阪精機AG係列齒輪分選測量（liàng）係統（tǒng）一般由雙齧儀、單齧儀等（děng）組成。另外包括拋光設（shè）備、清（qīng）洗設備和分選設備。用於齒輪驗收、分（fèn）選及工藝監督[2]。上述齒輪分選測量係統采用的是傳統雙麵齧合一維測量原理，該方（fāng）法不能完全反應齒輪（蝸杆）軸線方（fāng）向的齒厚變化量。而本文（wén）以精密測量技術為基（jī）礎采用哈爾濱天美影视測量儀器有限公司特殊設計的“雙片簧精（jīng）密測量機構”數字式二維測頭對齒槽進行單麵測量，采（cǎi）用“測頭跟（gēn）隨”技術反映了（le）蝸杆齒厚沿（yán）軸線方向的連續（xù）性，同時，包含了齒輪清洗、打標、激光打標、分組裝箱等輔助功能，實現了蝸杆M值高精度流水線化測量，為蝸杆大批量、高精度檢測提供了新途徑。

1蝸杆（gǎn）M值測量原理

  如圖1所示，將直徑相同的兩根圓棒自由地（dì）放（fàng）在齒輪（lún）的相對兩個齒槽內，對（duì）於奇數齒（chǐ），兩圓棒應放在中心距為最大弦長的兩個齒槽內，用千分尺或各種測微儀、測長儀等計量器具測出兩圓棒外側最遠點的M值（zhí）尺寸。測得值與公稱M值之差即為M值的（de）偏（piān）差   。將  代入以下公式，即可求出分（fèn）度（dù）圓弦齒厚偏（piān）差  ：當齒數為偶數時，  ;當齒數為奇數時，  。

 

式中，  是分度圓壓力角；  是圓棒中心所（suǒ）在圓壓力角;z是被測齒輪齒數;   是圓棒直徑，  ；   是變位係數;m是被測（cè）齒輪模（mó）數。當   時，   






                                                                    圖1 圓棒測量M值尺寸

  上述測量中隻是完成對齒輪某個端（duān）麵的M值，若（ruò）想測量沿著軸（zhóu）線方向齒厚的變化量（liàng），就需要增加（jiā）測球沿著（zhe）齒輪軸線方（fāng）向的自由度。

  本文采用以測微傳感、精密（mì）光柵、測頭（tóu）跟隨運動控製、以單測頭結合精確定標技術組成工件誤差的精密測量技術實現蝸杆M値的測量，並以此為基（jī）礎組成生產現場應用的自（zì）動測量線，開（kāi）拓齒輪在線測量的新（xīn）方法（fǎ）。如圖2所（suǒ）示，絲杆副與徑（jìng）向柔性片簧機構後（hòu）板連接（jiē），徑向柔性片簧機構後板通過連接板固定在滑板上。光柵1讀取測頭徑向x的（de）位移變化量，光柵2讀取測頭軸向y的位移變化量（liàng），伺服電機1驅動絲杆副實現（xiàn）測頭y方向的位移，氣缸（gāng）帶動杠杆機構實現測頭x方向的位移。氣缸帶動杠杆機構在x方向施加測力至蝸（wō）杆齒（chǐ）麵，計算機根據光柵1和光柵（shān）2讀取（qǔ）的數據判斷測頭是否進入蝸杆（gǎn）齒槽內，且測頭與蝸杆的（de）齒麵緊密貼合（hé）。當判斷測頭完全進入蝸杆齒麵內，且測頭與蝸杆的齒麵緊密貼合後，伺服電機2驅動蝸（wō）杆旋（xuán）轉一周，與此同時（shí），伺（sì）服電機（jī）1帶動絲杠副使測頭沿（yán）蝸杆軸線y方向做跟隨運動。根據（jù）光柵1讀取測頭x的位移變化量，即可計算出蝸杆的平均跨棒距M值。






圖2 測量原理圖

2儀器的工作原理及總體設計

2.1工（gōng）作原理

  如圖3為儀器模塊組成示意（yì）圖，傳（chuán）送帶（dài）由步（bù）進電機帶動,傳送帶上的V定位塊保證蝸杆軸線處於（yú）水平狀態。將蝸杆以（yǐ）一端（duān）對齊的方式放到傳（chuán）送（sòng）帶上，工件運輸至清理模塊（kuài），係統通過傳感器1判斷傳送帶上是否存在工件，確定工（gōng）件存在時，氣缸3將工件提升至左（zuǒ）右頂尖（jiān）水平軸線位置（zhì），左右頂尖（jiān）軸係在氣缸1和2的作（zuò）用下移動設定的位移量，此時，軸向（xiàng）定位蝸杆。伺服電機1帶動（dòng）右頂尖軸係旋轉，蝸杆在（zài）旋轉過程中，清洗裝置執行清（qīng）洗工序。

 

圖3 儀器模塊組成示意（yì）圖

   齒麵清理模塊結束後，蝸杆（gǎn）運輸至測量模塊，蝸杆軸向定位過程同齒麵清理模塊（kuài），光柵1讀取（qǔ）測（cè）頭徑向x方向的位移量，光（guāng）柵2讀取測頭軸線y方向的位移量，伺服電機帶動絲杠副實現雙片簧精密測量機構y方向運動，氣缸（gāng）7實現雙片簧精密測量機（jī）構在蝸杆徑向x方向上的運動。當測頭與蝸杆（gǎn）的齒（chǐ）麵雙麵齧（niè）合時（shí），蝸杆在伺服電機2的作用下做旋轉運動，此時，測頭沿蝸杆軸線y方向做跟隨運動。

  測量模塊完成後，蝸杆（gǎn）運輸至激光打標模塊，蝸杆軸向定位過程（chéng）同齒麵清理（lǐ）模塊，蝸杆在伺服電機3的（de）作用（yòng）下做旋轉運動，當傳感器2感知到蝸杆打標（biāo）位置時（shí），激（jī）光打標裝置標（biāo）記蝸杆，完成蝸杆標記工序。

  激光打標模塊結束後，蝸杆運（yùn）輸至分組裝箱模塊，係統根據測量結（jié）果（guǒ）將蝸杆放（fàng）到分組箱內相應（yīng）的位置。伺服電機4和伺（sì）服電機5分別實現（xiàn）蝸杆沿x和y方向的運動。伺服電（diàn）機6實現蝸（wō）杆沿z方向的運動。氣缸11從傳輸帶上抓取工件。旋轉氣缸12使蝸杆（gǎn）由水平狀態轉至垂（chuí）直狀態。傳感器3判斷分組箱內蝸（wō）杆是否裝滿（mǎn），如分組箱內裝滿蝸（wō）杆，報警信號啟動，分組箱內未裝滿蝸杆，氣缸11將蝸杆放到分組箱內。

2.2儀器總體設計

  儀（yí）器由上料及工件傳輸模塊、齒麵清理模塊、測量模塊、激光打標模塊（kuài）、分（fèn）組裝箱模（mó）塊、控製單元組成，如圖4所示。



圖4 儀器樣（yàng）機

2.2.1上料（liào）及工件傳（chuán）輸（shū）模塊

  主要由帶多個V形定位塊（kuài）的傳送帶（dài）組成；功能為將（jiāng）不（bú）同尺寸的工件以一端對齊的方式運輸至相應（yīng）的模塊處（chù）。

2.2.3齒麵清理模塊

  主要由（yóu）左右（yòu）頂（dǐng）尖（jiān）軸係及清洗裝置組（zǔ）成，該模塊運動形（xíng）式有左右頂尖軸係（xì）沿軸線方向的水平運動和右頂尖軸係旋轉運動。工件運輸至該模塊時，其一端與固定的右頂尖軸係對齊，另一端由（yóu）左頂尖軸係定位，右（yòu）頂尖軸係驅（qū）動（dòng）工件（jiàn）旋轉，與此同時（shí）啟動壓縮機吹洗齒槽表麵，完成蝸杆清理工序（xù），為蝸杆測（cè）量做準備。

2.2.4測量模塊

  主要由左右頂尖軸係、天美影视公（gōng）司獨創的雙片簧精密測量機構（gòu），碳（tàn）化鋼球測頭組成。提升機構將工件由傳（chuán）送帶（dài）升至（zhì）測量模塊，其一端與固定的（de）右（yòu）頂尖軸係對齊，另一端由（yóu）左頂尖軸係定位，右頂尖軸係驅（qū）動蝸杆旋轉360°後，在蝸杆徑向（xiàng）方向上施加測（cè）力，並使測頭與蝸杆齒麵緊密貼合。當蝸杆旋轉時，測頭與蝸杆的齒麵保持雙麵（miàn）齧（niè）合狀（zhuàng）態，並沿蝸杆軸（zhóu）線方向做跟隨運動，實現工件M值測量工序。該模塊運動形式有左右頂（dǐng）尖（jiān）沿軸線方向的水平運動、右頂尖軸係的旋轉運動、測頭沿工件軸線方向的運動及測頭（tóu）沿工件徑向方向的運動。

2.2.5激光打（dǎ）標（biāo）模（mó）塊（kuài）

  由左右頂尖軸係及（jí）纖維激光打標機組成。該模塊的運動為（wéi）左右頂尖軸線沿軸線的水（shuǐ）平運動（dòng）和右頂尖（jiān）軸係旋轉運動（dòng）。功能為將M值不同的工（gōng）件在指定的位置打上標記，也可以按照客戶要求將包含工件信息及精度測量結果（guǒ）的二維碼打標至工件上。

2.2.6分組裝箱模塊

  由周轉箱、控製空間xyz三個方（fāng）向的直線滑軌及旋轉氣缸組成。根據測量所得的蝸杆M值，確定了蝸杆的周轉裝箱位置，機械（xiè）手經X、Y、Z三個（gè）方向的（de）平（píng）動後，抓取工件。旋轉（zhuǎn）氣缸使工件由水平狀態轉（zhuǎn）至垂直狀態後，將（jiāng）工件放入周轉箱內（nèi），實現了蝸杆的分組工序。

3儀器關鍵部件（jiàn）的設計

3.1軸係結構設計

     圖4為右頂尖（jiān）軸係結構示意圖，軸係（xì）采用高精（jīng）度密珠軸承，由軸、軸套以及密集於兩者（zhě）之間的具有過盈（yíng）配合的滾珠組成。滾珠安放於保持（chí）架中，程螺旋線分布，保證了右頂尖軸做旋轉運動時的跳動值。端麵（miàn）保持環為是精密軸係沿著軸向方（fāng）向的（de）兩個支撐點（diǎn），相當於推（tuī）力（lì）軸承（chéng）作用。止退圈、十字墊圈及螺套配合作用，構成軸向定位與緊固（gù）。選用控製精度（dù）高（gāo）的交流伺（sì）服電機通過連軸器驅動右頂尖軸係回轉，電機緊固在電機座上，電機座（zuò）固定在（zài）軸套上。軸套（tào）固定在滑板上，整個軸係固定在滑板上。氣缸缸體固定在基座上，氣缸活塞與（yǔ）滑板連接，實現軸係沿軸線y方向的位移（yí）。

如圖5所示，左頂尖軸（zhóu）係結構和氣缸作用與右頂尖軸係相同。左頂尖軸軸係中為防（fáng）止左頂尖軸卡死工件，在左頂尖軸係軸端設置彈簧和（hé）調節軸，實現左頂（dǐng）尖軸係自動調節伸縮量，避免了（le）軸係卡死工件（jiàn）的現象。



                                     圖4 右頂尖軸係（xì）結構圖                          圖5 左頂尖軸係（xì）結構圖   

3.2雙片簧（huáng）精密測量機構

    如圖6所示，雙片簧精密測量機構的主體由兩個方向平行四邊形（xíng）機構組（zǔ）成。第一個平行四邊形（xíng）機構由y方向夾板A、B，平動板C及後板D組成。後（hòu）板D固定，夾板A，B與平動板（bǎn）C和後板D之間（jiān）由片簧連接，故平動板（bǎn）C可實現平行於x方向的（de）位移。第二（èr）個平（píng）行由x方向夾板E、F，平動板G及後板H組成。夾板E，F與平（píng）動板G和後板H間由片簧連接。第二（èr）個平行四邊形機構的平動板與測頭安裝底座相連並由（yóu）第一個平行四邊形機構中的後板D帶動，故第二個平行四邊形機構和測頭在D的帶動下整體做沿x方向的平動（dòng）。雙片簧精密測量機構的主（zhǔ）體安裝在可沿y方向運動的滑（huá）板I上，從而實現在（zài）y方向的（de）平動。






圖6 雙片簧（huáng）機構結構簡圖

  平麵平動板C僅在x方向和平行於自身產生位（wèi）移，這使平麵平動板（bǎn）C可貼上x向光柵尺，x向的讀數頭通過連接板安裝在後板D上。平麵平動（dòng）板G僅在y方向和平行於自身產生位移，這（zhè）使（shǐ）平麵平動板G可貼上y向光柵（shān）尺，y向的讀數頭通過連接支架安裝在後板H上。

4總結

      區（qū）別於傳統基於雙麵齧合的一維測量原理的齒輪分選機，本文以“雙片（piàn）簧精密（mì）測（cè）量機構”數字式二維測頭為核心實現了（le）蝸（wō）杆M值的測量，並在測量流水線化理（lǐ）念的（de）基礎上完成（chéng）了基於M值的蝸杆分選設備的研製。該設備克服了傳統雙麵齧合（hé）測量儀在蝸杆測量上存在的弊端，實現了蝸杆測（cè）量齒厚誤差的（de）高效高精密測量，該分選機在湖南億利達（dá）公司（sī）生產（chǎn）現場得到應用檢驗，取得滿意的使用效果。




參考文（wén）獻：

[1]李俊峰. 基於（yú）CNC齒輪測量中心的圓柱蝸杆（gǎn）測量研（yán）究[D]. 天津大學, 2009.

[2]湯（tāng）潔. 齒輪雙麵齧合多維測量（liàng）理論及技術研究[D]. 北京工業大學, 2009.