2018-08-16 click: 8475
摘要：針對蝸杆檢（jiǎn）測要求高和（hé）批量大（dà）的需求，本文在流水線化測量理念的基礎上，設計了蝸杆M值自動分選（xuǎn）機（jī）。通過將流水（shuǐ）線化測量分解為（wéi）上料-檢測（cè）-分組三個任務，儀器采用上料及工件傳輸模塊、齒麵清理模塊（kuài）、測量模塊、激（jī）光打標模塊、分組裝箱模塊及各種控製（zhì）單元完成上（shàng）述需求。並在測量模塊中采用哈爾濱青青草网站測量儀器有（yǒu）限公司的“雙片簧精密測量機構”數字式（shì）二維測頭，實現了以精密測量為基礎的蝸杆M值自動檢測線，為蝸杆大批量高精度檢測提供了新途（tú）徑。
關鍵詞：M值 檢測線 數（shù）字式二維測頭 蝸（wō）杆
0引言（yán）
隨著汽車製造業（yè）和機器人行業的（de）快速發展，蝸杆作為傳動係統的主要零部件之一（yī），其（qí）製（zhì）造精度要求也在不斷提高。在汽車車窗升降、電動座椅等傳（chuán）動係統中，大（dà）量采用小模數蝸輪蝸杆傳動，一般蝸輪采取（qǔ）鑄塑工藝的塑膠材料製造，由於製造工藝等原因，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（kòng）製，對傳動係統的精度與動態特性（特別是振動與噪聲）有直接影響[1]。為保證蝸輪蝸杆齧合傳動的平穩性，雖然蝸杆通過機械加工可以達到比（bǐ）較高的精度及齒厚（以M値進（jìn）行度量）一（yī）致性，但是需要刻意對蝸（wō）杆的齒厚情況進行（háng）分組以（yǐ）保證與不同齒厚的蝸輪進行配合，控製側隙的一致性。在大批量生產條（tiáo）件下，如何（hé）能實現齒輪（蝸杆）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（liàng）線（xiàn），已成為提升產品質（zhì）量（liàng）的關（guān）鍵（jiàn）設備。
目前國外為實現（xiàn）齒輪的快速檢（jiǎn）測，已經做了（le）一些研究並有一些產品，如霍梅爾(Hommel)的專用多參數全（quán）自動綜合測量分選機，適用各種汽車零件（jiàn），實現大批量快速檢測，可自動分組、打標記、自動分選等多種功能[2]。日（rì）本大阪精機AG係列齒輪分選測量係統一般由雙齧儀、單（dān）齧儀等組成。另外（wài）包括拋光（guāng）設備、清洗設備和分選設備。用於齒輪驗收、分（fèn）選及工藝監督[2]。上述齒輪分選測量（liàng）係統采用的是傳統雙（shuāng）麵（miàn）齧合一維測量（liàng）原理，該方法不能完全反應齒輪（蝸杆）軸線方向的齒厚變化量。而本文以精密測量技（jì）術（shù）為基礎采用哈爾（ěr）濱青青草网站測量儀器有限公司特殊設計（jì）的“雙片簧精密測量機構”數字式二維測頭（tóu）對齒槽進行單麵測量，采用“測頭跟隨”技術反映（yìng）了蝸杆齒厚（hòu）沿軸線方向的連續性，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（wéi）蝸杆（gǎn）大批量、高精度檢（jiǎn）測提供了新途徑（jìng）。
1蝸杆M值測量原理
如圖1所示（shì），將直徑相同的兩根圓棒自由地放在齒輪（lún）的相對兩個齒槽內，對於奇數齒，兩圓（yuán）棒應放在中心距為最大弦長的（de）兩個齒槽內（nèi），用千分尺或各種測微儀（yí）、測長儀等計量器具測出兩圓（yuán）棒（bàng）外側最遠點的M值尺寸。測得值與公稱M值之差即為M值的偏差 
。將 
代入以（yǐ）下公式，即可求出分度圓弦齒厚偏差 
：當齒數為偶（ǒu）數時， 
;當齒數為（wéi）奇數時， 
。
式中， 
是分度圓壓力（lì）角； 
是圓棒中心所在圓壓力角;z是被測齒輪齒數; 
是圓棒直徑， 
； 
是變位係（xì）數;m是被（bèi）測齒輪模數。當（dāng） 
時， 
圖1 圓棒測量M值尺寸
上述測量中隻是完（wán）成對齒輪（lún）某個端（duān）麵的M值，若想測量沿著軸線方向齒厚的變化量，就需要增加測球沿著齒輪軸線方（fāng）向的自由度。
本文（wén）采用（yòng）以測微（wēi）傳感、精密光柵、測頭（tóu）跟隨（suí）運動控製、以單測頭結合（hé）精確定標技術組成工件（jiàn）誤差的精密測量技術實現蝸杆M値的測量，並以此為基礎組成生產現（xiàn）場（chǎng）應用的自動測量線，開拓齒輪在（zài）線（xiàn）測量的新（xīn）方法。如圖（tú）2所示，絲杆副（fù）與徑向柔性片簧機構後板（bǎn）連接，徑向柔性片簧機構後板通過連接板固定在滑板上（shàng）。光柵1讀（dú）取測（cè）頭徑（jìng）向x的位移變化量，光（guāng）柵2讀取測頭軸（zhóu）向y的位移變化（huà）量，伺服電機1驅動絲杆副實現測頭y方向的位移，氣缸帶動杠杆機構實現測頭x方向的位（wèi）移。氣缸帶動杠杆機構在x方向施加測力至蝸杆齒麵，計算機根據光柵1和光柵2讀取的數據（jù）判斷測頭是否進入蝸杆（gǎn）齒槽內，且測頭與蝸杆的齒麵緊密貼合。當判斷測頭完全進入蝸杆齒麵內，且測頭與（yǔ）蝸杆的齒麵緊密貼合後，伺服電（diàn）機2驅動蝸杆旋轉（zhuǎn）一周，與此同時，伺服電機1帶動絲杠（gàng）副使測頭沿蝸杆軸線y方向做跟隨運動。根據光柵1讀取測頭x的位移變化量，即可計（jì）算出蝸杆（gǎn）的平均跨棒距M值。
圖2 測量原理圖
2儀器的工（gōng）作原理及總（zǒng）體設計
2.1工作原理
如（rú）圖3為（wéi）儀器模塊（kuài）組成示（shì）意圖，傳送帶由步進電機帶動,傳送帶上的V定位塊保（bǎo）證蝸杆軸線（xiàn）處於水平狀態。將蝸（wō）杆以一（yī）端對（duì）齊的方式放到傳送帶上，工件運（yùn）輸至清理模塊，係統通過傳感器1判斷傳送帶上（shàng）是否存在工（gōng）件，確定工件存（cún）在時，氣缸3將工件提升（shēng）至左右頂尖水平（píng）軸線位置，左右頂尖軸係在氣缸（gāng）1和2的作用下移動設定的位移量，此時，軸向定位蝸杆。伺服電（diàn）機1帶動（dòng）右頂尖軸係旋轉，蝸杆在旋轉過程中，清洗裝置執（zhí）行清洗工序。
圖3 儀器模塊組成示（shì）意圖
齒（chǐ）麵清理模塊結束後，蝸杆運輸至測量模塊，蝸杆軸向定位過（guò）程同齒麵清理（lǐ）模塊，光柵1讀取測頭徑向x方向的（de）位移量，光柵2讀取測頭（tóu）軸線y方向的（de）位（wèi）移（yí）量，伺服電機帶動絲杠副實現雙片簧精（jīng）密測量機構y方（fāng）向運動，氣缸7實現雙片簧精密測量機構在蝸杆徑向x方向上的運動。當測頭與蝸杆的齒麵雙（shuāng）麵齧合時（shí），蝸杆在（zài）伺服電機2的作（zuò）用下做旋轉運動，此（cǐ）時，測頭沿蝸杆軸線y方向做跟隨運動。
測量模塊完成後，蝸杆運輸至激光打標模塊，蝸杆軸向定位過程同齒麵清理模塊，蝸杆在（zài）伺服電（diàn）機3的作用下（xià）做（zuò）旋轉運動，當傳感器2感知到蝸杆打標位置時，激光打標裝置標記蝸杆，完成蝸杆標記工序。
激光打標模（mó）塊結束後，蝸杆運（yùn）輸至分組裝箱模塊，係統（tǒng）根據測量結果將蝸杆放（fàng）到分組箱內相應的位置。伺服電（diàn）機4和伺服電機5分別實現蝸杆沿x和y方（fāng）向的運動。伺服電機6實現蝸杆沿z方向的（de）運動。氣缸11從傳輸帶上抓取工件。旋轉氣缸12使（shǐ）蝸杆由水平狀態（tài）轉至垂直狀（zhuàng）態。傳感器3判斷分組箱內蝸（wō）杆是否裝滿，如分組箱內裝滿蝸杆，報警信號（hào）啟動，分組箱（xiāng）內未裝滿蝸杆，氣缸11將蝸杆放到分組箱內。
2.2儀器總（zǒng）體設計
儀器由上料及工件傳輸模塊（kuài）、齒麵清理模塊（kuài）、測量模塊、激光打標模塊、分組裝箱模塊、控製單元組成，如圖4所示。
圖4 儀器樣機
2.2.1上料及工件傳輸模塊
主要由帶多個（gè）V形（xíng）定位塊的傳送帶組成；功能為將（jiāng）不同尺寸的工件以一端對齊的方式運輸至相應的模塊處。
2.2.3齒麵清理模塊
主（zhǔ）要由左（zuǒ）右頂尖軸係及清洗裝置組成，該模塊運動形式有左（zuǒ）右頂尖軸係沿軸線方（fāng）向的（de）水（shuǐ）平運動和右頂尖軸係（xì）旋轉運動。工件運（yùn）輸至（zhì）該（gāi）模塊時（shí），其一端與固定的右頂尖軸係對齊，另（lìng）一端由左頂尖軸係定位，右頂尖軸係驅動工件旋轉，與此（cǐ）同時啟動壓縮機吹洗齒槽表麵，完成蝸杆清理工序，為蝸杆測量做準備。
2.2.4測量模塊
主要由左右（yòu）頂尖軸係、青青草网站公司獨創的雙片簧精（jīng）密測量機構，碳化鋼球測（cè）頭組成。提升（shēng）機構將（jiāng）工件由傳送帶升至測量模塊，其一端與（yǔ）固（gù）定的右頂尖軸係對齊，另（lìng）一端由左頂尖軸（zhóu）係定位，右頂尖軸係驅動蝸杆旋（xuán）轉360°後，在蝸杆徑向方向上施加測力，並（bìng）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（miàn）保持雙麵齧合狀態（tài），並沿蝸杆軸線方向做（zuò）跟隨運動，實（shí）現工件M值測量工序。該模塊運動形式有（yǒu）左右頂（dǐng）尖沿軸線方向（xiàng）的水平運動、右頂尖軸係（xì）的旋轉運動、測頭沿工件軸線方向的運動及測頭沿工件（jiàn）徑向（xiàng）方向的運動。
2.2.5激光打標模塊
由（yóu）左右頂尖軸係（xì）及（jí）纖（xiān）維激光打標機組（zǔ）成。該模塊（kuài）的運動為左右頂尖軸線沿（yán）軸（zhóu）線的水平（píng）運動和右頂尖（jiān）軸係旋轉運動。功能為將M值不同的工件在指定的位置打上標記，也（yě）可（kě）以按照客戶（hù）要求將包含工件信息及精（jīng）度測量結果的（de）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（kōng）間xyz三個方（fāng）向的直線（xiàn）滑軌及旋轉氣缸組成（chéng）。根據測量所得的蝸（wō）杆M值（zhí），確定了蝸杆的周轉裝（zhuāng）箱位置，機械手經X、Y、Z三個方向的（de）平動後，抓取工件。旋轉氣缸使工件由水平狀態轉至垂直狀態後，將工件放入周轉箱（xiāng）內（nèi），實現了蝸杆的分組工序。
3儀器關鍵部件的設計
圖（tú）4為右頂尖軸係結構（gòu）示意圖，軸係采用高精度密珠軸承，由軸、軸套以及密集於（yú）兩者之間的具有過（guò）盈配合的滾珠組成。滾珠安放於保持架中，程螺旋線分布，保證（zhèng）了右頂尖軸做旋（xuán）轉運動時的跳動值。端麵保持環為是精密軸係沿著軸向方（fāng）向的兩個支撐點，相當於推力軸承（chéng）作用。止退圈、十字墊圈及螺套配（pèi）合作用，構成軸（zhóu）向定（dìng）位與緊固。選用（yòng）控製（zhì）精度高的交流伺服電機通過連軸器驅動右頂尖軸係（xì）回轉，電機緊固在電機座上，電機座固定在軸套上。軸（zhóu）套固定在滑板上，整（zhěng）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（bǎn）連接，實現軸係（xì）沿軸線y方向的位移（yí）。
如圖（tú）5所示，左頂（dǐng）尖（jiān）軸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止左（zuǒ）頂尖軸卡死工件，在左頂尖軸係軸端設置彈簧和調節軸，實（shí）現左頂尖軸係自動（dòng）調節伸縮量，避免了軸係卡（kǎ）死工件（jiàn）的現象。
圖4 右頂（dǐng）尖軸係結構圖 圖5 左頂尖軸係結構圖
3.2雙片簧精密測量機構
如圖6所示（shì），雙片簧（huáng）精密測量機構的主體由兩個方向（xiàng）平行四邊形機構組（zǔ）成。第一個（gè）平（píng）行四邊形機構由y方（fāng）向夾（jiá）板A、B，平（píng）動板C及後板D組成。後板D固定，夾板A，B與平動板C和後板D之間由片簧連接，故平動（dòng）板C可實現平行於x方向的位移。第二個（gè）平行由x方向（xiàng）夾板E、F，平動（dòng）板G及後板H組成。夾板E，F與平動板G和後（hòu）板H間由片（piàn）簧連接。第二個平行四邊形機構的平動板（bǎn）與測頭安裝底座相連並（bìng）由第一個平行（háng）四邊形機構中的後板D帶動，故第二個（gè）平行四邊形機構和測頭在D的帶（dài）動下整體做沿x方向的平動。雙片簧精密測量（liàng）機構的主體安裝在可沿y方向運動的滑（huá）板I上（shàng），從而實現在y方向的平動。
圖6 雙片簧機構結構簡圖
平麵平動板C僅在x方向和平行（háng）於自身（shēn）產生位移，這使平麵平動板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。平麵平動板G僅（jǐn）在y方向和平行於（yú）自身產生位移，這使平麵平動板G可貼上y向光柵尺，y向的讀數頭通過連接支架安裝（zhuāng）在後板H上。
區別（bié）於傳統基於雙麵（miàn）齧合的一維測量原理的齒輪分選機，本文以“雙（shuāng）片簧（huáng）精（jīng）密測量機（jī）構”數（shù）字式二維測頭為核心實現了蝸杆（gǎn）M值的測量，並在測量流水線化理念的基（jī）礎上完（wán）成了基於M值的蝸（wō）杆分（fèn）選設備的研製。該（gāi）設備克服了傳統雙麵齧合測量儀（yí）在蝸杆測量上存在的弊端，實現了蝸杆測（cè）量齒厚誤差的高效高精密測量，該分（fèn）選機在（zài）湖南（nán）億利達公司生產現場得到應用檢驗，取得（dé）滿（mǎn）意的使用（yòng）效果（guǒ）。
[1]李俊峰（fēng）. 基（jī）於CNC齒輪測量（liàng）中（zhōng）心的圓柱蝸杆測量研究[D]. 天津大學, 2009.
[2]湯潔. 齒（chǐ）輪雙麵齧合多（duō）維測量理論及技（jì）術研（yán）究[D]. 北京工（gōng）業大學, 2009.
