关键词：
线激光
齿轮测量仪器
几何精度
误差建模
密珠轴系
误差均化效应
摘要：
齿轮的快速精确测量是保障齿轮质量的关键。基于线激光测量方法的齿轮测量仪器具有高效率、全信息等优点,是下一代齿轮测量仪器的研究重点,但其测量精度相对较低,因此开展其相关精度理论和方法研究具有重要价值。线激光齿轮测量仪器(Line laser gear measuring instrument,LLGMI)是目前国内正在研发的齿轮量仪,缺乏整体及关键零部件的精度设计、误差分析、误差补偿等精度提升方法的深入、系统研究。本文以提升LLGMI几何精度为目的,从仪器结构组成及工作原理出发,分设计制造和调试使用两个阶段,对密珠轴系误差均化机理及其回转精度几何因素影响规律、LLGMI误差敏感源识别及精度设计、零点误差建模及补偿方法进行系统研究,助力齿轮量仪更新换代。主要研究内容及结论如下:
1)密珠轴系主轴误差运动分解模型建立及误差均化机理研究。首先,基于LLGMI中传感器调整机构为准静态系统的特点,确定了密珠轴系是其核心部件。其次,针对密珠轴系的精度,建立了基于Hertz弹性接触理论的密珠轴系误差均化模型,定义了反映误差均化效果的误差均化系数。再次,通过将主轴误差运动分解为纯径向误差运动和角度偏摆误差运动,提出了3种建立主轴误差运动分解模型的方法:全点法、两点法和最小二乘法。数值计算结果显示,两点法的回转误差是全点法的6.75倍,全点法与最小二乘法回转误差的计算结果一致,建立了误差均化效应与数学优化算法之间的内在统一,揭示了误差均化机理。最后,通过开展验证试验,表明了提出的误差均化模型解决了误差均化值的精确求解问题,且应用误差均化效应可将密珠轴系回转精度提高7.86倍。
2)密珠轴系回转误差几何因素量化模型建立及影响规律研究。首先,通过分析影响密珠轴系回转精度的几何因素,建立了包含滚珠误差、轴颈和轴套圆度误差的总误差模型及误差均化效应下的回转误差几何因素量化模型,并对回转精度影响规律开展了研究。数值计算结果表明,滚珠的直径、列数和保持架螺旋角等对回转误差的影响较小;滚珠的排数、尺寸一致性误差、过盈量,以及轴颈和轴套的圆度误差对回转误差的影响较大。其中,圆度误差对轴系回转误差的影响与圆度误差幅值和频次有关,轴颈圆度误差对回转误差的影响较轴套大;轴套圆度误差引起的轴系回转误差以相邻两列滚珠之间的角度为变化周期,轴颈圆度误差引起的轴系回转误差存在双周期。其次,开展了回转误差几何因素影响规律的相关实验,验证了上述数值计算结果的正确性,说明建立的模型可用于提出密珠轴系回转精度的提升策略。同时,试验结果表明:当滚珠排数为6～10排、过盈量为3～8mm,滚珠精度等级为G5或G10时,密珠轴系回转精度较好。
3)LLGMI空间误差建模方法提出及误差敏感源识别。首先,以解决传统几何误差建模的繁琐问题为目的,通过改进和简化误差传递关系,提出了一种利用齿轮及传感器安装误差替代几何误差的空间误差建模方法。其次,通过将各安装误差归结为线激光的入射光高误差,建立了齿面偏差模型、单项光高误差模型和综合误差模型。再次,基于上述模型开展了识别误差敏感项的数值计算和试验验证,为仪器设计阶段关键零部件的精度选取提供理论依据。结果表明,齿轮转台的旋转角度误差和传感器的切向定位误差对测量结果的影响较大,传感器轴向定位误差及俯仰角误差对测量结果的影响较小。最后,基于数值计算结果,完成了LLGMI的精度设计,将仪器测量精度提升了25.6%,达到了6级齿轮的测量精度要求。
4)LLGMI零点误差模型建立及误差补偿方法研究。首先,为在调试使用阶段实现LLGMI几何精度的进一步提升,通过提出基于坐标零点稳定性的误差补偿方法,建立了零点误差补偿模型并进行了误差补偿。数值计算结果表明,补偿后的测量点误差值较补偿前减小5倍左右。其次,开展了零点误差补偿模型的验证性试验,结果显示,与计量院测量结果相比,补偿后LLGMI所测的齿面偏差精度提升项目比例达75%,精度最高提升85.86%,且补偿后的齿轮精度评定等级与计量院评定等级一致,说明了零点误差补偿方法及模型的正确性和有效性,为LLGMI的测量精度提升提供了有效途径和有力支撑。
图[88]表[21]参[256]
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