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摘要：針對(duì)蝸桿檢測(cè)要求高和批量大的需求，本文在流水線(xiàn)化測(cè)量理念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了蝸桿M值自動(dòng)分選機(jī)。通過(guò)將流水線(xiàn)化測(cè)量分解為上料-檢測(cè)-分組三個(gè)任務(wù)，儀器采用上料及工件傳輸模塊、齒面清理模塊、測(cè)量模塊、激光打標(biāo)模塊、分組裝箱模塊及各種控制單元完成上述需求。并在測(cè)量模塊中采用哈爾濱精達(dá)測(cè)量?jī)x器有限公司的“雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)”數(shù)字式二維測(cè)頭，實(shí)現(xiàn)了以精密測(cè)量為基礎(chǔ)的蝸桿M值自動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)，為蝸桿大批量高精度檢測(cè)提供了新途徑。
關(guān)鍵詞：M值 檢測(cè)線(xiàn) 數(shù)字式二維測(cè)頭 蝸桿
0引言
隨著汽車(chē)制造業(yè)和機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，蝸桿作為傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件之一，其制造精度要求也在不斷提高。在汽車(chē)車(chē)窗升降、電動(dòng)座椅等傳動(dòng)系統(tǒng)中，大量采用小模數(shù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，一般蝸輪采取鑄塑工藝的塑膠材料制造，由于制造工藝等原因，蝸輪齒厚變化較大，導(dǎo)致蝸輪和蝸桿做嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)側(cè)隙難于控制，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度與動(dòng)態(tài)特性（特別是振動(dòng)與噪聲）有直接影響[1]。為保證蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)的平穩(wěn)性，雖然蝸桿通過(guò)機(jī)械加工可以達(dá)到比較高的精度及齒厚（以M値進(jìn)行度量）一致性，但是需要刻意對(duì)蝸桿的齒厚情況進(jìn)行分組以保證與不同齒厚的蝸輪進(jìn)行配合，控制側(cè)隙的一致性。在大批量生產(chǎn)條件下，如何能實(shí)現(xiàn)齒輪（蝸桿）的高精度快速檢測(cè)分組，并具有多種輔助功能的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量線(xiàn)，已成為提升產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。
目前國(guó)外為實(shí)現(xiàn)齒輪的快速檢測(cè)，已經(jīng)做了一些研究并有一些產(chǎn)品，如霍梅爾(Hommel)的專(zhuān)用多參數(shù)全自動(dòng)綜合測(cè)量分選機(jī)，適用各種汽車(chē)零件，實(shí)現(xiàn)大批量快速檢測(cè)，可自動(dòng)分組、打標(biāo)記、自動(dòng)分選等多種功能[2]。日本大阪精機(jī)AG系列齒輪分選測(cè)量系統(tǒng)一般由雙嚙儀、單嚙儀等組成。另外包括拋光設(shè)備、清洗設(shè)備和分選設(shè)備。用于齒輪驗(yàn)收、分選及工藝監(jiān)督[2]。上述齒輪分選測(cè)量系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)雙面嚙合一維測(cè)量原理，該方法不能完全反應(yīng)齒輪（蝸桿）軸線(xiàn)方向的齒厚變化量。而本文以精密測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)采用哈爾濱精達(dá)測(cè)量?jī)x器有限公司特殊設(shè)計(jì)的“雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)”數(shù)字式二維測(cè)頭對(duì)齒槽進(jìn)行單面測(cè)量，采用“測(cè)頭跟隨”技術(shù)反映了蝸桿齒厚沿軸線(xiàn)方向的連續(xù)性，同時(shí)，包含了齒輪清洗、打標(biāo)、激光打標(biāo)、分組裝箱等輔助功能，實(shí)現(xiàn)了蝸桿M值高精度流水線(xiàn)化測(cè)量，為蝸桿大批量、高精度檢測(cè)提供了新途徑。
1蝸桿M值測(cè)量原理
如圖1所示，將直徑相同的兩根圓棒自由地放在齒輪的相對(duì)兩個(gè)齒槽內(nèi)，對(duì)于奇數(shù)齒，兩圓棒應(yīng)放在中心距為最大弦長(zhǎng)的兩個(gè)齒槽內(nèi)，用千分尺或各種測(cè)微儀、測(cè)長(zhǎng)儀等計(jì)量器具測(cè)出兩圓棒外側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)的M值尺寸。測(cè)得值與公稱(chēng)M值之差即為M值的偏差 
。將 
代入以下公式，即可求出分度圓弦齒厚偏差 
：當(dāng)齒數(shù)為偶數(shù)時(shí)， 
;當(dāng)齒數(shù)為奇數(shù)時(shí)， 
。
式中， 
是分度圓壓力角； 
是圓棒中心所在圓壓力角;z是被測(cè)齒輪齒數(shù); 
是圓棒直徑， 
； 
是變位系數(shù);m是被測(cè)齒輪模數(shù)。當(dāng) 
時(shí)， 
圖1 圓棒測(cè)量M值尺寸
上述測(cè)量中只是完成對(duì)齒輪某個(gè)端面的M值，若想測(cè)量沿著軸線(xiàn)方向齒厚的變化量，就需要增加測(cè)球沿著齒輪軸線(xiàn)方向的自由度。
本文采用以測(cè)微傳感、精密光柵、測(cè)頭跟隨運(yùn)動(dòng)控制、以單測(cè)頭結(jié)合精確定標(biāo)技術(shù)組成工件誤差的精密測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)蝸桿M値的測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)組成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的自動(dòng)測(cè)量線(xiàn)，開(kāi)拓齒輪在線(xiàn)測(cè)量的新方法。如圖2所示，絲桿副與徑向柔性片簧機(jī)構(gòu)后板連接，徑向柔性片簧機(jī)構(gòu)后板通過(guò)連接板固定在滑板上。光柵1讀取測(cè)頭徑向x的位移變化量，光柵2讀取測(cè)頭軸向y的位移變化量，伺服電機(jī)1驅(qū)動(dòng)絲桿副實(shí)現(xiàn)測(cè)頭y方向的位移，氣缸帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)測(cè)頭x方向的位移。氣缸帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)在x方向施加測(cè)力至蝸桿齒面，計(jì)算機(jī)根據(jù)光柵1和光柵2讀取的數(shù)據(jù)判斷測(cè)頭是否進(jìn)入蝸桿齒槽內(nèi)，且測(cè)頭與蝸桿的齒面緊密貼合。當(dāng)判斷測(cè)頭完全進(jìn)入蝸桿齒面內(nèi)，且測(cè)頭與蝸桿的齒面緊密貼合后，伺服電機(jī)2驅(qū)動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，與此同時(shí)，伺服電機(jī)1帶動(dòng)絲杠副使測(cè)頭沿蝸桿軸線(xiàn)y方向做跟隨運(yùn)動(dòng)。根據(jù)光柵1讀取測(cè)頭x的位移變化量，即可計(jì)算出蝸桿的平均跨棒距M值。
圖2 測(cè)量原理圖
2儀器的工作原理及總體設(shè)計(jì)
2.1工作原理
如圖3為儀器模塊組成示意圖，傳送帶由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng),傳送帶上的V定位塊保證蝸桿軸線(xiàn)處于水平狀態(tài)。將蝸桿以一端對(duì)齊的方式放到傳送帶上，工件運(yùn)輸至清理模塊，系統(tǒng)通過(guò)傳感器1判斷傳送帶上是否存在工件，確定工件存在時(shí)，氣缸3將工件提升至左右頂尖水平軸線(xiàn)位置，左右頂尖軸系在氣缸1和2的作用下移動(dòng)設(shè)定的位移量，此時(shí)，軸向定位蝸桿。伺服電機(jī)1帶動(dòng)右頂尖軸系旋轉(zhuǎn)，蝸桿在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，清洗裝置執(zhí)行清洗工序。
圖3 儀器模塊組成示意圖
齒面清理模塊結(jié)束后，蝸桿運(yùn)輸至測(cè)量模塊，蝸桿軸向定位過(guò)程同齒面清理模塊，光柵1讀取測(cè)頭徑向x方向的位移量，光柵2讀取測(cè)頭軸線(xiàn)y方向的位移量，伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠副實(shí)現(xiàn)雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)y方向運(yùn)動(dòng)，氣缸7實(shí)現(xiàn)雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)在蝸桿徑向x方向上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)測(cè)頭與蝸桿的齒面雙面嚙合時(shí)，蝸桿在伺服電機(jī)2的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，測(cè)頭沿蝸桿軸線(xiàn)y方向做跟隨運(yùn)動(dòng)。
測(cè)量模塊完成后，蝸桿運(yùn)輸至激光打標(biāo)模塊，蝸桿軸向定位過(guò)程同齒面清理模塊，蝸桿在伺服電機(jī)3的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)傳感器2感知到蝸桿打標(biāo)位置時(shí)，激光打標(biāo)裝置標(biāo)記蝸桿，完成蝸桿標(biāo)記工序。
激光打標(biāo)模塊結(jié)束后，蝸桿運(yùn)輸至分組裝箱模塊，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果將蝸桿放到分組箱內(nèi)相應(yīng)的位置。伺服電機(jī)4和伺服電機(jī)5分別實(shí)現(xiàn)蝸桿沿x和y方向的運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)6實(shí)現(xiàn)蝸桿沿z方向的運(yùn)動(dòng)。氣缸11從傳輸帶上抓取工件。旋轉(zhuǎn)氣缸12使蝸桿由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)。傳感器3判斷分組箱內(nèi)蝸桿是否裝滿(mǎn)，如分組箱內(nèi)裝滿(mǎn)蝸桿，報(bào)警信號(hào)啟動(dòng)，分組箱內(nèi)未裝滿(mǎn)蝸桿，氣缸11將蝸桿放到分組箱內(nèi)。
2.2儀器總體設(shè)計(jì)
儀器由上料及工件傳輸模塊、齒面清理模塊、測(cè)量模塊、激光打標(biāo)模塊、分組裝箱模塊、控制單元組成，如圖4所示。
圖4 儀器樣機(jī)
2.2.1上料及工件傳輸模塊
主要由帶多個(gè)V形定位塊的傳送帶組成；功能為將不同尺寸的工件以一端對(duì)齊的方式運(yùn)輸至相應(yīng)的模塊處。
2.2.3齒面清理模塊
主要由左右頂尖軸系及清洗裝置組成，該模塊運(yùn)動(dòng)形式有左右頂尖軸系沿軸線(xiàn)方向的水平運(yùn)動(dòng)和右頂尖軸系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工件運(yùn)輸至該模塊時(shí)，其一端與固定的右頂尖軸系對(duì)齊，另一端由左頂尖軸系定位，右頂尖軸系驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)吹洗齒槽表面，完成蝸桿清理工序，為蝸桿測(cè)量做準(zhǔn)備。
2.2.4測(cè)量模塊
主要由左右頂尖軸系、精達(dá)公司獨(dú)創(chuàng)的雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)，碳化鋼球測(cè)頭組成。提升機(jī)構(gòu)將工件由傳送帶升至測(cè)量模塊，其一端與固定的右頂尖軸系對(duì)齊，另一端由左頂尖軸系定位，右頂尖軸系驅(qū)動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)360°后，在蝸桿徑向方向上施加測(cè)力，并使測(cè)頭與蝸桿齒面緊密貼合。當(dāng)蝸桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)頭與蝸桿的齒面保持雙面嚙合狀態(tài)，并沿蝸桿軸線(xiàn)方向做跟隨運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件M值測(cè)量工序。該模塊運(yùn)動(dòng)形式有左右頂尖沿軸線(xiàn)方向的水平運(yùn)動(dòng)、右頂尖軸系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、測(cè)頭沿工件軸線(xiàn)方向的運(yùn)動(dòng)及測(cè)頭沿工件徑向方向的運(yùn)動(dòng)。
2.2.5激光打標(biāo)模塊
由左右頂尖軸系及纖維激光打標(biāo)機(jī)組成。該模塊的運(yùn)動(dòng)為左右頂尖軸線(xiàn)沿軸線(xiàn)的水平運(yùn)動(dòng)和右頂尖軸系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。功能為將M值不同的工件在指定的位置打上標(biāo)記，也可以按照客戶(hù)要求將包含工件信息及精度測(cè)量結(jié)果的二維碼打標(biāo)至工件上。
2.2.6分組裝箱模塊
由周轉(zhuǎn)箱、控制空間xyz三個(gè)方向的直線(xiàn)滑軌及旋轉(zhuǎn)氣缸組成。根據(jù)測(cè)量所得的蝸桿M值，確定了蝸桿的周轉(zhuǎn)裝箱位置，機(jī)械手經(jīng)X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)后，抓取工件。旋轉(zhuǎn)氣缸使工件由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)后，將工件放入周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了蝸桿的分組工序。
3儀器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
圖4為右頂尖軸系結(jié)構(gòu)示意圖，軸系采用高精度密珠軸承，由軸、軸套以及密集于兩者之間的具有過(guò)盈配合的滾珠組成。滾珠安放于保持架中，程螺旋線(xiàn)分布，保證了右頂尖軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的跳動(dòng)值。端面保持環(huán)為是精密軸系沿著軸向方向的兩個(gè)支撐點(diǎn)，相當(dāng)于推力軸承作用。止退圈、十字墊圈及螺套配合作用，構(gòu)成軸向定位與緊固。選用控制精度高的交流伺服電機(jī)通過(guò)連軸器驅(qū)動(dòng)右頂尖軸系回轉(zhuǎn)，電機(jī)緊固在電機(jī)座上，電機(jī)座固定在軸套上。軸套固定在滑板上，整個(gè)軸系固定在滑板上。氣缸缸體固定在基座上，氣缸活塞與滑板連接，實(shí)現(xiàn)軸系沿軸線(xiàn)y方向的位移。
如圖5所示，左頂尖軸系結(jié)構(gòu)和氣缸作用與右頂尖軸系相同。左頂尖軸軸系中為防止左頂尖軸卡死工件，在左頂尖軸系軸端設(shè)置彈簧和調(diào)節(jié)軸，實(shí)現(xiàn)左頂尖軸系自動(dòng)調(diào)節(jié)伸縮量，避免了軸系卡死工件的現(xiàn)象。
圖4 右頂尖軸系結(jié)構(gòu)圖 圖5 左頂尖軸系結(jié)構(gòu)圖
3.2雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)
如圖6所示，雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)的主體由兩個(gè)方向平行四邊形機(jī)構(gòu)組成。第一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)由y方向夾板A、B，平動(dòng)板C及后板D組成。后板D固定，夾板A，B與平動(dòng)板C和后板D之間由片簧連接，故平動(dòng)板C可實(shí)現(xiàn)平行于x方向的位移。第二個(gè)平行由x方向夾板E、F，平動(dòng)板G及后板H組成。夾板E，F(xiàn)與平動(dòng)板G和后板H間由片簧連接。第二個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)的平動(dòng)板與測(cè)頭安裝底座相連并由第一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)中的后板D帶動(dòng)，故第二個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)和測(cè)頭在D的帶動(dòng)下整體做沿x方向的平動(dòng)。雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)的主體安裝在可沿y方向運(yùn)動(dòng)的滑板I上，從而實(shí)現(xiàn)在y方向的平動(dòng)。
圖6 雙片簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
平面平動(dòng)板C僅在x方向和平行于自身產(chǎn)生位移，這使平面平動(dòng)板C可貼上x(chóng)向光柵尺，x向的讀數(shù)頭通過(guò)連接板安裝在后板D上。平面平動(dòng)板G僅在y方向和平行于自身產(chǎn)生位移，這使平面平動(dòng)板G可貼上y向光柵尺，y向的讀數(shù)頭通過(guò)連接支架安裝在后板H上。
區(qū)別于傳統(tǒng)基于雙面嚙合的一維測(cè)量原理的齒輪分選機(jī)，本文以“雙片簧精密測(cè)量機(jī)構(gòu)”數(shù)字式二維測(cè)頭為核心實(shí)現(xiàn)了蝸桿M值的測(cè)量，并在測(cè)量流水線(xiàn)化理念的基礎(chǔ)上完成了基于M值的蝸桿分選設(shè)備的研制。該設(shè)備克服了傳統(tǒng)雙面嚙合測(cè)量?jī)x在蝸桿測(cè)量上存在的弊端，實(shí)現(xiàn)了蝸桿測(cè)量齒厚誤差的高效高精密測(cè)量，該分選機(jī)在湖南億利達(dá)公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用檢驗(yàn)，取得滿(mǎn)意的使用效果。
[1]李俊峰. 基于CNC齒輪測(cè)量中心的圓柱蝸桿測(cè)量研究[D]. 天津大學(xué), 2009.
[2]湯潔. 齒輪雙面嚙合多維測(cè)量理論及技術(shù)研究[D]. 北京工業(yè)大學(xué), 2009.
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