專利名稱：全齒面粗糙度測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型采用了光、機、電及電子計算機系統相結合構成的用于測量齒輪表面粗糙程度的全齒面粗糙度測量裝置，其中涉及高精度傳感技術、精密機械、電子計算機及數據處理等領域。
齒輪是機械傳動中用得最廣泛的關鍵零件，齒面粗糙度對齒輪傳動的強度、振動、噪聲和溫升等有著重要的影響，由此直接影響著齒輪傳動的使用性能及壽命。早在70年代始，各國學者就開始研究齒面粗糙度對齒輪傳動性能的影響，但至今仍未獲得較為滿意的結果，其主要原因之一是齒面粗糙度合理的測量方法及裝置等問題，未能得到滿意的解決，大量試驗研究只是局限于某一特定條件下或某種加工方法情況下所做的試驗，并不知道試件表面粗糙度微觀結構特征，以及具體數值，以致有些試驗甚至得到了完全相反的試驗結論。因此，為要研究齒面粗糙度對齒輪傳動使用性能的影響，首先要解決正確、可靠的測量方法和測量裝置問題。在國際上，目前有德國Ho fler klingelnberg公司及瑞士Maag公司等生產的漸開線及螺旋角檢查儀PFso640和SP－60上帶有小型的齒面粗糙度測量頭，利用它測量齒輪分度圓附近的齒面粗糙度，并初步得到在基本長度范圍(0.8mm或0.25mm)的記錄曲線。這類儀器結構的特點均為機械萬能式，又因測頭很細，容易損壞，所以在國內有些進口儀器上即使有此附件，也很少使用。而且，這種測量齒面粗糙度的缺點是儀器價錢昂貴，測量費時間，費用高，且不能反映齒面粗糙度的全貌。在英國Taly－surf電動輪廓儀上帶有測圓弧附件，一般介紹也可用于測彎曲表面粗糙度，其中包括可測齒面的齒面粗糙度等。這種測量方法，在齒數Z＜100時誤差較大，同時因為測頭太大，往往無法將測頭伸進齒槽中測量齒面粗糙度，此外，用滑量平面粗糙度的滑塊作導向，不能起到濾波作用。目前各工礦對齒面粗糙度只提出技術要求而無檢測手段，實際上不加以控制，嚴重影響齒輪質量。國內也有人試圖解決齒面粗糙度的測量問題，如84年濟南機床二廠在漸開線檢查儀上換上了測粗糙度的傳感器，畫出誤差曲線后，用人工進行了處理，求得齒面粗糙度的嘗試；86年中國紡織大學把電動輪廓儀助測頭裝在單盤式漸開線檢查儀上來測量齒面粗糙度，并求出了Rz參數值；89年中國紡織大學提出用哈量生產的320型萬能漸開線檢查儀和上海鐘表廠生產的GCN－2型普通表面粗糙度儀相連接的“新裝置”，測量了Ra值。但這些試驗都沒有能從根本上解決快速、自動、正確地測量全齒面的問題。
本實用新型之發明目的是克服現有測量方法和測量裝置中存在的缺點，為解決目前國內、外迫切需要解決的齒面粗糙度測量問題，研制一種測量速度快，精度高，測量結果精確、可靠、實用的三維全齒面粗糙度的自動測量裝置。
為實現本發明目的，本實用新型是由觸針電感傳感器、測微放大器、A／D轉換器、直線光柵尺及微型計算機系統以及精密工作臺等組成，可自動定位、自動采樣，在全齒面上可采8000個以上的測點，并由計算機進行計算和處理，然后打印或繪制成三維齒面粗糙度曲線的全齒面粗糙度測量裝置。其工作原理是觸針式電感傳感器測頭與齒面接觸，測頭不動，齒輪按漸開線展成原理作正確的漸開線運動，由于被測齒面輪廓微觀形貌誤差而使測頭產生微小的變化，轉換成電信號，送入測微放大器，放大處理后再經A／D轉換，由電子計算機進行數據處理，顯示、打印或繪制三維全齒面粗糙度曲線。實現本裝置的主要內容有一是測微放大器的研制，由電感傳感器的觸針式測頭，將被測工件微觀不平度的變化經測量電橋變換成電壓的變化，其相位則根據觸針偏離平衡點的方向不同相差180°，將變化電壓送入高倍數、高精度、小漂移且具有抗干擾能力的交流放大后經帶通濾波器對其濾波后再經解調為直流信號，該直流信號經直流放大后經過一級低通濾波濾除300Hz以上的干擾信號后即可送入電子計算機接口或采樣保持器供A／D轉換。測微放大器的制備關鍵是解決抗干擾問題，主要從線路布局、接地和屏蔽等幾個方面考慮，并編寫了有關程序將干擾信號波形繪于CRT上，以便于觀察和分析其成份、頻率、幅值等，進一步加以清除。
二是細分光柵尺輸出脈沖對現有可采用的光柵尺，附加一個細分電路，借助于單穩態觸發器將光柵尺的輸出脈沖四細分，從每20μm輸出一個脈沖，提高到每5μm輸出一個脈沖。
三是電感傳感器測頭的制備為了解決現有粗糙度測頭不能伸入齒槽的困難，選用硬質合金或用普通鋼測頭尖部用寶石制成90°(或60°)圓錐形，其尖部的曲率半徑在2.5～10μm之間。
本實用新型的裝置與現有技術相比具有下列優點能在短時間內測出全齒面粗糙度，測量結果正確、可靠，并能形象地繪制出全齒面粗糙度曲線，全面充分地反映了三維齒面微觀形貌；采用光、機、電和計算機結合形成的新型測量裝置，精度高、穩定性好、測量速度快、成本低、使用方便可靠。


圖1為本實用新型之結構示意圖；圖2為本實用新型之測微放大器原理框圖；圖3為本實用新型之光柵尺細分電路圖；圖4為本實用新型之光柵尺四細分波形圖；圖5為本實用新型之電感傳感器測量頭結構示意圖。
全齒面粗糙度測量裝置主要由光柵尺1、電感傳感器2、精密測量工作臺4、測微放大器6、電子計算機7、繪圖機8、打印機9及基圓盤10等部件構成。其中精密測量工作臺4可采用單盤式或萬能式漸開線檢查儀工作臺，也可采用回轉工作臺在三坐標測量機上裝配構成，精密測量工作臺4的豎直面一側制有電感傳感器2，其電感傳感器2的另一端制有測量頭5，并與被測齒輪3相接觸；電子計算機7采用IBM－PC系列；繪圖機8采用PL－80個人四色繪圖機；打印機9選用與電子計算機7相配套的打印機系統，上述部件均可由市售選取。購置柵距為20μm(即50線對／毫米)，量程為100mm，能輸出5V方波的光柵尺1，并加裝輸出脈沖細分電路系統后安裝在精密測量工作臺4的下端。
測微放大器6的原理如圖2所示。電感傳感器2上的觸針式測量頭5將被測齒輪3表面尺寸的變化Δl轉換為電感傳感器2內線圈電感量的變化ΔL，經測量電橋13變換成電壓變化量ΔV，測量電橋13之輸出電壓的幅值正比于觸針位移變化，其相位根據觸針偏離平衡位置(零點)的方向不同相差180°，經測量電橋調制后的測量信號送入交流放大器14進行放大，經帶通濾波器15對放大后的信號進行濾波，獲得濾去其他頻率干擾信號，再送入相敏檢波器18將信號解調轉變為直流信號。經相敏檢波后的信號，幅值表示觸針偏移平衡位置距離的大小；信號的極性表示偏移的方向，雙極性直流信號經直流放大器19放大后再經低通濾波器20濾除300Hz以上的干擾信號后便可送入電子計算機接口。載波信號發生器17產生一定頻率的正弦電壓，向調零電橋16供電，同時還將正弦波電壓輸入到相敏檢波器18作參考信號，并與交流放大器14輸出的測量信號比較以確定觸針的偏移方向。測微放大器6的實施可采用通用電路組裝而成，其中應從線路布局、接地和屏蔽等方面考慮抗干擾問題，并編制軟件程序將干擾信號波形繪于CRT上以便于觀察和采取消除措施。
對購置的光柵尺1附加如圖3所示的細分電路系統，以提高定位和采樣精度，降低使用成本。該細分電路系統借助于單穩態觸發器，將光柵尺1的輸出脈沖進行四細分，從每20μm輸出一個脈沖，細分后提高到每5μm輸出一個脈沖，其時序信號波形如圖4所示，實施時可采用CD4538芯片和74HC32等門芯片及其他電器元件按原理圖組裝而成。
電感傳感器2一端裝置在精密測量工作臺4上，另一端裝有用硬質合金或普通鋼尖端加制寶石材料制成的圓錐形測量頭5，其測量頭半徑為2～3μm，觸針11的針尖12夾角為60°或90°，針尖12的曲率半徑為2.5～10μm。
使用本裝置時，應借助于電子計算機軟件分別編制控制、調零對中、分析計算、齒面微觀形貌屏幕繪制等程序。
權利要求1.一種由光柵尺、電感傳感器、測微放大器、精密測量工作臺及電子計算機系統等部件構成的用于測量齒輪全齒面粗糙度的測量裝置，其特征在于精密測量工作臺上裝有脈沖細分電路系統的光柵尺，精密測量工作臺豎直面一側制有電感傳感器，電感傳感器另一端裝有測量頭，與被測齒輪相接觸；電感傳感器和光柵尺同時與測微放大器電連通后，其輸出端又與電子計算機系統電連通。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于光柵尺采用柵距為20μm(即50線對／毫米)，量程為100mm，輸出方波為5V的通用光柵并加裝脈沖四細分的細分電路系統。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于與電感傳感器一端相連接的測量頭采用合金材料或普通鋼尖端加制寶石材料制成的圓錐形，其測量頭半徑為2～3μm，觸針尖夾角為60°或90°，針尖曲率半徑為2.5～10μm。
專利摘要全齒面粗糙度測量裝置采用光、機、電及電子計算機結合構成具有現代化特色和創新的測量裝置，制有脈沖四細分系統的光柵尺裝在精密測量工作臺上，其一側制有電感傳感器，傳感器的測量頭用合金或寶石材料制成。該裝置測量齒輪表面粗糙度，精度高、穩定性好、測量速度快、結果直觀，可自動采樣和數據處理并將結果顯示、打印和繪制成全齒面粗糙度的輪廓曲線，該裝置以通用部件為主體，成本低，容易實現。
文檔編號G01M13/02GK2088249SQ9121125
公開日1991年11月6日 申請日期1991年2月10日 優先權日1991年2月10日
發明者許定奇, 胡杰, 孫榮文 申請人:青島大學