据蓬莱市经贸部门消息,近年来,随着汽车及零部件产业的蓬勃发展,蓬莱市汽车铸件加工能力日趋壮大,年产量超过10万吨.铸造能力的不断提高,对保证产品质量、降低生产成本,提高经济效益,起到了良好地促进作用.
据悉,目前蓬莱市专业或部分开展铸造业务的零部件企业近10家,三和铸造、梧桐铸造、万寿铸造、精益铸造等企业专业生产汽车后桥外壳、减速器壳、差速器壳、平衡悬挂支架、钢板弹簧座、轮毂、制动鼓、刹车盘、变速箱壳体等一系列形状复杂、强度、韧性要求高的铸件.在有效满足当地汽车及零部件企业生产需求外,还广泛为一汽青岛汽车厂、一汽柳州特种汽车厂、北汽福田等国内外厂家配套.
汽车铸件生产企业在增加产量的同时,更加注重质量和效益的双重提高.适应整车的更新换代要求,蓬莱市零部件铸造企业在工艺、装备及质量控制手段等方面都取得了长足的发展,电炉熔炼、静压自动造型、消失模精密铸造,光谱分析仪、大型工具显微镜、数显万能材料试验机等先进检测仪器及严格的质量控制体系确保了汽车铸件的内在品质.铸铁、球铁、铸钢类汽车铸件质量稳定,深受客户的青睐,在国内外市场具有较强的竞争力.[上海光学仪器厂]
应用背景
江苏申菱电器制造有限公司成立于1989年，是江苏省高新技术企业，南通市重点发展企业,是集机械、电子专业设计、生产、销售为一体的民营高科技企业。几年来，一直致力于电梯专用电机、智能化传感器等电梯高技术配件的开发与生产。企业研制开发的变频门电机及控制系统、永磁同步电机、高精度光电位置传感器、压力传感器等产品，技术水平达到国内和国际先进水平，获多项国家专利。目前公司拥有固定资产5000万元，各类员工350多人，其中具有大专以上学历的科技人员80人，占总人数的23%。近几年公司销售额连年递增，2002年实现销售10400万元，利润1100万元，2004年企业销售额达到历史性的2个多亿，实现了企业的超常规发展。占地40000平方米的现代化生产加工区拥有由数控剪板机、折边机、多工位冲床、加工中心、数控车床、静电喷粉生产线组成的钣金生产线，由双波峰焊接机、回流焊接机、在线电子装配调试线组成的电子产品生产线，同时拥有多系列实时示波器、工具显微镜、光谱分析仪等先进的检测设备120余台，已配备好一支专业技术和丰富经营管理经验的人员队伍。公司技术研发中心与清华大学、上海交通大学、南京大学等知名院校开展多方面的合作，通过合作研究、联合开发、技术攻关，实现资源优势整合，互补，集聚了强大的技术创新力量。使企业形成了多元化发展的优势。目前，公司产品覆盖了机械、电子、化工等行业。
实施PDM之前的问题：
1. 客户要求的供货周期很短;
2. 生产技术准备;
3. 任务紧张
申菱电器是上海三菱电梯的主要配件供货商，在国内的 20多家同行业的企业中行业排名第二，市场需求极其旺盛，在企业接到市场订单到交货的时间往往只有几天的时间，任何一个产品研发的滞后都可能给购货方带来生产线全线停产的损失;
在企业现有的生产技术准备模式下，生产技术文件的准备工作量大;产品数据汇总统计复杂，容易出错;指导生产的设计图纸版本没有统一;设计人员经常在技术中心与生产车间之间来回奔波，使得生产技术准备的任务显得格外紧张。因此，如何迅速去满足市场的需要、如何缩短生产技术准备周期是企业面临的一大难题。
4. 系列化产品设计数据管理困难
针对企业自身的产品特点，企业选用了国外流行的系列化产品设计数据管理方式，通过这种系列化的数据管理方案，摆脱了以前的重复性设计的苦恼，但随之带来的是繁重复杂的汇总统计工作，设计人员往往需要花费大量的时间和精力去进行大量且复杂的数据汇总;另外，系列化产品设计数据的管理本身对设计人员的要求很高，要想从一张图纸中反映出不同产品型号的设计数据，设计人员需要经常性的针对不同的产品型号修改相应的产品参数。这种针对图纸内容的修改，没有一个严格有效的版本控制，很难确认图纸正确性。
5. 产品数据的一致性难以保障。
在产品的生产过程中，企业现有的生产管理机制没有一个有效的手段让产品数据始终保持一致，例如，在设计图纸的明细栏中，某一条物料的名称就与生产过程中真正使用的物料名称可能不一致，但这两个名称对应的是同一条物料，这种情况只是名称命名上的不一致，可能给企业带来的影响不是很大，只是给相关的库存管理人员带来管理上的混乱，但是一旦发生指导车间生产的图纸与设计部门设计者确认的图纸版本不一致，那将给企业带来不可估量的经济损失，这样生产出来的产品即使是差之毫厘，对于电梯这种高精度的产品来说，也无疑是一堆废品!
所以，企业如何保证产品数据的一致性，是现阶段申菱电器重点考虑的问题，这也对现行的信息化建设提出了新的需求。
6. 产品数据的信息孤岛问题。
企业经过多年的信息化建设，使设计部门长期以来运用了各种计算机软件工具，这些工具在不同的阶段都对提高了日常工作效率起到了很好的作用。
但是也带来一些显然易见的问题，这些不同的应用程序，不同版本的应用程序所产生的电子文档通常是互不兼容的，例如CAD工具的版本问题，造成信息工具显微镜共享的问题，还有CAPP工艺文件无法很好的数据共享，企业内部如果需要共享这些数据，则必须在相关的计算机上安装各种各样的计算机软件工具。这些看似集中管理的文件形成了散落在不同计算机系统中的信息孤岛，信息不能被大多数的系统浏览，数据无法提取，很难再使用。企业为了解决某些数据的浏览问题可能投入了更多的资金去购买专业的软件来安装到相关人员的计算机中，也是一种投入的浪费。
7. 产品数据的集中管理和安全共享问题。
企业原有的以文件夹的形式在个人机器上管理产品数据的方法只是对数据提供了一个共享的路径，这种基于Windows的原始的管理方法无法保证数据的安全性，它不能保证在合法的时间可以让合法的人员进行合法的操作，甚至在发生多人同时编辑某一文档的情况时，最终以“后来居上”的结果来对文档进行保存操作。
产品数据的共享一方面是部门之间的产品数据共享，另外一方面是历史的产品设计数据对现有产品设计的一个参考。实际上目前产品数据由于缺乏共享机制，没有通过以产品、部件为组织形式，没有以部件特征参数为检索条件，各种产品数据之间缺乏联系，不能顺藤摸瓜式的将产品相关的数据获取，这种情况比较大的影响了产品的开发进度。
设计人员往往比较注重某个工具软件带来的设计效率的提高，但是很多情况下忽视了这样的一个事实，真正用于设计绘图的时间并不多，而确定设计方案是最重要的事情;实际工作中检索以前的设计方案，查找相关的技术文件，技术标准的时间约占用了超过40%的产品开发时间。更不用说设计提交后，特别是数据发生更改后，通知相关部门和人员以保持相关产品数据准确一致所花费的时间和精力。
在技术积累和技术共享方面没有形成一个信息平台，没有提供一种运行机制，无形知识没有更充分利用。
市场竞争日趋激烈，人才流动比较频繁，信息化同时也带来企业无形资产和知识财富管理的困难。如何安全管理企业的无形资产资源，也是企业不得不面对的现实问题。现有的情况下，安全和共享是一个不可调和的矛盾。
8. 信息系统的深入应用问题
在2002年，申菱电器分别选用了天河的PCCAD2002和THCAPP两套软件作为信息化的一个基本尝试，至今，在设计和工艺两个方面，这两套软件发挥着巨大的不可替代的作用，设计和工艺人员现在基本上是依赖着这两套软件来进行工作，但随着企业信息化程度的不断提高，老版本的PCCAD和THCAPP已经不能适应企业的信息化建设的需要，另外，这两套软件所产生的设计和工艺数据，以及由企业自身开发的软件产生的数据始终处于相互孤立状态，没有一套行之有效的企业产品数据管理平台将众多的信息孤岛连接起来。
如何深入应用多套信息系统所产生的相关数据，是企业目前亟待考虑的问题。
CAD/CAPP/PDM在申菱电器的一体化解决方案：
如何深化应用CAD和CAPP，让各自独立的信息系统更好的为设计和工艺人员服务，是企业长期面临的问题，没有一套开放的数据管理平台，这种构想是无法实现的，在CAD和CAPP的使用积累了一定的数据和信息基础后，PDM的需求在申菱显的越来越强烈，在这种前提下，申菱在今年选定了我们的TH-PDM，在项目实施初期，我们经过需求整理以及基础数据分析，我们为企业制定了以下一套CAD/CAPP/PDM的一体化解决方案：
在这个一体化解决方案的思路下，设计人员可以通过CAD的编码模块申请物料编码，工具显微镜从源头上控制了数据的规范性，通过点选取得相应的物料编码，然后根据该编码调用通用资源，将该码对应的物料的相关属性值直接传到CAD的明细栏中，所有的设计人员都使用的同一个数据库，这个资源库，将以前的3000多种物料码规范、压缩成1000多条，避免了以前的一物多码、一物多名的情况，从设计到库存，一物一号，这种输入方法不仅大大的提高了设计人员的工作效率，又有效的实现了数据的一致性和规范性。
PDM除了管理企业的图文档这一基本职责外，将CAD和CAPP无缝的集成到系统中，通过提取设计和工艺两套数据以及一个中间材料库的相关信息，通过汇总统计，可以得到产品的材料汇总、图样目录汇总以及具体产品的成本分析。为企业的物料调拨、图纸发放、对外报价等相关职能部门提供准确有效的参考性数据。这就是CAD/CAPP/PDM一体化解决方案的亮点所在。
客人们先后参观了零件分公司、零件分厂、机壳一分公司、零部件检验中心、开袋机装配车间、装配分公司等单位.赵新庆董事长向这些使用缝制设备的行家里手详细介绍了"标准"产品在"精益求精"的原则指导下,如何进行高质量的生产.通过参观,客人们亲眼看到MAZAK加工中心、卧式加工中心、电火花切割机床、万能工具显微镜、万能材料实验机、三坐标测量仪等一大批具有世界先进水平、在行业中处于领先地位的加工、检测设备,同时见证了"标准"牌一丝不苟的生产过程后,客人们对"标准"有了进一步的了解.
中国服装业知名企业雅戈尔、杉杉、培罗成、太平鸟、凤凰等十几家企业的老总、设备主管共20余人,在标准股份董事长赵新庆、总经理耿莉萍、销售总公司常务副总经理翁锡明、副总经理余守旗等公司领导陪同下,参观了标准股份临潼工厂.
在开袋机装配车间,技术人员向这些知名服装企业的设备主管演示了中德合作生产的开袋机和特种缝纫机系列种种功能后,客人们都表示了浓厚的兴趣,客人们表示,通过参观,亲眼目睹了工具显微镜"标准"的制造过程,感受了"标准"文化,看到了先进的管理模式,认为"标准"不愧为中国国内最强的缝制设备企业,希望今后能与"标准"成为战略合作伙伴.
1. 实验材料
本次实验所采用的材料为冷轧钢板，实验工具显微镜材料的厚度为0.8mm 与0.8mm 的等厚板激光拼接。
2. 实验方法
2.1 激光拼焊
对上述0.8mm 与0.8mm 的等厚材料进行激光拼焊，在本研究中采用激光切割对其边部进行准备，其质量经检验可以满足激光拼焊时对边部质量的要求。在本次实验中采用PRC CO2 激光器对实验材料进行激光焊接。激光焊接功率采用4000W，焊接保护气体为氦气，试样激光焊接速度为4500mm/min，聚焦焦距为220mm。激光拼焊毛坯件的试样尺寸为1980×1960mm。
2.2 实冲和实验方案
对基板和激光拼焊板进行成形极限图实验，按GB/T 15825.8－1995 标准进行。同时将激光拼焊板毛坯件在汽车厂进行冲压，最终形成汽车零部件，将冲压后的零件进行应变测量分析。在本研究中，采用网格应变分析技术，在实验板中前部同一区域印制直径5 毫米的圆形相切网格，在正常生产条件下冲制成汽车零部件，用透明软片网格园进行测量，测量位置为焊缝边。
3. 结果与讨论
3.1 基板和激光拼焊板成形极限图
根据实验条件，在实验材料上印制网格，成形后用工具显微镜测量变形网格的长短轴，绘制出成形极限图，见图1。
成形极限图实验表明，在成形时，激光拼焊板由于焊缝较基板硬度高，焊缝处成形传递受阻，较快失稳、开裂，成形极限明显比基板低，主应变最小处（平面应变）为30％，而基板主应变最小处为44％。
3.2 激光拼焊板零部件应变测量
根据冲制的零部件形状特征，取四个变形较大区域进行应变测量，测量位置见图2 所示。测量结果见图3 所示。
结果表明，该激光拼焊板零件变形方式主要为平面应变，每个区域最大变形量情况为：1 号为14％、2 号7％、3 号11％、4 号6％。
从实验板冲制汽车零部件的应变分析可以看出，由于焊缝面积和整个冲压件相比非常小，因此在同一区域应变似乎变化不大，从应变合成图看（图4），实验板最大应变为14％。
将基板、激光拼焊板的成形极限图和激光拼焊板冲压成的零件在焊缝处的应变结果移入同一座标，见图5，工具显微镜结果表明，激光拼焊板零件焊缝处最大危险主应变为14％，该应变路径下的最小极限应变拼焊板为30％，故拼焊板最小裕度Δemin＝16％。因此在焊缝区域激光拼焊板完全满足汽车零部件的成形要求。
3.3 结论
(1) 激光拼焊板由于焊缝的硬化，导致成形性能的下降。
(2) 成形极限图和激光拼焊零件应变测量试验表明，激光焊缝处的应变安全裕度能够满足汽车零部件对冲压成形的要求。[上海光学仪器厂]
齿轮量仪是一个内含较为丰富的概念,它不仅包括检测各种齿轮的仪器,也将检测蜗轮、蜗杆、齿轮刀具、传动链的仪器涵盖其中.齿轮种类繁多,几何形状复杂,表征其误差的参数众多.所以,齿轮量仪的品种也很多.
齿轮测量技术及其仪器的研究已有近百年的历史,在这不短的发展历程中,有6件标志性事件:
(1)1923年,德国Zeiss公司在世界上首次研究成功一种称为"TooothSurfaceTester"的仪器,实际上是机械展成式万能渐开线检查仪.在此基础上经过改进,Zeiss于1925年推出了实用性仪器,工具显微镜并投放市场.该仪器的长度基准采用了光学玻璃线纹尺,其线距为1微米.该仪器的问世,标志着齿轮精密测量的开始,在我国得到广泛使用的VG450就是该仪器的改进型产品.
(2)50年代初,机械展成式万能螺旋线标准仪的出现标志着全面控制齿轮质量成为现实.
(3)1965年,英国的R·Munro博士研制成功光栅式单啮仪,标志着高精度测量齿轮动态性能成为可能.
(4)1970年,以黄潼年为主的中国工程技术人员研制开发的齿轮整体误差测量技术,标志着运动几何法测量齿轮的开始.
(5)1970年,美国Fellow公司在芝加哥博览会展出Microlog50,标志着数控齿轮测量中心开始投入使用.
(6)80年代末,日本大阪精机推出了基于光学全息原理的非接触齿面分析机PS-35,标志着齿轮非接触测量法的开始.
从整体上考察过去一个世纪齿轮测量技术的发展,主要表现在以下几个方面:
(1)在测量原理方面,实现了由"比较测量"到"啮合运动测量",直至"模型化测量"的发展;
(2)在实现测量原理的技术手段上,历经了"以机械为主"到"机电结合",直至当今的"光—机—电"与信息技术综合集成的演变;
(3)在测量结果的表述与利用方面,历经了"指示表加目视读取"到"记录仪器记录加人工研判",直至"计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统"的飞跃.与此同时,齿轮量仪经历了从单品种单参数的仪器(典型仪器有单盘渐开线检查仪)、单品种多参数的仪器(典型仪器有齿形齿向检查仪)到多品种多参数仪器(典型仪器有齿轮测量中心)的演变.
70年代以前的近50年内,世界上已开发出测量齿廓、螺旋线、齿距等基本参数的各种类型、各种规格的机械展成式仪器.这些仪器借助一些精密机构形成指定标准运动,然后与被测量进行比较,从而获得被测误差的大小.世界上曾开发出多种机械式渐开线展成机构,如单盘式、基圆杠杆式、靠模式等.其中以圆盘杠杆式应用最广,属于这一类的仪器有:ZeissVG450、CarlMahr890和891S、MAAGSP60和HP100、大阪精机GC-4H和GC-6H以及哈尔滨量具刃具厂的3201等.对齿廓误差测量而言,机械展成式测量技术仅限于渐开线齿廓误差测量.对非渐开线齿轮的端面齿厚测量,采用展成法测量是很困难的,因为展成机构太复杂并缺乏通用性.
对精确的螺旋展成机构而言,主要采用正弦尺原理,只是如何将正弦尺的直线运动精确地转换为被测工件的回转运动的方式各不相同,这种机构在滚刀螺旋线测量上应用最为典型,如德国Fette公司生产的UWM型滚动测量仪、Zeiss厂生产的万能滚动测量仪、前苏联BHИИ设计的万能型滚动测量仪、意大利Samputensili厂的SU-130型滚刀测量仪、美国Michigan公司生产的万能滚刀测量仪以及Klingelberg公司的PWF250/300等.70年代以前,机械展成式测量技术已经发展成熟,并在生产实践中经受了考验.尽管这样,也存在一些不足之处:其测量精度仍依赖于展成机构的精度,机械结构复杂,柔性较差,且测量一个齿轮需多台仪器.迄今,基于这些技术的仪器仍是我国一些工厂检验齿轮的常用手段.
1970年是齿轮测量技术的转折点.齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机(中心)的出现解决了齿轮测量领域的一个难题,即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息.这两项技术虽然都基于现代光、机、电、计算机等技术,但走上了不同的技术路线.齿轮整体误差测量技术是从综合测量中提取单项误差和其它有用信息.经过30年的完善与推广,齿轮整体误差测量方法在我国已发展成为传统元件的运动几何测量法,其基本思想是将被测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一标准元件作啮合运动,通过测量啮合运动误差来反求被测量的误差.运动几何测量法的鲜明特点是形象地反映了齿轮啮合传动过程并精确地揭示了齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系,特别适合齿轮工艺误差分析和动态性能预报.采用这种方法的仪器的优点是测量效率高,适用于大批量生产中的零件检测.典型仪器是成都工具研究所生产的CZ450齿轮整体误差测量仪、CSZ500锥齿轮测量机和CQB700摆线齿轮测量仪.而齿轮测量中心采用坐标测量原理,实际上是圆柱(极)坐标测量机,"坐标测量"实质是"模型化测量".对齿轮而言,模型化的坐标测量原理是将被测零件作为一个纯几何体(相对"运动几何法"而言),通过测量实际零件的坐标值(直角坐标、柱坐标、极坐标等),并与理想形体的数学模型作比较,从而确定被测量的误差.坐标测量法的特点是通用性强,主机结构简单,测量精度很高.坐标法测量齿轮的思想早已有之,如用万能工具显微镜与分度头的组合也可用来测量齿轮.但是,这种静态测量方式不仅效率低,且测量精度得不到保证.现代光电技术、微电子技术、计算机技术、软件工程、精密机械等技术的发展才真正为坐标测量法显示其优越性提供了坚实的技术基础.迄今已有美国、德国、日本、瑞士、中国、意大利等几个国家生产CNC齿轮测量中心,国外的典型产品是M＆M公司的3000系列、Klingelberg的P系列;国产的典型产品是成都工具研究所的CGW300卧式测量中心和哈尔滨量具刃具厂的3903型齿轮测量中心.各国的齿轮测量中心虽然原理上大同小异,但实现方式却存在一定差距.主要表现在:
(1)在测量传感器等方面,虽然测角一般采用高精度圆光栅,但测长因被测对象不同而有所差异.精度要求很高的齿轮或轴向尺寸很长的工件等,一般采用双频(或单频)激光干涉仪作为长度基准(如测量渐开线或螺旋线样板等);而其它情况,则采用高精度长光栅.
(2)在机械系统的精度方面,高精度的轴承是必须的;而直线导轨的精度有靠机械精度保证的,也有采用误差修正技术达到的.
(3)在数控系统方面,70年代常为NC开环控制;80年代后,全为CNC控制,大多采用直流伺服电机或步进电机.
目前已有采用交流伺服系统或直线电机的.
(4)在测头方面,有电感式的,也有光栅式的;有一维的,也有三维的,甚至有刚性的.刚性测头是不带测微传感器的.若采用刚性测头,则仪器通常是专用的.
齿轮测量中心一般由主机、CNC数控单元、数据采集单元、机间通讯接口、计算机及外设、测量软件和数据处理软件等部分组成.当今最新的CNC齿轮测量中心的主要特点是:①性能上是高效、高精度、易操作.所采取的措施有精密机械的优化设计、32位的CNC4-5轴数控系统、直线电机、三维测头和误差修正技术.②在功能上,包括齿轮(内、外)、齿轮刀具(滚刀、插齿刀、剃齿刀)、锥齿轮、蜗轮、蜗杆、螺杆、凸齿轮、拉刀等回转类零件的主要误差项目测量;轴类零件的形位公差测量;强大的分析功能,如接触分析、工艺误差分析、齿根形状分析、参数反求等;可耦合到加工系统中,实时数据通信.③在可维修性方面,具有故障自诊断、网络远程故障诊断能力.④可升级性.包括软件的可升级和硬件的可升级.
与机械展成式测量仪器相比,CNC齿轮测量中心的优点是不言而喻的,其质的飞跃是为任意形状的齿廓测量提供了可能,而不仅仅局限于渐开线或直线齿廓.锥齿轮、K蜗杆(滚刀)、C蜗杆(滚刀)的测量就是明证.CNC齿轮测量中心为测控非线性螺旋曲面提供了工具.
1990年以来,在世界范围内,工具显微镜齿轮测量技术领域出现了几种值得注意的现象:①齿轮整体误差测量技术与齿轮坐标测量技术合二为一.成都工具研究所推出了既有标准蜗杆又有测头的齿轮测量机CZN450,而国外的CNC齿轮测量中心也能给出"虚拟整体误差".②齿轮测量中心与三坐标测量机的合二为一,如美国TSK公司的Rdaiance和ProcessEquipementCompany的ND430.③功能测试与分试测试的合二为一.简化测量是齿轮量仪的发展趋势之一,齿轮整体误差测量仪因能高效率地给出齿轮全信息而被齿?轮量仪的相关研发重点是:齿轮网络化测量技术;基于实测结果的齿轮性能虚拟分析技术(智能配对、动力学性能预报等);齿轮整体误差测量技术(指标量化、性能优化等);齿轮误差的智能分析技术;齿轮统计误差概念体系的建立及其相应的测量技术;生产现场的齿轮快速测量与分析技术(目前ITW的Model4823为450～600件/小时;目标:1000件/小时);精密机械、光电技术、微电子技术、软件工程等技术在齿轮上的应用.
1 起源与历程齿轮的应用有着悠久的历史,而齿轮的科学研究却始于17世纪M1Camus发现齿轮传动的节点原理; 1765年, L1Euler将渐开线齿形引入齿轮,100多年后, Fellows等人应用范成法高效地生产出渐开线齿轮,从此渐开线齿轮得到了广泛应用。由于制造与安装等方面的原因,实际齿轮总是工具显微镜存在着误差。这种误差对传动系统的精度与动态特性(特别是振动与噪声)有直接的影响。因此,如何表征、测量、分析、利用和控制齿轮误差一直是不断探索的课题。齿轮测量的基础是齿轮精度理论[1 ]。齿轮测量技术的发展历程是以齿轮精度理论的发展为前提的。齿轮精度理论的发展实质上反映了人们对齿轮误差认识的深化。迄今,齿轮精度理论经历了齿轮误差几何学理论、齿轮误差运动学理论和齿轮误差动力学理论的发展过程。其中,齿轮误差动力学理论还处在探索中。第一种理论将齿轮看作纯几何体,认为齿轮是一些空间曲面的组合,任一曲面都可由三维空间中点的坐标来描述,实际曲面上点的位置和理论位置的偏差即为齿轮误差。第二种理论将齿轮看作刚体,认为齿轮不仅仅是几何体,也是个传动件,并认为齿轮误差在啮合运动中是通过啮合线方向影响传动特性的,因此啮合运动误差反映了齿面误差信息。第三种理论将齿轮看作弹性体,对齿廓进行修形,“有意地”引入误差,用于补偿轮齿承载后的弹性变形,从而获取最佳动态性能,由此形成了齿轮动态精度的新概念。齿轮精度理论的发展,导致了齿轮精度标准的不断丰富和更新,如传动误差、设计齿廓的引入等。反过来,齿轮测量技术的发展也为齿轮精度理论的应用和齿轮标准的贯彻提供了技术支撑。齿轮测量技术及其仪器的研发已有近百年的历史。在这不短的发展历程中,有6件标志性事情:1) 1923年,德国Zeiss公司在世界上首次研制成功一种称为“Tooth Surface Tester”的仪器,它实际上是机械展成式万能渐开线检查仪。在此基础上经过改进, Zeiss公司于1925年推出了实用型仪器,并投入市场。该仪器的长度基准采用了光学玻璃线纹尺,其线距为1μm。该仪器的问世,标志着齿轮精密测量的开始。在我国得到广泛使用的V G450就是该仪器的改进型。2) 50年代初,机械展成式万能螺旋线检查仪的出现,标志着全面控制齿轮质量成为现实。3) 1965年,英国研制出光栅式单啮仪,标志着高精度测量齿轮动态性能成为可能。4) 1970年,以黄潼年为主的中国工程师研发的齿轮整体误差测量技术,标志着运动几何法测量齿轮的开始。5) 1970年,美国Fellows公司在芝加哥博览会展出Microlog 50 ,标志着数控齿轮测量中心的开始。6) 80年代末,日本大阪精机推出基于光学全息原理的非接触齿面分析机FS - 35 ,标志着齿轮非接触测量法的开始。
2 齿轮测量技术的演变整体上考察过去一个世纪里齿轮测量技术的发展,主要表现在三个方面[8 ]:1)在测量原理方面,实现了由“比较测量”到“啮合运动测量”,直至“模型化测量”的发展。2)在实现测量原理的技术手段上,历经了“以机械为主”到“机电结合”,直至当今的“光-机-电”与“信息技术”综合集成的演变。3)在测量结果的表述与利用方面,历经了从“指示表加肉眼读取”,到“记录器记录加人工研判”,直至“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。与此同时,齿轮量仪经历了从单品种单参数仪器(典型仪器有单盘渐开线检查仪) ,单品种多参数仪器(典型仪器有齿形齿向检查仪) ,到多品种多参数仪器(典型仪器有齿轮测量中心)的演变。211 机械展成式测量技术[ 9]20世纪70年代以前,齿轮测量原理主要以比较测量为主,其实质是相对测量。具体方式有两种:一是将被测齿轮与一标准齿轮进行实物比较,从而得到各项误差;二是展成测量法,就是将仪器的运动机构形成的标准特征线与被测齿轮的实际特征线作比较,来确定相应误差;而精确的展成运动是借助一些精密机构来实现的。不同的特征线需要不同的展成机构,同一展成运动可用不同的机械结构来实现。比较测量的主要缺点是:测量精度依赖于标准件或展成机构的精度,机械结构复杂,柔性较差,同一个齿轮需要多台仪器测量。从20世纪20年代至60年代末,各国对机械展成式测量技术的研究历经了近半个世纪。早期着重于渐开线展成测量技术的研究,后来将展成测量思想移植到了螺旋线测量上,先后开发出多种机械式渐开线展成机构,如单盘式、圆盘杠杆式、正弦杠杆式、靠模式等。尤以圆盘杠杆式应用最广,属于这一类的仪器有: Zeiss V G450 , Carl Mahr 890和891S , MAAG SP60和HP100 ,大阪精机GC -4H和GC - 6H以及哈量3201。对于齿廓误差测量而言,机械展成式测量技术仅限于渐开线齿廓误差测量上。对于非渐开线齿轮的端面齿廓测量,采用展成法测量是十分困难的,因为展成机构太复杂并且缺乏通用性。对于精确的螺旋展成机构,主要采用正弦尺原理,只是如何将正弦尺的直线运动精确地转换为被测工件的回转运动的方式各不相同。这种机构在滚刀螺旋线测量上应用最为典型,例如,德国Fet te公司生产的UWM型滚刀测量仪, Zeiss厂生产的万能滚刀测量仪,前苏联ВНИИ设计的万能型滚刀测量仪,意大利Samputensili厂的Su - 130型滚刀测量仪,美国Michigan公司生产的万能滚刀测量仪, Klingelnberg公司的PWF250/ 300 ,等等。20世纪70年代以前,机械展成式测量技术已经发展成熟,并在生产实践中经受了考验。迄今,基于这些技术的仪器仍是一些工厂检测齿轮的常用工具。但70年代以后,随着电子展成式测量技术的出现,机械展成式测量技术的发展宣告终结。
212 齿轮整体误差测量技术[ 10]1970年是齿轮测量技术的转折点。齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机(中心)的出现解决了齿轮测量领域的一个难题,即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。这两项技术虽然都基于现代光、机、电、计算机等技术,但走上了不同的技术路线。齿轮整体误差测量技术是从齿轮综合测量中提取单项误差和其他有用信息。1970年,我国在齿轮测量技术方面取得突破,发明了基于“跳牙”蜗杆的齿轮整体误差测量原理。经过30多年的完善与推广[11 ],这种起源于渐开线圆柱齿轮测量的方法现已成为传动元件的运动几何测量法[12 ],采用的标准元件也从蜗杆扩展到齿轮、齿条等。其基本思想是,将被测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一标准元件作啮合运动,通过测量啮合运动误差来反求被测对象的误差。其鲜明特点是:形象地反映齿轮啮合传动过程并精确地揭示了齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系,特别适合于齿轮工艺误差分析和动态性能预报。采用这种方法的仪器测量效率高,适用于大批量生产中的零件检测和在线分选测量。但该方法需要标准元件并且测量精度不仅与测量仪器相关,更取决于标准元件的精度。典型仪器是成都工具研究所生产的CZ450齿轮整体误差测量仪、CSZ500锥齿轮测量机和CQB700摆线齿轮测量仪。我国开发的锥齿轮整体误差测量技术的专利已经卖到德国,德国也开发了圆柱齿轮整体误差测量技术及其仪器。213 CNC坐标测量技术“坐标测量”是1959年夏季在法国巴黎召开的国际机床博览会上由英国Ferranti公司首先提出的。这一概念的提出是对传统测量概念的重大突破,其重要意义在于把对测量概念的理解从单纯的“比较”引伸到“模型化测量”的新领域,从而推动了测量技术的蓬勃发展。对齿轮而言,从真正意义上讲,坐标化测量始于70年代初;之后,基于各种坐标原理的齿轮测量技术一直是重要的研究课题。模型化坐标测量原理的实质是将被测零件作为一个纯几何体(相对“运动几何法”而言) ,通过测量实际零件的坐标值(直角坐标、极坐标、圆柱坐标等) ,并与理想要素的数学模型作比较,从而确定相应的误差。坐标测量法的特点是:通用性强,主机结构简单,可达到很高的测量精度。齿轮测量坐标法细分为直角坐标法、极坐标法和圆柱坐标法。实现坐标法有多种形式,如用万能工具显微镜与分度头的组合也可以用来测量齿轮,显然,这种静态测量方式不仅效率低,而且测量精度得不到保证。现代光电技术、微电子技术、计算机技术、软件工程、精密机械等技术的发展才真正为坐标测量法的优越性提供了坚实的技术基础。齿轮的CNC坐标测量技术起源于20世纪70年代的电子展成测量技术[13 ]。电子展成法是相对机械展成法而言的。所谓“电子展成”,即通过由计算机、控制器、伺服驱动装置及传动装置组成的展成系统,取代机械展成法中的展成装置,形成某种特定曲线轨迹(如螺旋线、齿廓线等)[14 ]。20世纪70年代以来,电子展成经历了从NC到CNC的发展过程。目前的CNC展成根据实际运动轨迹可分为两种,一种是展成系统形成一条非常标准的理论轨迹,测头感受到的示值可直接作为被测齿轮的误差。这种展成系统可由闭环控制系统或混合型(半闭环)控制系统来完成。由于形成理论标准轨迹的系统相对复杂,因此实际应用中还有另一种驱动系统,即开环驱动加误差补偿(即“粗传动+补偿”)。由于计算机的计算误差以及驱动装置与传动装置等都存在误差,开环电子展成系统中测头运动轨迹不能直接作为测量基准,此时,测头示值中既有被测量的成份,也包含展成系统的误差,因此,必须用位移检测元件测出各相关运动的实际位移量,再由计算机将实际位移量和测头的示值进行合成,补偿展成系统的误差,得到被测齿面上对应点的实际坐标;然后,计算机将实际坐标与被测量的理论模型进行比较,才能得到被测量的误差,这就是“非标准轨迹的电子展成法”[15 ]。电子展成法一般是按被测齿轮的理论方程进行控制的。90年代以后, CNC齿轮测量技术中出现了跟踪测量法。它是按被测参数的实际值进行控制的,可采用测头跟踪法和轴对轴跟踪法。测头跟踪法是在测量过程中根据测头的示值对相应坐标轴的测量位置进行调节,达到测头跟踪被测齿面运动,实现对齿轮的测量。轴对轴跟踪法是根据一根坐标轴的实际测量位置来调节其他坐标轴的位置,以完成测量工作。跟踪测量法不仅可以减少控制调节环节,而且有较大的测量灵活性,适合参数未知曲面,或虽然理论方程已知但工件实际误差超出测头量程的情况。当然,跟踪法的测量效率相对较低。CNC坐标测量技术在齿轮刀具、蜗轮蜗杆、锥齿轮、小模数齿轮、大齿轮和齿轮在线测量中也得到广泛采用。70年代以来,坐标测量法是齿轮测量技术的世界性主要潮流。214 测量数据的处理与利用在早期的齿轮测量中,人工读指示表(如千分表等)获取齿轮误差,得到的是误差幅值,仅仅能用来评判被检项目合格与否;电动记录器的出现,靠人工读曲线,使工艺误差分析成为可能;计算机的采用使自动处理测量结果、分析工艺误差并将分析结果反馈到加工系统进而修正加工参数成为现实。集专家系统、知识工程于一体的齿轮误差智能分析系统也开始得到应用。迄今,在齿轮测量数据处理方面,广泛使用的是最小二乘法,同时数字滤波技术也得到应用。虽然现代信号处理的一些方法已逐渐应用于齿轮测量数据处理中,但尚未实用化。215 其他齿轮测量技术进入20世纪90年代,基于各种光学工具显微镜原理(特别是相移原理)的非接触式齿轮测量技术得到了一定发展[16 ],这种可称为“并联测量”的新方法代表着齿轮测量技术发展的一个新方向。
