石照耀 齿轮工程及精密测量技术专家

目前，精密测量技术已成为发展先进制造技术、确保产品质量的重要组成部分。请您谈一下您带领科研团队在这个领域取得了哪些重要成果。

齿轮线激光三维测量仪的研制

快速获取齿轮全部齿面的三维误差信息,是表征复杂齿面质量的关键和前提。本文基于激光三角测量原理,建立了齿轮线激光三维测量模型,研制出齿轮线激光三维测量仪,可用于生产现场快速获取被测齿轮的三维齿面误差信息并进行质量评定。仪器采用立式结构,主要由基座、精密主轴、圆光栅传感器、控制系统、软件系统等部分组成。精密主轴采用密珠轴系实现高精度回转,保证了被测齿轮的高精度定位与回转。在精密主轴周向布置两个高精度线激光传感器,并根据被测齿轮参数调整其位姿状态;圆光栅实时获取精密主轴的回转角度,并触发采集器实时采集并记录被测齿轮左右齿面的几何信息。开发了齿轮线激光三维测量与评价软件,可实现齿轮齿廓偏差、齿距偏差、拓扑偏差等项目的测量与评定,能够满足5级精度齿轮的检测要求。

论齿轮样板

齿轮样板是齿轮参数量值的标准实物载体,用于将齿轮国家测量标准所复现的量值传递到各级齿轮测量仪器上,从而实现齿轮测量的准确性和一致性,保证齿轮产品质量。全面概述了齿轮样板起源及其发展历程;详细论述了齿轮样板的种类、结构及特点、齿轮样板的测量技术及装置、齿轮样板的国际比对、未来的发展与展望。齿轮样板迄今已历经九十多年发展,其种类在不断丰富、尺度不断延伸、复杂度不断简化,作为一种“有形”的实物量具,目前仍不可替代。未来随着“无形”的虚拟仿真测量技术发展,对“有形”实物样板的依赖将可以减弱,“无形”的技术将可能成为量值传递的新模式。

ZC1蜗杆齿廓测量测头对准误差修正

测头对准误差对齿轮测量中心ZC蜗杆齿廓偏差测量结果的影响较大,需要建立测头对准误差修正方法。基于ZC1蜗杆齿面方程,建立了蜗杆轴向齿廓测量误差模型,修正得到轴截面上齿廓测量点的轴向坐标,再依据精度标准评定得到蜗杆齿廓偏差,并分析了蜗杆的不同头数、模数和分度圆直径对蜗杆轴向齿廓测量误差的影响规律。在齿轮测量中心上开展了蜗杆轴截面齿廓测量实验,测头对准误差对齿廓形状偏差的影响较小;测头对准误差修正前后齿廓测量总偏差的最大差异由1.2μm降为0.2μm;齿廓形状测量偏差的最大差异由0.5μm降为0.3μm;齿廓倾斜测量偏差的最大差异由2.5μm降为0.4μm。该方法可有效减小齿轮测量中心测头对准误差对蜗杆轴截面齿廓偏差测量的影响。

小模数直齿轮免参数并行快速测量

小模数齿轮在实际制造中,单条产线多台设备通常同时生产多种不同参数的齿轮,迄今无法用单台齿轮测量仪器在生产线上同时实时全检这些不同参数的齿轮。开发了基于Facet的齿轮亚像素边缘定位算法、基于迭代重加权最小二乘的齿轮中心定位法、圆与齿廓交点快速定位法、正弦函数拟合齿数法和齿廓近似测压力角法等;若结合适当的送料与定位机构,本文方法能够在未知参数时,实现多种不同型号齿轮的混合测量,无需装夹,测量效率高。可以实现齿数、模数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径、全齿高、齿宽、公法线变动量、变位系数、齿廓偏差和形位误差的测量。实验结果表明:该方法测量0.5~1.0 mm模数的直齿轮的重复性精度为4μm。该方法在小模数齿轮柔性化生产线具有重要应用前景。

齿轮法向啮合齿廓及其测量

法向啮合齿廓是齿轮齿面上能反映齿轮的加工与传动质量的一条工程意义独特的曲线,在齿轮滚齿、蜗杆砂轮磨齿等展成法加工中,是齿面加工的形成曲线,在渐开螺旋齿轮传动中,是齿轮传动的工作曲线。然而,现有的齿轮测量仪器并没有法向啮合齿廓的测量功能。结合法向啮合齿廓的形成原理,给出了其理论模型,基于现有齿轮测量中心,提出了法向啮合齿廓偏差测量的四坐标测量法和三坐标测量法。测量实践表明,采用现有的齿轮测量仪器,能方便的实现法向啮合齿廓偏差测量与评定,四坐标法测得的法向啮合齿廓形状偏差、倾斜偏差和总偏差与三坐标法的测量结果相比分别相差0.2、1.3、0.6μm。与渐开线和螺旋线相比较,法向啮合齿廓具有综合性、统一性和唯一性,通过对渐开线偏差和螺旋线偏差的相互补偿,可优化对法向啮合齿廓的控制,有效降低对渐开线和螺旋线的精度要求。

国内外机器人关节测试技术研究现状及展望

关节是机器人进行姿态控制的核心执行部件,其性能对整机性能有直接影响,对其测试和评价是提高关节性能的重要基础。本文从应用场景、工作原理、结构设计等方面对关节技术现状进行分析。归纳总结了关节的传动精度、响应参数、机械参数及电参数的测试原理及测试方法。从整体上分析关节测试设备现状,阐述了面向大型关节和小型关节的两类测试设备。对关节测试技术存在的难点做出分析和讨论,并对其未来的发展方向做了展望。

EMA摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制方法研究

针对谐波减速器伺服传动系统中摩擦对位置跟踪精度的影响,提出非线性摩擦建模及前馈补偿的方法,并结合模糊自抗扰控制器提高系统的控制精度。首先,给出机电执行器中永磁同步电机的数学模型,构建了谐波减速器的动力学模型,推导了摩擦力矩和转矩电流的关系。通过小波+卡尔曼联合滤波的方式获取了不同转速下对应的转矩电流,采用3次高斯拟合的方式得到了转速与转矩电流的函数关系。然后,根据自抗扰控制与模糊控制原理制定模糊规则,设计了模糊自抗扰控制器;根据拟合的数学函数在模糊自抗扰控制器中加入前馈补偿,抑制谐波减速器中非线性摩擦,提高系统控制精度。最后,通过实验与PI控制方式进行比较,实验结果表明,使用摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制方法较PI控制方法,在空载状态、负载状态下位置跟踪误差的均方根值减少了约180、176。

基于区间层次分析法的三坐标测量机精度分配方法

为了提高三坐标测量机(CMM)研发和整机精度设计水平,提出了一种基于区间层次分析法的CMM精度分配方法。首先建立CMM准刚体模型;基于CMM目标精度和行程范围,利用套索算法(LASSO)和正交三角分解对准刚体模型进行全参数、高精度求解,得到CMM的21项几何误差。然后根据CMM结构和运动方式,划分CMM整机的精度层次结构;利用区间层次分析法确定CMM关键零部件相对于几何误差的精度分配权重向量。利用CMM 21项几何误差和精度分配权重向量得到CMM关键零部件的精度分配结果。结果表明,针对目标精度为(4.5+L/400)μm的CMM,利用精度分配方法组装的样机精度达到(2.7+L/400)μm。因此所提出的CMM精度分配方法能够更精确的对CMM关键零部件的精度选取提供依据,提高整机精度,节约整机设计效率,降低研发成本。

激光追踪测量系统机械结构模态参数影响

为了避免激光追踪测量系统机械结构在工作状态与电机产生共振现象,保证激光追踪测量系统的测量精度,本文提出了一种分析激光追踪测量系统机械结构模态参数影响的方法。基于两自由度的激光追踪测量系统机械结构,根据有限元法的模态分析理论,分析了结构材料密度、弹性模量和不同材料对系统固有频率的影响。研究结果表明:系统的固有频率随着结构密度的增大而增大,随着结构刚度的增大而减小,不同材料的影响差异较大;采用粘贴的固定方式可以增加系统的稳定性,有效保障系统的测量精度。本文的研究为激光追踪测量机械结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报,以及结构动力特性的优化设计提供了依据。

考虑安装误差的ZC1蜗杆螺旋线偏差评定方法

安装误差对齿轮测量中心的测量结果影响较大。针对其中ZC1蜗杆螺旋线偏差评定问题,在齿轮测量中心ZC1蜗杆螺旋线测量原理基础上,分析了安装误差对蜗杆测量的影响机理,建立了安装误差修正模型,并依据螺旋线偏差定义建立了基于安装误差修正的ZC1蜗杆螺旋线偏差评定方法。在齿轮测量中心上对ZC1蜗杆开展了螺旋线偏差测量试验,得到初始安装状态和安装误差条件下的螺旋线偏差评定结果,对比初始安装状态,安装误差修正前后多次测量结果之间的最大差异由76.2μm降为4.2μm。提出的ZC1蜗杆螺旋线偏差评定方法可有效减小齿轮测量中心测量过程中安装误差对螺旋线偏差测量结果的影响。

精密减速器回差试验台的精度特性

精密减速器回差试验台是非标设备,迄今对其精度特性缺乏系统性研究以至于还没有检定规程去评定该类测试设备的计量性能。为了评估精密减速器回差试验台的精度特性,提出了试验台精度的评定方法。首先,分析了精密减速器回差试验台的结构,确定了转矩传感器测量误差、角度传感器测量误差、转矩测量链摩擦转矩以及角度测量链弹性扭转角这四个因素是影响试验台精度的主要误差源。接着,研究了误差源的作用机理,提出了通过滞回曲线将转矩类误差转换为角度类误差的方法,统一了误差的类型。然后,提出了滞回曲线局部线性化的概念,实现了转矩类误差转换为角度类误差的简便计算。最后,根据回差的表达式给出了试验台精度的评定方法,并进行了测试实践。结果表明:几何回差的测试误差为±0.04′;弹性回差的测试误差为±0.06′;总回差的测试误差为±0.04′,回差试验台精度满足要求,本文提出的方法对评定试验台精度是有效的。另外,对精密减速器输出端一转范围内多处测试,能提升测试精度。

渐开线齿廓波度与齿轮传动性能的关联性

渐开线齿廓含有大量的波度信息,将其拓展应用,与齿轮传动性能间建立联系,具有重要的工程价值。研究带波度渐开线方程的构建原理,拟合基于实测齿面数据的波度曲线;构建不同正弦波度渐开线齿廓,基于啮合原理在时域和频域范围内分析了波度的波长、幅值和相位与传动误差的关联性,并采用实际齿面数据进行了验证;建立带波度渐开线齿面有限元模型,对齿轮传动过程中波度的波长、幅值和相位与接触应力的关联性进行了仿真分析;开展齿轮传动误差试验,验证了传动误差计算的正确性。结果表明,齿轮传动误差波动幅度大小对齿廓波度的幅值变化较敏感;齿廓波度的周期性与传动误差阶次成分相关;波度波动周期数增加,齿数对应倍数的阶次幅值显著增大;齿面接触应力的大小主要受齿廓波度幅值的影响;渐开线齿廓波度的波长、幅值和相位的变化与齿轮的传动误差、接触应力具有较强关联性,可以基于齿廓波度信息预报齿轮啮合传动性能。

小模数塑料齿轮静态强度试验台研制与实验研究

为获取小模数塑料齿轮的静态强度,研发了小模数塑料齿轮静态强度试验台,可以精准测量出不同模数、转速、材料的塑料齿轮的静态强度。重点介绍了试验台的工作原理、构成和工装零部件的设计。试验台由机械系统、电控系统和测量软件组成,主要采用卧式结构,结构紧凑,占用空间小,工装夹具设计简单,便于测量。进行了静态强度的测试试验,测试了不同材料的静态强度。该试验台的研发,解决了小模数齿轮静态强度测试不准、测试装夹困难的问题。研究对塑料齿轮设计有一定的理论价值与实际应用价值。

大齿轮测量:现状与趋势

大齿轮是大型装备的关键零部件,因其技术参数、尺寸和重量的要求不断增加,对其测量一直是技术难题。全面分析影响大齿轮测量的诸多因素,从齿轮离位式测量和齿轮在位式测量两个方面论述当前大齿轮测量的原理、方法及典型仪器,比较两类测量的优缺点;在分析大齿轮的加工特点和应用要求的基础上,指出实现大齿轮质量的全局表征和快速测量是大齿轮测量的总体要求和发展方向;介绍大齿轮测量的新思想、新原理、新方法和新样板,特别指出'以小测大'是特大型齿轮测量技术发展的必然趋势,基于激光跟踪干涉技术的在位测量方法集成激光跟踪和坐标测量技术的优点,可以精确确定测量仪器与被测齿轮的位置关系,不仅解决了在位测量的难题,也可用于其他大型复杂零件的测量,具有很好的应用前景。

坐标测量技术半世纪——演变与趋势

坐标测量技术是现代制造和测量水平的重要标志.回顾了坐标测量技术发展的十大标志性事件,从测量范围及精度、探测技术、控制系统、测量软件、精度评定与溯源技术等角度概述了坐标测量技术的现状.预测应用于生产现场的开放性、兼容性和柔性俱佳的坐标测量控制技术,多传感器信息融合技术,智能坐标测量技术以及远程校准技术等将成为坐标测量技术的发展趋势.

基于齿轮副整体误差的齿轮动力学模型及其动态特性

迄今提出的各种齿轮动力学模型,在处理齿轮误差的影响时,都回避因齿轮重合度大于1而分不清单双啮区的事实,由此得出的结果不能较全面反映实际情况。基于齿轮副整体误差概念,综合考虑齿轮啮合过程的时变啮合刚度、误差激励等非线性因素,建立一种新的考虑单、双啮过程的直齿轮动力学模型,能更精确地描述齿轮系统的动力学行为,解决现有模型存在的主要问题;应用变步长四阶Rounge-Kutta法获得新动力学模型的高精度数值解;定量研究不同工作条件下啮合刚度、加工误差对振动响应的影响,研究结果对于完整认识复杂的齿轮动态性能、进行动态优化设计具有重要的理论和实用价值。

小模数齿轮测量：现状与趋势

小模数齿轮受其几何尺寸与机械性能的影响,其测量难度远大于中模数齿轮.随着科学技术的发展,小模数齿轮的尺寸越来越小,而精度要求却越来越高,特别是微型齿轮的出现,对小模数齿轮的测量提出了新挑战.传统的测量方法中,分析式测量突破不了模数0.2mm,双啮综合测量突破不了模数0.1 mm.而单啮测量对齿轮直径有严格要求,并未得到应有的重视.传统的测量方法已经不能满足小模数齿轮的测量要求.因此,小模数齿轮测量技术已成为近几年的研究热点.小模数齿轮测量技术呈现出新的发展态势,主要表现为:基于视觉测量的齿轮并联测量技术、基于光纤测头的齿轮分析测量技术以及齿轮单面啮合测量技术.

融合时间的单温度敏感点机床热误差建模方法

针对敏感点变动性和敏感点共线性对热误差预测模型的预测精度和稳健性的影响,提出融合时间的单温度敏感点建模方法,将隐性参数时间显性化,进一步明确温度变量、时间变量与热误差之间的关系,提升热误差模型的预测精度和稳健性,降低温度敏感点的选择难度。在采用半年数控机床热误差实验数据时,仅选用一个温度测点作为敏感点,建立温度、时间与热误差之间的多元回归预测模型;与传统的选择多温度敏感点的多元回归热误差预测模型进行比对分析,验证所提方法的有效性。研究结果表明:对数控机床的Y向热误差,所提出建模方法的平均预测精度为2.57μm,模型稳健性为1.37μm,相较于传统的热误差预测模型,预测精度和稳健性提高了28.0%和47.1%;对数控机床的Z向热误差,所提出建模方法的平均预测精度为5.30μm,模型稳健性为3.40μm,相较于传统的热误差预测模型,预测精度和稳健性提高了45.1%和57.7%;能较好地降低温度敏感点的选择难度,提高热误差模型的预测精度和稳健性。

小尺寸轴类零件快速测量机的设计

针对人工测量小尺寸轴类零件效率低、误差大、成本高,以及难以实现大批量检测等问题,研制了一台小尺寸轴类零件快速测量机。该测量机采用卧式结构,主要由机械系统和测控系统组成。在分析研究现有尺寸测量技术的基础上,提出运用气动量仪和光栅的测量方法,设计了转盘组件、内径测量组件和长度测量组件等关键机械结构;建立了以PLC为核心的数据采集、数据分析和运动控制系统;开发了人机界面测量软件,实现了小尺寸轴类零件的内径和长度在线快速测量,并将其测量结果自动分选为合格品、返修品和不合格品。实际试验结果表明,该测量机运行稳定,精度符合设计要求,重复性≤0.005 mm,测量节拍在7 s以内,分选功能准确,能实现全自动化精密测量。