基于蔡司CALYPSO软件的注塑斜齿轮精密测量及分析_叶九星.pdf

基于蔡司 CALYPSO 软件的注塑斜齿轮精密测量及分析叶九星1，胡伟锋2，林卓涛1，罗邦芬2（1.广东星振科技有限公司，广东佛山528225；2.广州城市理工学院机械工程学院，广东广州510800）摘要：针对 POM 材质注塑斜齿轮热膨胀系数较大，斜齿轮注塑成型容易出现凝固应力收缩变形和其他几何精度误差，产生啮合精度降低等问题，探索运用蔡司三坐标测量仪及 CALYPSO 软件模块对注塑斜齿轮进行精密测量。分析星形测针的结构功能特点和斜齿轮测量数据生成过程，以及运用 CALYPSO 软件进行斜齿轮精密测量的工作流程、测针设置和检测方法，建立完整配套的注塑斜齿轮精密检测体系，提高斜齿轮注塑成型质量。关键词：注塑斜齿轮星形测针数据生成误差分析中图分类号：TH132.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0080-03引言斜齿轮具有啮合特性好、重合度大和不产生根切的最小齿数较直齿少等优点，因此广泛应用于各种动力传动系统中。特别是近年来随着汽车轻量化趋势和成本精益化控制的不断发展，注塑斜齿轮由于重量比钢材轻，批量注塑成型生产效率比钢材高，其中最常见的聚甲醛（POM）注塑斜齿轮具有高刚性、高熔点、减摩、耐磨、自润滑、耐疲劳和弹性好等优异性能。同时，普通的直齿轮沿齿宽同时进入啮合，因而产生冲击振动噪音，传动不平稳1。斜齿圆柱齿轮比直齿轮的齿面齿合面积大，传动力学效果优于直齿，便于在模块组合传动体系中应用，传递转矩大、起动平稳、传动比分级精细。因此注塑斜齿轮在汽车行业中的应用越来越广泛。注塑斜齿轮在机械结构装配设计时的法面压力角、端面压力角以及斜齿侧间隙都是确定的理论值，理论情况下这些数据尤其是齿侧间隙是不变的。然而，由于实际注塑成型的过程中，常用的 POM材质热膨胀系数较大，注塑斜齿轮不可避免存在凝固应力收缩变形和其他几何形面误差，造成注塑斜齿轮的齿侧间隙在注塑成型后与理论值之间发生偏差，需要通过精密的测量技术手段对 POM注塑斜齿轮进行精密测量及分析。对于大规模的注塑斜齿轮批量生产，还需要建立完整配套的精密检测体系，得到更精确的斜齿轮成型前后对比数据，为模具设计和注塑工艺提供技术依据2。实践中应用蔡司的 CALYPSO 软件精密检测技术，对注塑成型斜齿轮进行检测，配合模具设计和注塑工艺改进。1专业齿轮测量软件 GEAR PRO 的性能特点分析GEAR/PRO 是德国 ZEISS 公司开发的 CALYPSO软件中的专业用于测量齿轮的模块，其中每一种GEAR/PRO程序都具备便捷的操作界面，操作人员可以从 CALYPSO 测量方案中自动开始齿轮的测量，也能从相应的 GEAR/PRO 程序手动开始。测量过程采用解析式的三维斜齿轮模型和图形化的交互式输入窗口协同操作，使得斜齿轮测量变得非常高效快捷。单个测量方案里能够定义多个测量任务程序，测量时斜齿轮几何特征可以随意打开或关闭，还可选用qs-STAT接口进行测量数据的统计分析。1.1蔡司测量设备的结构和功能特点蔡司三坐标测量机的 XTR 探头通过补偿由测力产生的静态弯曲，胜任复杂的斜齿轮探针测量任务。获得高精度。智能的测试结果帮助技术人员进行质量分析和改进，快速生成过程控制报告、统计分析和数据分析，为质量提升奠定基础。其中灵活的“电子弹簧”使测量的接触力稳定不变，探针弯曲变形很小并且变化不大，因此很容易得到补偿，其具备更大的扫描空间，更高的轮廓精度，主轴方向最小限度的重复定位，更快的扫描速度，更高的扫描精度。其中S-CAA 技术补偿由测力产生的静态弯曲，获得更高精度。DCAA 技术补偿由加速度产生的动态弯曲，获得高运行速度而不损失精度。XTR 探头完成复杂的斜齿轮测量如图 1 所示。XTR 探头测针主要用于检测零件內腔及深孔，如缸径上的钻孔、沟槽等，星形测针校验方法与一般球形测针校验方法一致，如下页图 2 所示，探头内部的高精密度弹簧结构能有效缓冲检测动作产生的弯曲,收稿日期：2022-06-21基金项目：2020 年度广东省高等教育教学教改项目，编号：52SC200301第一作者简介：叶九星（1980），男，广东和平人，本科，助理工程师，主要研究方向为数控技术及精密检测技术研究。通讯作者：胡伟锋（1985），男，广东汕头人，本科，教师，实验师，主要研究方向为数控加工及自动化技术。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.030图 1XTR 探头完成复杂的斜齿轮测量专题综述2023 年第 2 期保证检测过程的探针安全性和检测准确度。根据所测零件的几何特征选择探针类型和参数，在 GEAR/PRO模块中进行探针设定输入设置，然后利用 1 号测尖在标准球上采一点开始对探针的连接进行校验，确认探针连接正常后即可开始编程测量。1.2蔡司测量斜齿轮的工作流程和内容运用蔡司三坐标测量机的探头自动程序，并与CAD 建模的 Calypso 结合使用，GEAR/PRO 可以对斜齿轮进行交互式测量。不再需要借助公法线千分尺、齿厚卡尺和齿圈径向跳动测量仪等专用检测设备，以及繁复的检测设备安装调试过程，只需要经过几个简单步骤即可完成，其基本流程如图 3 所示。为了保证精确的测量，测量前的探针校准和安全设置等是必不可少的准备环节，同时，针对 POM塑料斜齿轮的材料特性，还需要运用 Calypso软件的温度补偿功能，输入设定 POM塑料斜齿轮的膨胀系数，以适应温度变化带来的尺寸精度变动，如图 4 所示。2蔡司测量斜齿轮的数据生成和分析斜齿轮检测时蔡司齿轮测量 Calypso 软件与CAD 建模结合使用，根据几何定义生成齿轮的斜齿轮 CAD模型，操作者快速地检查输入的斜齿轮 CAD参数定义值，并根据几何参数定义开展标准测量。运用 GEAR/PRO 模块可以在三维斜齿轮模型上选取定义探针检测轨迹,检测程序动作和数据生成、检测可视化同时交互进行，大大提高测量效率，并选配qs-STAT 接口用于对注塑生产工艺合理与否的质量统计分析。2.1斜齿轮扫描测量数据生成CALYPSO 检测软件对于斜齿轮最大功能就是图形交互式的输出入和输出的便捷性。CALYPSO 软件具备专用的斜齿轮检测模块，使检测人员可以很方便地编制斜齿轮检测程序，探针按照程序快速进行检测。检测程序动作和数据生成、检测可视化交互进行，可以直观地检查注塑斜齿轮的齿形、圆度和定位实际位置,并对公差高点进行及时返工。其中齿顶圆和齿根圆是塑料齿轮最主要的参数之一，齿顶圆和齿根圆同时超差时，会导致早期磨损加剧。一般情况下该齿顶圆和齿根圆配合到 0.03 以上时，会导致音量的明显增加。齿形超标到 0.05 以上时，会导致早期磨损加剧3。所以必须严格控制注塑斜齿轮的这两个参数。但是因为注塑成型时 POM材料的凝固收缩问题和齿轮设计齿顶间隙的原因。齿形检测要根据啮合关系，确定合理的评定长度。如图 5所示，对于收缩率较大的 POM注塑齿轮，需要使用探针从最开始的齿一直连续检测到最后一个齿，然后通图 2XTR 探针的内部结构图 3运用蔡司测量机和 Calypso 软件进行斜齿轮检测的流程4-1探针校准设置4-2探针温度补偿设置图 4探针校准设置和温度补偿设置三坐标测量仪启动探针选用及参数设定检测对象选定探针动作轨迹生成检测程序T1 点T2 点T3 点生成检测误差报表分析误差原因测头系统触发通信标准 CAD斜齿轮模型参数比对超差点红色标注CAD图形准备7.8图 5探针逐齿检测轨迹设定及数据生成策略圆路径（1 截面）点数50叶九星，等：基于蔡司 CALYPSO软件的注塑斜齿轮精密测量及分析81机械管理开发第 38 卷过每个齿形的几何数据，生成注塑成型凝固收缩的工艺质量评价结论。通过 CALYPSO 的探针逐齿快速测量程序及GEAR/PRO交互式操作，系统将探针读数值累加直接求出平均齿距偏差，即可得到单个齿距偏差和齿距累积总偏差。随着单个齿距偏差的快速测量，其他的如实际齿距与理论齿距的代数差、齿轮齿距累积总偏差等数据也同时生成，还能避免多种测量仪器经过多个步骤测量产生的系统累积误差4。2.2斜齿轮测量数据分析为保证注塑斜齿轮传递运动的准确性，要求从动轮与主动轮运动协调一致，即斜齿轮在一转范围内传动比的变化尽量小，以保证主动轮和从动轮之间能准确地传递运动。因此需要对斜齿轮 GT 面齿顶圆进行同心度测量。如图 6 所示为注塑斜齿轮同心度检测报告。CALYPSO 可进行完整的数据分析与可视化能力，在对注塑斜齿轮逐齿快速测量数据采集过程中或者采集完毕后，进行数据分析以及可视化工作。主要分析方法有对数分析法、对数正态分析法、两参数分析法、三参数分析法，并将这些分析法分析得到的数据进行线性拟合，得到全面的注塑斜齿轮检测报告。如图 7 所示，对直径 50 的注塑斜齿轮的外径、同心度、齿形和平行度等进行了检测。其中同心度不合格的 2 个测量尺寸数据以红色显示，误差则以数据和图形形式清晰显示。智能的测试结果帮助技术人员进行 POM材质的斜齿轮的注塑质量分析和改进，同时快速生成检测程序控制报告、统计分析和数据分析，便于查找出注塑成型质量缺陷以及模具结构设计问题，以及检测过程精度控制报告，统计分析和数据分析等，为斜齿轮的注塑成型质量改进提供依据。3结论随着塑料斜齿轮在汽车和电动工具等各行业中的应用越来越广泛，对于塑料斜齿轮的检测技术研究也不断发展深入。通过运用蔡司 CALYPSO 技术对POM注塑斜齿轮精密测量的应用研究，得出以下结论：1）由于实际注塑成型的过程中，常用的 POM材质热膨胀系数较大，注塑斜齿轮不可避免存在凝固应力收缩变形和其他几何形面误差，因此需要配套精密可靠的检测手段和设备同步进行质量控制，提高精密注塑斜齿轮的质量。2）运用蔡司三坐标测量机的探头与 Calypso自动程序结合使用可以对斜齿轮进行交互式测量。不再需要借助专用检测设备和繁复的检测设备安装调试过程，探针按照程序进行快速检测和数据生成。3）CALYPSO 还同步对注塑斜齿轮进行完整的数据分析，为注塑生产工艺改进和模具结构改进提供依据。此外，运用蔡司 CALYPSO 技术还能够对注塑成型的圆柱齿轮、伞齿轮、蜗杆和转子进行检测及数据结果评定，实现科学合理的模具结构设计方案和稳定可靠的注塑成型工艺，有待于在实践中继续研究和探索。参考文献1夏康康.花键齿轮齿形齿向检测的一种检具设计J.机械管理开发，2015，30（7）：17-18.2程雅南.三坐标测量机的应用与功能拓展J.机械管理开发，2018，33（10）：45-46.3张世新.斜齿轮齿槽与键槽加工和位置度检测J.金属加工（冷加工），2017（21）：21-22.4陈扬枝，刘雾，何超，等.圆柱线齿轮加工精度检测方法研究J.装备制造技术，2021（1）：14-18；25.（编辑：贾娟）图 6注塑斜齿轮同心度检测数据结果图 7注塑斜齿轮检测数据结果5-同心度 EP.1上公=0.0100下公=0.0000偏差=-0.0015圆 2实际值上公差下公差偏差X0.0001Y12.0000Z0.0003D50.02210.1500-0.15000.0221圆柱 1实际值上公差下公差偏差X-0.0094Y5.0000Z0.001 7D17.97420.0300-0.0300-0.0258100%50%0%-50%-100%名称测量值名义值上公差下公差偏差+/-（下转第 87 页）822023 年第 2 期在运送过程中的稳定性。在安全上，基于在断线和断电的双层保护，无论发生钢丝绳断裂或者意外断电，都可以瞬间锁死搬运机构，保护车辆安全。这些设计让车库有了更好的适用性和安全性，更具现实使用价值。参考文献1孟文生，华军杰，李风超.新型智能化垂直升降立体车库研究J.起重运输机械，2020（8）：68-71.2王永昌，张功学.机械式立体车库研究现状与发展趋势J.机械管理开发，2021（1）：246-247；254