1 概述
錐齒輪傳動機構在汽車、直升飛機、機床及電動工具製造業中，得到了廣泛的應用。不同的用途對錐齒輪性能質量的要求也不同，歸納起來包括：①有良好的接觸區，能可靠的傳遞動力扭矩；②有良好匹配的幾何形狀，能平穩的傳遞運動，從而保證載荷均勻、傳動平穩、振動小、噪音低。工廠通常採用雙嚙儀及檢測接觸斑點的滾動檢查儀來控制錐齒輪的質量，但實際上很難精確判定錐齒輪的使用性能。
錐齒輪的精度測量方法和圓柱齒輪類同，通常可分為三種：①坐標式幾何解析測量法。即把錐齒輪作為一個幾何實體，對其幾何元素分別進行單項幾何精度的測量；齒輪測量中心是其主要測量儀器。②嚙合式綜合精度測量法。即把錐齒輪作為一個傳動元件，對其傳動精度、接觸斑點、振動噪音進行綜合測量。其測量儀器主要有錐齒輪單面嚙合檢查儀、錐齒輪雙面嚙合測量儀及錐齒輪滾動檢驗機。③錐齒輪整體誤差測量法。它將錐齒輪作為一個用於實現傳動功能的幾何實體，或用坐標測量法按單項幾何精度測量方式測量出錐齒輪的整體誤差，實現錐齒輪單項幾何誤差和傳動精度、質量之間內在聯繫的分析研究；或按單面嚙合測量方式、採用嚙合點掃描測量方法，對錐齒輪的整體誤差進行測量，得到錐齒輪的綜合運動精度、接觸斑點以及各單項幾何精度。因此，錐齒輪整體誤差測量法是前兩種測量方法的集成和發展。
隨著坐標測量技術、計算機控制與測量技術的發展，近年來對錐齒輪整體誤差測量技術的研究得到很快的發展。由於齒輪測量中心等圓柱式多坐標多功能測量儀器的測量性能、數據處理能力的提高，錐齒輪的坐標式幾何解析測量技術，已由單項幾何誤差測量發展到錐齒輪整體誤差測量，提高了錐齒輪設計、加工、精度質量的檢測判定以及使用性能的預測等整個錐齒輪製造技術的水平。由我國自行開發、基於「可控點運動—幾何測量原理」的錐齒輪單面嚙合點掃描測量技術及基於該技術開發的錐齒輪整體誤差測量儀，也正在更多地走向生產第一線，使我國錐齒輪測量理論、測量技術的實際應用得到了進一步的提高和發展。
2 錐齒輪精度主要測量方法及儀器
2．1坐標式幾何解析測量方法及儀器
機械展成坐標式直錐齒輪測量儀較早就有產品，以瑞士馬格KP42型為代表，精度很高但結構複雜。自1990年前後，CNC齒輪測量中心推向市場，坐標式弧錐齒輪幾何形狀誤差測量方法才有了迅速發展並得到推廣應用。現今市場上國外的齒輪測量中心，無論是德國克林伯格的P63，還是美國格里森/馬爾的 GMX275、M＆M的西格馬3，都已具備了測量錐齒輪的功能。這些儀器都達到VDI/VDE等級規定的1級，空間測量不確定度在2微米以上；可對錐齒輪的單項幾何誤差進行檢測，如齒距偏差（包括單個齒距偏差、齒距累計偏差、齒距累計總偏差）、齒廓偏差（包括齒廓總偏差、齒廓形狀偏差、齒廓傾斜偏差）、齒向偏差（包括齒向總偏差、齒向形狀偏差、齒向傾斜偏差）並可輸出三維齒面形狀偏差形貌圖等。
2．2 單面嚙合滾動檢驗綜合測量方法及儀器
錐齒輪單面嚙合滾動檢測方法在生產中已經使用多年。以美國格里森N0.513滾動檢驗機為例，在被測錐齒輪副單面嚙合的情況下，模擬其工作狀態，加以一定的速度和載荷，調整V/H，進行著色接觸區（斑點）的檢測，以判定該被測錐齒輪副的接觸狀況；藉助於加速度感測器、拾音器測量其振動和噪音，對齒頻諧波進行掃描檢測。這種方法屬於「准動態」測量方法，它對於錐齒輪的精度檢測是不夠完整、不夠準確的。而採用光電編碼器作為角度基準、用於錐齒輪切向綜合精度檢測的錐齒輪單面嚙合檢查儀，如德國克林伯格公司的PSKE900，因其檢測項目單一，尤其難以根據檢測結果對錐齒輪加工機床參數的調整給以指導、以改進錐齒輪加工質量。性價比較差，故生產中不多採用。
近年來格里森公司推出的鳳凰500HCT數控錐齒輪滾動檢驗機則同時具備了滾動檢驗機和單面嚙合檢查儀的測量功能，既能測量錐齒輪的切向綜合誤差，又能數字化測量錐齒輪接觸區、進行三維結構噪音分析等。該機型功能先進，代表了該類產品當代的發展水平，雖價格昂貴，但在國內已有個別用戶。與此類似的還有克林伯格GKC60、奧立孔T50等數控錐齒輪檢驗機。
2．3 整體誤差測量方法及儀器
錐齒輪整體誤差測量是在同一個迴轉角度位移坐標上按嚙合順序將錐齒輪工作齒面上各檢測點所測得的所有單項幾何誤差集成為一個錐齒輪整體誤差圖，並以此為基礎，完成對於錐齒輪單項幾何精度、綜合運動精度以及錐齒輪副接觸狀態的分析計量，實現對於錐齒輪使用性能和質量的評估和監控。錐齒輪整體誤差測量方法和儀器，目前可分為二類三種。一類為坐標式幾何解析測量法，該方法又分為「點到點測量法」和「點掃描測量法」，兩種方法採用的儀器都為CNC齒輪測量中心，但配用的測量軟體包有所不同；另一類為嚙合式運動幾何測量法（即嚙合式點掃描測量法，該方法為我國首創），所採用的儀器為錐齒輪單面嚙合檢查儀，配有專用的測量錐齒輪和測量軟體包。
（1）坐標式點到點錐齒輪整體誤差的測量
在齒輪測量中心上，用三維測頭沿錐齒輪的齒廓和齒向兩個方向，按預先確定的間距，對被測齒面各檢測點（通常為齒廓上5處、齒向上9處，共45點）的幾何形狀誤差進行一點一點的測量。這種方法可以避免三維測頭和被測齒面間在測量時產生摩擦力而影響測量結果。該測量方法採用的是「直接測量」 原理，具體步驟為：首先根據錐齒輪加工機床的調整參數和刀具幾何參數，通過計算得到被加工大、小錐齒輪理想加工齒面的幾何參數；將該齒面作為參照齒面，分別與實際加工（或經熱處理后）的大、小齒輪的齒面進行比較，測得實際齒面與理想齒面的幾何偏差。藉助於專用的MATCH程序，確定相應於被測實際齒面的假象機床加工參數；再按照嚙合模型進行TCA分析，計算得到錐齒輪副的切向綜合偏差和接觸狀況，檢驗是否滿足要求。如有必要，相應軟體將根據測量結果，重新計算並調整機床加工參數，以便再次試切時，能加工出質量更滿意的產品。
（2）坐標式點掃描錐齒輪整體誤差的測量
日本大阪精機近來提出的、採用二維測頭對錐齒輪齒面進行點掃描測量的方法，得到了可靠滿意的測量結果。該方法具有以下特點：通過控制工件的迴轉、測頭的平行位移運動，避免了測頭與齒面間的摩擦力對測量的不利影響；由於採用掃描測量方式，測量區域可覆蓋整個齒面包括齒頂以及接近大、小端的區域；測量路徑可有多種選擇，通常齒形數及齒向數各為3條，共6條；每條掃描線上的採樣數可達113個點，由於採樣密度大，能夠反映齒面上的微小波紋度（該波紋往往是不悅耳噪音的主要來源，用常規的點到點測量方法難以測量）。該方法採用的是「共軛測量」原理，其具體步驟為：首先根據機床加工參數和刀具參數計算得到大齒輪理想加工齒面的幾何參數，計算出與它相共軛、無傳動誤差的虛擬共軛小齒輪的齒面幾何參數；將實際加工的大齒輪齒面與理想加工大齒輪齒面進行對比測量，檢測出齒廓及齒向上的相對偏差；將實際加工的小齒輪齒面與計算得到的虛擬共軛小齒輪齒面進行對比測量，檢測出齒廓及齒向上的相對偏差。根據所測得的相對偏差，計算得到該錐齒輪副的三維齒面綜合偏差形貌圖、切向綜合偏差和接觸形態（包括接觸路徑，接觸區域形狀、大小位置等）。經實物測量、比對驗證，點到點測量法和點掃描測量法的測量計算結果是一致的。
（3）嚙合式點掃描錐齒輪整體誤差的測量
成都工具研究所提出的錐齒輪嚙合式點掃描測量法，是在錐齒輪單面嚙合檢查儀上，按設計安裝位置、採用特殊測量錐齒輪與被測錐齒輪進行單面嚙合的滾動測量。這種測量錐齒輪副的「基礎」幾何參數和被測錐齒輪副的幾何參數是完全一樣的。測量時採用腐蝕方法或粘貼方法，在大、小測量齒輪相間的輪齒上做成所需的齒廓或齒向測量稜線，通過測量錐齒輪的齒廓或齒向測量稜線與相配對的被測錐齒輪齒面接觸傳動，完成錐齒輪的嚙合點掃描整體誤差測量。測量路徑數與測量齒輪齒數有關，一般為3+3共6條。錐齒輪嚙合式點掃描整體誤差測量採用的是「局部基準相對測量」原理。具體測量步驟如下：根據錐齒輪副實際跑車/試車實驗（或經驗），由廠方選出能最佳滿足使用要求的錐齒輪副作為「基準」錐齒輪副（稱為局部基準），它的切向綜合偏差、一齒切向綜合偏差及接觸區形態被確認為評定該對錐齒輪副精度的主要參照指標。測量錐齒輪和局部基準錐齒輪相嚙合，在錐齒輪單面嚙合檢查儀上測得綜合齒廓偏差局—測(局部基準錐齒輪副—測量基準錐齒輪副，下同)、綜合齒向偏差局—測、切向綜合偏差局— 測、一齒綜合偏差局—測、接觸區形態局—測以及三維齒面綜合偏差形貌圖局—測等，並被確認為批量錐齒輪檢測時評定該單個錐齒輪主要精度指標的參考基準數據。被測工件錐齒輪和測量錐齒輪按同樣方法進行測量，得到各項偏差的工件錐齒輪—測量錐齒輪數據；經運算得到相應各項偏差工—局數據（即工件錐齒輪相對於局部基準錐齒輪的相應各項精度指標的偏差）。然後根據所測得的工—局偏差數據和制定的精度指標公差範圍，來判定錐齒輪的質量及可互換性水平。
錐齒輪整體誤差測量方法簡便，快捷可靠，測量信息豐富，特別適用於大批量生產。由於測量時必須採用特殊測量齒輪，因此這種測量方法不宜用於單件小批量的測量。然而，由於錐齒輪整體誤差測量儀同時還具備錐齒輪滾動檢查儀的功能，因此它完全可用於單件小批錐齒輪副綜合精度檢測及批量生產工件的試切及機床調試。
3 結語
通過回顧近年來錐齒輪測量技術研究領域的現狀與發展，重點介紹了國內外錐齒輪整體誤差測量技術、方法及開發的相應儀器。我國自行開發的嚙合式點掃描錐齒輪整體誤差測量技術的不斷發展，已逐步得到國內外同行的認可；依據該技術開發的錐齒輪整體誤差測量儀正在推向生產一線並在測量實踐中繼續完善。可以相信，依託嚙合式點掃描錐齒輪整體誤差測量技術，建立錐齒輪批量產品精度資料庫，完全有可能根據使用要求採用計算機輔助測量技術實現弧錐齒輪的自動快速配對。
