本发明公开了轮齿装夹装置，包括用于找正轮齿位置的轮齿找正板，轮齿找正板上设有用于中心线和至少两条与中心线垂直的刻度线；轮齿找正板上设有用于固定轮齿的轮齿固定结构和用于驱动其旋转进而调节轮齿齿面上的测量点至设定位置的旋转驱动机构。本发明还公开了一种采用如上轮齿装夹装置的齿面残余应力测量方法，并具有以下优点：1)可快速方便地对焦；2)摄像头光路或对焦探针不会被遮挡和干涉，可对齿面的任意位置进行测量；3)衍射环光路也不会被其它轮齿遮挡，使测量结果更稳定；通过选择满足kd≤R条件的位置点为测量点，可有效提高测量精度；4)通过采用轮齿装夹装置，可以快速地将切下的轮齿找正位姿，以实现对测量点的精确定位。
1.一种采用轮齿装夹装置的齿面残余应力测量方法，所述轮齿装夹装置包括用于找正轮齿位置的轮齿找正板(1)，所述轮齿找正板(1)上设有中心线和至少两条与所述中心线垂直的刻度线；轮齿找正板(1)上设有用于固定找正位置后的所述轮齿的轮齿固定结构和用于驱动其旋转进而调节所述轮齿齿面上的测量点至设定位置的旋转驱动机构；其特征在于：包括如下步骤：
2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；
3)找正：利用所述轮齿装夹装置找正轮齿位置，并使所述中心线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使所述中心线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；
4)旋转：利用所述旋转驱动机构驱动轮齿旋转，使齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；
5)测量：利用残余应力仪测量所述测量点所在的齿面区域的残余应力。
2.根据权利要求1所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：还包括步骤6)，循环步骤2)至步骤5)，直至所有被选择的所述测量点均完成残余应力测量。
3.根据权利要求1或2所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿为渐开线圆柱齿轮的轮齿，所述步骤4)中，所述轮齿的旋转角度θj0为：θj0＝θj+2πn
其中，mj为渐开线圆柱齿轮的模数，zj为渐开线圆柱齿轮的齿数，hja*为渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数，αj为渐开线圆柱齿轮的压力角；n为大于等于零的整数；
rjd为渐开线圆柱齿轮的齿顶圆半径，且rjd＝(zj+2hja*)mj/2；
rjb为渐开线圆柱齿轮的基圆半径，且rjb＝(mjzjcosαj)/2；
rjdm为渐开线圆柱齿轮上的测量点Mj与轮齿齿顶面之间的距离。
4.根据权利要求1或2所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿为摆线圆柱齿轮的轮齿，所述步骤4)中，所述轮齿的旋转角度θl0为：θl0＝θl+2πn
其中，rm＝rd-rdm，rd为摆线圆柱齿轮的齿顶圆半径；rdm为摆线圆柱齿轮的测量点Mb与轮齿齿顶面之间的距离。
5.根据权利要求1所述齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿固定结构包括至少两组夹持杆组，每一组所述夹持杆组包括分别位于所述中心线两侧的两根夹持杆，属于同一组所述夹持杆组的两根所述夹持杆同轴并与所述中心线垂直，属于同一组所述夹持杆组的两根所述夹持杆相对于所述中心线做同步相向运动和同步相背运动，且两根所述夹持杆靠近所述中心线的一端与所述中心线之间的距离始终保持相等。
6.根据权利要求1所述齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿固定结构包括用于将所述轮齿的端部吸附固定在所述轮齿找正板(1)上的磁铁。
7.根据权利要求1所述齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述旋转驱动机构包括电机座(2)，所述电机座(2)上固定安装设有电机(3)，所述电机(3)的输出轴与所述轮齿找正板(1)传动连接并与所述轮齿找正板(1)垂直。
8.根据权利要求7所述齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿固定结构包括固定安装在所述电机座(2)上的固定座(4)，所述固定座(4)上设有用于压在所述轮齿端面上的压紧螺钉(5)。
9.根据权利要求1，5-8任一项所述齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿找正板(1)上可拆卸地设有与所述中心线平行的角度测量平板(6)。
轮齿装夹装置及齿面残余应力测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种机械装夹机构，具体的为一种轮齿装夹装置及齿面残余应力测量方法。
背景技术
[0002] 残余应力为消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，都可能因不均匀塑性变形或相变引起残余应力。残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂，或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。残余应力有时也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。
[0003] 齿轮加工会经过多道工序，不可避免地会存在残余应力。现有技术中，一般采用残余应力仪测量齿轮轮齿表面(即齿面)的残余应力。残余应力仪对被测量物具有以下要求：
[0004] 1)残余应力仪的侧头相对测量件表面倾斜一定角度或需实现绕工件的旋转运动；
[0005] 2)被测量的面为水平面；
[0006] 3)能够通过摄像头软件/对焦探针对焦。
[0007] 然而，在使用残余应力仪测量齿面残余应力的过程中，往往存在以下问题：
[0008] 1)齿轮干涉无法对焦：齿轮的其他轮齿与残余应力仪之间会产生干涉，导致残余应力仪无法在正确的位置姿态下实现测量；
[0009] 2)摄像头光路/对焦探针对焦受阻：当需要测量的齿面区域位于靠近轮齿齿根处时，由于齿轮本身几何形状原因，被测轮齿旁边轮齿会遮挡摄像头光路，导致摄像头无法精准对焦，或阻碍对焦探针接触工件表面，导致无法对焦；
[0010] 3)衍射环光路被其它轮齿遮挡，导致计算数据缺失，测量结果不稳定，或测头旋转运动受齿轮阻碍，无法获取数据；
[0011] 4)由于齿轮齿廓形状特性，无法保证测量面为水平面。
发明内容
[0012] 有鉴于此，为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种轮齿装夹装置及齿面残余应力测量方法。
[0013] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0014] 本发明首先提出了一种轮齿装夹装置，包括用于找正轮齿位置的轮齿找正板，所述轮齿找正板上设有用于中心线和至少两条与所述中心线垂直的刻度线；轮齿找正板上设有用于固定找正位置后的所述轮齿的轮齿固定结构和用于驱动其旋转进而调节所述轮齿齿面上的测量点至设定位置的旋转驱动机构。
[0015] 进一步，所述轮齿固定结构包括至少两组夹持杆组，每一组所述夹持杆组包括分别位于所述中心线两侧的两根夹持杆，属于同一组所述夹持杆组的两根所述夹持杆同轴并与所述中心线垂直，属于同一组所述夹持杆组的两根所述夹持杆相对于所述中心线做同步相向运动和同步相背运动，且两根所述夹持杆靠近所述中心线的一端与所述中心线之间的距离始终保持相等。
[0016] 进一步，所述轮齿固定结构包括用于将所述轮齿的端部吸附固定在所述轮齿找正板上的磁铁。
[0017] 进一步，所述旋转驱动机构包括电机座，所述电机座上固定安装设有电机，所述电机的输出轴与所述轮齿找正板传动连接并与所述轮齿找正板垂直。
[0018] 进一步，所述轮齿固定结构包括固定安装在所述电机座上的固定座，所述固定座上设有用于压在所述轮齿端面上的压紧螺钉。
[0019] 进一步，所述轮齿找正板上可拆卸地设有与所述中心线平行的角度测量平板。
[0020] 本发明还提出了一种采用如上所述轮齿装夹装置的齿面残余应力测量方法，包括如下步骤：
[0021] 1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下；
[0022] 2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；
[0023] 3)找正：利用所述轮齿装夹装置找正轮齿位置，并使所述中心线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使所述中心线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；
[0024] 4)旋转：利用所述旋转驱动机构驱动轮齿旋转，使齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；
[0025] 5)测量：利用残余应力仪测量所述测量点所在的齿面区域的残余应力。
[0026] 进一步，还包括步骤6)，循环步骤2)至步骤5)，直至所有被选择的所述测量点均完成残余应力测量。
[0027] 进一步，所述轮齿为渐开线圆柱齿轮的轮齿，所述步骤4)中，所述轮齿的旋转角度θj0为：
[0028]
[0029] θj0＝θj+2πn
[0030] 其中，mj为渐开线圆柱齿轮的模数，zj为渐开线圆柱齿轮的齿数，hja*为渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数，αj为渐开线圆柱齿轮的压力角；n为大于等于零的整数；
[0031] rjd为渐开线圆柱齿轮的齿顶圆半径，且rjd＝(zj+2hja*)mj/2；
[0032] rjb为渐开线圆柱齿轮的基圆半径，且rjb＝(mjzjcos αj)/2；
[0033] rjdm为渐开线圆柱齿轮上的测量点Mj与轮齿齿顶面之间的距离。
[0034] 进一步，所述轮齿为摆线圆柱齿轮的轮齿，所述步骤4)中，所述轮齿的旋转角度θl0为：
[0035]
[0036] θl0＝θl+2πn
[0037] 其中，r1为摆线曲线成形的滚动圆半径；
[0038] r为摆线曲线成形的产形点固接圆半径；
[0039] n为大于等于零的整数；
[0040] φ1为代表测量点的未知量，其求解方程为：
[0041]
[0042] 其中，rm＝rd-rdm，rd为摆线圆柱齿轮的齿顶圆半径；rdm为摆线圆柱齿轮的测量点Mb与轮齿齿顶面之间的距离。
[0043] 本发明的有益效果在于：
[0044] 本发明的轮齿装夹装置，通过在齿轮找正板上设置中心线和刻度线，使用时，使轮齿的端面靠在齿轮找正板上，并使轮齿端面的对称线与中心线重合，此时轮齿两侧的宽度相等，即多根刻度线两侧的读书相等时，即可认为轮齿位置已经找正，具有结构简单、操作方便的优点；找正后的轮齿通过轮齿固定结构固定位置，而后利用旋转驱动机构旋转一定角度，即可满足残余应力的测量要求。
[0045] 本发明的齿面残余应力测量方法，通过将轮齿沿齿根从齿轮上切下，如此，即可避免残余应力测量过程中，其他轮齿对残余应力仪的干涉，并具有以下优点：1)可快速方便地对焦；2)摄像头光路或对焦探针不会被遮挡和干涉，可对齿面的任意位置进行测量；3)衍射环光路也不会被其它轮齿遮挡，使测量结果更稳定；通过选择满足kd≤R条件的位置点为测量点，可有效提高测量精度；4)通过采用轮齿装夹装置，可以快速地将切下的轮齿找正位姿，以实现对测量点的精确定位。
附图说明
[0046] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0047] 图1为本发明轮齿装夹装置实施例的结构示意图；
[0048] 图2为利用轮齿找正板找正轮齿位置的原理图。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0050] 如图1所示，为本发明轮齿装夹装置实施例的结构示意图。本实施例的轮齿装夹装置，包括用于找正轮齿位置的轮齿找正板1，轮齿找正板1上设有用于中心线和至少两条与中心线垂直的刻度线。轮齿找正板1上设有用于固定找正位置后的轮齿的轮齿固定结构和用于驱动其旋转进而调节轮齿齿面上的测量点至设定位置的旋转驱动机构。本实施例的刻度线设置为2根，使用时，将轮齿的一端靠在轮齿找正板1上，当两根刻度线位于中心线的两侧的刻度读数分别相等时，即P1O1＝P2O1，P3O2＝P4O2时，即此时的轮齿端面的对称线与中心线重合，达到找正轮齿位姿的技术目的，如图2所示。
[0051] 进一步，本实施例的旋转驱动机构包括电机座2，电机座2上固定安装设有电机3，电机3的输出轴与轮齿找正板1传动连接并与轮齿找正板1垂直。本实施例的轮齿固定结构包括固定安装在电机座2上的固定座4，固定座4上设有用于压在轮齿端面上的压紧螺钉5。
[0052] 进一步，轮齿找正板1上可拆卸地设有与中心线平行的角度测量平板6，角度测量平板6上可以设置角度仪，用于检测旋转驱动机构驱动轮齿转动的角度。
[0053] 当然，轮齿固定结构还可以采用其他多种结构实现，如：轮齿固定结构可以为包括至少两组夹持杆组，每一组夹持杆组包括分别位于中心线两侧的两根夹持杆，属于同一组夹持杆组的两根夹持杆同轴并与中心线垂直，属于同一组夹持杆组的两根夹持杆相对于中心线做同步相向运动和同步相背运动，且两根夹持杆靠近中心线的一端与中心线之间的距离始终保持相等。轮齿固定结构还可以为包括用于将轮齿的端部吸附固定在轮齿找正板1上的磁铁。
[0054] 本实施例的轮齿装夹装置，通过在齿轮找正板上设置中心线和刻度线，使用时，使轮齿的端面靠在齿轮找正板上，并使轮齿端面的对称线与中心线重合，此时轮齿两侧的宽度相等，即多根刻度线两侧的读书相等时，即可认为轮齿位置已经找正，具有结构简单、操作方便的优点；找正后的轮齿通过轮齿固定结构固定位置，而后利用旋转驱动机构旋转一定角度，即可满足残余应力的测量要求。
[0055] 下面介绍采用本实施例轮齿装夹装置测量齿面残余应力的齿面残余应力测量方法。
[0056] 本实施例的齿面残余应力测量方法，包括如下步骤：
[0057] 1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下；
[0058] 2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；
[0059] 3)找正：利用轮齿装夹装置找正轮齿位置，并使中心线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使中心线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；
[0060] 4)旋转：利用旋转驱动机构驱动轮齿旋转，使齿面在测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使齿面在测量点处的切面与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；
[0061] 5)测量：利用残余应力仪测量测量点所在的齿面区域的残余应力；
[0062] 6)循环步骤2)至步骤5)，直至所有被选择的测量点均完成残余应力测量。
[0063] 具体的，当残余应力仪采用的型号为PULSTEC μ-360s；γ＝55°；当残余应力仪的型号为PROTO LXRD时，α＝90°。
[0064] 进一步，当轮齿为渐开线圆柱齿轮的轮齿时，步骤4)中，轮齿的旋转角度θj0为：
[0065]
[0066] θj0＝θj+2πn
[0067] 其中，mj为渐开线圆柱齿轮的模数，zj为渐开线圆柱齿轮的齿数，hja*为渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数，αj为渐开线圆柱齿轮的压力角；n为大于等于零的整数；
[0068] rjd为渐开线圆柱齿轮的齿顶圆半径，且rjd＝(zj+2hja*)mj/2；
[0069] rjb为渐开线圆柱齿轮的基圆半径，且rjb＝(mjzjcos αj)/2；
[0070] rjdm为渐开线圆柱齿轮上的测量点Mj与轮齿齿顶面之间的距离。
[0071] 当轮齿为摆线圆柱齿轮的轮齿时，步骤4)中，轮齿的旋转角度θl0为：
[0072]
[0073] θl0＝θl+2πn
[0074] 其中，r1为摆线曲线成形的滚动圆半径；
[0075] r为摆线曲线成形的产形点固接圆半径；
[0076] n为大于等于零的整数；
[0077] φ1为代表测量点的未知量，其求解方程为：
[0078]
[0079] 其中，rm＝rd-rdm，rd为摆线圆柱齿轮的齿顶圆半径；rdm为摆线圆柱齿轮的测量点Mb与轮齿齿顶面之间的距离。
[0080] 本实施例的齿面残余应力测量方法，通过将轮齿沿齿根从齿轮上切下，如此，即可避免残余应力测量过程中，其他轮齿对残余应力仪的干涉，并具有以下优点：1)可快速方便地对焦；2)摄像头光路或对焦探针不会被遮挡和干涉，可对齿面的任意位置进行测量；3)衍射环光路也不会被其它轮齿遮挡，使测量结果更稳定；通过选择满足kd≤R条件的位置点为测量点，可有效提高测量精度；4)通过采用轮齿装夹装置，可以快速地将切下的轮齿找正位姿，以实现对测量点的精确定位。
[0081] 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
