德國黑科技如何解決小模數(shù)齒輪測量難題

如何確保微型系統(tǒng)中的微型行星齒輪的質量？一臺多傳感器三坐標測量機，一個光纖探針，以及一套軟件使之成為可能——運用掃描，甚至可以依照嚴格的標準快速地測量齒廓曲面。

從-100℃到+200℃的極端溫度，振動，碰撞——來自瑞士薩克瑟恩的maxon 電機在為嚴苛的條件下可靠地完成了作業(yè)。這使得他們成為了非同尋常和具挑戰(zhàn)性行業(yè)和應用的優(yōu)選，例如太空探索：比如NASA的火星漫步者勇氣號和機遇號，都分別裝備了39個 maxon電機。十多年來，他們一直在那顆紅色星球上艱苦的條件下穩(wěn)定地工作著。

  在地球上， maxon DC電機在高達90％的機械效率下運行。它們被應用于天線，無線電桿，船舶和航空器上以提供暢通的通信。它們應用在減震器上；應用在工業(yè)生產中，提升生產自動化；應用在外科手術中，幫助矯正視力問題，為糖尿病病人提供確切的胰島素劑量。

微型化的趨勢體現(xiàn)在各行各業(yè)。這意味著電機元件必須越來越小。Maxon 電機以微型驅動器為名發(fā)布了模塊系列，包括電機，變速箱，傳感器，和控制電子元件等，這些模塊可組合成直徑僅為6 mm的微型驅動單元。

即便是這些微型化單元和它們的微型部件仍需要追求高質量要求——這是maxon的傳統(tǒng)。1988年，Maxon公司獲得了ISO 9001認證。如今電機制造商們也執(zhí)行各種其他的質量標準，包括為航空航天行業(yè)開發(fā)和生產商制定的EN 9100標準。Maxon的醫(yī)療商業(yè)集團通過了ISO 13485 醫(yī)療標準認證，這證明所有的過程和步驟都是記錄在案且能夠保證可追溯性的。

Roland Rossacher，技術研發(fā)部主管，已經負責自控馬達質量保證超過20多年了。他說：“我們的認證意味著我們有義務測試哪怕小的驅動部件。測量塑料材質的0.12模數(shù)的注塑齒輪（用在6mm直徑的GP6 行星齒輪箱）是一個困難的挑戰(zhàn)。”

幾年前，質量管理部主管和他的團隊不得不尋找合適的測量設備和手段詳細地檢測微型齒形部件的設計要求。Adrian Burch，裝配測試部門的質量保證主管，專注于這個目標。熟練的**技工總結了這些要求：“我們需要測量報告使我們的模具間能制定有效的修正并且能生產一系列高精密注塑模具且僅需少可能的修正循環(huán)。測量也必須適合微小齒輪的首檢和大量樣品的測試。”

微型齒輪的模塑、生產和測量是自控馬達的核心競爭力，位于瑞士Sachseln的工廠總部。在生產區(qū)域的微型EDM機床使用0.02到0.2mm直徑的電線來把模子注塑到需要的齒面上。在微型注塑模具生產線上，多達8個空腔模具生產塑料齒輪。

早前，Maxon motor 在輪齒測量時主要采用標準雙面嚙合齒輪滾動檢測。這是一種針對直齒輪和行星齒輪的傳統(tǒng)檢測方法，在VDI/VDE 2608 標準中有詳述。每種輪齒樣式都需要一個特殊的主齒輪。主齒輪和測試齒輪以較小壓力接觸，然后嚙合并旋轉，兩個齒輪無間隙嚙合并轉動一周。接著由軟件測量和分析出圓心距的變化和運動一致性。然而對于模數(shù)0.12 的小塑料齒輪來說，雙面嚙合齒輪滾動檢測的方法是有問題的。因為甚至是一丁點的壓力都會使微小的輪齒形變，從而導致錯誤的結果。

Adrian Burch 認為，顯然傳統(tǒng)的接觸觸發(fā)式探針和掃描探針等接觸式測量方法都無法解決上述問題。“這里我們還是需要在測量時產生接觸力，以生成探針的探測信號。同時這類探針球的直徑對于微小齒面的測量來說，還是太大，無法深入到齒根圓。”從根本上來說，只有光學方法適合這種測量任務，但是光學傳感器無法接近微型齒輪的齒面。

GP6行星變速箱中有圖中這樣的微小行星齒輪。測量它們是一項挑戰(zhàn)：模數(shù)

0.12的小齒輪，齒頂直徑1.908 mm，齒根直徑1.347 mm，13個輪齒，材

料為Delrin 100。圖片來源：Maxon motor)

Burch 先生的質量團隊終在惟德測量技術有限公司（Werth Messtechnik）找到了適合測量微型齒輪的可靠解決方案。惟德公司位于德國吉森，是三坐標測量技術領域的領頭羊，擁有多種光學傳感器，復合式傳感器系統(tǒng)，X 射線斷層掃描技術等多項先進技術，當然也包括對微型特征進行測量的技術。

Maxon motor 的質量團隊決定用高精度的WerthVideoCheck® HA 復合式三坐標測量機。選擇這一機器的原因是，在實驗室條件下，使用圖像處理傳感器可以達到雙向大允許誤差僅為（0.5 + L/900）μm。他們選擇了10 倍遠心鏡頭，觸發(fā)式探針TP200，惟德光學變焦鏡頭，**產品惟德光纖探針（WFP）和 WinWerth® 齒輪測量軟件包。“促使我們做出這一決定的主要原因是惟德光纖探針”，Roland Rossacher 解釋道，“我們甚至能夠用它對微型齒輪齒面進行標準測量，包括在掃描模式下。”

WFP 由一根玻璃光纖和其頂端直徑為20μm 的探針球組成。與傳統(tǒng)的接觸式測量方法相比，光纖探針的作用基礎是接觸-光學測量。其探針桿不再是用來向探針頭傳輸機械信號，而僅是用來定位微小的探針球。探針球的位置由圖像處理器通過遠心鏡頭以光學的方式捕捉到。這使得使用微小探針以相應的高精度（接觸偏差≤ 0.3 μm）測量幾何特征成為可能。與傳統(tǒng)的探針一樣，軟件通過探針球半徑來計算相應的測量點。因為探針桿非常細，所以接觸力幾乎可以忽略不計，即便對小的探針球來說也是這樣。因此，即使是敏感的塑料齒輪也不會變形。

WFP光纖探針是高精密應用中的微型探針。它使極度微小的幾何體以極小測力和高精密的測量成為了可能。

另外一個優(yōu)勢是，不需要復雜的夾具，因為工件所受外力幾乎為零。Ralf Nutto，測量工程師，已經負責使用Werth VideoCheck® HA 進行測量兩年了。他解釋說：“我們只需要將小齒輪用一片膠帶固定在測量臺的基座上，然后使用光學傳感器捕捉輪齒的外形輪廓。” WinWerth®測量軟件包用二維數(shù)據(jù)計算光纖探針在掃描時要經過的路徑，因為光纖探針也可以掃描未知的輪廓，當指定路徑不是嚴格需要時，沿著預設的路徑掃描會更快。由于齒輪的高度約為1mm，所以在掃描輪齒外形輪廓時，測量工程師將光纖探針的深度設置為接觸齒輪的佳區(qū)域-0.5mm。這個區(qū)域是任何別的方法無法到達的。后，通過使用同種方法測量軸座直徑，也可測量這些齒輪的徑向跳動。

掃描以高于1μm 的精度為輪廓提供很高的點密度，實際的輪廓在3D-CAD 對照中可以形象化，成為一個基于CAD 數(shù)據(jù)集的顏色編碼偏差圖。這個分析對模具車間很有意義，因為能夠在發(fā)生偏差的時候，**地在偏差位置修正模具。

組裝檢測QA 的主管，Adrian Burch，對測量時間也非常滿意。“每個樣品的測量時間大約是十分鐘，但為每種類型的齒輪進行一次性編程花費的時間稍微長一點。程序編好后我們會離線分析數(shù)據(jù)。”對他和技術開發(fā)部門主管 Roland Rossacher 來說，在maxon motor 推廣包括用光纖進行測量齒輪的專項技術毫無疑問是非常值得的。 終，由于首件檢測和過程評估的雙雙改進，模具車間的修正周期得以縮短，同時針對系列產品的檢測花費也大幅削減。Roland Rossacher 對此十分滿意：“我們有幾千個這種齒輪在投用， 而測量對此功不可沒“ 。

Roland Rossacher （左）, maxon motor 技術開發(fā)部門主管， Adrian Burch, 組裝檢測QA 部門主管（右）用打印的顏色編碼偏差圖評估測量數(shù)據(jù)。