德国黑科技如何解决小模数齿轮测量难题

如何确保微型系统中的微型行星齿轮的质量？一台多传感器三坐标测量机，一个光纤探针，以及一套软件使之成为可能——运用扫描，甚至可以依照严格的标准快速地测量齿廓曲面。

从-100℃到+200℃的极端温度，振动，碰撞——来自瑞士萨克瑟恩的maxon 电机在为严苛的条件下可靠地完成了作业。这使得他们成为了非同寻常和具挑战性行业和应用的优选，例如太空探索：比如NASA的火星漫步者勇气号和机遇号，都分别装备了39个 maxon电机。十多年来，他们一直在那颗红色星球上艰苦的条件下稳定地工作着。

  在地球上， maxon DC电机在高达90％的机械效率下运行。它们被应用于天线，无线电杆，船舶和航空器上以提供畅通的通信。它们应用在减震器上；应用在工业生产中，提升生产自动化；应用在外科手术中，帮助矫正视力问题，为糖尿病病人提供确切的胰岛素剂量。

微型化的趋势体现在各行各业。这意味着电机元件必须越来越小。Maxon 电机以微型驱动器为名发布了模块系列，包括电机，变速箱，传感器，和控制电子元件等，这些模块可组合成直径仅为6 mm的微型驱动单元。

即便是这些微型化单元和它们的微型部件仍需要追求高质量要求——这是maxon的传统。1988年，Maxon公司获得了ISO 9001认证。如今电机制造商们也执行各种其他的质量标准，包括为航空航天行业开发和生产商制定的EN 9100标准。Maxon的医疗商业集团通过了ISO 13485 医疗标准认证，这证明所有的过程和步骤都是记录在案且能够保证可追溯性的。

Roland Rossacher，技术研发部主管，已经负责自控马达质量保证超过20多年了。他说：“我们的认证意味着我们有义务测试哪怕小的驱动部件。测量塑料材质的0.12模数的注塑齿轮（用在6mm直径的GP6 行星齿轮箱）是一个困难的挑战。”

几年前，质量管理部主管和他的团队不得不寻找合适的测量设备和手段详细地检测微型齿形部件的设计要求。Adrian Burch，装配测试部门的质量保证主管，专注于这个目标。熟练的**技工总结了这些要求：“我们需要测量报告使我们的模具间能制定有效的修正并且能生产一系列高精密注塑模具且仅需少可能的修正循环。测量也必须适合微小齿轮的首检和大量样品的测试。”

微型齿轮的模塑、生产和测量是自控马达的核心竞争力，位于瑞士Sachseln的工厂总部。在生产区域的微型EDM机床使用0.02到0.2mm直径的电线来把模子注塑到需要的齿面上。在微型注塑模具生产线上，多达8个空腔模具生产塑料齿轮。

早前，Maxon motor 在轮齿测量时主要采用标准双面啮合齿轮滚动检测。这是一种针对直齿轮和行星齿轮的传统检测方法，在VDI/VDE 2608 标准中有详述。每种轮齿样式都需要一个特殊的主齿轮。主齿轮和测试齿轮以较小压力接触，然后啮合并旋转，两个齿轮无间隙啮合并转动一周。接着由软件测量和分析出圆心距的变化和运动一致性。然而对于模数0.12 的小塑料齿轮来说，双面啮合齿轮滚动检测的方法是有问题的。因为甚至是一丁点的压力都会使微小的轮齿形变，从而导致错误的结果。

Adrian Burch 认为，显然传统的接触触发式探针和扫描探针等接触式测量方法都无法解决上述问题。“这里我们还是需要在测量时产生接触力，以生成探针的探测信号。同时这类探针球的直径对于微小齿面的测量来说，还是太大，无法深入到齿根圆。”从根本上来说，只有光学方法适合这种测量任务，但是光学传感器无法接近微型齿轮的齿面。

GP6行星变速箱中有图中这样的微小行星齿轮。测量它们是一项挑战：模数

0.12的小齿轮，齿顶直径1.908 mm，齿根直径1.347 mm，13个轮齿，材

料为Delrin 100。图片来源：Maxon motor)

Burch 先生的质量团队终在惟德测量技术有限公司（Werth Messtechnik）找到了适合测量微型齿轮的可靠解决方案。惟德公司位于德国吉森，是三坐标测量技术领域的领头羊，拥有多种光学传感器，复合式传感器系统，X 射线断层扫描技术等多项先进技术，当然也包括对微型特征进行测量的技术。

Maxon motor 的质量团队决定用高精度的WerthVideoCheck® HA 复合式三坐标测量机。选择这一机器的原因是，在实验室条件下，使用图像处理传感器可以达到双向大允许误差仅为（0.5 + L/900）μm。他们选择了10 倍远心镜头，触发式探针TP200，惟德光学变焦镜头，**产品惟德光纤探针（WFP）和 WinWerth® 齿轮测量软件包。“促使我们做出这一决定的主要原因是惟德光纤探针”，Roland Rossacher 解释道，“我们甚至能够用它对微型齿轮齿面进行标准测量，包括在扫描模式下。”

WFP 由一根玻璃光纤和其顶端直径为20μm 的探针球组成。与传统的接触式测量方法相比，光纤探针的作用基础是接触-光学测量。其探针杆不再是用来向探针头传输机械信号，而仅是用来定位微小的探针球。探针球的位置由图像处理器通过远心镜头以光学的方式捕捉到。这使得使用微小探针以相应的高精度（接触偏差≤ 0.3 μm）测量几何特征成为可能。与传统的探针一样，软件通过探针球半径来计算相应的测量点。因为探针杆非常细，所以接触力几乎可以忽略不计，即便对小的探针球来说也是这样。因此，即使是敏感的塑料齿轮也不会变形。

WFP光纤探针是高精密应用中的微型探针。它使极度微小的几何体以极小测力和高精密的测量成为了可能。

另外一个优势是，不需要复杂的夹具，因为工件所受外力几乎为零。Ralf Nutto，测量工程师，已经负责使用Werth VideoCheck® HA 进行测量两年了。他解释说：“我们只需要将小齿轮用一片胶带固定在测量台的基座上，然后使用光学传感器捕捉轮齿的外形轮廓。” WinWerth®测量软件包用二维数据计算光纤探针在扫描时要经过的路径，因为光纤探针也可以扫描未知的轮廓，当指定路径不是严格需要时，沿着预设的路径扫描会更快。由于齿轮的高度约为1mm，所以在扫描轮齿外形轮廓时，测量工程师将光纤探针的深度设置为接触齿轮的佳区域-0.5mm。这个区域是任何别的方法无法到达的。后，通过使用同种方法测量轴座直径，也可测量这些齿轮的径向跳动。

扫描以高于1μm 的精度为轮廓提供很高的点密度，实际的轮廓在3D-CAD 对照中可以形象化，成为一个基于CAD 数据集的颜色编码偏差图。这个分析对模具车间很有意义，因为能够在发生偏差的时候，**地在偏差位置修正模具。

组装检测QA 的主管，Adrian Burch，对测量时间也非常满意。“每个样品的测量时间大约是十分钟，但为每种类型的齿轮进行一次性编程花费的时间稍微长一点。程序编好后我们会离线分析数据。”对他和技术开发部门主管 Roland Rossacher 来说，在maxon motor 推广包括用光纤进行测量齿轮的专项技术毫无疑问是非常值得的。 终，由于首件检测和过程评估的双双改进，模具车间的修正周期得以缩短，同时针对系列产品的检测花费也大幅削减。Roland Rossacher 对此十分满意：“我们有几千个这种齿轮在投用， 而测量对此功不可没“ 。

Roland Rossacher （左）, maxon motor 技术开发部门主管， Adrian Burch, 组装检测QA 部门主管（右）用打印的颜色编码偏差图评估测量数据。