一、项目背景
智能时代，齿轮天地，齿轮测量是一个看似古老而又充满生机的研究方向，不管是从单一零部件测量还是组合系统整体来看，齿轮等具有复杂三维空间型面的高精度测量技术依然是非常有挑战的。
国家齿轮基标准体系由螺旋线基准、渐开线标准和齿距标准三个单参数装置和相应的不同等级的量传标准器组成，但原有的齿轮基标准装置已老化无法工作。自2014年起我国齿轮产业规模位居全球第一，国内齿轮制造面临向中高端转型的压力，而齿轮基准的研制及量传体系的完善对保证国内齿轮产品制造质量和应用量值准确一致有重要作用，因此需要研制和制造相匹配的新的齿轮基准装置。
新的ISO齿轮标准中对齿轮和齿轮仪器提出了更高的精度要求，齿轮测量中心和坐标测量机已成为齿轮制造现场主流设备，但其核心的多轴联动复杂曲面成型控制反馈和测量技术是不对国内开放的。
二、方案创新与关键技术
齿轮基准生成的标准量值需要满足制造的要求：高精度、多参量综合测量的溯源需求，又无法依靠国外技术，因此立足自主研发，建立新一代齿轮基准，提升国家现有齿轮基准能力对保证国内齿轮制造精度的准确可靠和适应新的国际标准要求具有非常重要的、基础性的作用。
不同形成机理、不同空间方向的螺旋线和渐开线共存同一齿面，虽然空间几何型面复杂，但可以抽象看作是长度尺寸、角度尺寸与形状的复合测量。
为了达到基准高精度测量和直接溯源的目标，又为了规避商品类仪器修正模型不向国内开放的限制，项目提出了空间轨迹曲线测量系统和生成运动控制系统分离的设计方案，整套装置结构在国内加工和调试，其中空间轨迹生成运动控制系统采用了商用的坐标机多轴联动控制方案和技术，只用来做齿轮螺旋线和渐开线轨迹的生成，而齿轮测量和溯源的部分则由空间轨迹跟随测量系统实现，整个跟随测量系统由项目独立设计的二维激光干涉测量光路、自校准回转工作台系统、二维跟随机构、主从级6轴驱动控制和测量采集系统以及四个渐开线螺旋线量化控制和测量补偿模型组成。从外观结构看，整套装置变成了一个6轴坐标系统，空间轨迹跟随测量系统被嵌套于齿轮空间轨迹生成系统(齿轮测量中心)内，但又相互分离。跟随测量系统具备如下三个特点：
跟随系统按照项目研发的齿轮螺旋线渐开线空间展成模型设计路径规划，合理设置X/Z向直线位移与回转角的不同步距，使得激光干涉直线位移光路能同步跟随上按照齿轮空间轨迹线运行的小反射镜，并通过回转台的测量同步触发，实时同步采集激光干涉位移、回转角位移和3D探测系统的微位移信号，得到齿面轨迹实际测量信息，最后通过项目研发的齿轮螺旋线渐开线修正模型运算得到齿轮空间轨迹实际拟合线及齿轮参量误差。项目将复杂的螺旋线和渐开线空间曲线测量转化为更高准确度的激光干涉直线位移和自校准的回转角测量，实现了高准确度的齿轮空间轨迹线的测量及齿轮参量的直接溯源。不采用控制生成系统中的多轴光栅尺的信号做测量，也就最大程度避免生成系统的多轴结构几何误差对测量的影响。
跟随路径的控制与同步实时采集依赖于项目研发的主从级6轴联动驱动控制和测量采集系统，它由两个既独立又共同触发关联的控制模块组成，一个是以商业Pantec为主控制器的齿轮轨迹线多轴联动控制模块，另一个是以PMAC为主控制器的跟随测量采集系统。轨迹生成和跟随测量两个模块既相互独立，又相互联接，通过自校准回转台的光栅信号作为触发信号控制生成系统中的轨迹线生成和测量系统中跟随测量信号同步。两个模块需要控制整个装置中6个运动轴的驱动和9路测量控制信号的采集。
且二维激光光路经过优化设计，将小反射镜固定在3D探测系统的测杆上，实际的测量线从原来轨迹生成系统的导轨光栅尺布局的500mm处前移到了距离探测测头的50mm处，结构布局更符合阿贝原则，这样当仪器导轨角摆误差同样为0.5″时，可以使齿面展成测长误差从De1=1.2μm降低到De2=0.12μm，因此轨迹生成系统的三轴结构误差对齿轮参量测量结果的影响大大降低。
针对3D 探测系统沿齿面扫描时产生的挠曲变形对激光干涉测量齿面展长的精度损失问题，建立了激光测长补偿技术，使探测误差为1μm的3D探测系统对测长的影响降低到0.3μm以下，保证了渐开线和螺旋线测量准确度。
依据角度自封闭特性，实现了负载下螺旋线渐开线的回转角误差自校准修正技术，解决了工作台旋转运行时，由于螺旋线样板或渐开线样板由于自身重量或样板结构不对称造成偏载，对回转工作台产生新的回转角误差的修正问题，在不使用外部角度标准器的条件下，使回转台原始角误差由± 1.5″降低到± 0.15″，回转角精度提高一个数量级，有效提高了螺旋线渐开线的测量准确度。
螺旋线渐开线展成的回转角范围在十几度到一百多度，非整周运动，例如螺旋角30°标准样板的展成回转角范围是0°~80°，但自校准技术通过整周多点布局采样处理，使得各位置的角度自然封闭，这样就可以把任意位置的回转角都直接和360°这个自然基准进行比较，实现了最短链条的角度溯源。
带载工作台回转角误差的自校准和动态修正是在线测量的经典技术难题。螺旋线基准装置可以根据被测标准样板或标准齿轮实际负载的重量和偏心，实时修正补偿回转角误差曲线。
仅以齿轮标准器放置前的0kg负载和放置标准器后的5kg负载为例，从下图可看到不同负载下的回转工作台的角度误差曲线是不同的，且角度差最大能到0.5″;而且无负载时的回转角度偏差曲线并不是最小，实验结果的结论和常规认知并不同，这是因为气浮回转台有负载设计要求，只有在最佳负载范围内才能达到最好的使用性能。而常规的修正补偿技术只能在无负载的理想情况下进行，用无负载的补偿曲线修正计算带载下的回转角，可能会造成更大的误差。
新一代螺旋线基准装置在研究齿轮空间几何曲线综合测量和溯源方法的基础上，设计并实现了双激光干涉光路用于空间复杂型面--渐开线及螺旋线的测量技术、带载回转工作台角度自校准修正技术、三维探测扫描系统挠曲补偿技术、主从级闭环多轴联动驱动控制和测量技术等多个仪器关键单元技术，成功研制了可直接溯源的复合式齿轮螺旋线测量装置，螺旋线偏差测量不确定度U=0.9μm/100mm (k=2)，经技术鉴定及国际比对验证，螺旋线测量能力及技术指标达到国际先进水平。
项目从装置研制到国家基准的授权，历经9年积累，从无到有，突破了几何量测量仪器设计多个技术瓶颈，建立了新一代齿轮螺旋线基准装置，从质量保证的最高源头进行技术创新和能力提升，完善了国家齿轮量传体系，提升了我国齿轮螺旋线校准测量能力，齿轮标准量值通过各校准机构的量传和校准服务的辐射，确保了国内齿轮量仪和齿轮加工的量值准确性和一致性。项目已获国家市场监管总局科研成果奖二等奖。
