电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪设计

I 摘 要 本次毕业设计首先是对检测仪市场使用情况的数据进行采集工作，以确定设计的方案。 其次，分析所具备的条件因素，考虑厂方的成组技术要求，进行方案的制定。 最后，开始零件设计和重要零件三维绘图设计。 本仪器用于测量直齿或斜齿的圆柱齿轮的渐开线齿轮误差。这种仪器不需要不同尺寸的基圆盘。通过在仪器上的数控装置可以将被测工件的基圆半径调准到0.002MM.仪器表有电感比较仪 ,其传感器将被测工件齿形的渐开线误差传到指示电表上。本课题主要是着重与仪器机械结构方面的设计，并制作相关的三维软件，以满足设计改进，质量控制 ，售后服务，商务洽谈方面的要求。 目前在国内产品中销量很多。国产齿轮测量中心的质量和性能不断提高，已经具有和国外产品竞争的能力。不过在仪器精度、稳定性，尤其在测量软件、仪器故障诊断功能等方面，和国外还有一定差距。 关键词： 渐开线；仪器精度；数控装置；传感器 II Abstract This graduation design is first acquisition work on the use of market detector data, to determine the design scheme. Secondly, with analysis of factors, considering the requirements of group technology, make plan. Finally, start part design and important parts of 3D graphics design. This instrument is used for measuring the error of cylindrical gear involute spur or helical gear. This instrument does not need discs of different sizes. Through the numerical control device on the instrument can be measured workpiece radius of base circle aligned with the 0.002MM. instrument with inductance comparator, involute error of the sensor was measured the tooth profile of the workpiece to the indicating meter. This topic is mainly focuses on the design and equipment of mechanical structure, and fabrication of three-dimensional software related, in order to satisfy the design improvement, quality control, after sale service, business requirements. At present in the domestic sales of many products. The quality and performance of domestic gear measuring center continuously improve, ability has competition and foreign products. But in the instrument accuracy, stability, especially in the aspect of software, measuring instrument fault diagnosis function, there is still a certain gap with foreign. Key words: involute ； precision ； CNC device ； sensor III 目录 摘 要 . I Abstract . II 目录 . III 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容 和意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 设计的要求及基本技术规格 . 4 2.1 设计参数及要 求 . 4 2.2 设计任务及工作量 . 4 2.3 设计内容 . 4 2.3.2 设计说明书，翻译英文资料 . 4 3 总体方案的设计原理 . 5 3.1 总体方案的确定 . 5 3.1.2 齿轮实际齿轮误差的测量 . 5 3.2 原有仪器示意图 . 6 3.3 总体方案的确定 . 6 4 机械部分的设计与说明 . 8 4.1 转动机构的设计 . 8 4.2 导向机构的设计 . 9 4.3 伺服驱动元件的设计 . 10 5 机械传动部分的设计 . 12 5.1 纵向导轨的选择 . 12 5.1.1 承受载荷的估算： . 12 5.2 横向导轨的选择 . 13 5.3 滚珠丝杠副的计算 . 13 5.3.2 额定动载荷 Ca 的计算 . 13 5.4 稳定 性验算 . 14 5.5 轴承的选择 . 17 5.5.1 寿命计算 . 17 5.5.2 计算附加轴向力 . 18 5.5.3 计算单个轴承 的轴向载荷 . 18 5.5.4 计算当量动载荷 . 18 5.5.5 寿命hL10 . 18 IV 5.5.6 额定静载荷验算 . 19 5.5.7 极限转速验算 . 19 5.6 联轴器的选择 . 19 5.7 键的选择与联接强度的计算 . 22 5.8 步进电机的选择 . 23 6 维护与保养 . 25 7 结论和展望 . 26 致谢 . 27 参考文献 . 29 电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 1 1绪论 此次设计是我到单位设计的 ，在设计之前，我曾到公司参观了一台手动检测仪（如图1所示）对渐开线齿轮工作原理有了一些了解，并提出了这种数控改造方案。为了增加论文的可持续性和易懂性，在论文中配一些相关图解。 图 1.1 普通渐开线齿轮误差检测仪 1.1 本课题的研究内容和意义 本次毕业设计为了完全实现数控化，针对原有老式手动仪器的数控化改造，因此系统采新的机电一体化技术和元件器，现代的机械系统必然是由电脑控制的伺服系统，其中包含机电一体化机械系统，机电一体化集成电路 的应用，微电子和接口技术 ,传感技术等。为了适应工业发展的需要，精密测量技术也需要得到长远发展。因此，再此次对渐开线齿轮检测仪进行数控化改造，使其在应用中获得更佳性能参数。 1.2国内外的发展概况 从上世纪 80 年代开始，齿轮测量中心的开发受到众多齿轮测量仪器制造商的重视；90 年代逐步形成了系列化产品推向市场。 CNC 齿轮测量中心是信息技术、计算机技术和数控技术在齿轮测量仪器上集成应用的结晶，主要用于齿轮单项几何精度的检测，也可用于（静态）齿轮整体误差的测量。 德国 KLINGELNBERG 的 P 系列齿轮测量中心，其 特点是采用了专利的三维数字式高精度光栅测量头（使用了 HEINDENHAIN 的超高精度光栅）；性能稳定的优质铸铁床身，高性能直线电机驱动系统；高精度滚珠轴系和密珠滚动导轨。仪器精度达到德国标准 1 级。据报道该厂生产并经精化的一台 P65 齿轮测量中心，被英国国家齿轮计量实验室选定，作为英国齿轮精度传递及标定的基准仪器。美国 M&M 的齿轮测量中心，其三维高精度电感测量头；花岗石基座；精密气浮轴系以及精密直线滚动体结构导轨，成为该仪器的特色（近年也采用了直线电机驱动），仪器测量不确定度为 2m。德国 MAHR 的 GMX275 采用的模拟量测量头，可选择扫描或单点采样方式，可以按 0.1间距转动，使测头的测尖能处于被测齿面的法面上，仪器测量不确定度在测量空间内为（ 2.3m+L/200）。国外齿轮测量太湖学院学士学位论文 2 中心厂商，大多还开发了测量软件和加工机床的参数修正软件，选用相关软件，还能用于反求工程对工件参数进行测定。高精度和一机多能的特点，使齿轮测量中心更适合于工厂计量站使用。日本的齿轮测量仪器制造商，在我国市场经过近十年的沉寂后近年来亮相频繁。大阪精机在 GC-HP 系列齿轮测量仪器的基础上，开发出 CNC 电子创成式的 CLP 系列齿轮测量仪器。特别 值得一提的是最近在国内参展亮相的东京技术仪器公司（ Tokyo Technical Instruments Inc.）。在 2003 年底上海中国国际齿轮传动、制造技术及装备展览会上该厂首次展出 TTI-300E 型 CNC 齿轮检测仪，据称其质量较小的测头部件能单独在径向运动，便于快速测量齿轮齿距偏差。密珠轴系的主轴回转精度可达 0.03m，仪器测量重复性达到 0.5m。 国内近年来， CNC 齿轮测量中心有了长足的发展，哈尔滨量具刃具厂、哈尔滨精达公司都先后成功开发出了系列产品。哈量的 3903A 齿轮测量中心，经过几年努力 ，仪器精度和测量速度已达到或接近 KLINGELNBERG 公司产品的先进水平。精达公司作为后起之秀，发展引人瞩目，其 JD、 JDS 系列齿轮测量中心。 目前在国内产品中销量很多。国产齿轮测量中心的质量和性能不断提高，已经具有和国外产品竞争的能力。不过在仪器精度、稳定性，尤其在测量软件、仪器故障诊断功能等方面，和国外还有一定差距。令人欣慰的是国内齿轮量仪制造商已有共识，已联合高校院所协同攻关努力缩小差距；随着性价比的迅速提高，参与市场竞争能力的增强，国产齿轮测量中心的发展前景看好。 当前齿轮制造业的一个发展趋势，是 将齿轮测量技术和齿轮设计、加工制造进行集成，实现齿轮制造信息的融合及 CAD/CAM/CAT 的集成，从而构建一个先进的齿轮闭环制造系统（由于通常由数字化信息来实现，可称为数字化闭环制造系统）。随着齿轮制造业的快速发展，因此齿轮测量技术和齿轮测量仪器的发展方向更加明确。 1.3本课题应达到的要求 本仪器用于测量直齿或斜齿的圆柱齿轮的渐开线齿轮误差。这种仪器不需要不同尺寸的基圆盘。通过在仪器上的数控装置可以将被测工件的基圆半径调准到 0.002MM。仪器表有电感比较仪，其传感器将被测工件齿形的渐开线误差传到 指示电表上，用电表可以直接读数。本仪器也可以测量直尺圆柱齿轮的齿向误差（大致的设备的样子如图，但我设计的仪器与此有些出入）。 电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 3 图 1.2 电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 由于时间仓促和作者缺乏实践经验，在设计中出现的错误和不足之处恳请各位老师给予批评指正。 太湖学院学士学位论文 4 2 设计的要求及基本技术规格 2.1 设计参数及要求 测量范围： m=2 5； 分辨率： 0.002； 测量齿轮精 度等级： 7-10 级； 使用范围：基圆直径 d250m 的直齿，斜齿和圆柱齿轮。 2.2 设计任务及工作量 1.完成开题报告。 2.对指定零件进行有限元分析 3.查阅文献 15 篇以上，并有不少于 8000 字符的外文资料译文 4.中文摘要在 400 字以内，有 34 个关键词，外文摘要在 2000 字符以上 5.至少完成 A0 图纸 4 张和一份 1 万字以上的设计计算说明书 2.3 设计内容 2.3.1 仪器运动方案的确定 （ 1） 仪器伺服系统的选择，设计计算； （ 2） 机械结构总装图 ，部分零件图设计。 2.3.2 设计说明书，翻译英文资料 电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 5 3 总体方案的设计原理 3.1 总体方案的确定 3.1.1 渐开线的形成 本次毕业设计渐开线齿轮误差检测仪的原理 ,是基于在圆上产生渐开线的方法 .即一条直线沿着一个直径为 d 的圆 ,做无滑动滚动时 ,该直线上任意一点的轨迹为该圆的渐开线 ,如图3.1。 （ 图 1 ） 图 3.1 圆渐开线 3.1.2 齿轮实际齿轮误差的测量 我们现在在假设用被检测齿轮的基圆盘代替这个圆 ,用滑齿板代替这条直线 ,把检测仪的测头放在上图 1 的 A 点时 ,那么这个测头就会沿着尺面进行滑行 . 如果被检齿形符合理论的渐开线 ,则与测头相连的指示表指针就不动 ,反之 ,则指示表就示出偏差数值 .使用这种仪器 ,每一个不同基圆直径的齿轮 ,需要有一相应尺寸的基圆盘 ,这是一个很大的缺点。 为了避免产生上述的缺点 ,本仪器采用无滑动的滚动机构和可以调各种基圆半径的杠杆机构 .在仪器的内部装有一个固定的基圆盘 a 及连接在它上面的两条钢带 b,钢带 的另外两端分别固结在滑板 c上 .使滑板的运动传给杠杆直尺 d.杠杆直尺 d控制着测量滑架 .对滑板做平移运动 .即对基圆盘作切向运动 .测量时 ,将被测滑架上的测头调到被测齿轮的基圆上 .则当滑架移动时 ,测头即在被册齿面上滑行。 图 3.2 仪器原理图 太湖学院学士学位论文 6 其比例适合于 : 0RSRS （ 3.1） 式中 S固定基圆盘滚程 S受检齿轮基圆的滚程 R固定基圆半径 0R受检齿轮基圆半径 上式表明 ,仅有一个基圆盘，就可以检查任意基圆盘大小的渐开线齿廓 .由于滑板 c 的移动，通过杠杆，就可以带动测量滑架沿着与滑板平行的方向，产生一个适应于上述比例关系的移动量。这时测头的测来量，即按照理论渐开线在受检齿轮的齿面上滑行。 3.2 原有仪器示意图 图 3.3 仪器示意图 该测量仪器基座的两侧有两个电源插座，左侧的云斗插座插座可获得仪器总电源 ,右侧的插座可供测威仪 220V 电源。全套测威仪由传感器，测威仪电箱，功率放大电箱及自动记录器四个部分组成。 3.3 总体方案的确定 经过考虑 ,我确定了本次毕业设计的总体设计方案：我分别在老式手动检测仪的 Y 向和 Z向作了改动，改造后，被测齿轮通过安装心杆来固定在两顶尖之间 ,用两个步进电机分别代替以前的纯手动部件，控制带测头的工作台和被测齿轮的相互匹配运动，他们分别是用 Y向步进电机控制测头的工作台运动，用 Z 向步进电机来控 制被测齿轮的旋转运动，用软件(也就是用单片机语言编程 )来完成这些运动。 电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 7 在 X 向我用的是粗调和微调机构来调整被测齿轮的位置，粗条只能是调整被测齿轮的大致位置 ,而微调则是调整被测齿轮的精确位置，此次用来进一步确保该检测仪的精度。 因为滚珠丝杠转动平稳、结构紧凑、精度高，为了确保测量精度，所以我本次毕业设计选用滚珠丝杠的转动通过滚动导轨带动测头。 太湖学院学士学位论文 8 4 机械部分的设计与说明 4.1 转动机构的设计 本次设计的系统要 求精度很高 ,运动平稳 ,工作可靠 ,这个不仅仅是机械运动和机构所能解决的问题 ,而是要通过控制装置 ,使机械转动部分与伺服电动机的动态性相匹配 ,所以本次设计要求转动机构满足以下几个部分。 4.1.1 转动惯量小 也就是在不影响机械系统刚度的前提下，转动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降。所以在设计转动机构时应尽量减小转动惯量。 4.1.2 刚度大 刚度是使弹性体单位量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的： （ 1） 伺服系统动力损失 随之减小。 （ 2） 机构固有频率高 ,超出机构的频带宽度，使之不容易产生共振。 （ 3） 增加闭环系统的稳定性。所以再设计时应该选用大刚度的机构 。 4.1.3 阻尼合适 机械系统产生震动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小而且衰减也越快，但大阻尼也会使系统稳态误差增大，精度降低。所以设计时，转动机构的阻尼要选择适当。此外要球摩擦小（特别是提高机构的灵敏度），抗振性好（提高机构的稳定性），间隙小（保证机构转动精度），特别是其动态特性应与伺服电动机等其他环节的动态特性相匹配。 基于以上对转动机构的要求， 所以本次毕业设计选用滚珠式杠转动机构，它有许多优点，比如： （ 1） 转动效率高 ,它的效率高达 90%-95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的 1/3。 （ 2） 运动具有可逆性 ,即可以将回转运动变为直线运动 ,又可以将直线运动变为回转运动 ,而且逆传动效率几乎与正传动效率相同。 （ 3） 系统刚度好 ,通过给螺旋母组件内施加预压来获得较高的系统刚度 ,可以满足各种机械传动要求 ,无爬行现象 ,始终保持运动的平稳性和灵敏性。 （ 4） 传动精度高 ,经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具很高的制造精度 ,又由于摩擦小 ,丝刚副工作时温升和热变形小 ,容易获得较高的传动精度。 （ 5） 使用寿命长 ,滚珠是在淬硬道上做滚动运动 ,磨损极小 ,长期使用后仍能保持其精度 ,因而寿命长 ,且具有很高的可靠性 .其寿命一般比滑动丝杠要高 5-6 倍。 但是 ,滚动丝杠也有缺点 ,如 : （ 1） 不能自锁 ,特别是垂直安装的丝杠 ,当运动停止后 ,螺母将在重力重用下下滑 ,故长需设置制动装置。 （ 2） 造工艺复杂 ,滚珠丝杠和螺母等件加工精度 ,表面粗糙度要求很高 ,制造成本高。 虽然滚珠丝杠有两个缺点 ,但是基于它有这 么多优点 ,能保证本次设计测头的测量精度 ,电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 9 从而保证渐开线齿轮误差检测仪的精度 ,很能符合本次设计的要求。 由于滚动丝杠副独特的性能而受到极大的评价 ,因而已出成为数控机床 ,精密机械 ,各种省力机械设备急各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。 滚珠丝杠轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 :滚珠丝杠除了对本身单一方向的传动精度有要求外 ,对其轴向间隙也有要求 ,以保证其反向传动的精度 .滚珠丝杠的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原由间隙的总和 .通常采用双螺母预紧的方法 把弹性变形 控制在最小限度内 ,以减小和消除轴向间隙 ,并可以提高滚珠丝杠副的刚度。 目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达 0.05mm,而双螺母式的经过预紧力调整后基本上能消除轴向间隙 .应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点 : （ 1） 预紧力大小必须合适 ,过小不能保证无隙传动 ,过大将使驱动力矩增大 ,效率降低 ,寿命缩短 ,预紧力应不超过最大轴向负载的 1/3。 （ 2） 要特别注意减小丝杠安装部分驱动部分的间隙 ,这些间隙用预紧的方法是消除的 ,而它对传动精度有直接影响。 常用的双螺母消除轴向间隙的结构 有三种 : （ 1） 垫片调隙法； （ 2） 螺母调隙法； （ 3） 齿差调隙法。 滚珠丝杠副的支承方式的选择： （ 1） 一端固定 ,一端自由 (F-O)； （ 2） 一端固定 ,一端游动 (F-S)； （ 3） 两端固定 (F-F)。 本次毕业设计采用的是两端固定的方式 .因为两端固定方式的支承为减少丝杠因自重的下垂和补偿热膨胀，应进行的拉伸。只要实际问升不超过预见的温升，这种预见的温升就不会产生周详的间隙。 4.2 导向机构的设计 本次设计要求机械系统的各个运动机构必须得 到安全支承，并能精确的完成其特定方向的运动，这个任务由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，可以分为滑动导轨和滚动导轨。 其中滑动导轨有两个导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。滑动导轨结构简单，制造方便，刚性好，抗振性高，是机械产品中最广泛使用的导轨形式。为了减小磨损，提高定位精度，改善摩擦特性，通常选用合适的导轨材料，采用适当的热处理和加工方法，如采用优质铸铁，合金耐磨铸铁或镶淬火钢导轨，采用导轨表面滚扎强化，表面淬硬、涂铬、涂钼等方法提高导轨的耐磨性。另外采用新型工程塑料可满足导轨低摩擦、 耐磨、无爬行的要求。 滚动导轨的承载能力很大，它的轨道采用圆弧形式，增加了滚动体与圆弧轨道接触面积，从而大大的提高了轨道的承载能力，可以达到平面轨道的 3 倍。滚动导轨的刚性很强，太湖学院学士学位论文 10 在该导轨制作时常常需要预加载荷，这种导轨系统刚度得以提高，所以滚动直线导轨在工作时能承载较大的冲击和振动。滚动导轨的寿命长，由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导敦的 1/50 左右，磨损小，因而寿命长，功耗小，便于机械小型化。滚动导轨传动平稳可靠，由于摩擦小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。还有，滚动导轨具有结构自调整能力 ，装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。 基于以上滚动导轨的优点，所以本次设计选用滚动导轨作为导向机构，来作为导向和支承用。 4.3 伺服驱动元件的设计 伺服系统也叫做随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行运作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。 大多数伺服控制系统具有检测反馈控制理论，伺服系统不断的检测在各种扰动作用下被控对象输出量变化，与指令值进行比较，并用两者的偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。 伺服系统中所用到的执行元件很多，主要有：电气式、 液压式、气压式，其中电气式主要有步进电动机、支流伺服电动机、交流伺服电动机。本次毕业设计选用的是步进电动机。 伺服系统要求执行元件惯性小、动力大，着为了使伺服系统具有良好的快速响应性和足够的负载能力，希望执行元件具有较小的惯量，并输出较大的功率；要求执行元件体积小、质量轻，这是为了执行元件易于安装及与机械系统连接，使伺服系统结构紧凑，常常希望执行元件具有较小的体积和较轻的质量；要求便于进行微机控制，因为机电一体化产品多采用微机控制，因而要求伺服系统及执行元件也能采用微机来统一控制；另外，伺服系统还要 求执行元件成本低、可靠性好、便于安装和维修。 步进电机又被叫做马达，是伺负电动机的一种。步进电动机可以按照输入的麦冬指令一步步地旋转，即可以将输入的数字指令信号转换成相应的角位移，。因此，它实质上也是一种数模转换装置。由于步进电动机成本较低，易于采用计算机控制，因而被广泛用于开环控制的伺服系统中。 4.4 其他元件设计 本次设计的粗调与微调机构选的是丝杠螺母机构，采用手动调整丝杠螺母机构来做 X向的运动，以此来调整被测齿轮和测头的位置，进一步地保证测头的测量精度，保证整个测量仪的精度。 本次设 计中测头在测齿行误差时会有跳动量，我们通过传感器、放大器、显示器把这个跳动量显示出来。 其中测量记录的设计原理如图 4.1。 电脑渐开线齿轮齿形误差检测仪 11 振荡器放大器相敏整流器功率放大器记录器测量电桥传感器指示器 图 4.1 测量记录的设计原理 其中传感器内两个电感线圈按差动方式接在测量电桥上，传感器测端的位移就直接带动两个电感线圈内衔接的铁位移。当衔铁处于两线圈中间位置时，两线圈电感相等，测量电桥平衡，没有输