大型齿轮渐开线齿形误差在线测量仪器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业综合课程设计设计说明书 撰写要求 1. 整理提纲，与指导教师讨论设计说明书的撰写内容； 2. 设计说明书应在设计工作的基础上独立完成，严禁抄袭 ，以便培养良好的学术道德 ； 3. 设计说明书内容包括： 摘要、 目录（标题及页次）、设计任务书、 总体设计（设计任务分析与创新点的构思、测控仪器若干设计原则的考虑、测控仪器若干设计原理的讨论、测控仪器工作原理的选择和系统设计 、 测控系统主要结构参数与技术指标的确定 、 测控仪器造型设计） 、 精度设计 、 机械系统设计、光电系统设计、软件系统设计、精度分析、设计小结及参考文献； 4. 设计说明书应按教师推 荐的格式书写，要求文字简明、通顺，尽量使用专业术语； 5. 说 明书的内容应以计算内容为基础，参数的最后选择应符合相关国家标准； 6. 设计说明书中的相关计算内容应列出计算公式，标注出处、单位，写出简短的分析结论； 7. 为了清楚说明计算内容，应附必要的插图和简图。在简图中对主要零件应统一编号、以便在计算中和分析中引用； 8. 全部设计中所使用的参量符号和标注，必须前后一致， 各 参量的数值应标注单位（采用国际单位）； 9. 设计说明书文中和文后要标注和著录参考文献，标注和著录参考文献的方法参考 中华人民共和国国家标准 71487文后 参考文献著录规则 。 王代华 2003 年 12 月第一稿 2004 年 12 月修改 2005 年 12 月第二次修改 2007 年 1 月第三次修改 2009 年 1 月第四次修改 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 随着工业化、信息化的不断进步，对齿轮的要求也进一步提高。齿轮检测技术则在齿轮制造中占据着举足轻重的地位，没有先进的检测方法和可靠的检测仪器，就不可能制造出适应现代工业的高精度的齿轮。 针对大型齿轮齿形误差的在线测量，本设计中采用了机械、光电、计算机一体化的设计理念。在总体设计中阐述了大齿轮在位测量系统的工作原理及系统组成的各个部分，在关键的机械装置设计过程中应用了坐标系统一的思想；在误差分析过程中合理分配各部分误差，并采用了高精度的测量方法来减小误差，根据测量头所采集的齿轮误差信息，通过光电系统对测量头信号进行调理，完成了实际齿轮齿廓的测量； 电气子系统使用单片机完成数据采集以及点击的控制，将数据传送到 行后期的处理打印。 软件子系统的设计是基于 010 平台，运用 C#编程语言，构建了测控系统人机交互平台，实现了误差的自动采集、处理、存储、显示、打印。 关键词：大齿轮 齿形误差 直线基准 在位检测 定位 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 目 录 摘要 .录 .、设计任务书 、总体设计 .、精度设计与误差分配 、机械子系统设计 、光电子系统设计 、软件子系统设计 、精度分析 、心得体会 考文献 .录 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 1 专业综合课程 设计设计任务书 设计题目： a 型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪 ) 设计要求： 设计大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪器，结构简单，重量轻，体积小，测量链短； 被测齿轮参数： 模数 8nm数 90Z ，精度 4 级及其以下； 实现误差数据的自动采集、 处理、存储、显示、打印输出检测参数； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2 总体设计 言 齿轮是机械制造中的重要传动元件 ,它广泛应用于汽车、机床、工程机械、发电、船舶、航天航空、兵器等各方面。随着仪器科学的发展 ,对于齿轮制造精度的要求日益提高。因此在不断提高齿轮加工工艺水平的同时 , 还必须不断地完善各种齿轮的测量方法与装备 ,把齿轮测量技术提高到一个新的水平。在做到准确测量的同时 , 通过分析、研究测量出的各种参数误差 , 找出其产生的原因及解决的方法 , 并将其提供给制造加工 部门 , 使他们能够及时改进加工工艺 , 提高产品质量。 齿形误差 是指 在齿轮端截面上齿 形 的工作部分内 ， 包容实际齿形 且距离最小 的两条设计齿形间的法向距离 ，它 是一个合成误差 。 评定渐开线齿形用两 平 行直线来包容评定 ，设计齿形则用两条平行的设计齿形线来包容 。 齿形误差可使齿廓上接触点脱离啮合线造成瞬时传动比的变化，影响齿轮传动的平稳性，因此齿形误差是评定齿轮加工精度的主要项目之一，必须严格控制在国家标准的齿形公差范围内。 要测量方法 齿形误差的主要测量方法有：直角坐标法、标准渐开线法以及直线基准法。 角坐标法 坐标法是指将被测齿形上的若干点的实际坐标与理论坐标进行比较，计算得出齿形误差。根据测量过程中采用的渐开线坐标形式，坐标法可以分为直角坐标法与极坐标法。 直角坐标法测量渐开线齿形的原理是把被测齿形置于给定的直角坐标系中，把测量得到的齿形各点的直角坐标值与其理论坐标比较，经数据处理获得齿形误差。这种方法的控制与数据处理软件均比较复杂，测量精度难以提高。 极坐标法的渐开线齿形测量仪，其工作台在旋转的同时，测头按渐开线极坐标方程() 沿径向移动，同时测量 实际齿形偏差。此方法测量齿形，不需要切向运动机构，可以简化齿轮测量中心的机械结构，但数据处理复杂，两轴位移非线性，对径向测量系统的精度及测头相对于齿轮轴线的位置精度要求较高，仅适合中等精度齿形的测量。 准渐开线法 将被测齿形与仪器产生的理论渐开线轨迹进行比较，从而求出齿形误差的方法称为标准渐开线法。用一直尺与基圆盘相切，当基圆盘旋转，直尺沿切线方向做无滑动的移动时，直尺与基圆盘的切点相应移动，使直尺上的点 A 相对于基圆盘上的点 A 形成理 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 图 2线 基准法示意图 论渐开线轨迹。若测微仪的测端相对于切点，当被测齿形与测端接触时，就可以使实际齿形与理论渐开线轨迹进行比较，从而测得误差 在大齿轮的测量中，理论渐开线轨迹不容易复现，常用一些简单的几何型线，如圆 弧和直线来代替理论渐开线作为替代标准。 线基准法 测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。如图 2示，测量头 A 只能沿 Y 轴方向作直线运动，而且始终保持与齿面接触。当测量头 A 沿 Y 轴方向做直线运动时，它在 X 轴方向的变化量可以由测 微传感器反映出来。 假设在齿形工作范围内齿面上任意一点则i既包括了齿形误差信息量又包括了测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的原理误差i即X 。 次设计原理选择及选其的理由 我们选择直线基准法作为设计原理，应属于展成法范 围，其原理是利用 测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线 。在齿形工作范围内，用直线作基准在位检测大齿轮渐开线误差是完全可行的。 选择直线基准法主要考虑到以下三点： 大型齿轮渐开线轮廓接近直线，在测量范围内原理误差不大，有利于实现测量原理。 随着齿数和模数增大，其原理误差变化不大，故该测量原理适用范围广，具有现实意义。 运用该方法易于实现在线测量 ，并且有利于提高大型齿轮在位测量的精度 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 新点 采用单片机作为数据接收和电机控制 , 单片机与总线相比优点 : 单片机成本低廉（ 4 5 元），相较于 总体仪器开销微乎其微。 利用总线方式， 槽位于 主板上；若利用 口，会占用主板硬件资源。 卡已插在 ，则 板卡间需要信号线。 传感器 输出线太长，容易受干扰，带入噪声。 利用单片机方便对采集与电机执行控制得到采样信号后与 信，将采样信息送入 式 1：无线串口蓝牙，方式 2： 式。 省去很多硬件资源，如分频器件、总线控制器、缓存器等。 量仪器工作原理及其系统设计 线基准法的基本原理 测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨 迹去逼近齿形渐开线，如图 2示 ：在齿形工作范围内的齿面上的任意一点 11i （ 2 式中，齿形误差信息，了研究方便，建立三个坐标系 ： 1 1 1 1 1,O x y z ： 其原点 1O 为被测齿轮的轴心，其 1y 轴为 1O 点的渐开线发生点的连线 ； 2 2 2 2 2,O x y z ：其原点 2O 为齿廓上的某点（暂定为分度圆上的点），其 2y 轴为在该点处齿廓的切线； ,O x y z ：其原点 O 为通过测量 头球心 A（ A 点位于 2x 轴上）同 2y 轴平行的直线与被测齿中线的交点，显然 y 轴平行于2三坐标系的建立如图 2示 。 论渐开线数学模型 测量头在齿廓上滚动，其轨迹就是理论渐开线齿形的等距渐开线，故 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 图 2坐标系的建立 2 1 s e c ( )2 d （ 2 式中， d 为测量头直径，b为基圆螺旋角。 如图 2示， 有 t a n ( )ti ti ti （ 2 1s i n ( ) s i n ( )c o s ( ) c o s ( )t i t i t i t R （ 2 1c o s ( ) c o s ( )c o s ( ) c o s ( )t i t i t i t R （ 2 因此在1 1 1开线上任意一点 径矢 ( 1)( 1 )( s i n ( ) c o s ( ) )( c o s ( ) s i n ( ) )0b t i t i t t i t i t （ 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 齿廓上展角，压力角。 从1 1 1 2 ( 2 ) ( 1 ) 1 R A （ 2 1 1 1量投影到2 2 2于1 1 1 2因此可得 2 1 12 1 12c o s ( ) s i n ( )s i n ( ) c o s ( )0x yy x （ 2 1 1x 轴分量，1y为 y 轴分量。t为分度圆上的展角。 则 2 12112c o s ( ) s i n ( ) 0s i n ( ) c o s ( ) 00 0 1 （ 2 然后通过平移 1s i n ( )c o s ( )0（ 2 就可得到接触点在2 2 2 ( 2 )( s i n ( ) c o s ( ) ) c o s ( ) ( c o s ( ) s i n ( ) ) s i n ( ) s i n ( )( s i n ( ) c o s ( ) ) s i n ( ) ( c o s ( ) s i n ( ) ) c o s ( ) c o s ( )0b t i t i t i t b t i t i t i t t i t i t i t b t i t i t i t R R （ 2 从2 2 2 2( ) ( 2 ) 2 R A （ 2 显然2为 0，故变换矩阵为 21 0 00 1 00 0 1（ 2 2 2 22 * * )2 ，b为基圆螺旋角，d 为测量头直径。在 2y 轴方向上向上平移 L ，根据图 2得 2 ta n ( ) R （ 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 1 t a n ( ) R （ 2 根据齿轮的一些方程式得 2（ 2 12R （ 2 由公式 （ 2、 （ 2、 （ 2和 （ 2 2Z（ 2 1ta n ( ) （ 2 可得到 1s e c ( )21s i n ( ) s e c ( ) c o s ( )2 2 22s i n ( )20（ 2 令 1 ( s i n ( ) c o s ( ) )2 ( c o s ( ) s i n ( ) )b t i t i t ib t i t i t （ 2 则 ()11 c o s ( ) 2 s i n ( ) s i n ( ) s e c ( )21s i n ( ) s e c ( ) c o s ( )2 2 21 s i n ( ) 2 c o s ( ) c o s ( )s i n ( )20t t t t R R （ 2 式中， m 为齿轮模数， Z 为齿轮齿数， 111s i n ( ) s i n ( )22 T （ 2 则可得到 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 11s i n ( ) s e c ( ) c o s ( )2 2 2s i n ( ) c o s ( ) c o s ( )2 2 2t Z （ 2 位球球心相对于齿轮轴心位置 如图 2示 ， 在定位球与齿的接触点上，半径为宽为 2ii t t i R i n v i n （ 2 t a n ( )t a n ( )ti ti t v （ 2 则齿间隙为 2 （ 2 由 公式 （ 2 2 2得 ()2 t t i i n v i n R （ 2 由图 2知 R i DO 1 A 图 2位球球心相对于齿轮轴心位置图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 t a n ( ) t a n ( )2 c o s ( ) b t i b t R 化简得 2 c o s ( ) ( t a n ( ( ) ) t a n ( ) )2 tb b t i t i t t D R i n v i n R （ 2 量头坐标计算的数学模型 如图 2示 ， A、 B分别为两定位球球心，测量头在坐标系 的位置可由下式表示 ( )c i E A F L A （ 2 在图 2可知 111s i n ( ) s e c ( ) c o s ( )2 2 2s i n ( ) c o s ( ) c o s ( )2 2 2 1 c o s ( )t O O O （ 2 图 2量头坐标计算的数学模型图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 根据 图 2 c o s ( )2 （ 2 将公式 （ 2代入 （ 2得 11 s e c ( ) c s c ( ) s i n ( ) c o t ( ) c o s ( ) c o s ( )2 2 2 2 2c o s ( )2b t R A Z Z （ 2 t a n ( )2 W Z （ 2 ( ) c o s ( )2 C C E Z （ 2 1 s i n ( ) A O Z（ 2 s i n ( )2 O E Z （ 2 将 A 代入，可得 1 1 s i n ( ) s e c ( ) s i n ( )22t b O d （ 2 量系统设计 体功能结构规划 大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪设计， 是 光、机、电、算一体化的有机结合。该测量系统包括测量数据的自动采集、处理、存储、显示、结果分析及打印输出。 该测 量系统具体是由机械主体、误差信号提取及处理单元电路、采样控制信号单元及伺服驱动单元电路四部分组成，整个测控系统以 单片机 机为 数据采集和电机控制中枢，同步将数据发送到上位机，在上位机上实现计算、显示、打印等操作。 机械子系统通过传感器实现自动测量，将位移量转换为电学量送入光电子系统，光电子系统将转换过来 的电学量进行信号处理、分析，并实现对机械系统动力的自动驱动控制，同时将信号送入计算机，软件系统通过人机界面将信号获取，并经最终的数据处理、误差分析等处理。 本仪器是针对齿数为 150，模数为 10，精度 9 级 的一类大型齿轮齿形误差测量而进行的设计。其功能由机械 子系统 、电 气子系统 、软件 子系统 三个部分实现。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 械子系统功能实现 测量系统的定位 测量系统的定位主要是为了确定齿轮的基圆半径，确定齿轮的中心。在系统运行开始时，软件系统的人机对话界面在输入待测齿轮参数后，系统自动提示可选用的定位球直径 的大小 范 围 ，及 已经计算确定的 定位臂的长度 范围和 调整参数，选用合适的定位球直径和定位臂长，系统可以自动的确定定位位置并补偿定位误差。 测量系统的定位靠定位球 A 和 B 完成 , 定位球 A 的移动靠微分筒的丝杆驱动并带有锁紧装置，定位球 B 为浮动 。在 定位时 首 先调整 A 的位置，并锁紧 后 ， 定位球 B 会自动伸入另一个齿槽中，完成定位功能。为了适合不同齿轮的测量，需要设定不同定位球的大小和测量臂长度的选择，这个通过一定的计算公式有软件部分给出相应的推荐范围。 为测量不同模数和不同直径的齿轮，要求定位球易安装及更换，且定位精度高，重复性好。对于锁 紧螺母与半球形垫圈，应避免夹紧时的过定位，保证定位精度，且装夹方便。 位移的测量（ X 和 Y 方向） X 方向 即 齿形误差信号 由测量头测量，经杠杆机构将齿形误差信号放大，由电感传感器进行测量。在杠杆机构中，利用十字片簧机构 可 使测量头与实际齿形机密贴合 。片簧与柱销构成换向机构，用于测量左右齿面。 考虑测 量 头的应力变形，分析时，先将测 量 头测量的偏移 量 通过测杆传递到片簧，计算出弹力的大小，再将弹力折算到测头的受力，计算出应力变形的大小 并 给予适当的补偿 。 在 Y 方向上，主要 通过光 电 子 系统 对 光栅位移传感器的条纹计数来控制 Y 方 向上恒定的位移，从而实现 等 距离的数据采集 。 每次移动的距离决定了数据采集的精度。在 该方向上的运动靠步进电机控制丝杆导轨，因此涉及到步进电机的选择和导轨的选择 。 步进电机主要考虑到步进角和转矩，丝杆导轨考虑与步进电机的选择匹配。 采用密珠滚动导轨 ，其运动灵敏度较高，并具有较高的导向精度。数据采集机构 安装在双 V 行密珠导轨副的动导轨上，导轨的运动采用滚珠丝杆副驱动，并利用长光栅位移传感器检测其运动量。由于该导轨采用单层导轨，避免采用复合导轨引起的仪器误差，易于保证精度。 箱体的设计 箱体的设计主要参考设计机械部 分装配后的具体尺寸， 并 根据一些设计 手册 等资料提供的数据，确定箱体的尺寸、壁厚、肋板和凸台等的布置和结构参数 。 电子系统功能实现 测控系统硬件电路 原理如图 2示 。 由 电感传感器将 测量头传递过来的 齿形误差 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 信息转换成模拟信号， 并 经过模数转换器转换成数字信号 ，通过 I/O 端口送入 单片 机。通过光栅位移传感器获取直线位移导轨的位移量，其作用有两方面：一方面通过采用信号发生器产生采样信号，采集齿形误差信息；另一方面通过莫尔条纹的计数单元获得导轨的准确位置，再通过计算获得齿形误差。 图 2控系统硬件电路原理框图 在齿形误差测量测控电路中共有三路信号。 最上路信号是由电感测头测量位移量经十字片簧和杠杆机构放大、传递出来的输出信号。经过放大、电平平移、限幅、 A/D 转换后 送入单片 机 采集，再将采集的结果发送给 另一路信号由光栅位移传感器采集导轨运动方向和位移量信号，经过放大、整形、细分判向和计数处理 送入单片 机进行处理，并在相应个数计数脉冲后产生中断。 单片机 输出脉冲控制步进电机转动实现导轨移动，从而使测头随齿行方向移动。 步进电机 电机驱动 电源管理模块 示状态 运行参数 电感传感器 自举放大 电平平移 限幅电路 滤波 采样保持 0 891 光栅位移传感器 信号调理 细分辨向 串口 口 反 向 计数 正向 计数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 登 录 主 界 面结 束实 验 参 量输 出开 始 测 量 并同 步 显 示误 差 处 理 及图 样 显 示参 数 录 入初 始 化图 2件系统主模块框图 量系统软件结构 系统软件是系统可靠工作的关键，采用模块化结构 ，首先通过参数初始化及计算求出定位球直径的范围，再经过定位球直径、跨齿数、定位臂长和测量臂长的选择，通过I/O 端口采集数据，并将数据进行处理，最终将齿轮齿行误差 显示在窗口上。软件系统主模块框图如图 2示。 控仪器设计原则考虑 在仪器设计长期实践的基础上，设计者经过不断的总结经验、继承和发展前人的科技成果，形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的仪器设计所遵循 的基本准则与基本原理。 这些设计原则和设计原理，根据不同仪器设计的具体情况，作为仪器设计中的技术措施，在保证和提高仪器精度，改善仪器性能，以及在降低仪器成本等方面带来了良好的效果。因此，在仪器的总体设计中，要特别注意的一个重要内容就是具体考虑各 设计原则和设计原理在仪器设计中应如何实现以及采用何种具体措施实现。 贝原则 对于线值尺寸测量仪器的设计，阿贝提出了一条具有指导性的原则，原则指出：为使量仪能正确给出测量结果，必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。就是说，被测零件的尺寸线和仪器 中作为读数用的基准线（刻线基准）应顺序排成一条直线。 但在实际设计中，完全遵守阿贝原则会造成： 仪器外廓尺寸过大； 多自由度测量仪器很难在所有方向上都遵守阿贝原则； 仪器设计者在大量的实际工作中进一步扩展了阿贝原则的定义。阿贝原则的扩展包含了三重意思，即： 标尺与被测量一条线； 若做不到，则应使导轨没有角运动； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 若导轨存在角运动，则应跟踪测量算出偏移量加以补偿； 遵守这三条中的任意一条，就遵守了阿贝原则。 在本次设计中，测头在 X 方向采用了数据采集机构，不符合阿贝原则，在设计过程中应尽量 减少测头的延伸长度 以 保证传递机构的运动精度 ，并考虑是否需要进行阿贝误差补偿。 测头在 Y 方向上，标尺光栅和测量线在一条直线上，运动导轨为 双 V 形滚珠导轨，运动的灵敏度较高，导轨的角运动极小，因此可认为是符合阿贝误差的。而指示光栅和标尺光栅的距离又很接近，其误差可忽略不计 。 形最小原则 变形最小原则是指尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。 在仪器工作过程中，无论是受力引起的变形，或是温度变化或其它原因引起的变形，都是 无法避免的。例如：仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测量误差；温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化。为此，需要着重考虑变形最小原则。 量链最短原则 测量链最短原则是指构成仪器测量环节的构件数目应最少。在仪器的整体结构中，凡是直接与感受标准量和被测量信息的有关元件均属测量链。这类元件对仪器精度影响最大，一般都是 1： 1 影响到测量结果，因此设计时应尽量减少测量链环节以提高仪器精度。 测量链最短原则，一般只能从原始设计上加以保证，不能采用补偿的方法来实现。如采用 电子式位移同步比较原理的仪器可以大大缩短测量链，使仪器的精度及其它方面的功能得到大幅度提高。 本设计中采用了电子式位移同步比较原理，可以大大缩短测量链，使仪器的精度及其它方面的功能得到大幅度的提高。测量时，使触头和被测齿轮的齿面接触。在测量过程中，电感传感器采集触头在 X 方向上的微位移信号，光栅传感器采集导轨运动方向信号，两路信号同时送入计算机进行分析。这就是位移量同步比较原理。 标基准统一原则 坐标系基准统一原则是对仪器群体之间的位置关系，相互倚赖关系来说，或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配 要求来说。对零部件设计来说，这条原则是指：在设计零件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够比较经济地获得规定的精度要求而避免附加的误差。对于部件装配，则要求设计基面、装配基面和测量基面一致。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 在本设计中，标准渐开线的数学模型、测量头的移动、定位球的定位精度等相关计算最后通过坐标变换统一到 ，从而避免了附加误差。 度匹配原则 精度匹配原则是在对仪器精度分析的基础上，根据仪器中各部分环节对仪器精度的影响程度不同，分别对各部分环节提出不同的 精度要求和恰当的精度分配。 本次设计中机械子系统部分误差权重较大，光电子系统次之，软件子系统误差权重最小。具体精度分配在精度分析中有详细阐述。 济原则 经济原则在仪器设计中应从以下几个方面考虑工艺性 ： 合理的精度要求； 提高仪器寿命； 尽量使用标准件和标准化模块； 合理的调整环节，设计合理的调整环节，往往可以降低仪器零部件的精度要求，以便降低成本的目的； 合理选材。 合理选材是仪器设计中的重要环节之一，从减小磨损、减小热变形、减小力变形、提高刚度及满足许多物理性能上来说，都离 不开材料性能。而不同的材料，其成本差价很大，因此合理选材至关重要。 型设计 型要求 1 外形齿廓应由直线和光滑曲线组成，尽量避免过度的突出物，是外形美观大方 ； 2 结构匀称，场合宽的比例近似为黄金分割 ； 3 结构要稳定安全。 饰方面 1 色彩格调符合人的审美观，给操作者美的感受 ； 2 造型与布局的关系，以布局为主，造型应为布局服务，为布局上使用方便服务。 控系统主要结构参数与技术指标的确定 头在 X 方向的行程 被测齿轮参数 Z=150， 0 ,精度 为 9 级 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 有效起始点展开长度 有效起始点展开角计算公式如下： s (22 (2。180 (2由起始测量点的展开角可求得起测点坐标（ x1, 有效测量长度 有效展开角计算公式如下： s (2222 (2。180 (2由终止测量点的展开角可求得终测点坐标（ x2, X 方向有效行程为 | 头在 Y 方向的行程 同理， Y 方向有效行程为 位球直径的选择 定位球 直径的 大小要保证其同两齿廓可靠接触， 使 定位球球心位置应在分度圆与齿顶圆之间变化 。 定位球具体计算公式如下式 2 c o s ( ) ( t a n ( ( ) ) t a n ( ) )2 tb b t i t i t t D R i n v i n R (2将 （ R 为分度圆半径）和 （ 齿顶圆半径）分别代入 公式 可得到定位球的最大和最小值，由此可计算定位球的直径范围 。 齿数 Z 越大， 定位球直径 D 越小，但是对 D 的影响很小，而模数 D 的大小起决定性作用。 由 7 所规定的标准模数系列 ,如表 2示 。 由 6 所规定的标准球面直径 ，如表 2示 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 表 2位球直径范围 (第一系列 8 12 14 16 20 25 32 40 50 D二系列 9 14 18 22 28 36 45 D D 表 2位球直径推荐表 (m=8,9,10 D=16 m=12,14 D=24 m=16,18,20 D=32 m=25,28,32 D=56 m=36,40 D=80 根据以上数据就可以选出所需的定位球直径。 结 通过测量头的直线运动 轨迹做基准来在位检测大齿轮渐开线齿形误差，不仅提高了在位测量的精度，还大大降低了测量费用。仪器在使用时，机械子系统通过定位 球高精度定位，并使测量头与齿形相接触，由步进电机驱动滚珠导轨，带动测量头微动，微小的测量头在齿轮渐开线上摆动，其摆动量通过一个杠杆机构传递给电感传感器，将齿形误差位移量转换为电信号，电信号输入到光电子系统中，光电子系统承载着信号的采集和转换，并将信号通过端口送入软件子系统，软件子系统采用人机交互的可视化界面，将标准齿轮渐开线和实际测量的齿轮渐开线相比，并将齿轮齿形误差输出在显示屏幕上。用户操作简单，并实现了高精度的测量。 测量总流程图见图 2 系统总体框图见图 2a 为待测齿轮， b 为电感传感器测杆， c 为 定位球， d 为光栅位移传感器， e 是步进电机。测量时， b 得到的 X 方向的位移量经过信号调理和 由串口送入 Y 方向的信号经过细分辨向送入单片机的 2 个定时计数器，完成 Y 方向的位移测量。另外，单片机通过发送一路频率信号和一路方向信号完成对步进电机的控制。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 图 2生脉冲驱动电机前进 单片机上电初始化 串口读入参数 电机归位 启动 化 Y 方向位移增加 y 正负计数单元清零 读入正负脉冲 电机移动至起测点 等待 换完成中断 结束 正脉冲与负脉冲之差 =200？ 是否达到终测点？ 是 是 否 否 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 图 2 2D 转换完成中断 将 C 等待发送结束中断 返回 串口 发送结束中断 返回 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 图 2统总图买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 3 精度设计和误差 分配 度设计 合理的精度设计离不开对仪器各组成部分源误差对仪器总精度影响程度的正确估计，对于一些对仪器精度影响较大的环节给予较严的精度指标；对于那些对仪器精度影响较小的环节给予较宽松的精度指标，在满足仪器总精度要求的前提下使成本降至最低。 本次设计的检测仪是对 Z=150， 0，精度等级 9 一类齿轮的齿形误差进行检测。已知其齿形公差 4查 手册） ，根据微小误差原则，所设计仪器的总误差与被测参数的公差值之比应保证在 1/31/10 以内，即仪器总精度 仪。 差分析 经过分析，系统存在误差主要有： 机械系统 A 测头 误差：测头直径小（ 3则可忽略 ； B 定位 球定位误差：可补偿到很小 ； C 机构 误差：导轨直线运动误差 、测头传递机构误差 ； D 传感 器安装误差 ； E 驱动 机构误差 。 电气系统 A 传感 器误差 ； B 数据 采集系统的误差 。 软件系统 误差极小 。 温度误差 当测头和齿轮材料不同时，线膨胀系数就不同，则会引起温度误差。但由于测头直径较小，齿轮本身由于温度引起的变化暂时不考虑，故在此温度误差不计。 原理误差 可完全补偿 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 差分配 仪器总误差是仪器总系统误差与总随机误差之和，由于其性质不同其分配方法也不同。 对于系统误差要进行补偿，余下的随机误差按加权作用原则进行分配。综合误差分析考虑，机械子系统部分误差权重较大，光电子系统次之，软件子系统误差权重最小。 各子系统权重如下： 机械子系统： 70% 光电子系统： 25% 软件子系统： 5% 222 仪U=18/械 子 系统误差分配： 0* 机光电 子 系 统误差分配： 5* 电软件 子 系统误差分配： * 软买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 4 机械系统设计 言 机械一般认为它是 “机器 ” 和 “机构 ”的总称，是用来传递运动和力的可动装置。各种不同类型的机器，具有不同的形式、构造和用途，就其组成而言，都是由各种机构组合而成，而机构是由构件组成的。机构中的构件可以是单一的零件，也可以是几个零件的组合体称为部件。设计机械时应满足的要求是功能要求、可靠性要求、精度要求、经济性要求和外观要求。 械结构的原理及功能 本次选择齿轮的检测方法是直线基准法 ,其测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。测量头 A 沿 Y 轴方向作直线运动，而且始终保持与齿面接触。当测量头 A 沿 Y 轴方向做直线运动时，它在 X 轴方向的变化量可以由 误差传递机构 反映出来。 量系统定位 测量系统的定位靠定位球 A 和 B 完成。当系统启动以后，输入待测齿轮参数，系统会自动提示可选用的定位球直径大小、定位臂长及调整参数。在选用适当的定位球直径及定位臂长度之后，系统自动确定定位位置并会补偿定位误差。定位球 A 的移动靠微分筒 的丝杆驱动并带有锁紧装置，定位球 B 为浮动。定位时先调整 A 的位置并锁紧，当 A 伸人齿槽后， B 自动伸入另一个齿槽，完成定位功能。为测量不同模数和不同直径的齿轮，要求定位球易安装及更换，且定位精度高，重复性好。对于锁紧螺母与半球形垫圈，应避免夹紧时的过定位，保证定位精度，且装夹方便。 量头在 Y 方向的运动 系统的主要运动是 Y 方向的导向运动，采用双 V 型密珠滚动导轨。误差信号传递机构安装在双 V 型密珠导轨副的动导轨上，导轨的运动采用滚珠丝杆副驱动，并利用长光栅位移传感器检测其运动量。 X 轴方向误差 信号传递 差传递机构， 利用十字片簧和杠杆机构将齿形误差信息传递给电感测头，由电感测微仪将该信号转换成电信号，片簧与柱销构成换向机构，用于测量左、右齿面。 具体机械 子系统设计与实现详见其说明书。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 26 5 光电系统设计 言 在整个测控仪器设计中，电路系统担负着信息流的传递和控制的重要任务，是感知信息、处理信息、输出指令、操纵机构和元件的工具和载体。随着机电一体化和测控一体化的不断进步，测控仪器正向着智能化、多功能化和高度集成的方向发展。电路系统是感知信息、处理信息、输出指令、操纵结构和元器件的工具和载体 。测控仪器的许多功能都必须经过电路系统的参与才能完成。电路系统的好坏、可靠与否、寿命长短，都直接影响整个测控仪器的工作。 一般而言，一个完整的测控仪器电路系统是由测量电路（信息输入通道）、中央处理系统（信息处理单元）、控制电路（信息输出通道）三大部分组成。 测量电路是信息流的输入通道，主要由信息处理电路和电源组成，其作用是将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、选通、变换和阻抗匹配等。只有经过测控电路系统的放大、滤波、细分、选通和阻抗匹配等处理，才能将传感器输出的有用信号、无用信号以及代表不同信息的各种 信号分开，将微弱信号放大，鉴别被测信号的微弱变化，将模拟信号转换成数字信号，以便中央系统处理。 中央处理系统是信息处理单元，它同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息输入通道和输出通道，是整个电路系统的核心，同时也是整个测控仪器的核心。中央处理系统的作用是对测量电路送来的信号进行运算、处理、显示、存储、打印