〔大学论文〕CNC齿轮测量中心三维测头模块及测试软件设计〔含word文档〕.pdf

西安工业大学学士学位论文 1 目录目录 摘要摘要 1 abstractabstract.2 主要符号表主要符号表 1 1 1 绪论绪论1 1.1 引言.1 1.2 研究意义.1 1.3 国内外发展状况.1 1.4 本文的主要任务.3 2 2 齿轮测量原理与总体方案设计齿轮测量原理与总体方案设计 4 4 2.1 齿轮齿形测量的方法与误差分析.4 2.1.1 齿形误差的定义.4 2.1.2 齿形误差测量方法.4 2.1.3 齿形测量范围的确定.4 2.1.4 齿形误差评定与分析.6 2.2 齿轮齿向测量的方法与误差分析.8 2.2.1 齿向误差的定义.8 2.2.2 齿向误差测量方法.8 2.2.3 齿向误差评定与分析.8 2.3 总体方案设计10 3 3 板卡操作板卡操作 11 11 3.1 接口方案.11 3.2 hy6040 板卡介绍及操作.11 3.3 hy6110 板卡介绍及操作.11 3.4 ca220-pci12 3.4.1 ca220-pci 简介.12 西安工业大学学士学位论文 2 3.4.2 ca220-pci 操作过程.12 4 4 efrs-401mzefrs-401mz 齿轮测量机软件设计齿轮测量机软件设计 14 14 4.1 开发软件简介.14 4.2 用户需求.14 4.3 软件的界面设计.15 4.3.1 界面应具备的功能元素.15 4.3.2 具体界面设计.16 4.4 总体程序流程图.20 4.5 分功能模块的实现.22 4.5.1 齿形测量程序流程设计.22 4.5.2 数据处理程序流程设计.23 4.5.3 数据采样流程及部分程序代码.25 4.5.4 按键扫描流程图设计.26 5 5 伺服机械子系统设计及校核伺服机械子系统设计及校核. .29 29 5.1 原理方案设计.29 5.2 结构方案设计.29 5.2.1 结构布局.29 5.2.2 驱动装置.29 5.2.3 传动系统.30 5.2.4 滚动导轨.30 5.3 伺服机械子系统设计计算.30 5.3.1 伺服电机的选择.30 5.3.2 设计并校核齿轮.31 5.3.3 同步带传动设计.33 5.3.4 导轨设计.35 5.3.5 各支承件的设计.35 5.4 强度校核.36 5.4.1 伺服电机校核.36 5.4.2 轴承校核.37 西安工业大学学士学位论文 3 6 6 结论结论 38 38 7 7 致谢致谢 39 39 参考文献参考文献. .40 40 西安工业大学学士学位论文 1 主要符号表主要符号表 n转速f集中载荷，力 v线速度m弯矩，力矩 传动效率计算拉压应力 p功率e材料的弹性模量 i传动比l、l长度 t转矩 fa y齿形系数 z齿轮齿数j转动惯量 m模数 sa y应力校正系数 d直径k载荷系数 kv动载荷系数b宽度 a中心距ze弹性影响系数 ka使用系数zp接触系数 vs相对滑动速度n应力循环次数 k 载荷分布不均系数khn寿命系数 1绪论 1 1 1绪论绪论 1.11.1 引言引言 齿轮传动是广泛应用于机器和仪表中的一种重要形式。它用来传递位移、 速度和动力。随着我国汽车摩托车制造业的迅速发展，汽摩齿轮制造业也得到了 空前快速的发展。尽快成为汽摩齿轮的全球制造与供应基地，是我国齿轮制造业 的总体发展战略， 并已经成为我国众多齿轮制造商的共识。 航空航天工业的崛起、 造船业的兴盛、机械装备制造业的复苏以及 it 行业的快速发展，都对齿轮制造 业提出了更高的要求，也提供了前所未有的机遇。无论是国有企业、股份公司还 是民营企业，齿轮制造商在扩大齿轮产量、品种的同时，更加注重提高齿轮制造 质量。为此，最近几年来在引进技术、购置设备、更新工艺、加强信息化管理等 技术改造和技术升级方面进行了大量的投入； 强化并提高齿轮制造全过程的测量 与监控技术水平获得了空前的重视，并成为确保齿轮质量的一个关键。开发具有 自主知识产权的齿轮测量技术和仪器，满足我国齿轮制造质量检测的迫切需要， 提高国产齿轮仪器在国内市场的占有率， 是我国齿轮测量仪器制造业当前所面临 的一项重要而紧迫的任务。 1.21.2 研究意义研究意义 目前，我国齿轮行业测试仪器和设备十分缺少，有不少齿轮生产企业竟然没 有一台齿轮量仪；有些国有大中型企业所使用的齿轮量仪，还是国外六七十年代 的产品，已远远满足不了技术发展的要求。造成这种现象的主要原因是：a. 前 几年齿轮制造业的发展以量为主，对质的要求尚不迫切，但今后，能否保证齿轮 产品的质量，是否拥有与产品等级相适应的齿轮量仪，将成为企业能否生存的关 键；b.信息沟通不够，技术交流偏少是造成我国齿轮生产企业仪器装备落后的另 外一个原因。许多齿轮生产企业对国内齿轮量仪的发展了解不够，对齿轮量仪的 性能了解不够，制约着齿轮量仪进入齿轮生产企业。事实上，这几年在齿轮制造 业迅猛发展的同时，我国齿轮量仪制造水平也经历了跨越式发展，特别是 2000 年以来，以 3903 系列为代表的 cnc 齿轮测量中心投放市场，标志着我国齿轮量 仪的制造水平达到了当今国际先进水平， 基本上可以满足齿轮行业对测量仪器的 需求。 1.31.3 国内外发展状况国内外发展状况 11 1923 年， 德国 zeiss 公司在世界上首次研究成功一种被称为“ tooth surface tester”的仪器，实际上是机械展成式万能渐开线检查仪。1965 年，英国的 西安工业大学学士学位论文 2 r.munro 博士研制成功光栅式单啮仪，标志着高精度测量齿轮动态性能成为可 能。 1970 年，美国 fellow 公司在芝加哥博览会展出 microlog50，标志着数控齿 轮测量中心开始投入使用，这是齿轮测量技术发展的转折点。70 年代以前，机 械展成式测量技术已经发展成熟，并在生产实践中经受了考验。经过 30 多年的 完善和推广， 齿轮整体误差测量方法在我国已发展成为传统元件的运动几何测量 法， 其基本思想是将被测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一标准元 件作啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求被测量的误差。 最近几年一些新的齿轮测量仪器也在不断的涌现， 在新的齿轮精度国家标准 中，齿轮精度的检测项目有齿距偏差、齿廓偏差、螺旋线偏差、切向综合偏差、 径向综合偏差、 径向跳动等项目。 这里主要介绍以下几种最为先进的齿轮测量仪： a.a. cnccnc 齿轮测量中心齿轮测量中心 3903/39063903/3906 3903/3906 型 cnc 齿轮测量中心是哈量集团精密量仪公司开发出的新产品， 具有测量功能强、精度高、速度快等特点，达到了当代国际先进水平该中心可 满足用户对齿轮精度的全面检测，工艺间检测、刀具检测等需求。可完成齿轮的 齿距、齿廓 、螺旋线、径跳、切向综合（单截面整体误差）等项目的检测，可 测量的工件有齿轮、齿轮刀具（滚刀、插齿刀、剃齿刀等） 、蜗轮、蜗杆、弧齿 锥齿轮等。由于其工作原理上不需要标准齿轮、标准蜗杆等标准件和机械展成机 构，测量运动由计算机数控系统来完成，因此可以根据用户的要求，开发出各种 特殊软件。整个操作界面汉字提示，操作简单，对操作人员的要求不高 b.b. pfsupfsu 系列齿轮测量机系列齿轮测量机 640/1200/1600640/1200/1600 22 该系列测量机是引进德国克林贝格公司技术生产的， 主要用于对大齿轮的测 量。目前哈量集团精密量仪公司已经完成了该测量机控制系统国产化改造将过 时的控制电路、记录器等全部淘汰，采用新的工业控制计算机和可编程控制器， 改造后的 pfsu 系列齿轮测量机不仅保留了仪器原有的全部功能，而且使仪器的 功能和性能都有很大提升。齿轮的测量项目有齿廓、螺旋线、齿距、径跳等， 还 可以测量齿轮刀具（滚刀、插齿刀、剃齿刀等） 、蜗杆及工件表面粗糙度、工件 锥度、圆度等形位误差。针对国内已有 pfsu 系列测量机的用户，公司可提供升 级改造服务。 c.c. 3004b3004b、3006b3006b、3008b3008b 系列万能齿轮测量机系列万能齿轮测量机 该系列齿轮测量机是哈量集团具有自主知识产权的智能化齿轮量仪， 在工作 原理和仪器功能上接近 cnc 齿轮测量中心测量中不需要标准齿轮、标准蜗杆， 即可测量齿轮、齿轮刀具等工件的多项误差，在测量效率要求不很高的情况下， 可广泛用于工厂计量室和车间检测站，进行精密测量。 d.d. 31003100 系列双面啮合检查仪系列双面啮合检查仪 主要检测齿轮的径向综合误差，可广泛用于除汽车、摩托车行业 4 级以下精 度齿轮的分选检测，工作效率高，精度稳定。 e.e. 32003200、33003300 系列齿形、齿向检查仪系列齿形、齿向检查仪 该系列测量仪是机械展成式测量机根据测量要求的不同，有多种不同的机 西安工业大学学士学位论文 3 械结构，主要完成对齿轮齿形、齿向等单项误差测量，仪器结构简单、效率高、 精度稳定，可广泛用于生产车间使用。 1.41.4 本文的主要任务本文的主要任务 本文分析了齿轮误差测量的发展状况和特点， 针对国内外出现的各种测量仪 器的局限和不足，提出改进齿轮测量软件测量齿轮的方法，并设计完成一种新型 的、人机界面友好的，自动化程度较高的齿轮测量软件。 a.a. 首先通过对齿轮齿形和齿向测量原理以及齿轮测量机机械部分运动机理 的理解，完成总体方案设计； b.b. 依据齿形、齿向测量原理建立齿形、齿向误差测量算法，并完成齿形误 差软件的程序流程； c.c. 针对测量中出现特性和整个界面的易于操作性和美观性，利 用 visualc+6.0 编程语言来实现齿形测量系统软件的设计； d.d. 最后对所编写的测量软件进行模拟调试，并进一步肯定了整个测量系统 的合理性和实用性。 2齿轮测量原理与总体方案设计 4 2 2 齿轮测量原理与总体方案设计齿轮测量原理与总体方案设计 2.12.1 齿轮齿形测量的方法与误差分析齿轮齿形测量的方法与误差分析 2.1.12.1.1 齿形误差的定义齿形误差的定义 33 根据标准 j b179-83 规定，齿形误差的定义是：在端截面上，齿形工作部 分内（齿顶倒棱部分除外）包容实际齿形的两条最近的设计齿形间的法向距离。 由定义可知，在齿形误差测量中应测出实际齿形相对于设计齿形之误差,设计齿 形是指以渐开线理论齿形为基础， 考虑弹性变形和误差对噪声的影响而加以修正 的齿形,在成对齿轮副中，可以设计为两个齿轮都作齿顶修缘，也可以设计为一 个齿轮（常是小齿轮）作齿顶修缘，齿根过切或设计为凸齿形，另一个相配的齿 轮不作修正,修正量是很小的，仅有（0.01-0.05）m,或从 2-3m 到 30-50m。 因此，齿形误差测量还是以实际齿形与理论渐开线进行比较作为基础。 2.1.22.1.2 齿形误差测量方法齿形误差测量方法 a.a. 坐标法坐标法 将被测齿形上若干点的实际坐标与相应的计算坐标进行比较从而 计算出齿形误差的方法称为齿形误差坐标测量法。以坐标法测量齿形误差，既可 以在以坐标为测量原理所构成的专用齿形误差测量仪上进行， 也可以在坐标测量 机或测量显微镜上测量。 b.b. 标准轨迹法标准轨迹法 将被测齿形与仪器复现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齿形误差的标准轨迹测量法。由于电子和计算机技术的发 展，出现了用电子和机械共同组成的系统来复线理论渐开线轨迹，这种系统可以 进行数控（nc） ，也可以由计算机进行数控（cnc） ，称这种方法为电子展成法。 电子展成法正在发展中。 c.c. 标准曲线法标准曲线法 这种方法是使被测齿形与标准渐开线齿形曲线直接进行比较， 从而测出齿形误差， （标准渐开线齿形曲线应具有一定的准确度） 。这种方法可用 于车间条件下的生产测量，也可用于高准确度的实验室测量。 本文采用标准轨迹法进行齿形与齿向的测量。 2.1.32.1.3 齿形测量范围的确定齿形测量范围的确定 44 a.a. 确定起测圆的方法确定起测圆的方法 (1).(1).按与配对齿轮对啮合的工作确定按与配对齿轮对啮合的工作确定： 当被测齿轮 z1配对齿轮 z2相啮合时， 被测齿轮 z1的实际部分是齿顶圆与工作圆之间的一段渐开线齿形。所谓工作圆 是指通过相啮合的齿轮 z2的齿顶圆与啮合线的交点 a1。,其半径为 ra1的圆 如 西安工业大学学士学位论文 5 图 2.1a , ra1 的计算如下: ra1= 22 2rbli+（2.1） 22 asin 122liar ar b=（2.2） 其中 12/cosarbrbat=+（2.3） (2(12)/ 12)inva ttgat xtxtzzinvat=+（2.4） 22*2*rarha mnxnmnnmn=+（2.5） 式中 xt,xn-端面和法向变位系数; n-法向齿顶高降低系数,高度变位时n=0,角度变位时n0。 /cosnt=（2.6） (12)txtxtyt=+（2.7） cos ( 12/2)1 cos at ytzz a t =+ （2.8） 式中t-端面齿顶高将位系数; yt-端面中心距变动系数. (2).(2).按与标准齿条的工作圆确定：按与标准齿条的工作圆确定：由于在测量单位个齿轮时，常常不知与其 啮合的齿轮的参数，为使测量的齿形工作部分稍大于齿形有效部分，可以按照被 测齿轮与标准齿条啮合时的有效工作部分来计算其工作圆。 此时工作圆是指通过 齿条的齿顶线与啮合线的交点 a2,其半径为 ra2 的圆，如图 2.1b所示。ra2 的 计算如下： 图 2.1 齿轮渐开线 西安工业大学学士学位论文 6 22 2rarli=+（2.9） 22 * sin ha mnxnmn lirr b ai = （2.10） (3).(3).按进入圆确定：按进入圆确定：为了简化计算，可以按进入圆来确定起测点。进入圆是 指其半径 ra3 与分度圆半径相差 c=(ha*-xs)ms 的圆 如图 2.1c所示.ra3 由下 式计算: ra3=(mn*z/2cos)-c（2.11） c=hn*mn-xnmn（2.12） 当齿数少时按基圆确定： 当齿数 z33 时； rbra3； 当 z16 时， rbra2。 因为只在基圆外才有渐开线，当齿数少时，应该以基圆作为起测圆。 以上三种计算结果相比较,ra1ra2ra3,当起测圆按进入圆计算时,齿形 上被测范围为最大,这将对切齿条件要求严格.如果测量高精度齿轮时,应当选 ra1来确定起测圆,以免对加工条件要求过严.对非特殊要求的齿轮可按ra2确定 起测圆. b.b. 起测和终测展开角和展开长度的计算起测和终测展开角和展开长度的计算 55 由于齿形测量是按照展成角度或展开长度进行的， 实际的测量范围是以展成 角或展成长度来表示的。如图 2.2所示 起测点 a 所对应的展开角与展开长度 称为起测展开角a 与起测展开长度 la.终测点 b 所对应的为终测展开角b,终 测展开长度 lb. a 与 la 根据起测圆半径 ra 计算: a=tgaa（2.13） la=rbtgaa（2.14） 1 cos rb aa ra =（2.15） ra 根据选用的 ra1,ra2 或 ra3 代入上式 b 与 lb 一般按齿顶圆作为终测圆计算: b=tgaa（2.16） lb=rbtg a 1 cos rb a ra =（2.17） 2.1.42.1.4 齿形误差评定与分析齿形误差评定与分析 a.a. 齿形误差的评定齿形误差的评定 用齿形误差曲线图表示齿形误差。 曲线图的横坐标表示展开角度或展开长 度 l， 纵坐标表示个测量点的齿形误差ffi（即展开长度的误差li） ， 见图 2.1。 如果被测齿形与理论渐开线没有差别，在记录图上记录为平行于横坐标的直线。 西安工业大学学士学位论文 7 在确定了齿形测量范围（a、b）之后，在此范围内作两条平行线分别与齿形误差 曲线的上下两个最高点相切， 平行线间的纵坐标格数乘以误差放大比即可得到齿 形误差ff。 为了反映齿轮偏心等因素的影响， 测量均布的四个齿面的齿形误差， 以期最大值作为该齿轮的齿形误差，用来评定该齿轮的齿形质量是否合于要求。 b.b. 齿形误差的分析齿形误差的分析 对方程式 l=b=(mzcos/2)全微分并取增量形式，可得 l=b+b（2.18） 或l=-b。（2.19） 展开长度的变化就是齿形误差，有上式可以看出，基圆半径的变化b或 压力角的变化都是影响齿形误差的因素， 其主要的工艺原因是刀具的齿形角 有误差。由于齿形角误差在一般情况下可以认为是定值，所以，l 与的 关系是线性关系。如果没有其他的误差因素，仅有由于齿形角误差所造成的压力 角误差，齿形误差的记录曲线是一条与横坐标有一定夹角的倾斜直线。 由以上分析可知，齿形误差由两部分组成：由压力角误差（或基圆 半径误差b）引起的渐开线齿形的倾斜误差ff,以齿形误差曲线的中线 cc 在测量范围内相对于横坐标的最大偏移量来度量； 由机床传动链误差引起的渐 开线齿形的形状误差ffx，沿中线 cc的方向左两条能包容齿形误差曲线的平行 线，它们之间沿着横坐标的距离即为ffx。 c.c. 确定中线确定中线 cccc 的方法的方法 为了求出f和fx 的数值，首先要确定中线 cc 的位置。 (1).(1).计算法：计算法：根据最小二乘法原理求出齿形误差曲线的拟合直线即为中线。 表征直线方程的参数为直线的斜率,计算拟合直线的斜率 k 的方法为:在测得的 曲线上取一系列点的坐标值(1, l1 ),(2, l2 )(i,li), 斜率计算式为: 2 2 ii i lnl k n = （2.20） 式中 li： i 点的展开长度增量； 、l 分别为 i 及 i l的平均值； n: 测量点的总数。 这种方法的精度高，但计算较为复杂，一般为手工计算所不用，当测量系统 由计算机控制和进行数据处理时常常用这种方法， 这时可由测出的各个坐标值直 图 2.2 齿形误差分析 西安工业大学学士学位论文 8 接进行计算。 (2).(2).作图法作图法：对于一般精度的测量，常常用目估作图法确定中线。即在所得 的齿形误差曲线图上画一条直线，使在测量范围内，直线两边的齿形误差曲线与 直线间所包容的面积相等，这条直线就是中线 cc。 这种方法精度不高，但简单易性。而且目估的方向，对于一个熟练的测量者 来说也不会偏离最小二乘法所确定中线的 2 度的范围，这是测量精度所允许的。 d.d. 基圆半径误差基圆半径误差rbrb 由式(2.18)的前一项可以知道,当仅有基圆半径误差rb 时,齿形误差曲线 是一条与横坐标有夹角的直线,由计算法求出中线的斜率即为基圆半径误差: rb=k（2.21） 由作圆法确定中线后可以在曲线上直接量出倾斜误差fa,这时由下式计算 基圆半径误差: rb=fa/ab（2.22） 式中fa-曲线图中倾斜误差的坐标值,单位为m; ab-曲线图中测量范围内展开角,单位为 rab; rb-基圆半径,单位m. 2.22.2 齿轮齿向测量的方法与误差分析齿轮齿向测量的方法与误差分析 2.2.12.2.1 齿向误差的定义齿向误差的定义 在分度圆柱面（允许在齿高中部测量）上，齿宽工作部分范围内（端部倒角 部分除外）包容实际齿向线的两条最近的设计齿向线之间的端面距离。 2.2.22.2.2 齿向误差测量方法齿向误差测量方法 (1).(1). 标准轨迹法标准轨迹法 测量仪器形成标准的螺旋运动与被测齿轮的螺旋线进行 比较测量，齿向误差直接由测量装置指示出来。形成标准的螺旋线轨迹的装置可 以是机械式的、光学机械式的，也可以是电子展成式的。 (2).(2). 坐标测量法坐标测量法螺旋线是一条空间曲线，可按照螺旋线形成原理分别测 量齿轮转角和测头齿轮方向的位置，然后与相应的理论值进行比较，计算出齿轮 向的误差；或者按照空间直角坐标沿螺旋线逐点测量其三个坐标值，然后计算出 齿向误差。 2.2.32.2.3 齿向误差评定与分析齿向误差评定与分析 齿向误差在一般情况下是由两部分组成的，即齿向线的位置误差和形状,如 西安工业大学学士学位论文 9 下图 2.3 所示。 齿向线的位置误差也就是螺旋线角误差的线值， 用fh来表示。 确定fh数值时要用最小二乘法回归出一条中线， 在要求不十分精确的情况下 也可以用作图法使中线两边曲线多包围的面积相等来确定中线的位置。 包容实际 齿向误差曲线且与中线平行的两条直线之间的距离（仍为齿轮端面距离，在f 方向计算）即为形状误差，用fh来表示。将齿向误差分为位置误差和形状 误差将有助于分析齿向的加工误差。 由fh即可以求的螺旋角的误差，因为 tg=r/b(2.23) 将此式微分并取增量形式，且（r）=fh，则 =(fh/b) cos*cos(2.24) 式中 b-齿宽工作部分。 图 2.4 给出了两种典型的齿向误差曲线。图 a 是左、右齿面的齿向线位置误 差fh数值相近而符号相同（偏向齿体内的误差为负值） ，其螺旋角误差方向 相反，主要是由于加工时刀具沿着工件轴线方向进给时，刀具的运动方向与工件 轴线方向不平行所引起的，其不平行度由左、右齿面的齿向线位置误差的平均值 来确定的，即： =（fhl+fhr）/2tga(2.25) 图 2.4 是左、 右齿面的齿向线位置误差fh的数值相近而符号相反， 即左、 右齿面螺旋角误差方向相同的情况。 这主要是由于刀具轴向进给方向相对于工件 轴线倾斜所造成的，其倾斜度按左、右齿面齿向线位置误差的绝对值之平均值来 确定，即： =fhl+fhr/2（2.26） 工件的安装误差也会造成工件轴线相对于刀具轴向进给方向倾斜， 而且二者 相对的倾斜度是工件转角的函数， 这就导致一个齿轮上各个齿的齿向误差数值不 同。 图 2.3 齿向误差评定法 西安工业大学学士学位论文 10 图 2.4 齿向误差曲线 由于机床传动链的传动比不准确也会造成fh的值相近而异号的误差， 因 此在分析工艺误差的时候要结合具体加工条件进行分析。 当左、右齿面的齿向误差曲线较大，fhl 的值也相差较大，则是兼有几 种工艺误差因数的综合作用，可先找出主要工艺误差因数，再按照任一齿面的 fh值对两齿面fh的平均值之间来估算其它工艺误差的因数。 齿向误差的形状误差 ff 是由于切齿加工中刀具相对于工件轴线移动 的导轨的直线度误差及轴向进给丝杠的轴向窜动等因数所引起。 2.32.3 总体方案设计总体方案设计 本设计采用标准轨迹法进行齿轮齿形齿向的误差测量， 将被测齿轮的实际齿 形与仪器复现的理论渐开线进行比较从而得出误差的测量方法， 运动的合成经参 数设置完成后计算机自动进行计算，控制控制系统发出指令脉冲，驱动执行机构 完成相应的运动，硬件数据采集系统从安装在滑架上的测头采集数据，送入计算 机进行计算，得出误差结果，转化为图形和数字量形式的结果输出。 根据系统的特点， 对软件的编写拟采用可视化编程语言visual c+6.0进行开发， 因为该语言执行速度快，人机界面友好，具有较高的操作系统访问权。齿形测量 程序设计时主要完成齿形测量中的数据采样和结果的处理， 并根据测量算法得到 齿廓总偏差、齿廓斜率偏差、齿廓形状偏差和齿廓误差曲线，通过对齿形误差测 量方法的分析并结合机械部分运动机理，齿形误差测量的理论方方法采样坐标 法；齿向测量程序设计时主要完成齿向测量中的数据采样和结果的处理，并根据 测量算法得到齿向总偏差f、齿向斜率偏差fh、齿向形状偏差ff和 齿向误差曲线，通过对齿形误差测量方法的分析并结合机械部分运动机理，齿向 误差测量的理论方方法采样标准轨迹法。 最后所有的误差结果以文字和图形的方 式显示在屏幕上，而且用户的所由参数以对话框的形式由用户通过键盘输入。 3板卡操作 11 3 3 板卡操作板卡操作 3.13.1 接口方案接口方案 66 综合考虑此设计，计算机需要完成如下任务:a.从控制面板读键产生相应动 作，当测量者按下操作面板的按键时，计算机要能对其识别并发出指令，驱动系 统动作完成测量，为此，测量系统需要一个开关量输入设备；b.由于计算机只能 对数字量进行处理，而数据采集系统采集到的信号为电压模拟信号，因此在计算 机与数据采集系统之间需要一块 a/d 转换卡，本设计中采用北京华远自动化公 司的hy6040a/d转化卡、 hy 6110数字量输入卡， 光栅数据采集卡选用ca220 -pci， 其中前两个板卡为 isa 接口，设计中采用 ntportlibrary 软件，它允许 win32 程 序实时直接访问 pc 机的 i/o 端口而无须使用 windows drivers development kit(ddk) 或其他工具。 ntport library 支持 windows 95/98 和 windows nt/2000/xp。 并且非常 容易使用，在 windows nt/2000/xp 下，ntport library 驱动程序可以动态地加载和 卸载，不需要做任何设置工作。ntport library 也是 basic 的 inp 或 out 命令的替代 品。ntport library 还可以获得 lpt 端口的基地址。而 pci-ca220 是基于 pci 总线 的采集卡， pci 总线系统要求有一个 pci 控制卡， 它必须安装在一个 pci 插槽内。 根据实现方式，pci 控制器可以与一次交换 32 位或 64 位数据，它允许智能 pci 辅助适配器利用一种总线主控技术与 cpu 并行地执行任务。 3.23.2 hy6040hy6040 板卡介绍及操作板卡介绍及操作 77 hy6040 板是一种光电隔离型的多功能 a/d 板，它有三种不同的触发方式： 软件触发、定时触发和外部触发。 本设计采用软件触发，主要操作步骤如下： (1). 对“base+4”口进行读操作，清除 a/d 完成位，避免引起系统误操作。 (2). 对“base+1”口进行写操作，选择模拟输入通道和程控增益。 (3). 对“base+0”口进行写操作，关闭定时触发、外触发。 (4). 对“base+2”口进行写操作，触发 a/d 转换。 (5). 从“base+0”口进行读操作，读取板状态字，检测 a/d 的转换完成位 是否为“1” 。 (6). 当 a/d 转换完成位为“1”后，延时大约 25s。 (7). 从“base+3”和“base+4”口读取转换结果。 软件在查询方式下， 用户编程自行决定在检测到 a/d 转换完成后延时多长时 间，才读取 a/d 转换结果。对应部分程序代码如下 _outp(base_ad+2,0);/读基地址+2 位，是否启动 a/d 转换 _inp(base_ad+3);/读 a/d 转换结果低 8 位 _inp(base_ad+4)/读 a/d 转换结果高 4 位 int mydata=ldata|(hdatan2? n=（n1n2）/2 nm=n1-n2+1 取 n 点对应的误差 计算每个采样点误 差和 n 点对应的误差 求所有偏差的和除 以 nm 得到总偏差 对 nm 个点根据最小二 乘法确定中线c的斜率 k 和在 y 轴的截距 由 ykxb 及实际采 样点处的偏差求形状 偏差和斜率偏差 返回计算结果及测 量值 返回 图 4.8 数据处理程序流程图 西安工业大学学士学位论文 25 4.5.34.5.3 数据采样流程及部分程序代码数据采样流程及部分程序代码 采样函数程序代码如下 12： double sample(int n_channel) int y=0; int i=0; /采样 _outp(base_ad+2,0);/写控制字触发 a/d 转换 初始化 读基地址控制变量 读基地址+3 的数据 送给 ldata 给 6040 基地址+2 写控制程序 读基地址+4 的数据 送给 hdata data=data-2047 ldata+(hdata8) 送 给 data y/读基地址 while(!(y/检测 a/d 转化是否完成 int ldata=_inp(base_ad+3);/读 a/d 转换低 8 位 int hdata=_inp(base_ad+4) /读 a/d 转换高 4 位 int mydata=ldata|(hdata8);/得到采样数据送入 data int mydata0=mydata-2047; double sample=0; sample=400;/ad 分辨率 400um/10v double data=mydata0*sample/1000/4096;/数据运算 return data; 4.5.44.5.4 按键扫描流程图设计按键扫描流程图设计 初始化 key=0 i=0 key=i 读 6110 值 赋 nowintdat i+ i=8 nowintda while(1) key=-1; /检测按键 long nowindata=_inpd(base_in+0);/6110 for(int i=0;i4;i+) if(nowindata if(key=0|key=1|key=2|key=3)/setitem测量项目 setitem=key;/0-齿形左 1齿形右 2齿向上 3齿向下 for(i=8;i10;i+)/8-测量9停止 nowintdat if(key!=-1) setkey=key; return 0; 5伺服机械子系统设计及校核 29 5 5伺服机械子系统设计及校核伺服机械子系统设计及校核 5.15.1原理方案设计原理方案设计 1313 图 5.1 工作原理：计算机通过计算测量者输入的数据得到一系列运动信息，传 递给数控装置发出运动的指令脉冲， 再经过传动导向装置使测头工作台与被测齿 轮合成理论的渐开线运动，测头检测到的信息即为误差信息，数据采集系统把采 集到的数据送给计算机，经过运算得出误差结果。 5.25.2 结构方案设计结构方案设计 5.2.15.2.1结构布局结构布局 efrs-401mz 齿轮测量机采用立式布局 14。 5.2.25.2.2 驱动装置驱动装置 驱动系统：它是使机械结构运动的装置，伺服驱动装置是带有力或力矩或 速度或位置反馈并可自动调节的驱动装置。要求主要在以下几方面：高精度、 快 速响应、无超调、调速范围宽、稳定性要好、快速的应变能力和较长时间的过载 能力。 综合选择，取电机类型为交流伺服电机。 被测齿轮 计算机数控驱动装置传动、 导向装置 测量装置 结果输出 西安工业大学学士学位论文 30 5.2.35.2.3 传动系统传动系统 由于此测量机 z 轴部分最终要求丝杠的转速为 5r/min， 正常工作时转速 极低，且测量系统为较高精度的测量，因此采用两级转速，考虑到整个测量机的 安装位置，第一级选锥齿轮传动，传动效率高，有很大的经济效益，结构紧凑， 工作可靠，寿命长，传动比稳定；第二级选择同步带传动，它可保持恒定的传动 比，传动精度较高，工作平稳，效率高，达 98%，噪音小，不需要润滑。 5.2.45.2.4 滚动导轨滚动导轨 1515 导轨是精密机械中用来保证各运动部件相对精度的一个重要部件。滚动导 轨具有以下优点：运动灵敏度高，没有爬行现象；定位精度高；牵引力小，移动 灵活；主要由导轨、滑块以及滚珠组成。 5.35.3 伺服机械子系统设计计算伺服机械子系统设计计算 5.3.15.3.1伺服电机的选择伺服电机的选择 (1).(1). 选择滚珠丝杠选择滚珠丝杠 已知正常工作状态时丝杠的转速约为 5r/min，而丝杠的预计寿命为 15000h， 由 6 1 0 1 5 0 0 0 6 05 h l l = ，(5.1) 得出 l=4.5。 先初选丝杠的导程为 5mm/r, 3 3 551 0 2221 0. 1 01 0 a fm an = (5.2) 由 3 a a c l f = ，(5.3) 因此 33 104.516.5. aa cfln= 因为受力不大，优先选取丝杠的导程为 5mm/r，由因为需要安装带轮、轴承等零 件，故丝杠轴径取为 25mm，且预紧方式为双螺母垫片式。 根据表 5-6，选择丝杠的型号为 cmd2505-2.5。 相关参数为： 丝杠中径 25mm， 基本导程 5mm/r ,钢珠直径为 3.175 mm， 丝杠外径为 24.5mm， 2.5 圈，一列。 (2).(2). 由于测量机 z 轴部分螺母副及滚珠导轨承受的径向和轴向载荷不大， 而且 西安工业大学学士学位论文 31 在测量过程中丝杠的测量速度很慢，为 5r/min，故对电机要求为额定转速低、 响应速度快，本设计选取上海赢双电机有限公司生产的型号为 ys60svn200 的交 流电机，相关参数如下： 电压：200v；额定转速：200r/min； 最高转速：500r/min额定转矩：2.0nm 安装尺寸：la:60mm；lb:116mm；lc:130mm。 5.3.25.3.2 设计并校核齿轮设计并校核齿轮 (1).(1). 总传动比分配总传动比分配 1616 由于伺服电机转速为 200r/min，最终丝杠转速为 5r/min，故总传动比 i=n/v=40，设计传动系统为两级减速，第一级采用直齿锥齿轮传动，第 二级采用同步带传动减速。分配的传动比为 i1=6，i2=40/66.67。 (2).(2). 确定齿轮确定齿轮 1）选直齿锥齿轮传动，精度为 6 级，小齿轮与轴加工为一体，硬度为 280hbs， 大齿轮选用 45 #钢（调质） ，硬度为 240hbs。硬度相差 40hbs。 2）查表 2.3-13，取综合系数 k=1.5 3）试验齿轮的接触疲劳强度极限，查图 2.2-10 小齿轮接触疲劳强度： lim 1 650 ha m p= ， 大齿轮接触疲劳强度： lim 2 600 ha mp=。 4） 最小安全系数：查表 2.3-13，取 shmin=1.1 5）许用接触应力： lim m in 600 545.5. 1.1 h h p h m pa s = (5.4) 6） 功率： 1 2 * 6.28 * 200 * 241.9 60 ptwtnww=(5.5) 小齿轮传递的额定转矩： 553 111 95.5 10/95.5 1041.9 10 /2002.01tp nn m = (5.6) 7） 小齿轮分度圆直径 d1： 1 3 3 1 22 1 .52 .0 1 1 9 5 11 9 5 12 4 .7. 65 4 5 .5 h p k t dm m i = (5.7) 8）取齿数 1 1 8z=； 2 1 861 0 8 .z=。 因此 12 6ctgctg=。 9）则分锥角 1 9.46= ； 2 80.54= 。 西安工业大学学士学位论文 32 10）大端模数： 1 1 2 4 .7 1 .3 7 2. 1 8 e d mm m z = (5.8) 取模数的标准值：1.375. e mm m= 11）分度圆直径 d: 11 22 1 81 .3 7 52 4 .7 5. 1 0 81 .3 7 51 4 8 .5. e e dz mm m dz mm m = = 12）平均分度圆直径： () 11 21 1 10.524.7510.520.625; 3 6620.625123.75. mr mm ddmm ddmm = = (5.9) 13）平均模数:() 5 10.51.3751.146. 6 mr mmmm= (5.10) 14）外锥距： 22 1 161 24.7577.96. 22 u rdm m + = (5.11) （15） 齿宽： 1 77.9625.99. 3 r brm m= (5.12) 16）大端齿顶高 ha: () 11 21 11 .3 7 5; . a aa hxmmm m hh =+= = (5.13) 17）大端齿根高 hf: ()() * 11 21 110.201.3751.65; . f ff hcxmmmmm hh =+=+= = (5.14) 18）齿顶角 a ： 221. , afaf = 19）齿根角： 1 1 21 1.65 arctanarctan1 06 07 77.96 . f f ff h r = = iii (5.15) (3).(3). 校核齿轮校核齿轮 由于设计的齿轮为闭式传动，故应按齿面接触疲劳强度校核： 强度条件： . hh p 西安工业大学学士学位论文 33 计算应力： 2 3 1 1 0 .8 5 t hhekavhh m fi zzzzkkkk b di + = (5.16) 1查表 2.2-35 取 ka=1， 2取 kv=1.1 31 .51 .51 .2 51 .8 7 5 hhb e kk = 41 h k = 5zh=2.5， 6查图 2.3-11，ze=2.4 7查图 2.2-9 得1 .5z = 8 1 1 222 .0 11 0 0 0 1 9 4 .9 2 0 .6 2 5 t m t fn d = 9zk=1， 10代入上式，求得 2 3 1 3 1 0.85 194.96.3 2.511.5111.11.8751 0.8525.9920.6256 3.675. t hhekavhh m fi zz zzk k kk bdi mpa + = = = (5.17) 许用应力： lim lim 6001.10.91.10.9 534.6. 1.1 hnlvrwx hp h z zz z mpa s = (5.18) 由上知 hhp . 故设计的齿轮满足强度要求，符合条件。 5.3.35.3.3同步带传动设计同步带传动设计 1）由于 p1=41.9w， 故 1 1.441.998%57.49. da pk pw= (5.20) 2) 由于 1 2 0 0 / 63 3 .3 3/ m innr=， 查图 2.1-3，选带型为 xxl（超轻型） ，节距 pb=3.175mm。 3）查表 2.1-14，取小带轮的齿数 z1=14。 4）小带轮节圆直径 1 1 143.175 14.16. 3.14 b z p dmm = (5.21) 西安工业大学学士学位论文 34 5）大带轮齿数：z2=6.67*14=93.38，取为 94。 6）大带轮节圆直径： 2 2 9 43 .1 7 5 9 5 .0 5. 3 .1 4 b zp dm m = (5.22) 7）带速： 1 1 max 3.14 14.16 33.33 0.025/30/ . 60 100060000 d n vm svm s = (5.23) 8）初定轴间距：()() 12012 0.72ddadd+ 0 0.7109.212109.21a 0 7 6 .4 52 1 8 .4 2.m mam m 初定 0 130.amm= 9）带长及带齿数： () () 2 21 0012 0 2 24 1 6 01 7 1 .4 62 0 .1 5 3 5 1 .6 1. dd ladd a m m =+ =+ = (5.24) 查表 2.1-3，选取带的齿数 z=112，lp=355.60mm。 带长代号：140。 10）实际轴间距： 0 0 3.99 130132. 22 p ll aamm =+=+= (5.25) 11）小带轮啮合齿数： 21 1 1180.89 144.76 262681.995 m dd zz a = (5.26) 故啮合齿数为 4。 12）基本额定功率 p0： 查表 2.1-15，得 bs0=6.4mm。 ta查表 2.1-16 为 31n。 故 () 2 2 2 0 310.010.0250.025 () 7.810. 10001000 a tmvv pkw = (5.27) 13）带宽：kz=0.6, 2 1.14 1.14 0 2 0 5.7510 6.49.02 0.67.810 d ss z p bbm m kp = (5.28) 标准带宽 bs,由表 2.1-8 查得应选带宽代号为 025。 西安工业大学学士学位论文 35 6 .4. s bm m= 14）作用在轴上的力 2 1 0 0 01 0 0 07 .81 0 3 1 2 0. 0 .0 2 5 d r p fn v = (5.29) 15）带轮的结构和尺寸，查表 2.1-2， 节距(pb): 3.175mm； 齿形角2 ( ) : 50；齿根厚 s: 1.73; 齿高 hf: 0.76mm；带高 hs: 1.52mm； 齿根圆半径（rr）:0.20; 齿顶圆角半径(ra）: 0.30mm。 16）带轮材料：ht200,采用渐开线齿形，实心式带轮。小带轮为双边挡圈， 大 带轮为单边挡圈。 5.3.45.3.4导轨设计导轨设计 选用滚动导轨中的双 v 型截面滚珠导轨，工艺性较好，摩擦系数小，导轨运 动的灵活性好，承载能力较小，适用于载荷不大，行程较小而运动灵敏度较高的 场合。 查机电一体化系统设计手册表 2.9.2 直线滚动导轨副的类型和特性， 选 取 gga（径向型）型，它的特性如下： (1)垂向向下和左右水平额定载荷大； (2)对垂向向下载荷的精度稳定性好； (3)运行噪声小。 适用于各种电加工机床、各种检测仪器、工作台。 具体的尺寸见表 2.9-3，各部分参数如下： d0=16mm；b1=4mm；b2=26mm； b3=22mm；b4=16mm；w=9mm，详尽尺寸见装配图。 5.3.55.3.5 各支承件的设计各支承件的设计 (1).(1). 轴承的选择轴承的选