单盘式检测仪的设计

1 / 28 单盘式检测仪的设计 单盘式齿形检查仪的基本原理是利用基圆盘与直尺的相对运动 使固定于直尺上的测头相对于基圆盘产生正确的渐开线轨迹 ,通过与实际齿形比较得到齿形误差。由于这类仪器结构简单 ,尺寸链短 ,能达到很高的测量准确度 ,因此应用广泛。然而 ,目前这类齿形检查仪大多采用千分表读数 ,一般只能得到齿形误差值 ,难以得到准确的齿形误差曲线 ,从而限制了对齿形误差的进一步分析 ,如 :不能进行齿形形状误差和齿形压力角误差的分离 ,并对齿形误差进行频谱分析 ,以寻找加工误差源 , 建立齿轮制造误差的技术档案 ,实施制造误差 的微机化管理与质量控制 ,不能准确地检测诸如修缘齿、凸齿等渐开线修形齿轮的齿形误差 ,不可避免地存在着人为的读数误差。为此 ,本文提出了一种基于现有的机械式单盘齿形检查仪的微机检测系统。 本设计主要内容是对单盘式渐开线齿轮检查仪的机械式测量和指针式显示进行改进，用传感器测量，单片机进行处理显示的小型检测控制系统。 2 / 28 设计过程 一、 序言： 齿轮是各种机械设备中经常用到的一种重要的传动零件。由于科学技术和生产的发展，对其工作精度的要求也愈来愈高，为此，对齿轮这一传动件的设计、制造和测试等提出了更高的要求。由于渐开 线圆柱齿轮具有许多优点，所以，在齿轮传动中用的十分广泛，因此对其渐开线是否合格的检测就显得很重要，渐开线齿轮齿形误差的测量对象是齿轮的齿廓，研究齿轮渐开线检查仪的检查结果，对提高工厂齿轮生产有很大的影响。 单盘式检测仪的主要优点就是它的构造比较简单，由此得到下列的良好性质： （ 1） 用户维护比较方便； （ 2） 测量过程简单而且也能达到预期的准确度； （ 3） 可操作性强，没有专业知识的工作人员只要略加培训就能独自上岗； （ 4） 操作的安全性与可靠性高。 仪器有测量端：在造作是利用锐角的锋口。这种测量端的构造使得检查时不会累积渐开线的偏差，而 当它和测量齿轮接触时，能观察到渐开线上任意一点的实际偏差。这对齿轮切削工艺的深入分析和研究特别重要，齿轮切削刀具齿形的测量，普通只能在带锐角锋口的测量端的渐开线检查仪上才有可能。另外，渐开线检查仪不仅适用于齿轮生产上的测量，而且小心的调整后，也可用来测定测量用的齿轮切削刀具的齿形。所以，本次设计的即是单盘式渐开线检查仪机构及其信号检测 。 二、 总体设计思想： 齿廓总偏差是由于 刀 具的制造误差（如齿廓偏差、压力角误差等）和安装误差（如刀具在刀杆上的安装偏心及倾斜），以及机床传动链中短周期误差等造成。而齿廓总误差 的大小对一对齿啮合过程中的平稳性会造成很大的影响， 故 本检测仪是针对检测齿廓偏差而设计的单盘式检测仪。 被测齿轮 检查仪机构 传感器 放大滤波 3 / 28 已知被测齿轮的基本参数（模数 m，齿数 将其通过 检查仪 机构及角度传感器检测出齿轮圆周每个齿距长度齿形偏差所对应的电信号，通过放大滤波（滤去高频噪音）进入采样保持，进而进入 后进入单片机进行数据处理，并将结果用 过 检查仪 上的千分表人为的进行齿形偏差最大、最小值读数、量化后，通过键盘输入到单片机，通过调用处理程序后得出结果，并与 测得的齿距误差进行比较，得出仪器的误差最后将其显示 . 三、 齿轮渐开线检查仪的基本测量原理： 图 中被检齿轮 4与基圆盘 6安装在同一轴 5上，而基圆盘的直径等于被检齿轮的基圆直径。尺板 1与基圆盘相接触，当按箭头方向移动尺板时，基圆盘 6就与尺板作纯滚动，这时被检齿轮也随基圆盘一起转动，由于基圆盘与尺板之间没有滑动，所以和尺板相连并与它一起移动的测头尖端，在与齿轮固连的平面上的运动轨迹是一条正确的渐开线，因此若齿形有误差 就可以在记录纸 3 上画出图中所示的波纹线来，若齿形是正确的渐开线， 则画出的是一条直线。 图 盘式渐开线检查仪工作原理 单盘式渐开线检查仪示意图如图 测齿轮 2与基圆盘 1装在同一轴上，基圆盘直径等于被测齿轮的理论基圆直径，并与装在托板上的直尺相切，换器 单片机 示 采样保持 4 / 28 由弹簧产生大约 50 100N 的接触压力。当转动手轮 4 通过丝杠 3 带动托板 5 作直线移动时，直尺 7便与基圆盘 1作纯滚动，此时被测齿轮也随着转动。在托板5 上装有测量杠杆 8，它的一端装有测量头与被测齿面接触，其接触点刚好在直尺 7与基圆盘 1相切的平面上，杠杆的另一端与指示表 6的量杆接触，并将指示表调 到零位。根据渐开线形成原理，基圆盘与直尺的相对运动 无滑动滚动。当直尺与基圆盘按箭头方向作无滑动滚动时，固定于直尺上的测头相对于基圆盘产生正确的渐开线轨迹。 图 盘式渐开线检查仪 示意图 1234、 95678若被测齿形也为理论渐开线时，则在纯滚动过程中，指示表指针不动；若被测齿形有误差，如图 测量头就会发生偏移，由指示表读数或记录器画出误差曲线。 5 / 28 图 转平面上形成 1条渐开线轨迹 ,如图 图 轮渐开线形成原理 假设此圆就是被测齿轮的基圆盘 ,直线就是滑尺板。使仪器的测 量 头位于 A 点 ,则当基圆盘与滑尺板作无滑动的相对运动时 , 测 量 头就沿着齿面滑行。此时 ,若齿形为理论渐开线 ,无齿形误差及其它误差 ,则测 量 头相对于 A 点静止不动 ,反之 ,若齿形有误差 ,则测 量 头便会有跳动 , 将被测齿形与仪器复现的理论渐开线轨迹进行比较，从而得出如图 示实际齿形误差。 单盘式渐开线检查仪结构简单、传动链短、调整比较容易，故其 测量精度较高，可达 4级。不足之处是每测一种齿轮要更换一个与之对应的基圆盘，具体应用此种原理的仪器有：瑞士 本 联 如图 示 ,根据渐开线检查仪的原理 ,以被测齿轮回转轴线为基准 ,通过和被测齿轮同轴的基圆盘在直尺上滚动 ,形成理论的渐开线轨迹 ,测头的摆动形成实际的渐开线轨迹 ,实际渐开线与理论渐开线比较 ,通过与测头连接的千分表读出差值。现在 ,将千分表拆掉 ,安装一个可测微小位移的传感器 ,齿轮回转轴上安装一个角位移传感器。通过线位移传感器感受齿廓偏差 ,角位移传感器感 受展角。再把传感器的输出信号放大 ,经数模转换送入单片机。通过软件程序计算处理 ,求得齿廓偏差、齿廓形状偏差、齿廓倾斜偏差 ,可用显示器直接显示出来。根据需要 ,外接一台打印机 ,可将齿形轮廓线打印出来 ,作进一步的分析。 6 / 28 图 开线检查仪改造方案图 四、 滚珠丝杠副的计算： 1、 初步确定滚珠丝杠副的参数 （ 1） 滚珠直径 根据 得导程 5珠直径 h （ 2） 初步确定螺旋升角 和公称直径 0d 取丝杠传动效率为 95%,取 ，得 而 则求出： 查表取 0d 为 2、 主要参数的确定： （ 1） 滚珠丝杠副可 承受的最大轴向力 【 1】不发生弯曲变形时，丝杠可承受的最大轴向力 1P 0dP h 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . a 7 / 28 式中： 1k 为支撑系数，取 为材料的纵向弹性模量 为丝杠的最小断面惯性矩 2d 为滚珠丝杠螺纹底径， 320 支撑长度取 将上述数据代入 1 式，可得 ; 按计算结果的 60%确 定无用轴向力 P 9 7 （ 2） 临界转速的确定 【 1】计算方法： 式中： 支撑系数取 b 为支撑长度 取 600mm g 为重力加速度（ s） A 为丝杠最小截面积 将常数 代 入， 得 临界速度为 按计算结果的 80%确定临界转速 故临界转速为 3440*752r/264663310* 4215 b 2602236 /10*85.7 m i n/3 44 0*10* 2227 rL b 8 / 28 【 2】临界转速还要满足 70000*0 即 综上，临界转速取 r （ 3） 滚珠丝杠副的刚性： 【 1】 丝杠的刚性 因为机构中的丝杠为一端固定，一端 自由 ，丝杠的刚度 代入相关数值可得 ; 10*3 5 【 2】 滚珠丝杠、螺母间的预加负荷 了消除轴向间隙，增加滚珠丝杠副的刚性和定位精度，在丝杠螺母间加以预加负荷 大的 将引起滚珠丝杠副寿命下降及摩擦力矩增大，而 出现轴向间隙，影响定位精度，因此在一般情况下： 取 m/3 试中 : N）； 当轴向载荷不能确定时取 a/(8【 3】 对预拉但滚珠丝杠副的行程补偿值 C 和预拉伸力 补偿因工作温度升高而引起的丝杠伸长，保证滚珠丝杠在正常使用时的定位精度和滚珠丝杠的系统刚度要求较高的高精度滚珠丝杠副，其丝杠轴需进行预加负荷拉伸。 3、 滚珠丝杠副寿命的计算 （ 1）在轴向负荷下的寿命计算 查表其动载荷 3167 寿命转数 其中 一定工作条件下饿负荷系数，取 1 代入得： 1110* 转 （ 2） 在一定转速下的寿命时间 m i n/ 8 7327 0 0 0 07 0 0 0 00 10* 63 10* f 0 9 / 28 其中 n 为转速取 000 r ，代入得： 625000 （ 3） 在达到回转 距离时的运行寿命 其中， 为导程代入得： 0 五、 齿轮渐开线检查仪机构误差分析与计算： 【 1】 在 仪器 工作时，必须小心精细的处理 :没有震动、冲击、颠簸、受大力等。 在 仪器 零件的工作表面不应有微小打击，毛刺等。假若发现这些情况，则应用正确的方法消除。 影响 仪器 示值准确度的主要原因有下列几点： 1、 影响圆盘直径 0d 对理论尺寸的偏差； 2、 测量端的工作点和直尺的工作面不相重合； 3、 被检测齿轮的轴线和接触基圆盘的轴线不 相 重合； 4、 仪器连接件可动和固定件之间的间隙。 【 2】求 基圆盘与主动板运动 副 的作用误差 （ 1） e 引起的作用误差 那么，这项误差的最大值为 （ 2） R 引起的作用误差 显然基圆盘半径 R 同样可以转化成瞬时臂误差f )(0 ,则引起的误差为： 该运动副上的作用误差为 ; 21 【 3】求直尺与测量托板运动副的作用误差 直尺直线度 d 所引起的作用误差，显然，它所引起的误差为 6104 00 )c o s1(si n)(0 f 00 )(0 d 10 / 28 总之，设计齿轮迹线是一条直线，（它表示理论渐开线）。如果实际被测齿廓为理论渐开线，则在测量过程中测量杠杆侧头的位移为 0，齿廓偏差记录图形是一条直线。当被测齿廓存在齿廓偏差时， 则齿廓偏差记录图形是一条不规则的曲线。按坐标方向，最小限度的包容这条不规则曲线的两条设计齿廓迹线之间的距离所代表的数值，即为齿廓总偏差 F 的数值。 评定齿轮传动平稳性的精度时，应在被测齿轮圆周上测量均匀分布的三个轮齿或更多的轮齿左、右齿面的齿廓总偏差，去其中最大值 作为评定值，如果 不大于齿廓总公差 F ，则表示合格 六 、 传感器的选择： 检查齿廓偏差实际上就是检查齿面上各点的展开长度是否等于理论展开长度。理论展开长度等于基圆半径与展开角的乘积。无论是用逐点展开法测量渐开线齿形，还是用渐开线仪器测量齿形，都是测齿 形上各点实际展开长度与理论展开长度的差值。 因此，在测量过程中，选择测量角度的传感器，用于测量展开角的大小；选择测量位移的传感器，用于测量齿形误差；考虑到改进后的检查仪的对准问题以及基圆盘与尺板之间的力的控制，所以应该再选择一个传感器用于测量基圆盘与尺板接触力的大小。 【一】 角度传感器的选择 由于测量角度的传感器很多，而杠杆本身的摆动 是 很小的，若采用力矩式，会由于负载的运动惯性及自身的运动不稳定性而影响到杠杆的摆动，进而会导致测量的误差增大。若采用编码盘，则杠杆本身的摆动小就要求编码器的编码足够精细，则会提高 检测仪的成本，从经济性角度考虑是不符合要求的。进一步分析，则发现，采用差动式电感传感器测杠杆的摆角（即倾斜角度传感器）在经济性、可行性、精度等方面有很大的优势，故本检测仪的传感器采用倾斜角度摆角传感器。 传感器测量原理： 图 2中 1为 2为能做角位移的衔铁。 1Z 和 2Z 分别为左右电感线圈。 10 和 20 分别为 左 极和右极与衔铁的原始气隙。 为衔铁平面与 3为摆锤， 4为轴承。 当 2当传感器基准面倾斜角度时，那么由于摆锤的重力作用 使衔铁亦产生 时由于 角的存在，致使左右电感线圈的气隙 分别产生 0 和 0 的增量其值用下式计算： 2r 11 / 28 因为 2为很小的角度，所以 0 为 式中 ： r 衔铁有效平均半径 衔铁角位移，或称倾斜角度 衔铁平面与 而得到倾斜角度传感器的输出特性： 000 Rc U 设 000 Rc k 设电感线圈 10 那么传感器的电压灵敏度 0 12 / 28 传感器的电压灵敏度 k 与电桥电压 铁半径 r 及衔铁倾角 成正比 ，与原始空气隙成反比。显而易见，电桥输出电压与倾斜角度 成单值函数关系。 摆式倾斜角度传感器设计 (1) 电感线圈设计 如图 3所示， W L 图 3 原理图 铁芯采用 两边磁极 t 绕有线圈 1W 和 2W ，其电感量 0020 式中 : 0 圈匝数 0 当原始气隙改变时 (中问磁极的平均气隙并未发生改变 )，此时电感的相对增量为 )(20000o L W 13 / 28 因为铁芯材料 的 1 且 0 ， 上式可近似写成 021 感的相对增量 L=3%对应的相对气隙增量 0 =0 00006。通常设计 0 =0 5么气隙的变化范围为 30- 0 03 m ；对应的倾斜角 变化范围为 (5度 20分 )。 应该指出在一般情况下中间磁极不会 因 磁场强度较大而饱和。为保证两个电感线圈初始电感量、铜电阻相等除保证线圈参数的一致性、铁芯磁特性的均匀性以外， 还 要求 感线圈的具体设计与计算 不做具体介绍 。 将该 检查仪 的杠杆部分做成长宽固定的具有导磁作用的长方体，且其质量要求要轻。并将测角传感器的 3）固定。之后即可通过测得的电压值去求得摆角，进而求得渐开线齿轮的齿廓偏差。 杠杆摆角 与齿廓偏差 之间的关系： 式中： R 杠杆的有效转动杆长基圆半径 【二】 位移传感器的选择 根据渐开线检查仪的技术参数可知，该检查仪能测量的齿轮直径为 60240数为 1 10 以测头的摆动范围至少为 虑到不合格齿轮的偏差会超出这个范围，所以取 据这个值可选择量程合适的线位移传感器。通过查表分析确定了直流差动变压器式位移传感器 使用时只要把 调节传感器测头在测杆顶的被测点上 ,就可以直接将位移变化量 U r2 R 14 / 28 图 4 差动变压器等效电路 其中： ， ， ， ； 所以： 差动变压器输出电压的有效值： （ 1）衔铁位于中间位置 （ 2）当衔铁上移 ，与 （ 3）当衔铁下移 ， 与 当初级线圈参数和激磁电压确定后，变压器输出由 一定范围内， 动变压器的线性范围约为骨架长度的 1/10 1/4。 【三】压力传感器的选择 由于选用压力传感器只是用来测量尺板与基圆盘接触时的压力大小，因此要在接触点安装一个压力应变片 。考虑到 正常的测量过程中，确保测量的正确性，压力有一 个范围，而这个范围需要用试验的方法确定，而实际条件有限，故不作具体的介绍。 七 、 放大 及 滤波 电路 如图 4所示：从传感器出来的电压经过整流后输出，紧接着，采用滤波器消除噪音引号后，在对信号进行放大。因为本检测仪的侧头在齿廓偏差大时存在不同程度的高频噪音，它会影响传感器的电感部分进而对后续的处理产生影响。故需要在采集信号之前对它进行低通滤波，滤去高频信号，减弱或者消除它对信号测量的影响。放大器采用仪用放大器。 仪用放大器是一种高性能的放大器，其对称性结构可同时满足对放大器的抗模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间 和温度稳定性等不同的性能要求。它由三个通用运算放大器构成，第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差动放大器。 11 122b 11M( 21(M(U0U,M 1 21L(1 21L( 15 / 28 图 5 仪用放大器 设电路中电阻 ，考虑最严重的情况，即 40(1+)、50(1+)、 60(1+)、 70(1+)，且 60,70,这里， 50、 4、 该放大电路输出的共模 增益为： 311435)451(7673其中， 40503 仪用放大器上下对称，即图中 2,6, 45)121( G 假设 5,即第二级运算放大器增益为 1，则可以推出一用放大器闭环增益为 )121( 由上式可知，通过调节电阻 可以很方便地改变易用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时， 般为外接电阻。在设计中我们假定 为已知量。 八、 采样保持电路的设计： 16 / 28 图 5 采样保持电路 采样保持器是具有采集某一瞬间的模拟输入信号，并保持其值的功能。在采样状态下：电路的输出跟踪输入模拟信号；在保持状态下：电路的 输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入信号，直至进入下一次采样状态为止。开关的闭合与断开可以有微机控制： ， Uo=出跟随输入变化。并向电容 ，拟信号采样如下 图 6所示： 图 6 为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采样 /保持器精度要求外，还必须符合采样定理，即若被采样的信号 f(t)的最高频率为 为了复现该波形，必须要求采样间隔小于 1/(2 也就是说采样频率 倍， 这便是采样 定理的要求。如果采样保持器的孔径时间 则限定的被转化信号的最高频率为： 17 / 28 m 121式中 典型的 0 ，而信号经过放大滤波后的最大频率为： 即有 从而求出 8m （即之后只要选 8位 九、 单片机及 利用单片机对该检测仪测得的数据进行处理显示，是比较廉价，而且能满足要求，单片机采用 80为其是一种低功耗 /高性能的 8位处理器。它采用了 且其引脚和指令系统都与具有功能强、灵活性高等优点。 由上面可知， 位的就能满足要求， 而且，被测量只有一个，只需要一路模拟量输入。 故可以采用使用比较广泛，且技术比较成熟的 具有转换速度快，精度较高，价格适中的优点。 单片机与 所示； 无论是启动转换还是读转换结果，都要保证 8051的 换结果分高 8位和低 4位与 8051的 8位数据线相连，故 12/8接地。这样对地址 00进行写操作时，启动一次 12位转换；对地址 10进行写操作时，启动一次 8位转换；对地址 01进行读操作时，读取转换结果高 8位；对地址 11进行读操作时，读取转换结果低 4位。 本设计中只需要 8位转换器就能满足要求，故只要连接高 8位。 图 7 18 / 28 因为本转换器只有一路模拟输入信号，故在电路连接时，将输入信号连接到10把 12/8接口 连接到地。 而且测量过程中要求正负信号都要测，故为了满足要求，要求 双极性输入，故接线图 如上图所示。 制状态表如下： 十 、实验程序及流程图 系统程序总结构如图 8所示。由图 8可见整个程序由主程序流程和相应配套的子程序构成。主流程由系统初始化、键盘扫描控制等部分组成。子程序包括 A /值计算、显示驱动、数据转换、数据保存等子程序组成。 19 / 28 图 8系统 主 程序 流程图 开始 针赋值 初始化 置中断状态 A； 否有键输入 键值是否为 0 启动 A/D 转换，同时 示输入电压 Y N Y 示 P 键值是否为 1 换停止 N Y 示 20 / 28 图 9 AD 转换子程序流程图 初始化 将 / 0，启动 行 B 中的数值除以 51，商送 示（整数部分） 将余数除以 5，商送 示（小数点后第一位） 将余数左移 1 位，结果送 示（小数点后第二位） 是否有键输入 键值是否为 0 启动 A/D 转换，同时 示输入电压 Y N Y 键值是否为 1 换停止 N Y 示 开始 21 / 28 图 10 该系统的程序采用 程 ， 其完成的主要功能有 ： A/值显示。因为在测量时传感器出来的数据就是实际的齿形误差的数值，因此可以直接显示。 程序清单如下所示： #00; 01; 02; 06; 05; 04; 30; 31; 保存现场 置 显示起始地址 为 80H（ 址不自动加 1） 设定显示位置（ 80H+ 查表（表起始位置 + 显示数据 恢复现场 开始 结束 22 / 28 =00; / i,; ; _; _; ; _; _; ; _; _; ; _; _; ; _; _; i=8;i0; ; ; j=100;j0; /定义显示函数 ; /选中第一个数码管 um /将 要显示的数据送到 um ; ; ;