（仪器科学与技术专业论文）小模数蜗杆副综合误差测量仪的测控系统设计.pdf

独创性声明 删俐删洲卅川删 y 17 8 7 9 5 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丞鱼日期：趁应：主：至l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型塑 摘要 摘要 蜗杆副传动具有结构紧凑、传动比大、传动平稳、噪声小、具有自锁性等 特点，广泛应用于机械传动领域。机械传动的平稳性主要由传动部件的质量决 定，在蜗杆副传动链中，蜗杆副的质量直接决定整个传动的质量，现有检测手 段主要通过单项误差来分别评价蜗轮蜗杆质量，这种方式的检测状态与蜗杆副 实际使用状态不一样，综合误差可以更真实的反映蜗杆副啮合质量。但国内尚 无小模数蜗杆副综合误差检查仪，企业迫切需要对蜗杆副进行高效、高精度的 检测。 本文为解决企业实际需求，主要设计检测难度大、应用领域广的小模数蜗 杆副综合误差测量仪的测控系统。 仪器根据齿轮单面啮合测量原理，设计可实现手动和自动控制相结合的控 制电路，编制测量软件测量蜗杆副切向综合总偏差、一齿切向综合偏差、齿距 偏差、单个齿距偏差、侧隙偏差，本测量软件还可实现齿形边缘自动提取、毛 刺手动剔除及自动剔除，工件参数数据库管理( 用户分为管理员与操作员两级 用户) ，f f t 处理实现测量信号特征分析、编制s p c 分析功能对测量结果数据库 管理。 本文完善了仪器垂直轴系的设计，完成了仪器的测控硬件及测控软件设计， 通过实验验证，仪器工作稳定，各项功能正常，测量结果重复性好该仪器可 满足四级精度的蜗杆副测量。 关键词蜗杆传动；小模数蜗杆副；传动误差测量；边缘提取 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w 0 衄g e a r “v ei se x t e n s i v e l ya p p l i e di i lm a n ym e c h a n i c a l 仇m s m i s s i o nf i e l d sf 0 r “s 甑c e l l 饥tc h 矧| c t 丽s t i c s ，s u c h 嬲c l o s es 仃u c t l l 】汜，b i g g e r 的n s m i s s i o nr a t i o ，s m o o mt r a i n s m i s s i o n ， s m a l ln o i s e ，s e l f 1 0 c l d n gp e r f 0 册a n c e ，e t c s m o o t h 觚l s l i s s i o ni sm a i n l yd e c i d e db yl h eq u a l i t ) ， o ft r a n 跚 1 i s s i o np a r t s f o rt h ew o 册g e a r “v ec h 咖，m eq u a l i t ) ro fw o mg e a rp a i rd i r e c t l y d e c i d e s 也eq u a l i t ) ，o ft h ew h 0 1 et r a n s m i s s i o n e x i s 血gi i l s p e c t i o ni i l s 胁e n t sm a i n l ye v a l u a t e s i i l 9 1 ee r r o ro fw o 髓g e a rp a 近w h i c hi sd i 行音r c n tf 如mm ea c t i l a lu s i i l gs t a t eo fw o n i lg e a rp a 远 c 唧o s “ed e v i a t i o nc a nb em o r ep r o p e rt oe v a l u a 舱t l l eq u a l i t ) ，o fw o mg e a rp a 记t h e r ei sn 0 缸e - p i t c _ hw o r mg e a rp a i rc o m p o s i t et e s t e ri nd o m e s t i cb e f o r e ，w h i l ew o m m 锄u f a c t l l r e r sn e e d 1 l i g he 伍c i e i l c y ，h i 曲- p r e c i s i o ni n s p e c t i o no fw o 肋g e a rp a i ru 玛e 1 1 t l y t bm e e t1 h em a n u f a c t u r e l l s d 锄a n d s ，缸e - p i tc _ hw o 衄g e 缸p a i rt e s t e r ss 0 角a r ea n d e l e c t r i c a lp a n s ，、池i c hi sd i 伍c u l tt od e s i 弘锄d 诵d e l y 印p l i e d ，a r ed e s i g i l e d b a s e do ng e a rs i i l g l e n a i l l 【r 0 1 l i i l gt e s tm e 吐l o d ，c o n 臼o lc m u i to fm et e s t e ra c l l i e v e sm a m i a l a i l da u t o m 撕cc o n 仃0 l ，t l l es o 盘w a r ea c k e v e se x 仃a c t i o no ft o t a lt a n g e n t i a lc o m 】p o s i t i v ed e 、，i a t i o i l t o o t l l t o t o o mt a i l g e n t i a lc o m p o s i t i v ed e 、，i a t i o n ，t o t a ic u 啪u l a t ep i t c hd e 、，i a t i o n ，s i n g l ep i t c h d 嘶a t i o n 强db a c k l a s hd e v i a i i o n ，a i l da u t o m a t i c a l l ye x t r a c t st l l ee d g eo ft h eg e a rp r o f i l e ，b u c a i l b er 锄o v e dm a i l u a l l yo ra u t o m a t i c a l l y ，p a r a m e t e r so fw o d k p i e c ea r em a n a g e db yd a t a _ b a s e t h e r e a r e 觚ok i n d so fu s 粥，0 n ei sa 胁诚s 舰t o r t l l eo m e ri so p e r a t o r - a n a l y s i so fs i g n a l c h a r a c t 舐s t i c si sa c h i e v e db yf f r ，s p ca i l a l y s i s 缸l c t i o ni sa c h i e v e db y 孤a l y s i n gd a t a b 觞eo f n 1 铭s u r e m e n tr e s u l t s t h ep 印e ri l p r o v 懿v 咖c a ls h ms 仃u c 仙r eo ft h ei n s e n t ，a n dc o m p l e t e sc o n n o l s y s t e mh a r d w a r e 锄ds o 脚a r ed e s i 孕l m e n t e x p 面n e n t a lr e s u l t ss h o wt 1 1 a tm e i i l s 仉珊e n tw o r k s s 乞a b l y ，姐dd 印e 心l b i l 埘o f 也em e a s u 崩n e n tr e s u l ti sv e 叮9 0 0 d 1 1 h ei n s t r i i n l e n tc 孤s a t i s 匆t l l e m e a l s u r e m e n to f 4 蓼a d ew o ng e a rp a i ra c c o r d i i l gt ot l l ea c c u r a c yc o d e k e y w o r d sw o 锄g e a r “v e ； f m e - p i t c hw o 皿g e a rp a i r ；t 豫n s i n i s s i o nd 州a t i o n m e 嬲u r e m e m ； e d g ee x 缸_ a c t i o n i 北京工业大学硕士学位论文 目录 目录 摘要一i a b s 仃a c t ll i 目蜀乏v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景j - ：1 1 2 蜗轮蜗杆测量技术的发展3 1 3 蜗杆副综合误差测量原理3 1 3 1 误差项目定义。3 1 3 2 切向综合误差曲线提取原理5 1 3 3 光栅脉冲的计数法6 1 3 4 光栅信号采集8 1 3 5 本课题光栅信号采样原理9 1 4 课题研究基础9 1 5 课题任务9 1 6 本章总结1 0 第2 章仪器总体设计与改进1 1 2 1 设计要求1 1 2 2 技术指标1 2 2 3 工作原理_ 1 2 2 4 系统组成1 3 2 5 机械结构改进与完善1 4 2 6 本章小结17 第3 章仪器测控硬件设计19 3 1 光栅系统选型1 9 3 2 控制电路设计2 4 3 2 1 电机选型及计算2 4 3 2 2 电机驱动器选择2 9 3 2 3 控制电路设计3 0 3 3 控制面板设计3 3 3 4 电箱设计3 3 3 5 本章小结3 4 第4 章测量仪测控软件的设计3 5 4 1 开发平台介绍3 5 4 2 软件设计总体方案3 6 4 2 1 软件功能需求3 6 4 2 2 软件总体架构3 6 4 2 3 软件主测量流程。3 6 4 3 产品参数与结果数据库管理j 3 8 4 4 测量模块3 9 4 4 1 定点采样及动态算法4 0 4 4 2 数据滤波算法4 3 v 北京工业大学硕士学位论文 4 4 3 滤波曲线截取与齿形边缘提取算法4 6 4 4 4 切向综合总偏差提取算法：4 7 4 4 5 一齿切向综合总偏差提取算法4 8 4 4 6 齿距累积总偏差提取算法4 9 4 4 7 单齿齿距偏差提取算法。5 0 4 4 8 侧隙偏差提取算法。5 0 4 4 9 毛刺剔除算法5 2 4 5s p c 统计分析模块5 3 4 5 1s p c 概念j 。5 3 4 5 2s p c 技术原理。5 3 4 5 3s p c 管制图5 3 4 5 4 实施s p c 的两个阶段5 4 4 6 特征分析模块5 4 4 7 用户管理5 5 4 8 本章小结5 7 第5 章实验与分析。5 9 5 1 仪器精度检验5 9 5 2 功能实验6 0 5 2 1 定点采样6 1 5 2 2 动态采样：6 7 5 2 3 滤波效果及齿形边缘提取7 3 5 2 4 毛刺剔除7 3 5 2 5 打印报表7 8 5 3 数据分析7 8 5 4 总结7 9 结论8 0 参考文献8 1 攻读硕士学位期间取得的研究成果8 4 致访 8 5 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 蜗杆传动具有结构紧凑，传动比大，传动平稳，噪声小，具有自锁性等特 点，广泛应用于机械传动领域。 随着我国经济的快速发展，我国蜗轮蜗杆产品经过近1 0 年的发展取得了长 足的进步，不少产品已达到或接近国际先进水平，但仍有相当大一部分蜗轮蜗 杆产品，在振动噪声与传动效率方面与国际先进水平差距明显，而这与蜗杆副 的啮合质量有直接关系，蜗杆副的啮合质量直接决定产品动力传动的效率与质 量。对蜗杆副的质量进行高效、高精度的检测一直是困扰我国蜗杆副产品赶超 国际水平的瓶颈之一。 2 0 0 9 年，世界齿轮行业产值4 2 0 0 亿元，我国齿轮行业产值1 2 0 0 亿元。齿 轮产业成为支撑我国工业发展的基础性产业。齿轮行业是机械工业的基础性产 业，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，这些都离 不开齿轮制造业，没有高质量的齿轮就没有高性能的传动系统，就没有高质量 的工业产品。蜗杆传动实际上是齿轮传动的一种特例，属于螺旋齿轮传动，在 工业产品中有广泛应用，特别在减速机领域。 ， 齿轮测量在齿轮制造中占有极其重要地位，没有先进的检测技术和仪器， 无法判定齿轮质量的优劣。看一个国家工业的强弱，通过看其检测仪器的先进 程度就可以基本判定。在产品质量决定企业生存的今天，齿轮生产商对强化并 提高齿轮制造全过程的测量非常重视，对齿轮检测理论研究与检测仪器的研发 投入大量资金。 作为衡量齿轮传动精度的重要技术指标，传动误差瞳吲( t r a l l s m i s s i o n d 嘶a t i o n ) 成为了评定齿轮质量的一项重要依据，它一方面反映了齿轮的制造、 装配误差，另一方面反映了传动系统的不稳定误差( 如弹性变形、温度影响等) 。 在需要高精度传动的场合中，如精密机床、航天工业、精密仪器等行业，传动 误差与其动态特性息息相关，对其进行高精度测量，可以更好的评价出齿轮质 量及其传动质量。 齿轮单面啮合测量法口q 钉是测量齿轮传动误差的一种典型方式，它是指被测 齿轮与理想精确的标准齿轮( 可用标准蜗杆、标准齿条等测量元件代替) 在公 称中心距下做有侧隙的单面啮合转动时，测量被测齿轮的实际转角与理论转角 的差。 单面啮合测量法n 蚴1 在众多的齿轮测量方法中占有特殊的地位，具有下述 北京工业大学硕士学位论文 特点： ( 1 ) 单面啮合测量运动接近于齿轮的使用状态。 ( 2 ) 单面啮合测量过程是动态连续的，测量效率高，因此可用于批量产品 的成品检验。 ( 3 ) 单面啮合测量法对环境条件要求不高，易于实现自动化。 ( 4 ) 通过单面啮合测量获得的切向综合误差曲线，既能反映几何偏心对齿 轮误差的影响，又能反映运动偏心对齿轮误差的影响。 ( 5 ) 单面啮合测量既能反映出齿廓偏差的影响，又能反映出齿距偏差的影 响。 由于单面啮合测量的上述优点，自该技术发明以来，一直被广泛应用于齿 轮测量领域。 我国现有的单啮仪种类包括机械式、光栅式、磁栅式、惯性式等，主要的 仪器有北京量具刃具厂生产的c d 3 2 0 g b 型光栅式齿轮单面啮合测量仪、 c d 3 2 0 g d 型光栅式单啮仪、c d 3 2 0 w 型万能式齿轮单面啮合测量仪，成都工 具所生产的c z 4 5 0 型单面啮合整体误差测量仪、成都工具所生产的c g w 二8 0 0 蜗杆副综合检测仪等汹1 ，除c g w 8 0 0 蜗杆副综合检测仪是检查蜗杆副的仪器 外，其它都是检查齿轮的测量仪器。c g w 二8 0 0 蜗杆副综合检查仪的特点是测量 模数为1 n n 以上的蜗杆副的切向综合总偏差、一齿切向综合偏差、齿距累积总 偏差、齿距偏差，仪器精度满足g b l 0 0 8 9 8 8 中规定的四级精度蜗杆副的 测量。 国外主要的仪器有美国g l e a s o n 公司生产的c f s 2 ( 5 9 2 ) 型光栅式单啮仪、 n 0 5 5 2 单啮检验机、凤凰h c t 5 0 0 型检验机，德国i n g e l n b e 曜公司生产的 p s k e 9 0 0 型光栅式单啮仪、p s e 6 0 0 蜗杆副检查仪、p s r 5 0 0 蜗杆副检查仪等。 测量蜗杆副传动误差的主要是德国i n g e l n b e r g 公司生产的p s e 6 0 0 蜗杆副检查 仪、p s r 5 0 0 蜗杆副检查仪，其它的仪器大多都是以测量齿轮为主啪3 。 从现有的仪器可以看出，我国厂家生产的单面啮合测量仪多以用测量齿轮 为主，少数测量仪能测量蜗轮和蜗杆的单项误差，具有一定的局限性，而测量 蜗杆副的仪器测量模数范围都是在1 i 砌以上，且价格高昂。对于使用范围广， 精度要求高的小模数蜗杆副的综合误差测量国内尚属于空白，急需开发相应的 测量仪器。 本课题就是根据这种需要，以解决企业实际需求为前提，以开发一台满足 企业实际检测要求的小模数蜗杆副综合误差测量仪为目的，具有很好的应用前 景及开发意义。 第1 章绪论 1 2 蜗轮蜗杆测量技术的发展 蜗轮蜗杆测量技术的发展过程与齿轮测量技术的发展过程是一致的，都是 以齿轮精度理论的发展为基础。齿轮精度理论的发展实质上反映了人们对齿轮 误差认识的深化。下面分别讲述齿轮精度理论及齿轮测量技术的发展过程。 齿轮精度理论的发展过程经历了齿轮误差几何学理论、齿轮误差运动学理 论、齿轮误差动力学理论防2 射。 第一种精度理论将齿轮看作纯几何体，认为齿轮是一些空间曲面的组合， 任一曲面都可由三维空间中点的坐标来描述，实际曲面上点的位置和理论位置 的误差即为齿轮误差。第二种精度理论将齿轮看作刚体，认为齿轮不仅仅是几 何体，也是一个传动件，并认为齿轮误差在啮合运动中是通过啮合线方向影响 传动特性的，因此啮合运动误差反映了齿轮误差信息。第三种精度理论将齿轮 看作弹性体，对齿廓进行修形，“有意地”引入误差，用于补偿轮齿承载后的 弹性变形，从而获取最佳动态性能，由此形成了齿轮动态精度啪啪3 的新概念。 目前，这种理论还处于探索之中，仍需要齿轮工作者不断的研究。 1 3 蜗杆副综合误差测量原理 蜗杆副单面啮合测量仪基本原理同齿轮单面啮合测量原理一致，仅仅是测 量对象及仪器机械结构的不同而己，单面啮合测量方法中最重要的就是切向综 合误差曲线的提取，所有切向偏差及齿距偏差都是从切向综合误差曲线中分离 出来的，下面介绍本仪器测量项目及测量原理。 1 3 1 误差项目定义 本仪器属于综合测量仪，能够测量蜗杆、蜗轮、蜗杆副综合误差，具体误 差项如下：当测量蜗杆时，使用配对标准蜗轮作为蜗杆的测量标准件，通过单 面啮合测量其传动切向综合总偏差、传动一齿切向综合偏差；当测量蜗轮时， 使用配对标准蜗杆作为蜗轮的测量标准件，测量蜗轮的切向综合总偏差、一齿 切向综合偏差、齿距偏差、齿距累积总偏差；当测量项目为蜗杆副时，使用配 对待测蜗杆副，测量其传动切向综合总偏差、传动一齿切向综合偏差、侧隙偏 差。并给出啮合时，按蜗轮齿距评价方式评定的单齿齿距偏差，齿距累积总偏 j _ z 工o 主要误差项目见表卜l ： 表1 - l 主要误差项目及提取方法 n b l e1 1m a i nd e 啊a t j o n s 北京工业大学硕士学位论文 测量类型误差项目及其提取方式代号 蜗杆传动切向综合总偏差 被测蜗杆与理想精确的测量蜗轮在单面啮合时， 在被测蜗轮一转内，实际转角与理论转角之差的切向 心： 综合误差曲线中单齿最大幅度值。 蜗杆 蜗杆传动一齿切向综合偏差 被测蜗杆与理想精确的测量蜗轮在单面啮合时， 在被测蜗轮一齿距角内，实际转角与理论转角之差的 硪 切向综合误差曲线中单齿最大幅度值。 蜗轮切向综合总偏差 被测蜗轮与理想精确的测量蜗杆单面啮合时，在 被测蜗轮一转内，实际转角与理论转角之差的总幅度 心； 值。以分度圆弧长计。 蜗轮一齿切向综合偏差 被测蜗轮与理想精确的测量蜗杆单面啮合时，在 被测蜗轮一齿距角内，实际转角与理论转角之差的最 战 大幅度值。以分度圆弧长计。 蜗轮 蜗轮轴向齿距累积总偏差 本仪器通过提取切向综合误差曲线中各齿齿形中部 点得到齿距曲线图，从齿距曲线中求得总幅度值即是 陋p 蜗轮轴向齿距累积总偏差。 蜗轮单齿齿距偏差 本仪器通过提取切向综合误差曲线中各齿齿形中部 点得到齿距曲线图，从齿距曲线中求得相邻两点间差 埘硅 值的最大值即是蜗杆轴向齿距偏差。 传动切向综合总偏差 安装好的蜗杆副啮合转动时，在传动的整周期内，蜗 嵋 轮的实际转角与理论转角之差的总幅度值。以蜗轮分 度圆弧长计。 传动一齿切向综合偏差 安装好的蜗杆副啮合转动时，在蜗轮一转范围内多次 出现的周期性转角误差的最大幅度值。即传动切向综 嗨： 合误差曲线上小波纹的最大幅度值。以蜗轮分度圆弧 长计。 蜗杆副 侧隙偏差 安装好的蜗杆副啮合转动时，在蜗轮正转一圈范围内 与对应位置反转一圈范围内切向综合误差曲线各点 ，露 误差值相减后的平均值即为侧隙偏差。( 具体提取参 照提取算法) 蜗杆副齿距累积总偏差 安装好的蜗杆副啮合转动时，按照蜗轮齿距累积总偏 差提取方式分别提取出正转和反转的齿距累积总偏 心p 差，取其最大值。 4 第1 章绪论 差，取其最大值。 蜗杆副齿距偏差 安装好的蜗杆副啮合转动时，按照蜗轮齿距偏差提取 方式分别提取出正转和反转的齿距偏差，取其最大 埘幢 值。 1 3 2 切向综合误差曲线提取原理 蜗杆副切向综合误差曲线即传动误差曲线，是指安装好的蜗杆副啮合转动 时，在传动的一个完整周期内，蜗轮的实际转角与理论转角之差，以蜗轮分度 圆弧长计算。传动误差的测量是一个实际位置与理论位置连续比较的过程，所 以其测量过程采用位移量同步比较原理，即以一端零件的位移量为基准，去评 价另一端零件的实际位置值与理论位移值之差n 叭。在蜗轮和蜗杆副测量中，以 蜗杆的位移为基准，在蜗杆的测量中，以蜗轮为基准，获得切向综合误差曲线。 在蜗杆副啮合过程中，蜗轮实际位移量与理论位移量之间的差值，表现为 角度误差。设鼠、幺分别为蜗杆轴和蜗轮轴的实际角位移，以蜗杆轴为基准，则 蜗轮轴的转角误差为 = 岛一岛f ( 1 - 1 ) f 为传动比，如图2 1 所示。显然转角误差的测量过程是“理论位移量与实际位 移量”的连续比较过程。 c 八飞 弋 图1 1 转角误差曲线的形成 f i g 1 1f o n i l a t i o no fa n 9 1 ed e v i a t i o nc u r v e a _ 实际位移曲线；卜理论位移曲线；r 转角误差曲线 在小模数蜗杆副综合误差测量仪中，蜗杆驱动蜗轮旋转，蜗杆轴上光栅每产生定值脉 冲后，触发计算机读取蜗轮轴方向光栅脉冲数，根据理论脉冲数与实际的脉冲计数的差值， 连续绘制出的曲线就是传动误差曲线图，即切向综合误差曲线图，从图中直接可以提取出 切向误差项与齿距误差项，具体将在第四章详细叙述。 北京工业大学硕士学位论文 1 3 3 光栅脉冲的计数法 光栅脉冲计数分为直接测量计数法、微机细分计数法和直接细分计数法n 钔。 光栅信号的采样方式有两种，一种是定时触发机制，它是采用相等的时间信号 作为采样的控制信号，通常采用时钟信号作为控制源，其在时间域的采样间隔 是均匀的、线性的。在齿轮的啮合运动中，若主动轴不是做匀速运动，则其在 空间域的采样间隔不是均匀的、非线性的。 通常意义上的信号频率是指时间频率，即单位时间内的采样点数。在齿轮 单面啮合测量中，所采集的原始信号是被测齿轮转动一周过程中由于切向误差 引起的波动信号，是一种空间周期信号。因此，本文所关心的采样间隔是在空 间域内衡量的，若齿轮转动一周采集个点，这个点在空间上的位置是恒定 的，若采用等时采样方式，则需要确保系统始终保持匀速运动，这对控制系统 提出了很高的要求。 蜗杆副单面啮合测量中，假定蜗杆轴方向的光栅刻线数为m ，蜗轮轴方向 光栅的刻线数为，在某一时间间隔内蜗杆轴光栅脉冲数为：，蜗轮轴光栅 在同一时间间隔内的实际输出的脉冲数为m ，连续计算出各个时间间隔内的计 数误差，并通过角位移当量尼将计数误差转化成转角误差疗汹1 ： = ( m 一；o m 2 ) ) 后 ( 1 2 ) 式中，f 为理论传动比；忌为蜗轮端脉冲的角位移当量； 另一种测量法等角度触发机制，即选择蜗杆轴轴光栅为基准，假定蜗杆方 向的光栅刻线数为m ，蜗轮轴方向光栅的刻线数为 ，在蜗杆轴光栅脉冲数为 ：的整数倍时，蜗轮轴光栅在同一时间间隔内的实际输出的脉冲数为m ，连 续计算出各个计数点的计数误差，并通过角位移当量忌将计数误差转化成转角 误差龟踟： 良= ( m 一吖a m 2 ) ) j | ( 1 3 ) 式中，f 为理论传动比；后为蜗轮端脉冲的角位移当量； 等角度采样是采用相等的角度信号作为采样的控制信号，通常采用角度计 量系统给出的角度信号作为控制源，其在空间域的采样间隔是均匀的、线性的。 实现等角度采样的前提条件是测量系统能够提供高精度的角度测量。 本文最终采用等角度采样方式，选择与蜗杆同轴安装的圆光栅传感器脉冲 作为采样控制信号。 光栅脉冲计数方法对于传动比为非整数的系统会造成测量误差彳，此误差 项主要来源于计算过程中对传动比的数字化损失，这项误差可以通过在计算机 中，增加传动比的表示位数来减少。对实际结果的影响比较小，可以忽略不计。 第1 章绪论 光栅脉冲计数方法中最主要的误差来源于光栅的系统精度以及分辨率误 差，光栅的系统精度由于制造误差，无法消除，对于高精度要求的场合，可以 选用系统误差小，但相应的价格也会随之增加。光栅的分辨率误差可以通过提 高光栅刻线数和增加光栅信号细分倍数来减少，刻线数多的光栅，一般价格也 相应大幅增加，所以实际中一般采用光栅信号细分来减少分辨率误差。为了减 少分辨率误差，可以采用两种计数法。一种是微机细分计数法，另一种是直接 细分计数法。 微机细分计数法，它利用计算机高频时钟脉冲c p 对光栅脉冲序列& 进行 插值细分，计算出由于传动比为非整数所产生的测量误差彳，与整数计数值 求和，代入到公式( 1 2 ) 中，原理如图1 2 所示。此方法有效地减少了测量中 的量化误差，充分利用微机内部资源和软件简化了外部硬件电路n 引。在实际应 用微机细分计数法时，需要考虑系统的实时响应，现在常用的操作系统是 w i n d o w s 与1 i n u x 操作系统，但这两种操作系统都是多任务的操作系统，不能 实时响应测控系统的中断，我们需要使用特殊的方式实现操作系统对测控软件 的实时响应，对于w i n d o w s 操作系统，可以考虑使用w i n d o w s 多媒体定时器，它 的精度非常高，与硬件中断相当，同时w i n d o w s 。多媒体定时器的优先级很高， 他按设定的时间间隔发送消息而不管其他进程是否执行完。常用的i n t e l 系统 多媒体定时器的最小定时精度可达1m s ，可以满足大部分测控系统实时性的要 求。此外如果电机使用的是伺服电机，则采样需要在电机速度平稳后采样，这 样计算机高频插值细分出的脉冲计数准确，如果是步进电机，精确插值细分需 要对步进电机的速度变化进行考虑，情况相对较复杂。 s l s 2 凹 图1 2 微机细分计数原理 f i g 1 - 2c o u n t i n gp 血c i p l eo f m i c r o c o m p u t e ri i l t 唧0 1 a t i o n 直接细分计数法是利用外部的细分电路对两路脉冲直接进行细分，将细分 后的脉冲数代入到式( 2 2 ) 中即可得到转角误差n 9 1 。如图1 3 所示，输出端肼 和输入端黝分别连接一个具有调理、细分等功能的信号处理电路，分别得到细 分后信号s 1 。与s 2 ，其细分脉冲数分别为m 与2 ，将两路细分脉冲数进行同步 7 北京工业大学硕士学位论文 比较，即可计算出转角误差。此方法性能稳定，测量误差小，细分数可以根据不 同的场合进行调整嘲1 。 图1 3 直接细分计数原理 f i g 1 - 3c o u n d n gp 血c i p l eo fd i i e c ti n t e r p 0 1 a t i o n 本系统考虑到微机细分计数法实现相对复杂，精度验证需要辅助设备，所 有本系统采用直接细分计数法来降低光栅分辨率误差。 1 3 4 光栅信号采集 本系统采用的读数头有两种型号，蜗杆轴上安装的光栅读数头为r g h 2 0 ，蜗 轮轴方向安装的读数头为s r 0 5 0 a ，两种型号读数头都提供数字方波信号，不需 要设计信号调理电路。 ( 1 ) 采样方式的选择 在细分数比较大的情况下，不可能对于细分后的每一个脉冲都进行与理论 值的比较，这样会影响计算机的处理速度，影响测量速度，故需要每隔一定的 时间或者空间进行采样。采样系统的采样方式一般可以分为均匀采样和非均匀 采样。由于采样过程总是与时间和空间紧密联系，故相应的就有均匀时间间隔 和非均匀时间间隔以及均匀空间间隔和非均匀空间间隔采样方式。为了减少计 数值的失真，小模数蜗杆副综合误差测量仪采用均匀间隔采样方式。 ( 2 ) 同步采样的基准选择 所谓同步采样，就是同步采集两路圆光栅传感器信号，这就需要以一端控 制信号作为基准，发出中断，计算机控制采集另一端信号计数值。蜗杆副误差 定义的测量项目主要是大多数误差项目都是以蜗轮分度圆弧来计算，所以在本 文以蜗杆端光栅信号作为基准，求得蜗轮端的实际转角与理论转角之间的差值。 第1 章绪论 1 3 5 本课题光栅信号采样原理 蜗轮轴光栅传感器和蜗杆轴光栅传感器分别与蜗轮轴和蜗杆轴同步回转， 采样方式采用直接细分计数测量法，选择蜗杆轴为基准轴。假定蜗杆在某一转 角内的实际输出的脉冲数为m ，在相应的转角内蜗轮输出的信号脉冲数为2 ， 则转角误差为： 吃= ( 2 一m ) x2 万五2 = 【2 一m 力2 ( f 兄1 ) 】2 万允2 ( 1 - 4 ) 其中丑、五分别为蜗杆和蜗轮光栅传感器每转输出信号数；f 为传动比； 旯：( f 五。) 为两路脉冲的频率之比，若蜗杆与蜗轮选用的圆光栅一样，则允i ( f a 。) 的数值通常为1 1 0 1 1 0 0 ：2 万力，为蜗轮路脉冲的角位移当量。 在式( 卜4 ) 中计算的是角度误差，根据蜗轮切向综合总偏差以及传动切 向综合偏差的定义，需要将角度误差转换成分度圆上的弧长，这将在计算机软 件中实现。 1 4 课题研究基础 本课题机械部分由郝向非硕士前期设计，仪器的花岗石平台设计加工完 成，左右顶尖轴系加工完成，垂直轴系部分设计完成，机械部分主要工作已经 完成，剩余工作量相对较少，单面啮合原理的研究，张旭硕士已经设计一台齿 轮单面啮合测量仪，单面啮合的原理及具体开发相对成熟，可以借鉴的地方比 较多，本课题前期研究充分，机械部分基本完成，单面啮合原理清晰，在前期 工作的基础上，本仪器继续完成需要做的剩余工作。 1 5 课题任务 本课题是与常州德劢精密传动有限公司合作项目，致力于研制一台小模数 蜗杆副综合误差测量仪，该仪器可满足4 级精度的蜗杆副综合误差测量。根据 测量要求和技术指标，采用精密测试技术以及数字信号处理技术，实现蜗杆、 蜗轮、蜗杆副综合误差的快速测量。 本课题研究的具体内容包括： ( 1 ) 完善仪器机械结构，根据实际仪器结构的实际情况，完善垂直轴系及 相关部件的结构。 ( 2 ) 控制电路及光栅信号接口电路设计。 ( 3 ) 设计配套测量软件。 ( 4 ) 系统联调 9 北京工业大学硕士学位论文 1 6 本章总结 本章主要介绍了蜗杆副综合误差测量仪的技术发展，介绍了单面啮合的发 展及应用，介绍了小模数蜗杆副综合误差测量仪的测量原理与光栅采集方案， 介绍了课题前期研究基础及课题任务，最终设计目的是将一台功能完备，可以 测量4 级精度的蜗杆副综合误差测量仪交付用户使用。 第2 章蜗杆副综合误差的测量原理 第2 章测量仪的总体设计与改进 本章将根据该仪器的设计要求及设计参数，系统地论述该仪器的整体设计 方案、仪器精度分析以及设计中需要解决的关键问题。 2 1 设计要求 现代精密仪器机械设计主要考虑以下几个方面3 ： ( 1 ) 精度一对于测量仪器，首要的是精度。根据不同的仪器及不同的测量 条件，选用相应的静态或动态精度特性指标。蜗杆副传动偏差测量仪主要对直 接参与测量的零部件规定严格的精度要求，如一维平台、精密轴系、基座等关 键部件，并从结构上保证仪器精度目标的实现。 ( 2 ) 经济性一设计达到最简单、最经济的方案，即可靠性高、成本低、零 部件较少、维修和维护简单等。本设计尽量选用通用件和标准件，提高“三化” ( 标准化、通用化、系列化) 程度，同时注意借鉴成熟的齿轮仪器技术，努力 降低仪器开发和制造成本。 ( 3 ) 效率一本装置采用半自动化的测量方案，要求在手动调整基础上实现 自动化测量、数据的自动采集和自动处理，同时要考虑持续改进的要求，对装 置稍加改造即可达到自动化快速测量要求。 。 ( 4 ) 可靠性一机械结构要可靠，采用成熟的电子技术，进行优化组合，保 证测量装置的高可靠性。 ( 5 ) 寿命一设计中充分考虑了在保证测量精度的前提下提高使用寿命的办 法，如选用适当的材料及热处理工艺、化学处理方法；规定合理的使用操作规 程、维护保养方法等等。 ( 6 ) 造型一总体结构的安装、调试力求简单，便于操作。外观设计满足中 国人的审美观点，力求美观，大方。 测仪器的电气设计主要考虑以下几个方面： ( 1 ) 强电电路与弱点电路隔离； ( 2 ) 抗干扰能力强； ( 3 ) 电源功率要比仪器额定功率大2 至3 倍； ( 4 ) 接头尽量选用标准接头； ( 5 ) 有良好的接地装置； ( 6 ) 合理设计功率部件的散热； ( 7 ) 仪器具备手动和自动操作。 测量仪的软件设计主要考虑以下几个方面： 北京工业大学硕士学位论文 软件界面友好； 使用方便，操作简单； 测量类型齐全，选项设置合理； 产品参数采用数据库管理； 软件功能模块化开发； 有良好的错误提示功能，有纠错能力； 升级方便； 辅助功能全面。 2 2 技术指标 ( 1 ) 蜗杆长度范围：1 0 0 2 5 0 姗； ( 2 ) 蜗轮最大直径：1 8 0 嗍； ( 3 ) 最大中心距：1 2 5 5 咖； ( 4 ) 模数范围：o 卜4 o m m ； ( 5 ) 测量的误差项目：当测量蜗轮时，能够测量的误差项目有蜗轮切向综 合总偏差、蜗轮一齿切向综合偏差、蜗轮齿距累积总偏差和蜗轮齿距偏差；当 测量蜗杆副时，能够测量的误差项目有蜗杆副切向综合总偏差、蜗杆副一齿切 向综合偏差、侧隙；当测量蜗杆时，可以测量传动切向综合总偏差、传动一齿 切向综合偏差、齿距偏差、齿距累积总偏差，同时仪器可以提供接触斑点供工 艺人员分析。 ( 6 ) 精度等级：4 级精度。 2 。3 工作原理 根据单面啮合测量原理及测量误差项，该测量仪的工作原理设计如图2 1 所示：步进电机通过同步带驱动密珠轴系转动，顶尖固定在密珠轴系上随密珠 轴系一起转动。蜗杆由左右两个顶尖安装固定，蜗杆通过紧固件与顶尖一起旋 转。蜗轮安装在垂直轴系上，垂直轴系也是密珠轴系结构。垂直轴系安装在水 平放置的移动平台上，移动平台可沿导轨移动以调整中心距。移动平台的一侧 安装有数显尺显示蜗杆副中心距的数值。分别与蜗轮、蜗杆同轴安装圆光栅传 感器获得蜗杆、蜗轮转动的转角信号，为了提高仪器的测量精度，将蜗轮端光 栅对称安装两个读数头，消除蜗轮端光栅安装偏心。蜗杆端光栅直接送入 p c i l 7 8 4 计数卡，蜗轮端光栅经过1 0 0 细分后送入d s i 卡合成一路光栅信号后 送入p c i l 7 8 4 计数卡。通过软件处理后得到蜗杆副的切向综合误差曲线。 、，、，、，、-、，、，、， l 2 3 4 5 6 7 8lk，l一，k，k，l，k 第2 章蜗杆副综合误差的测量原理 图2 1 蜗杆副综合误差测量仪的工作原理 f i g 2 - lw 6 r k i n gp 血c i p l eo fm ew o r m g e a rc o m p o s i t cd e 讥a t i o nt e s t e r 整个仪器由左顶尖部件、右顶尖部件、竖直轴系部件、基座部件组成。测 量过程如下： ( 1 ) 将蜗杆安装在左、右顶尖上，旋紧顶尖部件上的手柄及旋钮使蜗杆位 于理想位置。 ( 2 ) 将蜗轮安装在竖直轴系部件上，计算出蜗轮理论高度，通过垫片调整 蜗轮的高度到相应位置，用压紧螺帽将蜗轮压紧。 ( 3 ) 启动软件，计算蜗杆副的中心距，使竖直轴系沿着v 平面导轨移动 到理想中心距的位置，将侧面锁紧螺钉锁死。 ( 4 ) 选择相应产品参数，设置好软件相应选项，将控制面板手动测量按 钮旋转到测量状态，步进电机开始工作，通过同步带驱动蜗杆副旋转运动，待 蜗杆副啮合平稳后，开始进行采样，记录数据，绘制切向综合误差曲线。 ( 5 ) 分析切向综合误差曲线，软件中提取各种误差，打印测量报告。 2 4 系统组成 就功能而言，小模数蜗杆副综合误差测量仪分为下述三组成部分： ( 1 ) 精密机械系统 精密机械系统在测量装置中起着举足轻重的作用，不仅是各部分的支撑， 而且是确保测量精度、定位精度和运动精度的基础。精密机械系统既涉及使用 要求，又涉及经济要求；既涉及总体方案，又要考虑零部件的具体结构；既很 灵活，又受设计者所拥有的资料和设计经验的限制。该测量仪属于卧式结构， 由左项尖部件、右项尖部件、垂直轴系部件以及基座部件组成。在各个部件中 1 3 北京工业大学硕士学位论文 主要是关键零部件的设计，基座采用花岗岩基座，回转轴系采用密珠轴承轴系， 导轨采用v 一平面导轨，锁紧装置采用螺钉穿过移动平台固紧于基座的形式瞳。 ( 2 ) 测控系统 测控系统由圆光栅信号数据采集部分和驱动控制系统两部分组成。其中信 号采集部分包括圆光栅传感器、d s i 卡、数据采集卡和计算机；驱动控制系统 包括控制电路、驱动器和步进电机。 ( 3 ) 测量软件系统 小模数蜗杆副综合误差测量仪的测控软件采用模块式结构，直观易操作，并 且便于功能的扩展。通过用户验证后进入主测量界面，主界面包括四个功能模块： 参数管理模块、测量模块、用户管理模块、s p c 统计分析模块。 2 5 机械结构改进与完善 本机械结构是在己有的小模数蜗杆副测量仪的机械结构基础上做的改进与 完善。对于任何精密仪器来说，机械结构是最基本的，所起的作用也是重要的。 任何精密系统的精度