毕业设计（论文）-万能渐开线检查仪数据处理(设备改造) （附源程序）.doc

1 目目 录录 CAD 图纸图纸 源程序 联系源程序 联系 153893706 目目 录录1 前言前言3 摘要摘要4 ABSTRACT5 第一章第一章 齿轮传动齿轮传动6 1 11 1 齿轮传动在工业领域中的地位齿轮传动在工业领域中的地位7 1 传动的定义及分类7 2 机械传动在机器设备中的重要性7 1 21 2 渐开线齿轮啮合原理渐开线齿轮啮合原理7 1 齿轮传动原理7 2 渐开线性质10 1 31 3 齿轮加工误差齿轮加工误差12 1 齿轮加工方法12 2 2 齿形误差的产生原因12 1 4 渐开线圆柱齿轮精度渐开线圆柱齿轮精度12 1 齿形公差的定义和代号12 2 精度等级13 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案15 2 12 1 万能渐开线检查仪万能渐开线检查仪15 1 仪器功能分析15 2 仪器的原理15 2 2 数据处理系统总体设计方案数据处理系统总体设计方案17 第三章第三章 信号处理系统设计信号处理系统设计18 1 1 仪器对传感器的要求仪器对传感器的要求18 2 选择传感器选择传感器18 3 23 2 选择放大器及滤波器选择放大器及滤波器19 3 33 3 选择选择 A DA D 转换器转换器20 1 逐次逼近式 A D 转换器20 2 集成 A D 转换器21 3 A D 转换器的主要技术指标23 4 选择 A D 转换器23 第四章第四章 数据处理系统程序设计数据处理系统程序设计25 4 14 1 需求分析需求分析25 1 功能分析25 2 界面分析25 3 性能要求25 4 24 2 概要设计概要设计25 1 全局变量定义25 2 模块划分25 3 1 程序界面26 2 主要控件及其说明26 3 程序流程27 4 程序清单27 4 44 4 程序运行结果程序运行结果66 1 程序使用过程66 2 程序预期运行结果66 技术经济性分析技术经济性分析68 结论结论69 专题专题 70 附录附录 1 1 80 附录附录 2 2 94 致致 谢谢103 4 前言前言 四年时间一晃而过 回首我的大学四年收获很多 给了我正确的世界观 人生观 价值观以及步入社会必备的职业技能 四年学习的最后一环 毕业设 计 对于我来说非常重要 通过设计过程中不断涌现的问题弥补了我专业知识的 不足 通过毕业实习期间设计资料的收集锻炼了我的业务能力 我的设计题目是 渐开线齿形误差的数据处理 是按照设计任务书进行 的 学院公差实验室的 3201A 型万能渐开线检查仪是利用比较仪和记录仪来显 示齿形误差 其缺点是操作复杂 测量精度人为误差大 测量结果不直观等 本 设计就是在万能渐开线检查仪 3201A 的基础上 摈弃原仪器的记录仪和比较仪 改以微机程序处理检查数据 从而简化操作步骤 提高检查精度 并使输出的结果 更直观 本设计完成了传感器设计 放大器 滤波器 A D 转换器的选择 完成了 渐开线检查仪数据处理程序的设计及调试 基本上实现了哈尔滨量具厂生产的 3201B 型万能渐开线齿型测量仪 3201A 的改进型 的功能 本次设计所涉及的知识除了本专业的所学外还包括 电子电路 信号 处理 程序设计 等知识本次设计是机 电 计算机相结合的产物 但是由于 我的学习能力有限所以在短短的设计上而把电子电路设计方面的具体内容省略 了 5 摘要摘要 随着科学技术的发展 精密测量技术在工业发展中的地位越来越重要 机 械加工精度的提高和测量技术的发展是紧密相关的 近年来 精密测量技术的 快速发展表现在不断应用新的物理原理及新的测量技术 采用电子计算机技术 和数控编程的方法 用电子技术对量仪的技术改造 利用光电技术来测量一些 复杂零件 本次设计正是为了适应这种发展趋势 齿轮的齿形误差直接影响齿 轮传动的平稳性和齿轮寿命 传动精度等 在生产实际中 齿形误差的检测通 常为齿轮渐开线的检测上 本设计就是在万能渐开线检查仪 3201A 的基础上 屏弃原仪器的记录仪和比较仪 改以微机程序处理检查数据 从而简化操作步 骤 提高检查精度并使输出的结果更直观 本设计完成了传感器 放大器 滤 波器 A D 转换器的选择 完成了渐开线检查仪数据处理的程序设计及调试 关键词 齿轮 渐开线 齿形误差 A D 转换 程序设计 Abstract 6 Along with the technical development in science accurate measurement technique is more and more important in industry develop of the position The exal tation of the machinery processes accuracy and the technical development of the measurement is closely related In recent years accurate measurement technology which is develop rapidly expresses on applying new physics principle and new technique of measurements continuously adopt computer technique and the method that weave the distance with number Use the technique of electron to reforms to the technique of optics electricity to measure the some complicated kit The design is exactly for adapting to this kind of development trend The tooth form error of the gear is direct to effect on the steady of the gear drive and gear life of drive accuracy etc In produce actually the detection of the tooth form error usually is last for the detection of the gear involute This design is based on the all powerful involute inspection instrucment change to handle the inspection data with the tiny machine procedure So that simplify operation procedure increase the inspection accuracy union to make output s result even keep direct This design completed the transducer sensor designs amplifier filter A D transducer select completed the procedure design that involute inspection instrument data handle an adjust to try Keywords Gear involute tooth form error A D convert procedure design 第一章第一章 齿轮传动齿轮传动 7 1 11 1 齿轮传动在工业领域中的地位齿轮传动在工业领域中的地位 1 传动的定义及分类 传动是在一定距离间传递能量或运动 并实现某些作用的装置 这些作用 包括 能量的分配 转速的分配 转速的改变 运动形式的改变等 通常应 用的传动可分为机械传动 电传动和其他传动三大类 其中机械传动又可分为 啮合传动 摩擦传动 液压传动 气力传动和其他机械传动五种 啮合传动一 般可分为齿轮传动和链传动 2 机械传动在机器设备中的重要性 在绝大多数的情况下 机器装备中包含有传动装置 因为 工作机构所要 求的速度通常与原动机的额定速度不一致 工作机构常需要根据工作情况改变 速度 采用原动机调速的办法既不一定经济而有时甚至不可能 原动机输出的 运动方式不一定是和工作机构的需要 例如 原动机输出等速回转运动而工作 机构却需要直线运动 间歇运动或螺旋运动 一个原动机有时要带动若干种形 式和速度各异的工作机构 齿轮传动可用来传递空间任意两轴间的运动核动力 而且传动准确可靠 使用寿命长 因此齿轮传动是现代机器和仪器中最重要的一种运动 例如 在 汽车制造中 制造传动部件所花费的劳动量约占整个汽车的 50 其中齿轮 传动就占传动部件的 60 以上 又如在金属切削机床中 传动部分约占 60 其中齿轮传动占传动部分的 70 以上 1 21 2 渐开线齿轮啮合原理渐开线齿轮啮合原理 1 齿轮传动原理 对齿轮传动最重要的要求之一 就是传动比必须恒为常数 否则当主动轮 以等角速度回转时 从动轮的角速度将为变数 从而产生惯性力 这种惯性力 是一种附加的动载荷 它不仅影响齿轮的寿命而使之过早地破坏 同时也引起 机器的振动 发生噪声和影响工作精度 而齿轮的传动比与齿廓曲线的形状有 关 如图 1 2 1 所示 为两轮的回转轴心 为两轮 1o2o1c2c 相互啮合的一对齿廓 设齿轮 1 以角速度绕轴线 沿顺时针方向回转 1w1o 齿轮 2 受齿轮 1 的驱动 以角速度绕轴线沿逆时针方向回转 齿廓 2w2o 8 在 K 点接触 它们在 K 点的线速度分别为 1c2c v v 图 1 2 1 齿轮传动啮合原理 K 方向垂直于K a 1v1w 1O1O 方向垂直于 b 2v2w 2O2O 过 K 点作两齿廓的公法线 nn 则 在公法线 nn 上得分速度应相等 1v2v 9 即 若两者不等 当 时 齿廓 将与嵌入齿轮 1nv2nv1nv2nv 中 这显然是不可能的 当 时 齿阔 将与齿廓 分离而不 1nv2nv 能传动 因此 c 1v cos 1ka2v cos 2ka 由式 a b c 可得 d 12i 1 2 w w 22 11 cos cos k k K K oa oa 现再过 分别作 nn 的垂线 交 nn 于 两点 则得 1O2O1N2N 又因 22 cos k K oa 2O2N11 cos k K oa 1O1N 故式 d 可 写为 11po N A 22po N A i 2 1 1 2 w w 2 1 p p o o 2 1 p p o o 式 2 1 表明 传动比等于连心线 被齿廓接触点的公法线所分成 1O2O 两段的反比 这种关系称为齿廓啮合的基本定律 连心线与过接触点所作两齿 廓的公法线的交点 p 称为该对齿轮传动的节点 pitch point 由此可见 要使 两轮的传动比 Transmission ratio 恒定不变 则应使 恒为常数 但 2 1 p p o o 因齿轮的轴心 为定点 即为定长 故欲满足上述要求 则 1O2O1O2O 必须使 p 成为连心线上的一个固定点 如上所诉欲使齿轮传动得到定传动比 则其齿廓的形状必须符合下列条件 10 即 不论轮齿齿廓在任何位置接触时 过接触点所作齿廓的公法线必须通过节 点 p 这是齿廓啮合的基本定律的另一种叙述形式 凡能适合上述定律而相互 啮合的一对齿廓称为共轭齿廓 conjugate profile 理论上共轭齿廓有无穷多 任意给定一个一定曲线的齿廓都可以求出与其共轭的另一个齿廓 但是这样的 任意齿廓往往在绘制 加工 安装和使用方面都不方便 而且不能互换 所以在工程上通用的齿廓曲线为摆线和渐开线等 其中最常 用的齿廓曲线为渐开线 2 渐开线性质 工业上常用的渐开线齿轮齿形是圆的渐开线 如图 1 2 1 所示 它是一直线 在定圆上作纯滚动 该直线上任一点的运动轨迹即为圆的渐开线 Involute to a circle 根据渐开线的形成原理 可知渐开线有如下的基本性质 发生线沿 基圆滚过的圆弧长度 发生线 NK 是渐开线在任意点 K 的法线 同一基圆所 生成的任意两条反向渐开线间的公法线处处相等 发生线与基圆的切点 N 是 渐开线上 K 点的曲率中心 而发生线 NK 是渐开线上 K 点的曲率半径 渐开 线的形状与基圆大小无关 基圆内无渐开线 根据渐开线形成过程可推导渐开 线的参数方程式如下 由可得 又 ONKA yr cos b y r a y tga b NK rb AN r byy b ar r yya 11 基圆 发生线 渐开线 速度方向 图 1 2 3 渐开线的性质 故 y y tga ya 由上式可知 渐开角是随压力角的大小而变化的 只要知道了渐开线 y ya 上某点的压力角 则该点的渐开角 就可由上式求得 所以渐开角 yay 12 为压力角的渐开线函数 y ya 1 31 3 齿轮加工误差齿轮加工误差 1 齿轮加工方法 渐开线圆柱齿轮的轮齿加工方法目前已有轧 冷轧 浇铸 粉末冶金 电脉 冲加工以及切削加工等数种 由于前五种加工方法的加工精度尚不够高 所以 目前生产中广泛应用的是切削加工方法 一般有成形法和范成法两类 其中成 形法有铣齿和磨齿两类 范成法有滚齿 插齿 剃齿 珩齿 磨齿 热轧齿轮 等 齿轮加工工艺组合 滚齿 剃齿 珩齿或插齿 剃齿 珩齿 适用 于大量生产 精度要求 6 8 级的淬硬齿轮 滚齿 剃齿或插齿 剃齿 适用于大批大量生产 精度要求 6 7 级而不要淬硬的齿轮 滚齿 磨齿或 插齿 磨齿 适用于单件 小批生产 精度要求高的 3 6 级齿轮 2 齿形误差的产生原因 齿轮加工误差是有机床 刀具 工件系统中存在的误差而引起的 具体 的说可能由以下几种情况引起 毛坯的加工误差 齿轮分度圆与内孔平行度没 有保证 齿轮端面与内孔轴线垂直度没有保证 几道工序 滚齿 磨齿等 的基准不统一 机床或刀具本身的精度没有保证 刀具轴线有齿轮定心轴线找 正有角度 润滑不够导致加工表面过热 热处理程度不当等 由于齿轮加工过 程中产生了一定的误差从而影响齿轮传动的运动精度 工作的平稳性以及载荷 分布的均匀性 导致在传动过程中产生噪声 振动 降低使用寿命而提前失效 齿轮的失效形式主要有 轮齿折断 齿面磨损 齿面点蚀 齿面胶合以及齿面 塑性流动 1 4 渐开线圆柱齿轮精度 1 齿形公差的定义和代号 13 在端截面上 齿 形工作部分内 齿顶倒棱部分 除外 包容实 际齿形且距离为 最小的两条设计 齿形间的法向距 离设计齿形可以 是修正的理论渐 开线 包括修缘 齿形 凸齿形等 2 精度等级 按 GB T 10095 1988 规定 齿轮有 12 个精度等级 第 1 级精度最高 第 12 极精度最低 1 级和二级是属于待发展的精度等级 3 5 级为高精度等级 6 8 级为中等精度等级 9 12 级为低精度等级 标准对 12 个精度等级都规 定了相应的公差和极限偏差值 标准按照误差的特性及它们对传动性能的影响 将齿轮的各项公差分成三个组 见下表 一般情况 一个齿轮的三个公差组 应选用相同的精度等级 也允许三个公差组选用不同的精度等级 但在同一个 公差组内 各项公差与极限偏差应保持相同的精度等级 选择精度等级时 须 14 根据传动用途 工作条件 圆周速度 传递功率以及其他技术要求而定 圆柱齿轮公差分组 公差 组 公差及极限偏差项目 误差特性对传动性能的主要影 响 F iF PKF A PFrFwF 以齿轮一转为周期的误 差 传递运动的准确性 i f i f f f pt f pb f f 在齿轮一转内 多次周期 地重复出现的误差 传动的平稳性 噪声 振动 vxFbFF 齿向的误差 载荷分布的均匀性 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案 15 2 12 1 万能渐开线检查仪万能渐开线检查仪 1 仪器功能分析 万能渐开线检查仪用于测量直齿或斜齿 外啮合或内啮合的圆柱齿轮及插齿 刀 剃齿刀的渐开线齿形误差 这种仪器不需要不同尺寸的基圆盘 通过在仪 器上的光学装置 可将被测工件的基圆半径调准到 0 001mm 仪器装有计算 机自动记录分析系统 其传感器将被测工件的渐开线齿形误差输入到计算机 用显示器或打印机输出测量结果 本仪器也可测量直齿圆柱齿轮的齿向误差 2 仪器的原理 渐开线检查仪的原理是基于在圆上产生渐开线的方法 如图 2 1 1 一直线沿着 一个直径为 的圆 作无滑动的滚动时 该直线上任意一点的轨迹为该圆的渐开线 如果这 个圆就是受检齿轮的基圆盘 直线是一条直尺 仪器的测头位于直尺的某一点 A 时 若基圆盘沿着直尺作纯滚动 则测头就沿着齿面滑行 如果被检齿形符 合理论的渐开线 则与标准数据库出现偏差 16 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 本仪器的内部装有一个固定的基圆盘 a 如图 2 1 2 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 对滑板作平移运动 即对基圆盘作切向移动 测量时将测量滑架上的测头调准到被测齿轮的基圆上 则当滑架移动时测头即在被测齿面上滑行 图 2 1 2 万能基圆盘原理 2 2 数据处理系统总体设计方案数据处理系统总体设计方案 该仪器通过传感器将测头的 0 125 m 的位移量转换成 125 v 125 v 电压 17 信号 由于电压信号较小所以在 A D 转换前得先将其放大 由于传感器的电源 是一个震荡器 会在其周围产生干扰信号所以在放大器后就接一个低通滤波器 经过一系列的处理使输入到 A D 转换器前的电压信号在 5 5v 之间 通过数 据采集卡的 A D 转换及采样保持后输入到微机的 ISA 总线 使用程序控制对输 入信号进行处理 计算出所测齿面的齿形误差与微机里的标准数据库比较并将 结果打印至显示器 其原理图如图 2 2 1 传感器放大器 标准数据库 显示器 打印机 图 数据处理系统原理图 第三章第三章 信号处理系统设计信号处理系统设计 3 13 1 选择传感器选择传感器 1 仪器对传感器的要求 由于仪器检查的是一圆柱齿轮面的齿形误差 所以就要求所选传感器量程小 精度高 有较高的灵敏度和线性度 微 型 计 算 机 18 2 选择传感器 鉴于仪器对传感器的要求和制造成本 选择差动式电感传感器 其原理图如 图 3 1 1 图中黑色方块表示与测头相连的悬铁 当测头有位移量时引起悬铁移 动导致线圈的感抗变化 反映为电压信号由输出 0U 3 23 2 选择放大器及滤波器选择放大器及滤波器 由于传感器输出信号为 125 v 125 v 而输入到微机里的电压为 5v 5v 并且信号太微弱容易发生衰竭和受外界干扰 所以要用到放大器和滤波 器 放大器选用单芯片测量放大器 AD521 来实现此微弱传感信号的放大 这是 一种集成芯片放大器 它们的原理简图如图 3 2 1 所示 AD521 放大器中使 的值为 100K 的值为 250 放大倍数 G sRGROUTVINVsRGR 采用两级放大系统进行 4 万倍的放大 19 滤波器为了过滤由传感器电源或其他振荡器产生的干扰信号 结合工作要求 及制作成本这里选择有源低通滤波器 其原理图 3 2 2 20 3 33 3 选择选择 A DA D 转换器转换器 1 逐次逼近式 A D 转换器 A D 转换器有很多种 目前用得较多的是逐次逼近式 A D 转换器 图 3 3 1 是逐次逼近式转换器的结构框图 它主要由逐次逼近寄存器 数 模转换器 电压比较器 顺序脉冲发生器的结构框图以及控制电路组成 21 其 A D 转换过程如下 转换开始前 A D 转换器输出的各位数字量全为 0 转换开始 节拍脉冲发生器输出的节拍脉冲首先将逐次逼近寄存器的最高位置 1 使寄存器的输出为 100 0 这个数码经 A D 转换器转换成相应的模拟电压 与待转换的输入模拟电压 通过比较器进行比较 说 明数字过大了 则将寄存器最高位的 1 清除 若 说明数字还不够大 则将 最高位的 1 保留 然后在时钟脉冲作用下 以同样的方法把寄存器的次高位置 1 经 比较器后确定次高位所置 1 的取舍 如此逐次比较下去 一直进行到最低位为止 比较完毕后 逐次逼近寄存器中的状态就是待转换模拟电压 对应的数字量 2 集成 A D 转换器 集成的 A D 转换电路很多 其中 ADC0809 是一种逐次逼近式的集成 A D 转换 器 图 3 3 2 是它的结构框图 芯片内除了一个八位逐次逼近式 A D 外 为了 实现分时采集 8 路输入模拟信号 还设置了一个 8 选 1 模拟开关 在地址锁存 控制端 ALE 为高电平时 根据地址选择端 CBA 的地址码 从 输入的 8 个模拟信号中选出其中对应的一个去进行模 数转换 转换后的数字量 送入三态输出有效控制端 OE 为高电平时 将出现在数据输出端 OE 22 为低电平时各数据输出端均处于高阻状态 图 3 3 3 是 ADC0809 的外引线排列 其他管脚功能说明如下 START 起动转换脉冲输入端 转换器进行 A D 时 首先要在该端点提供一 23 个启动转换脉冲 该脉冲的上升沿使转换其中的逐次逼近寄存器复位 下降沿 使转换起开始进行 A D 转换 EOC 转换结束信号 当完成 A D 转换时发出 一个高电平信号 表示转换结束 3 A D 转换器的主要技术指标 分辨率 用输出数字量的二进制位数表示分辨率 如 8 位 12 位等 它表明 A D 转换的精度 位数越多 误差越小 转换也精度越高 转换速度 指完成 依次 A D 转换所需的时间 一般是指从指从接到转换控 制信号开始 到输出端得到稳定的数字输出信号为止所 需的时间 采用不同的转换电路 其转换速度是不同的 低速的 ADC 为 1 30ms 中速为 50 s 高速约为 50ns 相对精度 相对精度用实际输出的数字 量与理想转换特性之间的最大偏差表示 4 选择 A D 转换器 考虑到时间的短促 原料采购的困难及制作上的成本等问题 选择北京双诺 测控公司的数据采集卡 AC1080 作为本设计向微机输入信号的媒介 该卡集成 了 A D 转换及采样保持器 其分辨率为 12 位 16 通道 双极输入电压为 5v 5v 转换速度 10 s 相对精度为 0 1 其工作原理如图 3 3 4 所示 送输通道号 延时 10 微秒 启动 A D 转换 器 判断 A D 采样是否完成 24 图3 3 4 A D 采样程序 的流程图 第四章第四章 数据处理系统程序设计数据处理系统程序设计 4 14 1 需求分析需求分析 1 功能分析 原仪器的数据显示系统是记录仪和比较仪 所以程序设计要求能实现比较仪 和记录仪的作用即能实时显示齿形波形和实时齿形误差值 还有在原仪器功能 的基础上增加调零补偿 公差计算及误差比较等功能 实现检测数据的实时分 析与处理 2 界面分析 数据处理系统从外部输入实验数据即从仪器通过一系列处理后的信号 经过 程序内部处理根据要求向显示器或打印机输出齿形波形曲线 齿形误差值及检 测结果 3 性能要求 读采样结果的高 4 位 ADH 及低 8 位 ADL 采样结果处理 对通道 CH 的采样结束 25 由于程序所用数据为了采集卡输入的实时数据 所以对系统的实时性要求较 高 程序除了采集卡要求较高以外和其他硬件联系很小故程序影响时间不长 处理时间短 对内存要求不大 4 2 概要设计 1 全局变量定义 作为各个模块与函数之间传递数据的媒介设定从采集卡采集的数据 addate 为全局变量 设定存放每次采集结果的数组 shuzi 为全局变量 2 模块划分 系统分成三个模块分别为数据采集 输入 模块 数据处理 计算 模块和 结果显示 打印 模块 采集模块与数据处理模块以变量 addate 为传递对象 数据处理模块和结果显示模块以数组 shuzhi 为传递对象 其三者之间的 调用关系如图 4 2 1 所示 数据处理模块 数据处理模块 数据处理模块 图 4 2 1 模块调用关系 4 3 详细设计 1 程序界面 根据程序功能要求及人性设计原则设计主程序界面如图 4 3 1 26 图 4 3 1 主程序运行界面 2 主要控件及其说明 类型名称初始化说明 Label qdCaption 启动启动按钮 SrCaption 输入 输入按钮 JsCaption 结束结束按钮 tcCaption 退出退出按钮 jgFont 小五显示结果 shxFont 四号显示实时数据 27 sjCaption day time显示时间 Fdy1Forecolor H00C0FFFF 分度圆输入框 Jddj1Forecolor H00C0FFFF 精度等级输入框 Text Ms1Forecolor H00C0FFFF 模数输入框 PicturexianshiPicture back bmp显示实时波形 Timer1Interval 50控制显示时间timer Timer2Interval 200 Enable false 控制采样频率 3 程序流程 程序流程见图 齿形误差的数据处理系统 1 4 程序清单 数据采集卡驱动句柄及常用函数声明 NT IO DRIVER W W lab Public Declare Function AC OpenDriver VB Lib aciont dll As Long Public Declare Function AC CloseDriver VB Lib aciont dll ByVal HANDLE As Long As Long Public Declare Function AC Version VB Lib aciont dll ByVal HANDLE As Long Version As Byte As Long Public Declare Function AC inp VB Lib aciont dll ByVal HANDLE As Long ByVal 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