齿轮双啮仪的数字化改造.doc

摘 要齿轮是机器和仪器中重要的机械零件之一，常用它传递运动和动力。由于齿轮用途甚广，要求各异，形状复杂，几何参数多，在制造和安装中会产生一定的误差，因而会影响其使用质量。为了满足齿轮的使用要求，必须对它进行检测。齿轮径向综合误差对齿轮的传动精度有很大的影响，也是用于综合检测齿轮的重要指标。目前，对于径向跳动的检测主要采用手动及人工误差处理的机械式的测量方法，这种传统的检测方法既耗时又难以保证检测结果的准确性。为了提高齿轮径向跳动的检测精度和效率，必须对传统测量仪器进行智能化改进。由于这里不能上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要其他资料的朋友，请加叩扣:2215891151本设计针对传统的齿轮双面啮合检测仪检测效率低、误差率较高等缺点，采用电子技术对其进行改进，实现了检测的自动化、数字化，提高了检测的效率、精度和可靠性。改进后的齿轮双面啮合检测仪主要由机械本体部分、电涡流传感器、步进电机及控制电路组成，具有体积小、重量轻、操作方便、稳定性好等特点。关键词 双面啮合检测仪 齿轮径向综合误差 步进电机 电涡流传感器AbstractGear is one of the important components in the machine and instrument, which is often used transmit movement and power. As Gear is used very wide and has varied requirements, complex shape and geometric parameters, most of the manufacture and installation will have a certain degree of error, thus will affect the using quality. In order to meet the requirement of gear, it must be tested. The total composite radial error of gear has a great influence on gear transmission accuracy. It is an important index of gear for synthesis measurement. At present, the traditional gear run-out error measuring system is time-cost and hard to acquire higher precision. So it is meaningful and necessary to improve the traditional radial run-out measuring system.Against disadvantages of the traditional gear double flank rolling tester instrument such as lower efficiency, higher error and etc, the traditional gear two flank testing instrument is improved by using the electric technology. The automation, numeralization for gear testing are realized and the testing efficiency, precision and reliability are increased. The improved double flank rolling tester is mainly made up of mechanical body parts, eddy current sensor, stepper motors and control circuits, and has the characteristics of small size, light weight, easy to operate, good stability and so on.Key words ： double flank rolling tester the total composite radial error of gear stepper motors eddy current sensor目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题任务11.2 齿轮检测技术的发展11.3 课题主要工作内容31.4 本章小结3第2章 机械结构部分的改造设计42.1 齿轮双啮仪的工作原理42.2 轴的设计52.2.1 轴的计流程52.2.2 轴的材料和毛坯62.2.3 零件在轴上的定位形式62.2.4 轴的设计计算72.3 丝杠螺母副的设计计算92.3.1 滚珠丝杠副的组成92.3.2 耐磨性计算102.3.3 丝杠的强度计算122.3.4 螺母凸缘的强度计算142.3.5 丝杠的稳定性计算142.4 滚动轴承的选用和计算152.4.1 滚动轴承类型的选择152.4.2 滚动轴承的构造及材料选择162.4.3 滚动轴承的校核计算172.5 联轴器的选用和计算182.5.1 联轴器的类型182.5.2 联轴器的选择原则182.5.3 联轴器的选取计算192.6 螺纹联接的选用计算212.6.1 螺纹联接212.6.2 螺纹联接的强度计算212.7 键的选用242.7.1 键联接的分类242.7.2 键联接的强度计算252.8 销的选用262.8.1 销的分类262.8.2 销的强度计算262.9 导轨的设计272.9.1 导轨的作用和设计要求272.9.2 本设计导轨的主要结构27第3章 动力驱动部分的设计293.1 步进电机的定义293.2 步进电机的分类293.3 步进电机的工作原理293.4 步进电机的性能指标313.4.1 步进电机的静态性能指标313.4.2 步进电机的动态性能指标313.4 步进电机的选择333.4.1 种类的选择333.4.2 型号的选择333.5 本章小结34第4章 传感测试及控制电路部分设计354.1 电涡流传感器的基本原理354.2 电涡流传感器的选择364.3 控制电路部分的原理框图374.4 单片机的选择384.4.1 8051的引脚功能384.4.2 复位电路394.4.3 时钟电路404.5 A/D转换器的选择404.6译码器的选择414.7键盘434.7.1矩阵式键盘的结构和原理434.7.2矩阵式键盘的识别444.8总体电路图454.9本章小结45结 论46致 谢47参考文献48附录150附录25434第1章 绪论1.1 课题任务对纯机械式双啮仪进行数字化改造，增配步进电机、单片机及电涡流传感器等电子元器件。使改进后的双啮仪可以实现齿轮径向综合误差的自动测量，提高双啮仪的测量效率，降低人为因素对测量结果的影响。测量对象：圆柱齿轮（直径D200mm，模数0.5-8mm）测量参数：齿轮径向综合误差技术指标：分辨率：0.001mm1.2 齿轮检测技术的发展齿轮测量技术的发展历程是以齿轮精度理论的发展为前提的。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。迄今,齿轮精度理论经历了齿轮误差几何学理论、齿轮误差运动学理论和齿轮误差动力学理论的发展过程。其中,齿轮误差动力学理论还处在探索中。第一种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偏差即为齿轮误差。第二种理论将齿轮看作刚体,认为齿轮不仅仅是几何体,也是个传动件,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面误差信息。第三种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的新概念。齿轮精度理论的发展,导致了齿轮精度标准的不断丰富和更新,如传动误差、设计齿廓的引入等。反过来,齿轮测量技术的发展也为齿轮精度理论的应用和齿轮标准的贯彻提供了技术支撑。我国齿轮行业测试仪器和设备十分缺少，由此造成我国年产2000多万台的齿轮箱总成质量缺乏可靠的测试数据。为彻底改变我国齿轮行业零部件内在质量的落后状况，必须重视和加强测试仪器和设备的发展。 目前，我国齿轮行业内大约只有300家齿轮生产厂具有仪器基本配套的计量室，总计约有三坐标测量仪200多台，这些仪器大多是从国外进口的。各类（机械、光电、数控）齿轮测量仪器1000余台，其中齿轮测量中心30余台，这些仪器的制造厂有国外的MAAG、Klingelnberg、Hofler、CarlMahr、MM等公司，还有TaylorHobsom、CarlMahr、Zeiss、SIP等公司的圆度仪、测长仪、光学分度头、粗糙度仪、投影仪、万工显等各类测量仪器500余台。 其余约200家齿轮生产厂很少有精密测量仪器，部分工厂除了万能量具外，没有一台测量仪器。 在测量仪器中，其中总成测试仪器、蜗轮付检查仪约10余台，变速箱总成试验台和驱动桥试验台全国不超过50台。许多厂没有噪声仪、扭振仪等必备的仪器。在齿轮制造过程中必须对产品零件、部件和总成的要求质量进行严格的检测和控制，因而先进适用的测量技术和仪器是必备的条件。 在各类机械厂内不管齿轮传动件是自制或外购，均应装备齿轮、螺纹、花键测量仪器，否则无法控制传动件的制造质量。目前，齿轮、螺纹、花键测量仪器国内成都工具研究所、哈量精密量仪厂等基本可满足要求。即使是齿轮测量中心、齿轮刀具测量中心、齿轮副和蜗轮副检查仪、激光动态丝杠测量仪等国内也可供货。但对于技术要求很高而财力充裕的用户，也可以考虑引进国外齿轮测量中心。 齿轮、蜗杆、螺杆等传动件必须有精度很高、结构复杂的铸铁、铝合金或焊接箱体支承，这些箱体有大量精密孔系和平面需要测量尺寸精度和相互位置精度。因此每个齿轮厂都应该配备不同规格、精度的三坐标测量仪。 为进一步提高我国齿轮行业的产品质量，提高行业竞争力，应尽快配备相应的各类精密测试仪器。在今后的几年中，我国大中型齿轮企业应配备三坐标测量机、齿轮测量中心和其他精密测量仪及配套完整的中心计量室，小型企业也要配备必要的精密测量仪器，从而保证我国齿轮产品的质量。 1.3 课题主要工作内容根据上述课题任务，以及对齿轮双啮仪的分析，本课题的主要工作内容是：1）仪器机械结构部分的改造2）仪器动力驱动部分的设计3）仪器传感测试部分的设计4）仪器控制电路部分的设计1.4 本章小结齿轮径向综合误差是齿轮的一项重要误差，主要影响齿轮的传递精度。目前其测量仪器主要是机械式的，人为因素影响很大，而且耗时费力。为了解决这个问题，提出一种对机械式双啮仪进行数字化改造的方法。这种方法适应齿轮测量仪的发展方向，适应我国的国情，具有一定的实际意义。本章叙述了齿轮测量的发展历史和发展趋势，指出了机械式齿轮双啮仪存在的问题，说明了本设计的主要任务和工作内容。第2章 机械结构部分的改造设计2.1 齿轮双啮仪的工作原理xxxxxxxx.MPaMPa所以，该螺栓满足强度要求。()联接丝杠螺母的螺栓的强度校核由公式（2-13）得MPaMPa所以，该螺栓满足强度要求。2.7 键的选用2.7.1 键联接的分类键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。平键联接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，得到了广泛的应用。这种键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。根据用途的不同，平键分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种。其中普通平键和薄型平键用于静联接，导向平键和滑键用于动联接。普通平键按构造分，有圆头、平头和单圆头三种。半圆键联接的优点是工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的联接。缺点是轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载静联接中。楔键联接可以承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向固定作用，在传递有冲击和振动的较大转矩时，仍能保证联接的可靠性。缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜。因此主要用于毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合。切向键联接用一个切向键时，只能传递单向转矩，当要传递双向转矩时，必须用两个切向键，两者间的夹角为120130。由于切向键的键槽对轴的削弱较大，因此常用于直径大于100mm的轴上。本设计中的键全部选用圆头普通平键。2.7.2 键联接的强度计算平键联接的强度计算条件为： （2-14）式中：传递的转矩，单位为Nm；键与轮毂键槽的接触高度，单位为mm，为键的高度； 键的工作长度，单位为mm，对于圆头平键，平头平键，为键的公称长度，为键的宽度； 轴的直径，单位为mm； 键材料的许用挤压应力，单位为MPa，MPa。本设计中在主动轴上用到的三个键受力最大，而它们所传递的转矩相等，因此只对最小的那个键进行强度计算即可。由公式（2-14）得MPaMPa所以，本设计中的键满足强度要求。2.8 销的选用2.8.1 销的分类销有多种类型，如圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等，这些销均已标准化。圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低其定位精度和可靠性。圆锥销具有1：50的锥度，在受横向力时可以自锁，它装拆方便，定位精度高，可多次装拆而不影响定位精度。槽销能承受振动和变载荷，安装槽销的孔不需要铰制，加工方便，可以多次装拆。销轴用于两零件的铰接处，构成铰链联接。销轴通常用开口销锁定，工作可靠，可多次装拆。开口销装配时，将尾部分开，以防脱出，常与销轴配合使用。本设计中选用的销均为圆锥销。2.8.2 销的强度计算销的剪切强度条件为： （2-15）式中：销受到的剪切力，单位为N，经估算N； 销的危险截面的直径，单位为mm； 销材料的许用切应力，单位为MPa，此处MPa。由公式（2-15）得MPaMPa所以，本设计中的销满足强度要求。2.9 导轨的设计2.9.1 导轨的作用和设计要求当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，对导轨的要求如下：（1）一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。（2）运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。（3）良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。（4）足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压，或者设置辅助导轨，以承受外载。（5）结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，以降低成本。2.9.2 本设计导轨的主要结构本设计导轨的形状及基本尺寸如图2-5所示：图2-5 导轨的形状及基本尺寸采用燕型导轨，当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，通过丝杠的螺旋传动，带动导轨做直线运动进而实现导轨的进给和退回运动。2.10 本章小结传统的齿轮双面啮合检测仪测量效率低，而且测量精度不高，在传统测量仪器的基础上，本章对其机械结构进行了设计改进，并对机械部分的各个组成部分进行了详细的介绍和设计计算。 第3章 动力驱动部分的设计3.1 步进电机的定义步进电机是根据组合电磁铁的理论设计的，是一种把电脉冲信号转变为相应的角位移或线位移，并用电脉冲信号进行控制的特殊运行方式的同步电动机。它与一般的电动机不同，只接电源时不能转动，每加一次脉冲信号后仅转动一定的角度。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。3.2 步进电机的分类步进电机种类繁多，按其运动方式分为旋转型和直线型。通常使用的旋转型步进电机按其电磁转矩的产生原理，又分为三大类：（1）反应式（又称磁阻式）步进电机；（2）永磁式步进电机；（3）混合式（又称永磁感应子式）步进电机。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数，最常见的有单相、三相、四相、五相等几种。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出；永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小；混合式步进电机则混合了反应式和永磁式电机的特点。3.3 步进电机的工作原理反应式步进电机是我国目前应用最广泛的一种步进电机，它具有调速范围广，动态性能好，能快速起动、制动和反转等特点，且结构比较简单，因此本设计选用反应式步进电机。下面介绍一下三相反应式步进电机的工作原理。1.结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3 ，C与齿3向右错开2/3 ，A与齿5相对齐（A就是A，齿5就是齿1）。定转子的展开图如图3-1所示： 图3-1 定转子的展开图2.旋转：如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3 ，此时齿3与C偏移为1/3 ，齿4与A偏移（-1/3 ）=2/3 。如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3 ，此时齿4与A偏移为1/3 对齐。如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 。这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度与导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。3.力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量），当转子与定子错开一定角度将产生力，与成正比 。磁通量，为磁密，为导磁面积。与成正比，为铁芯的有效长度，为转子直径，为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数），为磁阻。力矩=力半径，力矩与电机有效体积安匝数磁密成正比（只考虑线性状态），因此，电机有效体积越励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。3.4 步进电机的性能指标3.4.1 步进电机的静态性能指标1.相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。2.拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式，即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用表示。=360度/（转子齿数J运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。4.定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。5.静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。3.4.2 步进电机的动态性能指标1.步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2.失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。3.失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4.最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5. 最大空载运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6.运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬，如图3-2所示。其中，曲线3电流最大、或电压最高；曲线1电流最小、或电压最低；曲线与负载的交点为负载的最大速度点。图3-2 步进电机的运行矩频特性曲线7.电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。为使电机输出转矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8.电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CA时为正转；通电时序为CA-BC-AB时为反转。3.4 步进电机的选择3.4.1 种类的选择1）反应式步进电机的特点：步距角小，启动和运行频率高，在一相绕组长期通电状态下，具有自锁能力，消耗功率较大，应用比较广泛。例如阀门控制、数控机床及其他数控装置。2）永磁式步进电机的特点：功率比较小，在断电的情况下，有定位转矩，步距角大，起动和运行频率较低。3）混合式步进电机的特点：有较小的步距角（可做成与反应式步进电机一样小的步距角），起动和运行频率较高，消耗功率较小，有定位转矩，它具有反应式和永磁式两种步进电机的特点。但是，因是混合式结构，故结构较复杂，制造成本高。本设计选用反应式步进电机。3.4.2 型号的选择步进电机有步距角、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1.步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到步进电机轴上，每个当量电机应走多少角度，电机的步距角应等于或小于此角度。已知被测齿轮的最多齿数是400，每个齿采样10个点，标准齿轮的齿数为40，则经换算电机的步距角应不大于0.9。2.静力矩的选择步进电机的静力矩的选择依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍为好，一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。由于本设计电机驱动齿轮转动，齿轮转动所需力矩很小，由经验估算其大小约为1.5Nm。3.电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图判断电机的电流。本设计选用110BF004反应式步进电机，其参数见表3-1。表3-1 110BF004步进电机的基本参数相数步距角（）电压（V）相电流（A）静转矩（Nm）起动频率（步/S）外形尺寸（mm）重量外径长度轴径30.753044.9500110110115.53.5 本章小结本章介绍了步进电机的定义和分类，列举了步进电机的一些基本性能参数，对步进电机的选择作了详细说明，并为本设计的仪器选定了步进电机的型号。第4章 传感测试及控制电路部分设计4.1 电涡流传感器的基本原理电涡流传感器是一种性能优越的非接触测量传感器，这种传感器适用于对机械的振动、位移、转速等运行状态的直接在线监测。它的体积小、结构紧凑坚固、耐腐蚀、耐湿热，因而广泛应用于电力、石化、机械等行业。电涡流传感器由平面线圈和金属片组成，它是基于电磁感应原理而制成的。由电磁场理论可知，在受到交变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。电涡流传感器的原理如图4-1所示。H1H2I1I2U1R2L1L2I1I2U1 R1M涡流传感器与被测金属的等效电路等效金属片 图4-1 电涡流传感器的原理图把线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈，设R1为线圈的电阻；L1为线圈电感；R2为短路环的电阻；L2为短路环电感；M为线圈与短路环间的互感，M随他们之间距离X的减小而增大；U1为励磁电压。由等效电路可写出两个电压平衡方程式：解上面的联立方程可得到，从而求出受金属影响后空心线圈的等效阻抗为： 从上式可看出线圈阻抗的实数部分即有效电阻随M的增加而增加；虚部部分即等效电感随M的增加而减少，这样使线圈阻抗发生了变化。当线圈中通以高频率的交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X都有关。当平面线圈、被测体（金属片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化通过“涡流变换器”转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。4.2 电涡流传感器的选择通过网上查寻，选出杭州华瑞电器仪表有限公司的ZW系列电涡流传感器，网址为 ：产品主要技术参数：1、量 程： 00.5-040mm.2、线性误差：0.5%3.5%(F.S)。（即传感器精度）3、分辨率： 0.1%0.05(F.S) 4、输 出： -5V0+5V DC. 420mA DC.5、设定范围：5%100% （F.S）6、报警误差：1% （F.S）ZW系列电涡流式位移测量仪，由CZF型传感器和BZF型变换器及显示仪器等组成。可对金属材质的被测体进行非接触测量、监控。广泛用于汽轮机、航空发动机、透平机等机械转轴的轴向位移测量和监控。也可用于其他金属物体的位移、变形等测量和监控。具有测量范围大、线性精度高、灵敏度高、无介质影响、安装方便、抗干扰能力强、显示直观等优点。且它的输出为5V，不用接放大器就可与ADC0804直接相连，可以简化控制电路，因此，本设计选用ZW系列传感器。4.3 控制电路部分的原理框图 本设计控制电路的原理框图如图4-1所示：图4-1 控制电路的原理框图4.4 单片机的选择4.4.1 8051的引脚功能本设计选用8051作为主机。8051单片机有四个8位的输入输出接口，记为P0、P1、P2、P3，可以作为四个8位并行接口使用，也可当作32位I/O口分开使用。 P0口 是双功能的8位并行口，既可作为通用的I/O口，也可在扩展系统时作地址/数据总线口。作通用I/O口时，既可输出，也可作输入。但用作输入时，必须先将该口的输出锁存器置1。 P1口 是专供用户使用的I/O口，是准双向口。 P2口 在系统扩展时，作高8位地址线用。不扩展外存贮器时，P2口也可作I/O口用。 P3口 是一个双功能口，第一功能为通用的I/O口；为第二功能时，各位均有专门用途，其定义见表4-2。表4-2 P3口的第二功能通道位第二功能说明P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行口输入串行口输出外部中断0输入外部中断1输入计数器0的计数输入计数器1的计数输入片外RAM写选通信号片外RAM读选通信号8051单片机共有40个引脚，其功能为：电源线UDD接电源正端+5V。USS电源负端，接地。时钟X1、X2：外接石英晶体，与内部振荡电路构成时钟脉冲发生器。系统控制信号PSEN：访问片外程序存贮器的选通信号输出端。由访问片外程序存贮器的指令产生。ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号输出端。在访问片外存贮器时，用它来控制地址锁存器，锁存P0口送出的低8位信号。EA/UPP：访问片外程序存贮器的控制信号输出端。EA=1时，访问内部ROM；EA=0时，访问片外ROM。RST/UPD：RST为复位信号输入端。当RST端维持两个机器周期的高电平时，就能完成复位操作。第二功能UPD为备用电源输入端。当主电源UCC发生故障，下降到一定值时，应通过中断输入端使CPU产生中断，将有关数据传送到片内RAM中，并将备用电源加到RST/UPD端，使单片机进入掉电方式。在掉电方式下，时钟振荡器和CPU停止工作。输入输出接口：P0、P1、P2、P3四个8位并行I/O口引脚。4.4.2 复位电路复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。本设计采用上电自动复位。复位电路如图5-2所示。图5-2 上电复位电路其工作原理为：上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持10ms 以上高电平，就能使单片机有效的复位。本设计中，时钟频率选用12MHZ，C取10F，R取8.2k。4.4.3 时钟电路8051单片机的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种是外部方式。8051单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件。外接晶体（在频率稳定性要求不高，而尽可能要求廉价时，可选用陶瓷谐振器）以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHZ12MHZ之间任选，电容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之间选择，但在60pF70pF时振荡器有较高的频率稳定性。 本设计采用内部时钟方式，时钟频率选择为12MHZ，电容值为30pF。时钟电路如图5-3所示。 图5-3 8051内部时钟方式的电路4.5 A/D转换器的选择本设计选用ADC0804转换器。ADC0804是8路8位逐次逼近型A/D转换CMOS器件，在过程控制和机床控制等应用中，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。ADC0804的主要组成部分是一个8位逐次比较型A/D转换器。为实现8路模拟信号的分时采集，片内设置了带有锁存功能的8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存和译码电路，可对8路05V的输入模拟电压进行分时转换，转换后的数据送入三态输出数据锁存器。ADC0804的主要特性如下：（1）分辨率为8位。（2）最大不可调误差小于ULSB（3）可锁存三态输出，能与8位微处理器接口。（4）输出与TTL兼容。（5）不必进行零点和满度调整。（6）单电源供电，供电电压为+5V。（7）转换速率取决于时钟频率，时钟频率范围是：101280kHz。ADC0804与单片机8051的硬件接口方式有：查询方式、中断方式和等待延时方式。本设计采用查询方式。ADC0804芯片内部没有时钟脉冲源，可以利用单片机8051提供的地址锁存控制输入信号ALE经D触发器二分4.6译码器的选择译码器有74SL138和7447等几种：74LSl38译码器看名字就知道了是3-8线的译码器,管脚功能图及真值表如下图所示7447有4个 BCD码输入端 A、B、C和D，其中 D为最高有效位，A为最低有效位，它们分别与输出端口中的4位相连。7447的7个输出引脚 ag直接与 LED的相应引脚相连，每个段中都串接一个限流电阻，其阻值为100。当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或为高电平而试灯输入为低电平，则所有输出端都为1。BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或者兼为二者之用。由于74SL138更为简单所以选用74SL138译码器4.7键盘4.7.1矩阵式键盘的结构和原理因为按键较多我们选取矩阵式键盘在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。4.7.2矩阵式键盘的识别矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键4.8总体电路图4.9本章小结 本章介绍了传感器的分类，重点叙述了电涡流传感器的基本原理。通过两种电涡流传感器的比较，为本设计仪器选出了电涡流传感器的型号。整体电路由8051芯片、A/D转换器、传感器、键盘、显示器、以及控制步进电动机几大部分组成信号由电涡流传感器的输出信号转为电信号，经过放大电路后，送入A/D转换器，转换后以BCD码形式传入8051芯片以及步进电动机控制部分，再由程序控制其输出显示，键盘完成各项设置。结 论本设计针对传统的机械式齿轮双啮仪所存在的不足，对其进行了数字化改造。在纯机械式的双啮仪中加入电子设备，实现了该仪器的自动控制功能。本仪器主要是由机械本体部分、动力驱动部分、测试传感部分和控制电路部分组成。在本设计中，机械本体部分主要是对轴、轴承、丝杠螺母副及其附件进行了设计和选用；动力驱动部分主要是对步进电机进行了选用和计算；测试传感部分主要是对传感器进行了选用；控制电路部分主要是对单片机、A/D转换器、步进电机驱动器进行了选取。改进后的双啮仪采用步进电机控制齿轮的转动，用电涡流传感器代替机械式测微表进行采样，经单片机控制测量过程并对测量数据进行处理，最后由显示器对测量结果进行显示，可以实现齿轮径向综合误差的自动测量，对提高测量精度、消除人为因素的影响、提高测量效率，具有实际意义。改进后的双啮仪采用机电一体化统一设计，实现了数据的自动采集、分析及测量结果的快速输出，有效地弥补了机械式双啮仪的不足，具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、操作方便、测量精度稳定等优点。该仪器可广泛应用于汽车、摩托车、玩具等机械制造行业，具有很好的发展前景。致 谢在设计接近尾声的时候，再次感谢带我的指导老师赵汗青教授以及机电教研室的各位老师对我的指导，使我能够及时和有质量的完成毕业设计。参考文献1 石照耀,费业泰.齿轮测量技术100年回顾与展望.中国工程科学,2003：9-222 谢竹铭.齿轮检测.中国计量出版社,1991：5-73 蒲朝邦,王宝光.测控仪器设计.机械工业出版社,2001：2-44 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社,2004：49-1025 李洪.实用机床设计手册.辽宁科学技术出版社,1999；4-10926 于鹏.新型齿轮在线综合检测仪的设计.四川大学硕士学位论文.2005：1-57 靳静力,马勇.圆柱齿轮径向跳动误差检测智能化.计量技术.2006,2：65-668 强锡富.传感器.中国计量出版社,2002：22-309杨玉春,赵殿滨,苑惠娟.智能型齿轮双面啮合综合检查仪的研制.哈尔滨理工大学学报.1998,3(6)：13-1510 谢华锟.近年来齿轮测量技术与仪器的发展.工具技术.2004,38(9)：27-3311 刘庆胜.机械式齿轮双面啮合综合测量仪的改进.计量技术.2005,4：62-6412 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Ball Jap Soc Precept, 1987：34-38附录1 齿轮的发展据史料记载，远在公元前400200年的中国古代就巳开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今巳发现的最古老轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心机械装置。17世纪末，人们才开始研究，能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。早在1694年，法国学者Philippe De La Hire首先提出渐开线可作为齿形曲线。1733年，法国人M.Camus提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线(节圆)纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是Camus定理。它考虑了两齿面的啮合状态；明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。1765年，瑞士的LEuler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。后来，Savary进一步完成这一方法，成为现在的Eu-let-Savary方程。对渐开线齿形应用作出贡献的是Roteft WUlls，他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角