渐开线齿轮检测仪.doc

单盘式检测仪的设计目的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-无滑动滚动,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。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。检查仪机构被测齿轮放大滤波传感器 LED显示采样保持 AD转换器 单片机已知被测齿轮的基本参数（模数m，齿数z等），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AD转换器量化，最后进入单片机进行数据处理，并将结果用LED显示出来，通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.3、 齿轮渐开线检查仪的基本测量原理：图1.1是单盘式渐开线检查仪的原理图。其中被检齿轮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1.1 单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1.2所示。被测齿轮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，由弹簧产生大约50100N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1.2 单盘式渐开线检查仪示意图1-基圆盘 2-被测齿轮 3-丝杠 4、9-手轮 5-托板 6-指示表 7-直尺 8-测量杠杆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1.3所示，则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。图1.3 旋转平面上形成1条渐开线轨迹,如图1.4所示。图1.4 齿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1.3 所示实际齿形误差。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PH60型、日本GC-3H型、苏联MN3型等齿形测量仪。如图1.5所示,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。图1.5 渐开线检查仪改造方案图4、 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JB/T17587.2-1998查得导程取5mm 滚珠直径（2） 初步确定螺旋升角和公称直径 取丝杠传动效率为95%,取 ，得 而 则求出： 查表取为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 式中：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 为滚珠丝杠螺纹底径， 为支撑长度取 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 （2） 临界转速的确定【1】计算方法： 式中： K2为支撑系数取1.875 Lb为支撑长度取600mm g为重力加速度（9.8m/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*0.8=2752r/min【2】临界转速还要满足 即综上，临界转速取（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;【2】滚珠丝杠、螺母间的预加负荷FP为了消除轴向间隙，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FP。过大的FP值将引起滚珠丝杠副寿命下降及摩擦力矩增大，而FP过小，会出现轴向间隙，影响定位精度，因此在一般情况下：取 Fp=Fm/3 试中:Fp-预加载荷；Fm-当量载荷（N）；当轴向载荷不能确定时取Fp=Ca/(8-10)【3】对预拉但滚珠丝杠副的行程补偿值C和预拉伸力FPL为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寿命转数其中为一定工作条件下饿负荷系数，取1代入得：转（2） 在一定转速下的寿命时间其中为转速取，代入得：（3） 在达到回转距离时的运行寿命其中，为导程代入得： 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）引起的作用误差 那么，这项误差的最大值为（2） 引起的作用误差 显然基圆盘半径同样可以转化成瞬时臂误差,则引起的误差为： 该运动副上的作用误差为; 【3】求直尺与测量托板运动副的作用误差直尺直线度所引起的作用误差，显然，它所引起的误差为总之，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，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E型铁芯，2为能做角位移的衔铁。 和 分别为左右电感线圈。和 分别为左极和右极与衔铁的原始气隙。 为衔铁平面与E型铁芯端面的夹角，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n角位移。此时由于 角的存在，致使左右电感线圈的气隙分别产生和的增量其值用下式计算： 因为为很小的角度，所以 为 式中 ： 衔铁有效平均半径mm 衔铁角位移，或称倾斜角度rad 衔铁平面与E型铁芯端面之夹角rad从而得到倾斜角度传感器的输出特性： 设 设电感线圈 那么传感器的电压灵敏度为 传感器的电压灵敏度 与电桥电压衔铁半径 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， 图3 原理图铁芯采用E型在两边磁极绕有线圈 和，其电感量L为 式中: 0-真空磁导率 W- 线圈匝数 L-磁路长度 S-过磁通面积 -铁芯材料的磁导率 0 -原始空气隙 S0-气隙过磁通面积当原始气隙改变时(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 因为铁芯材料的 且 ，上式可近似写成 例如：电感的相对增量L=3%0.003%时对应的相对气隙增量=0O6O00006。通常设计=05mm那么气隙的变化范围为30- 003；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E型铁芯的磁极端面有很高的平面度，电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E型磁铁按图（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60240mm，模数为110mm。查GB/T10095.1-2001标准中表2.1可得相应的齿廓公差为0.10.143mm。所以测头的摆动范围至少为0.143mm。考虑到不合格齿轮的偏差会超出这个范围，所以取0.167mm为测头的实际摆动范围。根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LVDT-1。使用时只要把LVDT-1的壳体夹在参照物上,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0.167mm转变为电压的变化量0.099V。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E2a同相（3）当衔铁下移，与E2b同相当初级线圈参数和激磁电压确定后，变压器输出由M决定。在一定范围内，M与铁芯位移近似成线性关系，差动变压器的线性范围约为骨架长度的1/101/4。【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。图5 仪用放大器设电路中电阻R4、R5、R6、R7的偏差均为，考虑最严重的情况，即R4=R40(1+)、R5=R50(1+)、R6=R60(1+)、R7=R70(1+)，且R40=R60,R50=R70,这里，R40、R50、R60、R70分别表示电阻R4、R5、R6、R7的名义值，则该放大电路输出的共模增益为：其中，仪用放大器上下对称，即图中R1=R2,R4=R6,R5=R7.可以退出仪用放大器的闭环增益为： 假设R4=R5,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 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，一般为外接电阻。在设计中我们假定为定值，且为已知量。八、采样保持电路的设计：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：Uc=1，S闭合：Uo=ui,输出跟随输入变化。并向电容C充电。Uc=0，S断开：Uc保持断开瞬间的输入信号。模拟信号采样如下图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fmax， 为了复现该波形，必须要求采样间隔小于1/(2fmax). 也就是说采样频率fs大于模拟信号中最高频率的2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： 式中m为后续ADC的位数典型的，而信号经过放大滤波后的最大频率为：,即有 从而求出m值：（即之后只要选8位ADC即可满足要求）九、单片机及ADC的设计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80C51,因为其是一种低功耗/DIDIANYA 、高性能的8位处理器。它采用了CMOS工艺和高密度非易失存储器技术，而且其引脚和指令系统都与MCS-51兼容，还具有功能强、灵活性高等优点。由上面可知，ADC采用8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AD574A。AD574A是一种逐次逼近式ADC，且具有转换速度快，精度较高，价格适中的优点。单片机与AD574A的连接如图7所示；无论是启动转换还是读转换结果，都要保证CE为高电平，故8051的RD、WR信号通过与非门后与AD574A的CE端相连。转换结果分高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A7-A0=000进行写操作时，启动一次12位转换；对地址A7-A0=010进行写操作时，启动一次8位转换；对地址A7-A0=001进行读操作时，读取转换结果高8位；对地址A7-A0=011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10Vin，并把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AD574A为双极性输入，故接线图如上图所示。AD574控制状态表如下：AD574控制状态表十、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 /D转换、数值计算、显示驱动、数据转换、数据保存等子程序组成。开始SP指针赋值初始化置中断状态SETB IT0 ；SETB EA；SETB EX0是否有键输入键值是否为0启动A/D转换，同时LED显示输入电压YNYLED显示P键值是否为1AD转换停止NYLED显示EERORN图8系统主程序流程图初始化将AD574的/CS置0，启动AD执行INT_0将B中的数值除以51，商送LED显示（整数部分）将余数除以5，商送LED显示（小数点后第一位）将余数左移1位，结果送LED显示（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LED显示输入电压YNY键值是否为1AD转换停止NYLED显示EERORN开始图9 AD转换子程序流程图保存现场置显示起始地址为80H（RAM地址不自动加1）设定显示位置（80H+R4）查表（表起始位置+R5）显示数据恢复现场开始结束图10 LED显示子程序流程图该系统的程序采用C语言编程，其完成的主要功能有：A/D转换，数值显示。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： #include#include#include#define PORT1 P2#define PORT2 P1#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit CS1=P00;sbit CLK1=P01;sbit DO1=P02;sbit CS2=P06;sbit CLK2=P05;sbit DO2=P04;sbit a0=P30; sbit a1=P31;uchar code Num=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82, 0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0x0A1,0x86,0x8E,;uchar dat10,dat11,data12,data13,dat20,dat21,data22,data23;uchar ad_conv1(void) /AD转换uchar i,com1;CS1=1;CLK1=0;_nop_();_nop_();CS1=0;_nop_();_nop_(); CLK1=1;_nop_();_nop_();CLK1=0;_nop_();_nop_();CLK1=1;_nop_();_nop_();for(i=8;i0;i-)CLK1=0;com10;i-)CLK2=0;com20;i-) for(j=100;j0;j-);void display(void) /定义显示函数a0=0; /选中第一个数码管PORT1=Numdat10; /将要显示的数据送到P1口PORT2=Numdat20; delay();a0=1;a1=0; /选中第二个数码管PORT1=Numdat11; /将要显示的数据送到P1口PORT2=Numdat21; delay();a1=1;a2=0; /选中第三个数码管PORT1=Numdat12; /将要显示的数据送到P1口PORT2=Numdat22; 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