齿轮齿圈径向跳动误差自动检测系统的设计说明书

- 1 -1 前言1.1 齿轮齿圈径向跳动误差齿圈径向跳动误差Fr 是指在齿轮一转范围内，测头在齿槽内或在轮齿上，于齿高中部双面接触，测头相对齿轮轴线的最大变动量.1.2 国内外研究现状1.2.1 发展过程近年来我国汽车、摩托车制造业的迅速发展，汽摩齿轮制造业也得到了空前快速的发展。我国齿轮制造业的总体发展战略是尽快成为汽摩齿轮的全球制造与供应基地，并已经成为我国众多齿轮制造商的共识。齿轮在汽车行业中的需求量很大，且精度要求较高，尤其是用于汽车驱动桥的弧齿锥齿轮的加工工艺复杂，加工难度较大，以至于产品的啮合精度常常达不到要求，从而延误汽车制造的工期。因此，研究齿轮齿圈径向跳动误差的自动检测系统十分迫切，对于适应现代工业零件制造精度检测需求、促进现代工业的发展显得格外重要，具有齿轮测量中心在汽车等行业中具有极其广阔的市场。目前，国内对齿轮测量中心的研究还较少，仅有成都工具研究所（CV450 齿轮测量中心）、哈尔滨量具刃具集团有限责任公司（39 系列的齿轮测量中心）、哈尔滨精达公司（JA 系列齿轮测量中心）、西安爱德华测量设备有限公司等少数几个企业单位能生产，虽然某些公司的产品在精度和测量速度方面已经接近或达到国外先进水平，但在仪器的稳定性、重复性、测量精度，尤其是在软件功能方面还有待进一步的提高，而且大部分公司的齿轮测量中心尚不能实现对螺旋锥齿轮的测量。随着计算机与机器的紧密结合，国产 CNC 齿轮测量中心有了长足的发展，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司、哈尔滨精达公司都先后成功开发出了系列产品。哈尔滨精达公司作为后起之秀，其发展同样引人瞩目，其 JD、JDS 系列齿轮测量中心，目前在国内产品中具有一定的市场占有率。其中，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司研制的具有锥齿轮测量功能的 3903A 齿轮测量中心，经过研发人员几年的努力，仪器的精度和测量速度已达到或接近齿轮测量领域的权威KLINGELNBERG 公司的水平，并且在 CCMT2008 中国数控机床展会（CHINA CNC MACHINE TOOL FAIR）上荣获“春燕奖”。随着 CNC 齿轮测量中心市场以及需求量的不断扩大，国产齿轮测量中心的质量和性能不断提高，已经具有和国外- 2 -产品竞争的实力，但在仪器精度、稳定性，尤其在测量软件、仪器故障诊断功能等方面，和国外同类产品还有一定差距。令人欣慰的是国内齿轮测量仪制造商已形成共识，随着市场的日益扩大，社会需求量的不断增长，国内的齿轮测量中心的功能在不断扩展，性能与精度在不断提高，参与市场竞争能力逐渐增强。与国外（KLINGELNBERG 公司、M&M 公司、德国温泽等）的齿轮测量中心相比，由于国内产品的价位比较低，很容易被客户接受，国外的齿轮测量中心价格昂贵，且超精密级产品对我国实行严格的禁运。其中哈尔滨量具刃具集团有限责任公司的 39 系列的齿轮测量中心已经具有了测量直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮以及弧齿锥齿轮的功能，并且早已经投放市场 。因此，国产齿轮测量中心在国内市场占有相当大的比重，并且随着产品性能与精度的不断提高，其国内市场也会越来越广阔。相比之下，国外的齿轮测量技术发展较快，以瑞士马格 KP42 型为代表，精度很高但结构复杂。1990 年前后，CNC 齿轮测量中心开始推向市场，目前有美国、德国、日本、瑞士、意大利等几个工业发达国家能够生产 CNC 齿轮测量中心，其中典型产品有克林贝尔格公司的 P 系列、M&M 公司的 3000 系列以及 Mahr 公司GMX275 型齿轮测量中心。这些产品都具备测量直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮以及螺旋锥齿轮的功能，测量精度都达到 VDI/VDE 等级规定的 1 级，空间测量不确定度达到 2 微米，可对锥齿轮的各单项几何误差进行检测，包括： 1)齿距偏差：包括单个齿距偏差、k 个齿距累积偏差与齿距累积总偏差；2)齿廓偏差：包括齿廓总偏差、齿廓形状偏差与齿廓倾斜偏差；3)螺旋线偏差：包括螺旋线总偏差、螺旋线形状偏差与螺旋线倾斜偏差。而且，同时具有输出三维齿面形状偏差形貌图等功能 。齿轮测量中心一般由主机、CNC 数控单元、数据采集单元、通讯接口、计算机及外设、测量软件和数据处理软件等部分组成。各国的齿轮测量中心虽然在原理上大同小异、功能相近，但实现方式却存在一定差异。主要表现在四个方面： 1）在数控系统方面，目前已有采用交流伺服系统或直线电机的；70 年代基本为 NC 开环控制，80 年代后全是 CNC 控制，采用直流伺服电机或步进电机；2）在测量传感器方面，精度要求很高的齿轮或很长的工件，一般采用双频（或单频）激光干涉仪作为长度基准，其它情况则采用高精度光栅尺。角度测量一般采用高精度圆光栅，但长度测量因被测对象的不同而有差异； 3）在测头方面，也有光栅式的，有电感式的；也有三维的，有一维的，甚至有刚性的。刚性测头是不带测微传感器的，若采用刚性测头，则仪器通常是专用的 。4）在机械系统的精度方面，高精度的气浮轴系是必须的，而直线导轨的精度有靠机械加工精度保证的，也有采用误差修正技术保证的； 尤其德国 Klingelnberg 公司、美国 M&M 及 Mahr 公司的齿轮测量中心，他们仪器的测量不确定度可达 2 微米，可以检测各种齿轮类零件及各种齿轮。当前计算机- 3 -及微电子技术应用于齿轮加工主要表现为：计算机数值控制机床，加工中心，柔性加工系统和测量中心迅速发展。如瑞士 reishour 公司已近 40%机床是 CNC 机床：Lufkin、Renk、KlingeLnberg、Gleason、Flender、费城、三菱重工、广岛机床厂等厂已拥有不少加工中心，用于箱体和轴的加工；Renk、Lufkin 等厂采用三坐标测量仪作为一般零件精密加工和大模数齿轮的测量中心；MAAG 和 Klingelnber 最近推出全自动检查仪；CNC 齿轮加工机床近几年已有新的突破，一些日本制造的 CNC 齿轮机 3 已在欧美工厂服役、目前三菱重工广岛机床厂和 Glenason 公司已小批量生产中小型 CNC 齿轮机。这是 CNC 齿轮机床的一个飞跃。1.2.2 目前国内外的测量方法(1) 齿轮径向跳动检查仪测量齿轮齿圈径向跳动误差的测量通常在齿轮跳动检查仪上进行。测量时 ,把被测齿轮用心轴安装在两顶尖架的顶尖之间(被测齿轮轴则直接安装在两顶尖间) ,用心轴轴线模拟体现该齿轮的基准轴线 ,使测头在齿槽内于齿高中部双面接触。测头有球形和锥形等几种形式 ,其尺寸大小应与被测齿轮的模数相协调 ,以保证测头在齿高中部双面接触。球形或锥形测头安装在指示表的测杆上 ,用它逐齿测量它相对于齿轮基准轴线的变动量 ,其中最大值与最小值之差即为齿圈径向跳动 F 。很显然 ,齿轮齿圈径向跳动误差过大对于齿轮的工作平稳性、运动精度和工作时产生的噪声都会有很大的影响。而只有精确地和高效地测量了齿轮齿圈径向跳动误差 ,才能判断齿轮齿圈径向跳动误差是否在合理的误差范围内 ,保证今后齿轮能够在正常的、稳定的情况下工作。（2）万能测齿仪测量万能测齿仪为纯机械式的手动测量仪器，可测量齿轮和蜗轮的齿距偏差fpt、基节偏差fpb、公法线平均长度偏差Ewm、齿距累积误差Fp、公法线长度变动Fw、齿圈径向跳动Fr 等。（3）CNC 齿轮测量中心该仪器实质上是含有一个回转角坐标的四坐标测量机圆柱坐标测量机,主要用于齿轮单项几何精度的检测,也可用于(静态)齿轮整体误差的测量。齿轮测量中心除了能测量圆柱渐开线齿轮,还能测量齿轮滚刀,插齿刀,剃齿刀等齿轮刀具,以及蜗杆、蜗轮、凸轮轴等复杂型面的回转体零件。（4）三坐标测量机三坐标测量机是数字化测量仪器的精典产品。它在采用磁力封闭新材料、工程陶瓷、新结构方面多有进展。多测头的集成，扩大了仪器测量功能；高精度、多功能、多坐标综合测量仪，打破了传统量仪的格局；一台仪器一次装卡可完成工件多种几何参数的检测- 4 -（5） 可移动、多关节式坐标测量机可移动、多关节式坐标测量机采用了高精度光栅和内置平衡系统，精度0.025mm/1.2m 球，且带有温度补偿。加拿大 EAGLE 精密技术公司的 EPT TMS-100 弯管测量系统，具有红外非接触式和接触式两种测头，以及与数控弯管机全兼容的零件库和误差校正信息库，可与数控弯管机集成为一个完整的、信息融通的闭环弯管制造系统。1.3 选题的内容及意义1.3.1 选题内容在原齿轮径向跳动检查仪的基础上增加了传感器、步进电机及其它的硬件设备，组成一个齿轮齿圈径向跳动误差的自动检测系统。（1）对原齿轮径向跳动检查仪的机械部分进行改进，由步进电机实现驱动，通过凸轮机构实现被测齿轮的逐齿测量，用电容传感器替代千分表和测头，实现非接触式测量。（2）通过以 8031 单片机为核心，其它芯片如信号采集和处理形成的功能的模块化设计，并设计出驱动电路。1.3.2 选题意义随着汽车、摩托车制造业的迅速发展，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，都对齿轮制造业提出了更高的要求，也提供了前所未有的机遇。无论是国有企业、股份公司还是民营企业，齿轮制造商在扩大齿轮产量、品种的同时，更加注重提高齿轮制造质量。为此，最近几年来在引进技术、购置设备、更新工艺、加强信息化管理等技术改造和技术升级方面进行了大量的投入，强化并提高齿轮制造全过程的测量与监控技术水平获得了空前的重视，并成为确保齿轮生产质量的一个关键。开发具有自主知识产权的齿轮测量仪器，满足我国齿轮制造质量检测的迫切需要，提高国产齿轮测量仪器在国内市场的占有率，是我国齿轮测量仪器制造业当前所面临的一项重要而紧迫的任务。近年来机械工业的发展，人们对产品的质量和精度的要求也不断提高。齿轮是机械行业的重要零件，其精度直接影响产品的合格率和使用性能。一直以来，齿轮加工行业中主要用传统测量仪检查质量，但这些误差检查仪是纯机械装置，检测时人工读数，不仅费时费力，而且人为误差较大，远远不能满足我们的检测要求。在这种形势下，国内外不断有较为先进的齿轮误差检查仪研制出来，但由于存在价格高、操作复杂、对环境要求严格等问题，其特别用性不是强。- 5 -在深入分析国内外齿轮测量技术，大量调研齿轮测量仪的设计方法之后，本人结合中国制造业的现状，并考虑到未来仪器的发展方向，在不改变原有机械精度的情况下，提出对传统齿圈径向跳动检查仪的微机化改造方案。设计过程基于机电一体化专业知识。1.3.3 要求（1） 齿轮齿圈径向跳动的最大检测范围为 1mm；（2） 齿轮齿圈每个齿的径向跳动的最大检测时间为 10 秒；（3） 系统采用非接触测量方式，在计算机的控制下实现自动测量。- 6 -2 总体方案设计2.1 以往实验的测量在有关齿轮传动的设备中, 齿轮与齿轮副误差直接影响着齿轮的传动精度、齿轮强度和噪声，对维修操作工的劳动强度都有很大影响。齿轮径向跳动主要用于评定由齿轮几何偏心所引起的径向误差，通常在齿轮跳动检查仪上进行测量。测量时，将侧头依次插入齿槽中部，从指示表上读数，其最大读数与最小读数之差即为径向跳动量。而齿轮分度圆齿厚偏差则是指分度圆柱面上法向齿厚的实际值与公称值之差，齿厚偏差的大小间接地反映齿轮传动时的齿测间隙的大小。齿轮的齿厚通常用齿轮游标卡尺测量。 1.将被测齿轮套在心轴上心轴装在仪器的两顶尖之间，拧紧螺钉 4 和 5，心轴与顶尖间的松紧要适当，以能灵活转动而没有轴向窜动为宜。2.根据被测齿轮模数选择量头，并安装在指示表 10 的测量杆下端。3.旋转手柄 3，调整滑板 2 的位置，使指示器测量头位于齿轮宽的中部，借升降调节螺母 7 和提升手把 9，使测量头位于齿槽内，调整指示表 10 的零位，然后开始测量。4.逐齿测量，每测一齿，须抬起提升手把 9，使指示表测量头离开齿间，测量一圈，记下指示表读数，将读数添在报告中。5.处理测量结果，用坐标图型表示，从曲线上量出径向跳动误差Fr，有齿轮公差表中查出齿圈的径向跳动误差Fr。判断被测齿轮的适用性。2.2 测量方式目前，传统的齿圈径向跳动测量仪结构主要有两种形式：测头回转式和转台回转式。前者在测量过程中被测齿轮固定在转台上，测头围绕其进行数值采样；后者则正好相反被测齿轮放置在分度旋转的转台上以一定的角速度回转，测头只作径向进给。由于前者需要较大的操作空间，而且测头旋转精度的要求很高，我们仅对转台回转式齿圈径向跳动测量仪的自动化改造进行研究。2.3 测量方案内容- 7 -在深入分析国内外齿轮测量技术，大量调研齿轮测量仪的设计方法之后，本人结合中国制造业的现状，并考虑到未来仪器的发展方向，在不改变原有机械精度的情况下，提出对传统齿圈径向跳动检查仪的微机化改造方案。设计过程基于机电一体化专业知识。图 2.3（a） 齿轮径向跳动检查仪对现有的齿圈径向跳动测量仪，进行以下改进：（1）将步进电动机安装在滚齿夹具下面，经蜗轮蜗杆副减速后带动齿轮分度旋转；（2）左支撑件上装电容传感器，以实现非接触式测量；（3）右支撑件及支撑千分表的装置去掉，简化机械装置；（4）科学编译计算机软件程序,以便得到一个良好的人机交互界面,使测量工作更加轻松、高效。改进后基本如下图轮廓。图 2.3（b） 改进轮廓- 8 -3 机械部分的设计3.1 传动方案设计3.1.1 蜗杆传动 【6】蜗杆传动应用于传递空间互相垂直且不相交的两轴间的运动和动力的。（1）选择材料。蜗杆采用 45 钢，考虑到传递效率要高些和耐磨性要比较好，蜗杆螺旋面进行表面淬火以提高其硬度，硬度为 4555HRC。蜗轮采用铸锡青铜 ZCuSn10Pb1，以金属模铸造，考虑到经济性，仅齿圈部分用青铜制成，轮芯则用铸铁 TH150 制成。（2）确定蜗杆头数 Z1 及蜗轮齿数 Z2。理论传动比：10 蜗杆头数 z1：3 蜗轮齿数 z2：30 实际传动比 i：10 （3）分度圆直径 d1，d 2 及中心距 a蜗杆分度圆直径 d1=30蜗轮分度圆直径 d 2=m Z2=530=150 （3.1）中心距 a=（d 1+d2）/2=（30+150 ）/2=90 （3.2）（4）蜗杆，蜗轮各部分尺寸计算蜗杆齿顶高 ha 1 =ha*m =51=5（mm） （3.3）齿根高 hf 1=(ha*+c* )m =(1+0.2)5=6（mm） （3.4）齿高 h1=ha1+hf1= 5+6=11（mm） （3.5）分度圆直径 d1=30(mm) 齿顶圆直径 da1=d1+2ha1=30+25=40(mm) - 9 -（3.6）齿根圆直径 df 1=d1-2hf1=30-26=18（mm） （3.7）蜗杆齿宽 b1=(11+0.06z2 )m +25=(11+0.0632)5+25=89.6（mm） （3.8）取 b 1=90(mm)蜗轮齿顶高 ha2 =ha*m =51=5(mm) （3.9）齿根高 f2=(ha*+c* )m =(1+0.2)5=6(mm) （3.10）齿高 h 2=ha2+hf2= 5+6=11(mm) (3.11)分度圆直径 d2=mz2=530=150（mm） (3.12)喉圆直径 da 2=d2+2ha2=150+25=160(mm) (3.13)齿根圆直径 df2=d2-2hf2=150-26=138(mm) （3.14）咽喉母圆半 rg2=a-da2/2=90-160/2=10(mm) （3.15）齿宽 b20.75da1=0.7540=30(mm) （3.16）图 3.1.1 涡轮机构3.1.2 丝杠丝母副传动滚珠丝杠副的特点- 10 -滚珠丝杠副是一种靠滚珠传递和转换运动的新型元件，基丝杠和螺母上分别加工有半圆弧形沟槽，全在一起形成滚珠轨道，并在螺母上加工有使滚珠形成循环的回珠通道，当丝杠和螺母相对转动时，滚珠可在滚道内循环滚动，因而迫使丝杠和螺母产生轴向相对移动。由于丝杠和螺母之间是滚动摩擦，因而具有下列特点 9：1、摩擦损失小，传动效率高，可达 0.90 到 0.96,是普通滑动丝杠副的 3 到 4 倍;2、摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动、静摩擦力之差极小，因而运动灵敏、平稳，低速时不易产生爬行，且磨损小，精度保持性好，寿命长;3、栖杠螺母之间进行消隙或预紧，可以消除反向间隙，使反向无死区，定位精度高，轴向刚度大;4、不能自锁，传动具有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动或将直线运动转换为旋转运动，因此在某些场合，如传递垂直运动时，应增加制动或防止逆转装置，以防工作台因自重而自动下降等。丝杠选型计算1、竖直方向进给丝杠（1） 、计算进给率引力 Fm(N) (3.17)(903205.6)05.1(2)5.0( NdMfFxfzm （2） 、计算最大动负载荷 C(3.18)min)/(3.8/.7rn(3.19)96.710192.5601/606TL(3.20)45.33wfC（3） 、滚珠丝杠副选型为 W1L3006。（4） 、计算滚珠丝杠螺母副的传动效率:(3.21)963.0)13()(tgt2、横向进给丝杠（1） 、计算进给率引力 Fm(N)(1420605.8)05.1(2)5.0( NdMfFxfzm (3.22)- 11 -（2） 、计算最大动负载荷 C(3.23)2.146502.967133 wfL（3） 、滚珠丝杠副选型为 W1L3508。（4） 、计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：(3.24)961.0)14()(tgt3、纵向进给丝杠（1） 、计算进给率引力 Fm(N)(270105.1)05.1(2)5.0( NdMfFxfzm (3.25)（2） 、计算最大动负载荷 C(3.26)(6.285970.196733 NfLw（3） 、滚珠丝杠副选型为 W1L5010。（4） 、计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：(3.27)963.0)13()(tgt3.2 传感器的选择3.2.1 传感器的分类传感器按其工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器；3.2.2 几种主要的传感器电阻传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器，按工作原理分为电阻器式传感器和电阻应变式传感器，电阻器式传感器结构简单、性能稳定使用方便，但是它分辨率很低还有较大的噪音。电阻应变式传感器灵敏度高，但是它的温度稳定性差、灵敏度离散度大以及在较大应变作用下，非线性误差大等缺点。电容式传感器是将被测物理量转换为电容量得变化，由于它具有输入能量小而灵敏度高、电参量相对变化大、动态特性好、能量损耗小以及结构简单，适应性好等优点，在测量较小位移中广泛使用，并能实现非接触测量，对被测系统影响小。- 12 -电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的装置，它具有精度高（最高分辨率可达 0.1m）、线性范围大、稳定性好和使用方便等优点，被广泛用于执行位移的测量，但是其实际测量频率上限受传感器机械结构的限制。热电传感器是把被测量转换为电量变化的装置。由于其主要是用于对温度的测量，这里我们就不多做分析。3.2.3 选择传感器综合以上介绍，我们从传感器工作原理、经济性、实用性等方面进行分析，电容传感器能实现非接触测量，对被测系统影响小，并具有输入能量小而灵敏度高、电参量相对变化大、动态特性好、能量损耗小以及结构简单，适应性好等优点，在测量较小位移中广泛使用，结合本系统，在这里选用电容传感器。3.3 步进电机的选择3.3.1 步进电机参数测量仪采用步进电机带动轨道块移动，是在轴向上测量不同的点。轨道块的移动速度 v 0.05m/s,轨道块与底座的间的摩擦系数 0.09 。估计夹具机构和被测 1.0齿轮的最大总质量 。选取齿轮的模数 ，直径 。kgM52mmd4步进电机带动轨道块移动，电机的启动转矩要大于摩擦力矩。摩擦力矩的最大值是：（3.28）2dF(3.29)g式中， 摩擦力矩M 轨道块与底座间的摩擦力F摩擦系数，值为 0.1M轨道块与测头机构的总质量 )(098.24.108.9522 mNdgd 所以步进电机的静转矩应大于 0.098 ，轨道块的转动主要是克服摩擦力矩，mN因此只要步进电机能够启动起来，就可以达到预期的目标。据以上所述，根据静转矩初选步进电机。查阅资料，使用 crthb 三相混合进电动机。步进电动机的技术资料见附录。- 13 -根据附录的技术资料，可以看到 crthb364，crthb366，crthb368 型步进电动机都符合力矩的要求。再跟据所设计的测量仪整体尺寸要求，初选步进电动机型号crthb364。其保持转矩是 0.45 ，转动惯量 = 。mNMJ2410.mKg根据能量守恒定律来求折算到电机轴上的等效转动惯量：（3.30）221vJ式中 J折算到步进电机轴的等效转动惯量步进电机的转速v轨道块移动的速度再有公式（3.31）dv2将（3.31）式代入（3.30）式得到)(10.24.05232 mkgMdJ （3.32）电机轴的总转动惯量（3.33）)(10.21.0.2 2333 mkgJM 考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题（3.34）05.1.203JM综合考虑摩擦力作用以及被测齿轮转动速度 ，当电动机停转时，轨smv/.道块速度达到零的所需时间：- 14 -（3.35）)(4710/92.5/ msMFvt 测量时要求的径向位移不是特别严格，因此（3.34）和（3.35）式的结果是可以接受的，满足设计的要求。3.3.2 步进电动机的选择由于在该系统中，电机起动力作用，带动被测齿轮的分度转动，不需要它克服太大的阻力，因此根据经济性、实用性等方面选用 crthb364表 3.3.2 三相混合式步进电机参数型号 步矩角 电机长度 保持转矩 额定电流 驱动电源输入 转子惯量 电机重量CRTHB364 1.2 40.5 0.45 5.2 40 0.1 0.5CRTHB366 1.2 53.5 0.9 5.6 40 0.22 0.75CRTHB368 1.2 76.4 1.5 5.8 40 0.38 1.1CRTHB397 1.2 69 2 1.75 110 1.32 23.4 夹具的设计图 3.4 夹具- 15 -上图是滚齿夹具，我们将夹具改进，使 4 以上的零件连接到涡轮机构中，然后再连接到电机上，由此，当电机转动时，经过涡轮机构的减速都，传递到 4 以上的零件，从而实现被测齿轮 2 的分度旋转。实现了对齿轮径向跳动误差的自动测量。3.5 轴承的选择各种结构类型轴承由于不同的结构特性，可适应于不同的使用条件。通常选择轴承类型时应综合考虑下列各主要因素： （1）载荷情况 载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。1）载荷大小 一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载荷；球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一般以额定载荷比表示。 2）载荷方向 纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考 虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角。增大承受轴向载荷能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。 3）载荷性质 有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。 （2）高速性能 一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承:径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系列为 8，9，0，1的轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。 （3）轴向游动性能 一般机械工作时，因机械摩擦或工作介质的关系而使轴发热，从而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有铀向游动的可能性。因此，常在轴的某一端选用一内圈或一外圈无挡边的圆柱滚子轴承或滚针轴承，以适应由于热胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。 （4）调心性能 - 16 -当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承。（5）允许的空间 在机械设计中，一般都是先确定轴的尺寸，然后根据轴的尺 寸来确定轴承的尺寸。小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承；在 内径尺寸（即轴尺寸）已确定，若径向尺寸受限，可选用滚针轴 承或直径系列为 8，9，0，回的轴承；若宽度尺寸受限，可选用 宽度系列为 8，0 的轴承。 （6）安装与拆卸方便 对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使 用中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的角接触球轴承、圆柱滚子轴承。 圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调 心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。综合以上分析，最好选择角接触球轴承，因为在被测齿轮分度转动时，既承受轴向力也承受径向力，分析夹具加被测齿轮的自重不是很大，所以选择时采用受力一般的角接触球轴承。4 电路部分的设计 【3】4.1 单片机系统根据测量几何量时对于微机系统的一般要求，以及考虑到该仪器应具有一定的普遍性，本测量系统的控制部分设计了以下功能模块：总线板，8051 主机板，EPROM2764 程序存储器扩展板，RAM6264 数据存储器扩展板， ADC0809 转换板，I/O 扩展及打印机接口板，8279 键盘显示接口板。微处理机是齿圈径向跳动测量仪的自动化改造的核心部分。国内的控制用微机以往大多采用系统激活单片机的形式，由于单片机的集成较度高，而功能强价格却比较便宜，从而已成为机电一体化产品中首选的微控制器。到一片芯片上集成了一个计算机系统，其主要部分包括微处理器（CPU），存储器- 17 -（随机访问存储器 RAM、只读存储器 ROM）和各种输入/输出接口（包括定时器/ 计数器、并行 I/O 接口、串行口、A/D 转换器有极脉冲宽度调制（PWM）等）。单片机主要应用于嵌入式应用，因而又被称为嵌入式微控制器。在工业实时控制、智能仪表、通信设备、智能终端、汽车电器和家用电器、医疗器械等领域得到了广泛的应用。本设计的功能是实现一个基于 8051 单片机控制的 3 相步进电机系统,由单片机产生驱动脉冲信号,步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后,步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度,将电脉冲转化成角位移。电机的转速由脉冲信号频率来控制决定,可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量, 从而达到调速的目的。系统框图如图 4.1 所示。由图 4.1 可知,步进电机控制系统中有两个重要电路:脉冲分配电路和驱动电路。脉冲分配电路有两个输入信号：步进脉冲和转相控制。脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生四相激励信号,此激励信号经过驱动电路送至步进电机,控制步进电机向某一方向转动,此激励信号的频率决定了步进电机的转速。驱动电路的主要作用是实现功率放大。一般脉冲分配器输出的驱动能力是有限的,它不可能直接驱动步进电机,而要经过一级功率放大。图 4.1 三相步进电机控制系统框图4.2 8051 单片机简述（1）8051 单片机的特点（1）具有功能很强的 8 位中央处理单元（CPU） ；（2）片内有时钟发生电路（6MHz 或 12MHz） 、每执行一条指令时间为 2s 或1s。（3）片内具有 128 字节 RAM；（4）具有 21 个特殊寄存器；（5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器；（6）具有 4 个 I/O 口，32 根 I/O 线；（7）具有 2 个 16 位定时器/计数器；- 18 -（8）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级；（9）具有一个全双工串行接口；（10）具有位寻址能力，使用逻辑运算。（2） 8051 芯片引脚及其功能8051 芯片有 40 根引脚，其引脚如图 6 所示，其中：40 根引脚按功能可以分为四类：1、电源线：2 根Vcc：编程和正常操作时的电压电源，接 5V。Vss：地电平。图 4.2 8051 引脚图2、晶振： 2 根XTAL1：振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入，当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。3、I/O 口共有 P0、P1 、P2、P3 四个 8 位口，32 根 I/O 线，其功能如下：P0 口（39 脚至 32 脚）：是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总线的低 8 位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LS 型的 TTL 负载。 P1 口（1 脚至 8 脚）：是准双向 8 位 I/O 口,专供用户使用。 P2 口（21 脚至 28 脚）：是准双向 8 位 I/O 口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。P2 可以驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。 P3 口（10 脚至 17 脚）：是准双向 8 位 I/O 口，在 MCS-51 中，这 8 个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3 能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。 作为第一功能使用时，就作为普通 I/O 口用，功能和操作方法与 P1 口相同。 作为- 19 -第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3 各口线的第二功能定义 ：P3.0 10 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0（外部中断 0） P3.3 13 INT1（外部中断 1） P3.4 14 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 15 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲）4、控制线RST/VPD（9 脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。VCC 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部 RAM 的数据不丢失。ALE/PROG（30 脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。PSEN（29 脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。EA/VPP（引脚）：对于常用的 8051 来说，无内部程序存储器，所以 EA 脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。4.3 ICL7109 芯片以及与 8051 的连接ICL7109 是美国 Intersil 公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式 12 位 A/D 转换器。由于目前逐次比较式的高速 12 位 A/D 转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度 A/D 转换器 ICL7109。ICL7109 最大的特点是其数据输出为 12 位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。4.3.1 ICL7109 的部分引脚功能介绍B1B12：三态转换结果输出，B12 为最高位，B1 为最低位。STATUS：状态输出，ICL7109 转换结束时，该引脚发出转换结束信号。REFCAP+： 正差分电容连接端。- 20 -REFCAP-： 负差分电容连接端 。SEND：是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能够接受数据的能力。INLO： 差分输入低端。MODE：方式选择。当输出低电平信号时，转换器为直接输出方式。此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。当输出高电平脉冲时，转换器处于UART 方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。LBEN：低电平使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1B8）输出选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为低位字节输出。 图 4.3.1 ICL7109 的引脚图HBEN：高字节使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为高电平时，此信号将作为高位字节（B8B12）以及 POL，OR 输出的辅助选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。- 21 -4.3.2 ICL7109 与 8051 单片机的硬件接口设计A/D 转换器 ICL7109 的数据输出形式为 12 位二进制码，且与微处理器有良图 4.3.2 ICL7109 的外部电路连接图 4.3.3 ICL7109 与 8051 单片机的硬件接口好的兼容特性，所以可以与 8051 单片机直接相连。硬件接口电路如图 4.3 所示。图 9 中将 ICL7109 的 MODE 引脚接地。使其工作于直接输出工作方式。将RUN/HOLD 接+5V，这样 ICL7109 可进行连续转换。将 STATUS 线与 8051 的 INT0相连，这样每完成一次转换便向 8051 发一次中断请求。由于采用了 3.85MHZ 的晶- 22 -振，故 ICL7109 完成一次转换所需的时间为 T=8192（脉冲周期）58/3.85MHZ=132.72ms，即转换速率为 7.5 次/秒。其中 ICL7660 是+5V 输入-5V 输出的电源极性变换器。4.4 精密放大器的设计 【5】当测量信号由电感测微仪输出时，输出的是直流电压信号，其输出电压范围为,为满足 转换时对输入信号低电压的要求 ，就要求有一个输入V1DA/ )5(V放大电路。图 4.4 三运放结构测量放大器本设计中我们采用的是三运放结构的测量放大器。其结构如图 4.7 所示。三运放结构的测量放大器由两极组成,两个对称的同相放大器 A1，A2 构成第一极，差动放大器 A3 构成第二极，为提高电路的抗共摸干扰能力和抑制飘移的影响，应使电路上下对称。取 R1=R2，R4=R6,R5=R7。若 A1，A2，A3 都是理想运放，则 V1=V4,V2=V5。故有RgV1)2(13)(由上两式可得 V3+V6=V1+V2- 23 -RgVAf 1212163整个放大器的闭环放大倍数为：（4.1）45)(21RgOf电路中的运放采用的是 OPA2604 或者 OPA604.利用 OPA2604 高输入阻抗，低偏流的特性，可以有较好的滤波效果。利用其极低的失真率和低噪声特点，保证了精密的缓冲变换特性。OPA2604 为双运放，其特性与 OPA604 相同，二者可互相代用。此外，美国 AnalogDevices 公司生产的 AD60，AD614 型测量放大器就是根据上述原理设计的典型三运放结构单片集成电路。其他型号的测量放大器，虽然电路有所区别，如 AD521，AD522 等。本设计采用 AD612 型测量放大器。AD612 是高精度，高速度的测量放大器，能在恶劣的环境下工作，它具有很好的交直流特性，电路中所有电阻都是采用激光自动修刻工艺制作的高精度薄膜电阻，用这些网络电阻构成的放大器增益精度高，最大增益误差不超过+10 -7 /C，用户可以方便地连接这些网络的引脚，获得 11024 倍的二进制关系的增益。这种放大器在数据采集系统中应用广泛。4.5 0809A/D 转 换 芯 片(一) ADC0809 的主要性能： (1) 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，所有引脚的逻辑电平与 TTL 电平兼容。 (2) 带有锁存功能的 8 路模拟量转换开关，可对 8 路 05V 模拟量进行分时切换。(3) 输出具有三态锁存功能。 (4) 分辨率：8 位，转换时间：100s。 (5) 不可调误差：1LBS，功耗：15mW。 (6) 工作电压：+5V，参考电压标准值+5V。 (7) 片内无时钟，一般需外加 640KHz 以下且不低于 100KHz 的时钟信号。 (二 )ADC0809 的 内 部 结 构 ： ADC0809 是 CMOS 的 8 位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行 A/D 转换，芯片内有模拟多路转换开关和 A/D 转换两大部分，可对 8 路 05V 的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由 8 路模拟开关和 3 位地址锁存译码器组成，可选通8 路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号 ALE 将 3 位地址信号 ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行 A/D 转换。A/D 转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R 电阻网络、树状电子开关、控- 24 -制与时序电路等。另外 ADC0809 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到 CPU 数据总线上。 (三 )ADC0809 的 多 路 转 换 ： 在实时控制与实时检测系统中，被控制与被测量的电路往往是几路或几十路，对这些电路的参数进行模/数、数/模转换时，常采用公共的模数、数模转换电路。因此，对各路进行转换是分时进行的。此时，必须轮流切换各被测电路与模数、数模转换电路之间的通道，以达到分时切换的功能。 (四 )读 A/D 转换程序设计由 8031 对 ADC0809 选通工作，然后判断读入的数据是否超出模数转换器的量程，以决定是继续读入数据还是换合适的量程档。在读入数据室，分别依次读入符号位及各数字位，数据经过这一步处理以后，的出的数字量即可送入下一环节进行显示。4.6 单 片 机 控 制 的 步 进 电 机 系 统本设计的功能是实现一个基于 51 单片机控制的 3 相步进电机系统,由单片机产生驱动脉冲信号,步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后,步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度,将电脉冲转化成角位移。电机的转速由脉冲信号频率来控制决定,可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量, 从而达到调速的目的。步进电机控制系统中有两个重要电路:脉冲分配电路和驱动电路。脉冲分配电路有两个输入信号：步进脉冲和转相控制。脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生四相激励信号,此激励信号经过驱动电路送至步进电机,控制步进电机向某一方向转动,此激励信号的频率决定了步进电机的转速。脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种，硬件环形分配器需要 I/O 接口接线数少，且执行速度较快，需