大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪(测控班第一大组之机械组课程设计分析方案)

摘要3目录4小组任务分配81专业综合设计任务书92总体设计102.1引言102.2设计任务分析与创新性设计102.2.1设计任务的分析包括以下内容102.2.2创新性设计112.2.3本仪器设计中应注意的问题112.2.4本设计中创新点的构思122.3测控仪器设计原则考虑132.3.1阿贝原则132.3.2变形最小原则142.3.3测量链最短原则142.3.4坐标基准统一原则142.3.5精度匹配原则152.3.6经济原则152.4测控仪器若干设计原理讨论152.4.1平均读数原理152.4.2比较测量原理162.4.3补偿原理162.5大型齿轮渐开线齿形误差在位检测的主要方法162.5.1直角坐标法162.5.2标准渐开线法172.5.3直线基准法[1]172.6大型齿轮渐开线齿形误差在位检测系统工作原理的选择172.6.1直线基准法的基本原理172.6.2坐标系的建立182.6.3理论渐开线数学模型192.6.4定位球球心相对与齿轮轴心位置232.6.5测量头坐标计算的数学模型252.7测量系统设计262.7.1总体功能结构规划262.7.2机械子系统功能实现262.7.3光电子系统功能实现272.7.4测量系统软件结构282.8造型设计282.8.1造型要求282.8.2装饰方面283精度设计与误差分配303.1精度设计303.2误差分析303.2.1机械子系统误差303.2.2电气子系统误差313.2.3软件子系统误差313.2.4其余误差313.3误差分配314机械子系统324.1引言324.2机械结构的原理及功能324.2.1测量定位系统324.2.2X方向误差信号的传递334.2.3测量头Y方向的运动334.3定位机构的设计334.3.1总体要求334.3.2定位球直径的计算334.3.3定位球跨距以及定位臂长的确定354.3.4测头及测杆的设计计算374.3.5片簧的设计424.3.6柱销的设计454.3.7十字片簧的设计454.3.8杠杆的设计计算474.3.9杠杆限位装置的设计494.3.10电感传感器的安装紧固件尺寸设计计算504.3.11误差传递机构外廓尺寸计算524.4导轨的设计524.4.1设计要求524.4.2在Y方向运动导轨的设计554.4.3定位臂导轨的设计594.5螺旋传动的设计624.5.1螺旋传动的分类624.5.2螺旋副的选择634.5.3滑动螺旋传动的计算634.5.4滚动螺旋副的设计674.6电机的选择714.7联轴器的设计714.8箱体的设计724.8.1箱体分类724.8.2箱体结构设计734.8.3箱体的毛坯、材料及热处理734.8.4设计的主要问题和设计要求744.8.5箱体结构参数的选择745精度分析765.1机械部分误差分析765.1.1定位误差765.1.2数据采集机构的误差775.1.3导轨直线运动误差785.1.4丝杆螺母结构的运动误差785.1.5差动电感传感器的测量误差785.1.6差动电感传感器的装配误差785.1.7光栅位移传感器的测量误差785.1.8光栅位移传感器的装配误差785.1.9电机与连轴器连接部分安装误差795.1.10动导轨与连轴器连接部分安装误差795.2机械部分误差合成796心得体会807参考文献82附录一软件子系统83附录二光电子系统87小组任务分配组长：朱濠组员：张云、林宏伟我们机械小组的任务具体被分为四部分：1张云、林宏炜完成各种参数的确定和零部件选取配合；2朱濠、张云绘制零部件草图和装配图；3朱濠、林宏炜通过SoildWorks制图；4张云、朱濠、林宏炜完成了报告的整理工作。1专业综合设计任务书设计题目：Large-scalegears’involuteprofileerrormeasuringmachinewithastraightlinebasis(大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪>设计要求：设计大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪器，结构简单，重量轻，体积小，测量链短；被测齿轮参数：模数≥8,齿数Z≥90，精度4级及其以下；实现误差数据的自动采集、处理、存储、显示、打印输出；2总体设计2.1引言仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计之前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。现代测控仪器是机械、光学、电学及计算机一体化的整体系统，是检测与控制相结合的智能型动态系统。因此，测控仪器的范畴十分广泛。总体来说，仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量的。一般而言，在所有指标中，精度和可靠性指标是仪器设计的核心问题。就具体一台仪器而言，其所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技术、新理论等，则是仪器总体设计中的创新。创新设计应贯穿仪器总体设计的始末，创新才有发展，创新才有效益。总体设计要考虑的主要问题：设计任务分析与创新性设计测控仪器若干设计原则的考虑测控仪器若干设计原理的讨论测控仪器工作原理的选择和系统设计测控仪器系统主要结构参数与技术指标的确定测控仪器造型设计2.2设计任务分析与创新性设计为了设计好仪器，首先必须对设计任务有详细的了解和分析。这一工作的目的是要弄清楚设计任务对仪器设计提出的要求和限制，以便所设计的仪器能实现和满足设计任务提出的各项指标和要求。为此，要了解被测对象的特点、技术指标、使用条件、测量范围等。2.2.1设计任务的分析包括以下内容测控仪器的工作任务首先是对被测参数的测量和跟踪。本次设计任务的被测参数是大齿轮齿形误差。<1）了解测控参数载体<测控对象）的特点测控参数载体，即测控对象，一般是各种各样的机械或光学载体。这些载体的大小、形状、材料、重量、状态等特点都将对测量和跟踪控制的质量产生重大影响。因此，仪器设计要设法消除测控对象中其它参数对被测参数的影响，即要获取被测信号本身。本次设计任务的被测对象是大齿轮，它具有尺寸大、重量大的特点，尤其是加工工艺的特殊性，其精度主要靠加工工艺来保证，因此要设计一种能在车间中使用的大齿轮在位检测仪器是迫切需要的。<2）了解仪器的功能要求仪器的功能要求包括仪器用途<是静态测量还是动态测量、是开环测量还是闭环测控、是一维测量还是多维测量、是单一参数测量还是多种参数测量）；仪器的检测效率；仪器的测量范围；仪器的承载能力；仪器的操作方式<手动、自动、键盘、触摸屏）；测量结果的显示方式<仪表、数字、图象、记录、打印等）；仪器的自动诊断要求；仪器的自动保护要求以及仪器的外轮廓尺寸与自重要求等。<3）了解仪器的使用条件仪器的使用条件和工作环境对仪器能否达到设计要求起到至关重要的作用。例如：仪器是在室内还是室外工作；是在计量室内还是车间工作；是在线测量还是离线脱机测量；间断工作还是连续工作<以及连续时间）；仪器工作环境<环境温度变动范围，湿度及振动情况，灰尘以及外界干扰）等。<4）了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件销售情况。2.2.2创新性设计创新性设计体现在仪器设计所实现的原理、所达到的功能、所反映出的新方法和新技术等方面。创新主要包括原创性设计和对原设计的继承和发展。对现有仪器的原理、功能、特点了解的愈多，掌握的愈深入，愈容易发现现有仪器的缺陷，从而找到进一步完善和发展的途径。2.2.3本仪器设计中应注意的问题被测参数的精度要求被测参数的精度要求，关系到仪器选用什么样的信号转换原理和采用什么样的主要结构形式。例如，在设计高精度的分度装置，除了应该选择恰当的信号转换原理外，轴系实际便是一个关键。在高精度大量程的直线位移测量中，保证仪器中有关部件做精确的直线位移，也是设计中的主要问题之一。<1）仪器类型根据测量任务的不同，可以有比较法测量的仪器和绝对法测量的仪器两大类。这两类不同测量方法的仪器，设计时差别很大，它们对信号转换原理的选择有不同的考虑，而且在仪器结构布局上也有较大差异。为此，应根据设计前选择测量方法选择仪器。<2）仪器中的感受转换部件类型感受元件是采用接触式的还是采用非接触式的，既决定于被测件材料的性质，也与被测参数本身的性质有关。例如，有些参数的测量，可能由于无法用测头感受而不得不采用非接触的感受方法。<3）仪器中的定位元件常用的定位元件有平台、定位球、顶尖等多种形式。有些是固定的，有些是可动的，有些是可调的。它们的设计一方面要遵守基准面统一原则，同时也和被测件的特定及精度要求有关。例如，在光栅式齿轮单面啮合检查仪和丝杆动态检查仪等仪器中，它们的顶尖都做成死顶尖，其目的是为了克服活顶尖引起的轴向跳动对测量结果的影响。<4）仪器的通用性如果要求仪器具有一定的通用性，就应为仪器设计一定的附件和调整环节，同时也要考虑各种附件在主机上的装卸问题，使仪器能适应不同的测量对象。但在专用仪器中考虑较少。<5）仪器的使用场合对于计量室内使用的高精度仪器，在设计时，应尽量采取措施避免外界条件变化对它的影响，或者设计有消除外界条件变化对测量结果影响的校正环节。而对于在车间条件下使用的仪器，考虑的出发点则是防尘、防油、防水等密闭装置，至于其它环境条件，要求在允许的范围内变化时，保证仪器也能正常工作。所要设计的仪器是和设计任务密切相关的，实际情况非常复杂，设计任务提出的要求是多方面的，应该视具体情况而定。另外对于提高检验效率，降低劳动强度等方面的要求，在仪器设计中也应有所考虑。2.2.4本设计中创新点的构思就仪器总体设计而言，创新包括所设计仪器在理论上、所实现的原理上、所达到的功能上、所反映出的新方法上和新技术等方面的创新。创新是指对原设计的继承和发展。本次设计中创新点有：<1）原理创新提出测量齿轮齿形误差的直线逼近渐开线的原理，测量头的直线运动，消除了传统测量仪器采用复合导轨所引起的误差，保证了精度，并使开发的仪器结构简单、测量链短、成本降低等。<2）技术创新提出用测量头直线运动轨迹去逼近齿形渐开线的在线测量方案，在确保测量精度的前提下，显著缩短了测量导轨尺寸，并且由于双定位球的精确定位系统确定测量头相对于齿轮的位置，使测量头的对正误差非常微小，测量操作方便。2.3测控仪器设计原则考虑在仪器设计长期实践的基础上，设计者经过不断的总结经验、继承和发展前人的科技成果，形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的仪器设计所遵循的基本准则与基本原理。这些设计原则和设计原理，根据不同仪器设计的具体情况，作为仪器设计中的技术措施，在保证和提高仪器精度，改善仪器性能，以及在降低仪器成本等方面带来了良好的效果。因此，在仪器的总体设计中，要特别注意的一个重要内容就是具体考虑各设计原则和设计原理在仪器设计中应如何实现以及采用何种具体措施实现。2.3.1阿贝原则对于线值尺寸测量仪器的设计，阿贝提出了一条具有指导性的原则，原则指出：为使量仪能正确给出测量结果，必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。就是说，被测零件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线<刻线基准）应顺序排成一条直线。但在实际设计中，完全遵守阿贝原则会造成：<1）仪器外廓尺寸过大；<2）自由度测量仪器很难在所有方向上都遵守阿贝原则；仪器设计者在大量的实际工作中进一步扩展了阿贝原则的定义。阿贝原则的扩展包含了三重意思，即：1>标尺与被测量一条线；2>若做不到，则应使导轨没有角运动；3>若导轨存在角运动，则应跟踪测量算出偏移量加以补偿；遵守这三条中的任意一条，就遵守了阿贝原则。在本次设计中，测头在X方向采用了数据采集机构，不符合阿贝原则，在设计过程中应尽量减少测头的延伸长度以保证传递机构的运动精度，并考虑是否需要进行阿贝误差补偿。测头在Y方向上，标尺光栅和测量线在一条直线上，运动导轨为双V形滚珠导轨，运动的灵敏度较高，导轨的角运动极小，因此可认为是符合阿贝误差的。而指示光栅和标尺光栅的距离又很接近，其误差可忽略不计。2.3.2变形最小原则变形最小原则是指尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。在仪器工作过程中，无论是受力引起的变形，或是温度变化或其它原因引起的变形，都是无法避免的。例如：仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测量误差；温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化。为此，需要着重考虑变形最小原则。2.3.3测量链最短原则测量链最短原则是指构成仪器测量环节的构件数目应最少。在仪器的整体结构中，凡是直接与感受标准量和被测量信息的有关元件均属测量链。这类元件对仪器精度影响最大，一般都是1:1影响到测量结果，因此设计时应尽量减少测量链环节以提高仪器精度。测量链最短原则，一般只能从原始设计上加以保证，不能采用补偿的方法来实现。如采用电子式位移同步比较原理的仪器可以大大缩短测量链，使仪器的精度及其它方面的功能得到大幅度提高。本设计中采用了电子式位移同步比较原理，可以大大缩短测量链，使仪器的精度及其它方面的功能得到大幅度的提高。测量时，使触头和被测齿轮的齿面接触。在测量过程中，电感传感器采集触头在X方向上的微位移信号，光栅传感器采集导轨运动方向信号，两路信号同时送入计算机进行分析。这就是位移量同步比较原理。2.3.4坐标基准统一原则坐标系基准统一原则是对仪器群体之间的位置关系，相互倚赖关系来说，或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说。对零部件设计来说，这条原则是指：在设计零件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够比较经济地获得规定的精度要求而避免附加的误差。对于部件装配，则要求设计基面、装配基面和测量基面一致。在本设计中，标准渐开线的数学模型、测量头的移动、定位球的定位精度等相关计算最后通过坐标变换统一到XOY中，从而避免了附加误差。2.3.5精度匹配原则精度匹配原则是在对仪器精度分析的基础上，根据仪器中各部分环节对仪器精度的影响程度不同，分别对各部分环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配。本次设计中机械子系统部分误差权重较大，光电子系统次之，软件子系统误差权重最小。具体精度分配在精度分析中有详细阐述。2.3.6经济原则经济原则在仪器设计中应从以下几个方面考虑工艺性：<1）合理的精度要求；<2）提高仪器寿命；<3）尽量使用标准件和标准化模块；<4）合理的调整环节，设计合理的调整环节，往往可以降低仪器零部件的精度要求，以便降低成本的目的；<5）合理选材。合理选材是仪器设计中的重要环节之一，从减小磨损、减小热变形、减小力变形、提高刚度及满足许多物理性能上来说，都离不开材料性能。而不同的材料，其成本差价很大，因此合理选材至关重要。2.4测控仪器若干设计原理讨论2.4.1平均读数原理在计量学中，利用多次读数取其平均值，通常可以提高读数精度。利用这一原理来设计仪器的读数系统，即称之为平均读数原理。这种仪器的每一个读数值实际上是由多个读数的平均值构成，所以精度很高。2.4.2比较测量原理比较测量原理广泛地应用于各种物理量的测量。在电信号的测量中，比较电桥和比较放大是比较测量的基本形式。它可以消除共模信号的影响，有利于提高测量精度。在光电法测量仪器中双通道差动比较测量可以有效地减小光源光通量变化的影响。比较测量原理尤其适用于几何量参数测量，如渐开线齿形误差、齿轮切向综合误差、螺旋线误差、凸轮型误差等的测量。<1）位移量同步比较<2）差动比较测量<3）零位比较测量2.4.3补偿原理仪器精度不可能只依靠加工精度来保证。如果在设计过程中，恰当的采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，能在提高仪器精度和改善仪器性能方面收到良好的效果。2.5大型齿轮渐开线齿形误差在位检测的主要方法齿形误差的主要测量方法有：直角坐标法、极坐标法原理、标准渐开线法、直线基准法、标准圆弧法(会田氏法>、单面啮合整体测量法。2.5.1直角坐标法直角坐标法是指将被测齿形上的若干点的实际坐标与理论坐标进行比较，计算得出齿形误差。根据测量过程中采用的渐开线坐标形式，坐标法可以分为直角坐标法与极坐标法。直角坐标法测量渐开线齿形的原理是把被测齿形置于给定的直角坐标系中，把测量得到的齿形各点的直角坐标值与其理论坐标比较，经数据处理获得齿形误差。这种方法的控制与数据处理软件均比较复杂，测量精度难以提高。极坐标法的渐开线齿形测量仪，其工作台在旋转的同时，测头按渐开线极坐标方程沿径向移动，同时测量实际齿形偏差。此方法测量齿形，不需要切向运动机构，可以简化齿轮测量中心的机械结构，但数据处理复杂，两轴位移非线性，对径向测量系统的精度及测头相对于齿轮轴线的位置精度要求较高，仅适合中等精度齿形的测量。2.5.2标准渐开线法将被测齿形与仪器产生的理论渐开线轨迹进行比较，从而求出齿形误差的方法称为标准渐开线法。用一直尺与基圆盘相切，当基圆盘旋转，直尺沿切线方向做无滑动的移动时，直尺与基圆盘的切点相应移动，使直尺上的点A相对于基圆盘上的点形成理论渐开线轨迹。若测微仪的测端相对于切点，当被测齿形与测端接触时，就可以使实际齿形与理论渐开线轨迹进行比较，从而测得误差。在大齿轮的测量中，理论渐开线轨迹不容易复现，常用一些简单的几何型线，如圆弧和直线来代替理论渐开线作为替代标准。2.5.3直线基准法[1]测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。如图1所示，测量头A沿Y轴方向作直线运动，而且始终保持与齿面接触。当测量头A沿Y轴方向做直线运动时，它在X轴方向的变化量可以由测微传感器反映出来。假设在齿形工作范围内齿面上任意一点处的采样值为，则既包括了齿形误差信息量，又包括了测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的原理误差即。2.6大型齿轮渐开线齿形误差在位检测系统工作原理的选择2.6.1直线基准法的基本原理我们选择直线基准法作为设计原理，应属于展成法范围，其原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。在齿形工作范围内，用直线作基准在位检测大齿轮渐开线误差是完全可行的。图1直线基准法选择直线基准法主要考虑到以下三点：<1）大型齿轮渐开线轮廓接近直线，在测量范围内原理误差不大，有利于实现测量原理。<2）随着齿数和模数增大，其原理误差变化不大，故该测量原理适用范围广，具有现实意义。<3）运用该方法易于实现在线测量，并且有利于提高大型齿轮在位测量的精度。测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿形渐开线，如图1所示：在齿形工作范围内的齿面上的任意一点Mi，有：<1）式中，Δxi为齿形误差信息，xi为测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的理论误差。2.6.2坐标系的建立为了研究方便，建立三个坐标系：∑1<O1-x1,y1,z1）：其原点O1为被测齿轮的轴心，其y1轴为O1点的渐开线发生点的连线；∑1<O2-x2,y2,z2）：其原点O2为齿廓上的某点<暂定为分度圆上的点），其y2轴为在该点处齿廓的切线；∑1<O3-x3,y3,z3）：其原点O为通过测量头球心A<A点位于x2轴上）同y2轴平行的直线与被测齿中线的交点，显然y轴平行于y2轴，三坐标系的建立如图2所示。2.6.3理论渐开线数学模型测量头在齿廓上滚动，其轨迹就是理论渐开线齿形的等距渐开线，如图3所示，Mi点为测量头与齿轮的接触点，故：<2）式中d为测量头直径，βb为基圆螺旋角。图2三坐标系的建立图3渐开线生成线图2.4直角坐标系变换<3）<4）<5）因此在x1O1y1坐标系中，渐开线上任意一点Mi的径矢：<6）Rb为基圆半径，φi为齿廓上Mi处的端面齿形展开角，θi为展角，αti为压力角。坐标系变换：由坐标系转换为坐标系时：<7）<8）如若两坐标的原点不同，则需在上式转换后，加上偏移向量A1，即式：<9）Mz为变换矩阵，Ai为偏移向量。其中M-θz一般为下式：<10）一、由到变换：x1O1y1中的xi轴上的分量投影到x2O2y2中，由于x1O1y1坐标系与x2O2y2坐标系夹角为φt<φt为分度圆上的端面齿形展开角），即θ=φt，则：变换矩阵：<11）式中偏移向量：<12）式中：R为分度圆半径，αt为分度圆的端面压力角将式<11），<12）代入式<9），得到<13）二、由到变换：从x2O2y2坐标系变换xOy为：，变换矩阵<14）在x2轴方向上向左平移，βb为基圆螺旋角，d为测量头直径。在y2轴方向上向上平移L，根据图3可得：<15）<16）根据齿轮的一些方程式得：<17）<18）由公式<14）、<15）、<16）和<17）得：<19）<20）可得到偏移向量：<21）式中，Z为齿轮齿数。就可得到接触点在x2O2y2的坐标：令：<23）则<24）m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，St为齿轮分度圆上的齿厚。<25）则可得到：<26）2.6.4定位球球心相对与齿轮轴心位置如图5所示在定位球与齿的接触点上，半径为，齿宽为：<27）式中：<28）则任意齿间隙为：<29）将公式<27）<28）代入式Ss=2θRi，可得：<30）由图5可知：<32）化简得：<32）图5定位球球心相对与齿轮轴心位置图图6测量头坐标计算的数学模型图2.6.5测量头坐标计算的数学模型如图6所示，A′、B′分别为两定位球球心，测量头在坐标系xOy中的位置可由下式表示：<33）在图3中可知<34）根据图6知：<35）将公式<32）代入<33）可得：<36）<37）<38）<39）<40）将代入，可得：<41）2.7测量系统设计2.7.1总体功能结构规划大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪设计，是光、机、电、算一体化的有机结合。该测量系统包括测量数据的自动采集、处理、存储、显示、结果分析及打印输出。该测量系统具体是由机械主体、误差信号提取及处理单元电路、采样控制信号单元及伺服驱动单元电路四部分组成，整个测控系统以IBM.PC机为核心在软件菜单的控制下完成齿形误差的采集和处理。机械子系统通过传感器实现自动测量，将位移量转换为电学量送入光电子系统，光电子系统将转换过来的电学量进行信号处理、分析，并实现对机械系统动力的自动驱动控制，同时将信号送入计算机，软件系统通过人机界面将信号获取，并经最终的数据处理、误差分析等处理。本仪器是针对齿数为90，模数为8的一类大型齿轮齿形误差测量而进行的设计。其功能由机械子系统、电气子系统、软件子系统三个部分实现。2.7.2机械子系统功能实现<1）测量系统的定位测量系统的定位主要是为了确定齿轮的基圆半径，确定齿轮的中心。在系统运行开始时，软件系统的人机对话界面在输入待测齿轮参数后，系统自动提示可选用的定位球直径的大小范围，及已经计算确定的定位臂的长度范围和调整参数，选用合适的定位球直径和定位臂长，系统可以自动的确定定位