測控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合課程設計設計說明書大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀

1、成績專業(yè)綜合課程設計設計說明書設計題目：大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀 姓 名： （機械） （電氣） （軟件） 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器三班 年 級：2007級 指導教師： 輔導教師： 起止時間：2010年12月20日 2011年1月14日 重慶大學光電工程學院2011年1月專業(yè)綜合課程設計設計說明書撰寫要求1. 整理提綱，與指導教師討論設計說明書的撰寫內(nèi)容；2. 設計說明書應在設計工作的基礎上獨立完成，嚴禁抄襲，以便培養(yǎng)良好的學術(shù)道德；3. 設計說明書內(nèi)容包括：摘要、目錄（標題及頁次）、設計任務書、總體設計（設計任務分析與創(chuàng)新點的構(gòu)思、測控儀器若干設計原則的考慮、測控儀器若干設計原理的討論、

2、測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設計、測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標的確定、測控儀器造型設計）、精度設計、機械系統(tǒng)設計、光電系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計、精度分析、設計小結(jié)及參考文獻；4. 設計說明書應按教師推薦的格式書寫，要求文字簡明、通順，盡量使用專業(yè)術(shù)語；5. 說明書的內(nèi)容應以計算內(nèi)容為基礎，參數(shù)的最后選擇應符合相關(guān)國家標準；6. 設計說明書中的相關(guān)計算內(nèi)容應列出計算公式，標注出處、單位，寫出簡短的分析結(jié)論；7. 為了清楚說明計算內(nèi)容，應附必要的插圖和簡圖。在簡圖中對主要零件應統(tǒng)一編號、以便在計算中和分析中引用；8. 全部設計中所使用的參量符號和標注，必須前后一致，各參量的數(shù)值應標注單位（采用國際

3、單位）；9. 設計說明書文中和文后要標注和著錄參考文獻，標注和著錄參考文獻的方法參考中華人民共和國國家標準gb 771487文后參考文獻著錄規(guī)則。王代華2003年12月第一稿2004年12月修改2005年12月第二次修改2007年1月第三次修改2009年1月第四次修改摘 要齒輪檢測技術(shù)在齒輪制造中占有重要地位，沒有先進的檢測技術(shù)和儀器，不可能制造出性能優(yōu)良、高質(zhì)量、高精度的齒輪。伴隨著齒輪制造技術(shù)的提高和對其傳動性能、精度、壽命等方面的要求越來越高，齒輪檢測技術(shù)一直在不斷的研究和提高。本文介紹一種基于采用測量頭直線運動軌跡做基準在位測量大齒輪漸開線齒形誤差方法，采用機械、光電、計算機一體化設計

4、的一種儀器。簡要敘述了測量系統(tǒng)的原理、各部分組件結(jié)構(gòu)、特點以及精度分析。設計過程包含測量儀的機械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)三部分的設計。在關(guān)鍵的機械裝置的設計中提出了坐標統(tǒng)一的思想，提高了測量系統(tǒng)的精度，通過建立定位球的直徑與定位球同齒廓在切點的端面壓力角之間的公式，得到定位球直徑與齒輪軸心之間的位置關(guān)系和定位球精確的定位關(guān)系，大大提高了儀器的定位精度；通過步進電機驅(qū)動測量頭沿齒面運動，電路系統(tǒng)對電感傳感器所采集的齒形誤差信號進行采樣和處理，通過pci總線接口芯片把信號送入計算機；軟件子系統(tǒng)的設計是基于visual c+，構(gòu)建了測控系統(tǒng)人機交互平臺，實現(xiàn)對齒形誤差信號的自動采集、處理、存儲、顯

5、示、打印。關(guān)鍵詞 大型齒輪 齒形誤差 直線基準 在位檢測 計算機輔助設計目 錄設計說明書1摘 要3目 錄4組員分工和完成情況51 設計任務書12 總體設計22.1 總體說明22.2 基本概念22.3 齒形誤差的測量方法的確定42.4 直線基準法的測量原理62.5 測控儀器設計原則的考慮112.6 測控儀器系統(tǒng)的設計122.7 測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標的確定162.8 造型設計172.9 總結(jié)173 精度設計與誤差分配183.1 精度設計183.2 誤差分配184 機械子系統(tǒng)的設計194.1 總體說明194.2 誤差傳遞機構(gòu)的設計194.3 定位機構(gòu)的設計294.4 導軌的設計314.5

6、驅(qū)動絲桿的設計374.6 電機的選擇454.7 聯(lián)軸器的選擇454.8 箱體的設計465 光電系統(tǒng)設計495.1 引言495.2 電路系統(tǒng)性能要求分析495.3 總體設計505.4 光電系統(tǒng)原理實現(xiàn)515.5 電感傳感器及其信號處理電路515.6 光柵位移傳感器585.7 信號處理615.8 控制及驅(qū)動電路665.9 pci總線及接口技術(shù)746 軟件系統(tǒng)設計866.1 前言866.2 軟件系統(tǒng)的設計原理866.3 系統(tǒng)初始化886.4 實驗數(shù)據(jù)的生成916.5 齒形誤差的計算936.6 硬件接口946.7 軟件界面及相關(guān)人機界面的設計977 精度分析1017.1 機械系統(tǒng)1017.2 電氣系統(tǒng)

7、1037.3 軟件系統(tǒng)1047.4 系統(tǒng)的誤差綜合104心得體會105附錄一：系統(tǒng)的部分機械圖107附錄二：系統(tǒng)的部分電路圖112附錄三：程序源代碼113組員分工和完成情況1 總體設計：全體組員2 精度設計和誤差分配精度設計：全體組員誤差分配：譚艾英3 機械子系統(tǒng)設計：機械小組完成 3.1 機械零件設計的分工： 譚艾英：誤差傳遞機構(gòu)的設計、定位機構(gòu)的設計、燕尾槽及絲桿的設計 王語詩：雙v型導軌及絲桿的設計、箱體的設計徐文韜：機座的設計、電機的選擇、聯(lián)軸器的選擇 3.2 機械繪圖的分工： 譚艾英:誤差傳遞機構(gòu)和定位機構(gòu)的繪制. 包含測桿、杠桿、十字片簧、片簧、柱銷、凸輪、支撐臺、彈簧、緊固螺釘、

8、兩個定位球、鎖緊螺母等零件 王語詩:導軌、箱體、機座以及電感傳感器固定裝置的繪制. 包含雙v型動導軌、尾槽、兩個定導軌、緊固螺釘、平鑲條等零件。 徐文韜:兩個絲桿的零件、光柵傳感器、電機的繪制. 包含微分筒、滑動絲桿、滾動絲桿、絲桿螺母、螺母固定裝置、絲桿支架等 裝配圖:譚艾英、王語詩、徐文韜。 3.3 機械精度分析：譚艾英、王語詩、徐文韜。4 電氣子系統(tǒng)設計：電氣小組完成蔣 波：總體設計模塊流程圖，光柵位移傳感器原理及選擇、信號處理電路設計、細分判向、采樣及正反計數(shù)電路設計、總電路原理圖繪制、pcb板制作、精度分析、編寫報告。周海洋：電感傳感器工作原理、電感測頭功能與選擇、信號放大電路設計、

9、電平平移電路設計、限幅電路設計、a/d轉(zhuǎn)換芯片選擇和設計、總電路原理圖繪制、精度分析、編寫報告。李騰飛：步進電機原理及選擇、控制電路與驅(qū)動電路設計、pci總線的設計、pci總線驅(qū)動設計、電路圖原理圖相應模塊設計、編寫報告。鄒 晨：地址譯碼芯片選擇、地址譯碼電路設計、pci總線的設計、pci總線驅(qū)動設計、總線整體設計、電路圖原理圖相應模塊設計、編寫報告。5、軟件子系統(tǒng)設計：軟件小組完成吳衛(wèi)馨：設計軟件結(jié)構(gòu)框圖、軟件系統(tǒng)功能框圖、測量系統(tǒng)軟總體流程、系統(tǒng)主軟件編寫、各子系統(tǒng)模塊框圖、完成軟件界面及相關(guān)人機界面的設計、精度分析、編寫報告。豐雯瑞:系統(tǒng)子程序源代碼編寫，包括 :初始化對話框程序流程圖、

10、計算被測齒輪的測量范圍、定位球直徑的計算、測量次數(shù)的計算、采樣次數(shù)的計算、計算采樣點的xy坐標、計算定位球球心位置、測量頭坐標,迭代方法的程序.、精度分析、編寫報告。向 征：查閱資料、被測齒輪齒形偏差信息采集、 齒形誤差值的算法、 生成模擬數(shù)據(jù)的算法、精度分析、編寫報告。6 完成情況 根據(jù)分工的項目，組員均順利完成相應的設計，符合設計要求。1 設計任務書設計題目：large-scale gearsinvolute profile error measuring machine with a straight line basis(大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀)設計要求： 設計大型齒輪漸開線

11、齒形誤差在位測量儀器，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小，測量鏈短； 被測齒輪參數(shù)：模數(shù) ,齒數(shù),精度4級及其以下； 實現(xiàn)誤差數(shù)據(jù)的自動采集、處理、存儲、顯示、打印輸出專業(yè)綜合課程設計檢測參數(shù)； 齒形誤差。2 總體設計2.1 總體說明隨著大齒輪在船舶、冶金、采礦、發(fā)電等設備以及在宇宙探索、空間追蹤、火箭及導彈發(fā)射等方面的廣泛應用，對大齒輪的精度要求越來越高。迫切需要開發(fā)一些結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、使用方便、精度穩(wěn)定可靠且能在車間使用的大齒輪在位檢測儀器。我們查閱及閱讀資料，大齒輪齒形誤差在位檢測的主要原理有：直角坐標法原理、圓弧基準法原理、標準漸開線法原理、直線基準法原理。在儀器設計中必須考慮得原則有：阿貝

12、原則、最小變形原則、測量鏈最短原則、坐標基準統(tǒng)一原則、精度匹配原則、經(jīng)濟原則、造型原則。我們對總個系統(tǒng)必須實現(xiàn)的功能進行了分析，機械部分實現(xiàn)對誤差的傳遞和測量，電路部分處理測量信號和控制信號，使計算機能識別測量的信號，通過軟件部分實現(xiàn)控制以及一些參數(shù)的計算。然后我們集體討論各子系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的大體情況，衡量各子系統(tǒng)所占的權(quán)重后，我們得出了按加權(quán)平均原則進行的誤差分配。2.2 基本概念2.2.1 漸開線的形成及其性質(zhì) 如圖2.1所示，當一直線沿一圓周作純滾動，則直線上任一點k的軌跡ak稱為該圓的漸開線。該圓稱為漸開線的基圓，其半徑用表示；直線稱為漸開線的發(fā)生線，角稱為漸開線ak段的展角。圖2.1

13、漸開線的形成漸開線的形狀取決于基圓的大小。因漸開線是從基圓開始向外展開，故基圓以內(nèi)無漸開線。由于選用的坐標不同，漸開線齒形方程可寫出以下幾種形式。1 極坐標參數(shù)方程 由圖2.1可見，當發(fā)生線轉(zhuǎn)過角，k點與中心o點的距離ok稱為k點的極半徑，所對應的展角為，則 （2-1）為漸開線極坐標參數(shù)方程，以角為參變量。稱展角為壓力角的漸開線函數(shù)， 工程上常用表示,且。2 直角坐標參數(shù)方程 如圖2-2，漸開線上任一點k的、坐標為: （2-2）在直線bk上另一點所展開的漸開線，其方程為： （2-3）圖2.2 坐標示意圖3 矢量參數(shù)方程 如圖2.2中直線ok為漸開線的矢徑，漸開線的矢量參數(shù)方程為： （2-4）4

14、 法線極坐標方程 漸開線上各點曲率半徑的計算式為：，k為漸開線上各點的曲率，習慣上又稱為漸開線上各點的長度。展開長度常用l表示，則 （2-5）2.2.2 齒形誤差的定義根據(jù)部頒標準jb179-83規(guī)定，齒形誤差的定義是：在端截面上，齒形工作部分內(nèi)（齒頂?shù)估獠糠殖猓┌輰嶋H齒形的兩條最近的設計齒形間的法向距離。齒形誤差和齒形公差的示意圖，如圖2.3和圖2.4。設計齒形可以是修正的理論漸開線，包括修緣齒形、凸齒形等。 齒頂和齒根處的齒形誤差只允許偏向齒體內(nèi)。圖2.3 齒形誤差圖2.4 齒形公差2.3 齒形誤差的測量方法的確定根據(jù)漸開線齒形的形成、齒形誤差的定義，用于齒形誤差的測量主要有以下幾種方

15、法：標準曲線法、坐標法和標準軌跡法。根據(jù)以下所述齒形誤差的集中測量方法，綜合考慮各方面的影響因素：大型齒輪漸開線輪廓接近直線，在測量范圍內(nèi)原理誤差不大，有利于實現(xiàn)測量原理；隨著齒數(shù)和模數(shù)增大，其原理誤差變化不大，故該測量原理適用范圍廣，具有現(xiàn)實意義；運用該方法易于實現(xiàn)在線測量，最終采用直線基準法作為本次設計儀器的工作原理。2.3.1 直角坐標法 直角坐標法以一基圓中心為坐標原點，測頭位于被測齒形的基圓處。測量時，被測齒輪不動，測頭在垂直網(wǎng)轉(zhuǎn)軸線的平面內(nèi)對齒廓作直角坐標測量，將測得值與理論值按坐標位置進行比較。將各點的差值進行分析比較或繪出齒廓偏差曲線，按齒廓總偏差定義評定齒廓總偏差。由圖2.5

16、可得出齒輪漸開線的直角坐標方程為： (2-6)圖2.5 直角坐標法xkrbykxy 如圖2.5所示，對于理論漸開線，每設定一個，就可以計算出相對應的理論坐標值,。按測量點的理論確定測端的位置，將測得的實際值與理論值相比，則該點的齒形誤差公式為： (2-7)采用這類測量原理的量儀，在測量大齒輪時，用此方法必須確定坐標機的坐標系和齒輪軸線之間的相對位置用齒輪齒槽定位，由于該定位.受其被測齒輪誤差的影響，測量基準不符合齒輪檢測規(guī)范的要求，很難達到較高的測量精度。2.3.2 圓弧基準法 圓弧基準法，是借助測量頭的圓弧運動軌跡來代替理論漸開線進行測量，圓弧中心一般選為齒面節(jié)點的曲率中心，圓弧半徑為節(jié)點處

17、的曲率半徑。圖2.6 圓弧基準法 （2-7）式中為被測齒輪分度圓上齒面的曲率半徑。當給定一個時，圓弧的水平坐標為： （2-8）為測量數(shù)據(jù)的原理誤差，被測齒廓的齒形誤差測量步驟如下： 計算出理論齒形上的各點對圓弧的理論偏差值測出實際齒形上各點對圓弧的偏差將便可求得齒面上各點的齒形誤差。由于計算值比較復雜，大齒輪的齒頂從加工難度和經(jīng)濟性考慮，其精度不高?？魁X頂圓定位來確定測量坐標系的位置，將會產(chǎn)生較大的定位誤差。2.3.3 標準漸開線法將被測齒形與儀器產(chǎn)生的理論漸開線軌跡進行比較，進而求出齒形誤差的方法稱為標準漸開線法。用一直尺與基圓相切，當基圓盤旋轉(zhuǎn)，直尺沿切線方向做無滑動的移動時，直尺與基圓盤

18、的切點相應移動，使直尺上的點a相對于基圓盤上的點形成理論漸開線軌跡。若測微儀的測端相對于切點，當被測齒形與測端接觸時，就可以使實際齒形與理論漸開線軌跡進行比較，從而測得誤差。在大齒輪的測量中，理論漸開線軌跡不容易復現(xiàn)，這給測量帶來很大的不確定性。2.3.4 直線基準法直線基準法，是先計算出理論漸開線齒形相對于基準直線的理論差值，然后測出實際齒形上各點對基準直線的差值，兩者之差即為齒形誤差。由于這種方法原理誤差較大，因此必須對測量結(jié)果進行原理誤差補償。對于大型齒輪，由于基圓很大，其漸開線齒廓已很接近直線，只是在漸開線的兩端誤差較大，因此在實際的檢測中，該方法具有一定的精度。2.4 直線基準法的測

19、量原理基本原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒形漸開線，圖2-7所示為測量原理圖。測量頭a只能沿y軸方向作直線運動，而且始終保持與齒面接觸，當測量頭a沿y軸方向作直線運動時，x方向上的變化可由電感傳感器反映出來。假設在齒形工作范圍內(nèi)齒面上任意一點處的采樣值為，則既包括了齒形誤差信息量，又包含了測量頭的直線運動軌跡與漸開線之間的原理誤差，即 （2-9）圖2.7 測量原理圖2.4.1 坐標系的建立為了研究問題方便，建立了圖2.8所示的3個坐標系：圖2.8 三個坐標系：其原點為被測齒輪的軸心，其軸為點與漸開線發(fā)生點的連線；：其原點為齒廓上的某點（此點由優(yōu)化得到，暫定為分度圓上的點），其軸為在該點處

20、齒廓的切線；：其原點為通過測量頭球心a（a點位于x2軸上）同軸平行的直線與被測齒中線的交點，顯然軸平行軸。2.4.2 理論漸開線數(shù)學模型如圖2.8所示，在坐標系中的理論漸開線為齒輪端截面內(nèi)的漸開線，虛線表示測量頭球心的a的軌跡，這是理論漸開線齒形的等距漸開線，故 （2-10）式中d為測量頭直徑，為基圓螺旋角。在 中，漸開線任意一點的失徑為： （2-11）式中：為基圓半徑，為齒廓上處的端面齒形展開角。由到的變換關(guān)系為： （2-12）由圖2.8可知，故變換矩陣為： （2-13）式中，為分度圓上的端面齒形展開角， （2-14）式中：r為分度圓直徑，為分度圓的端面壓力角。將式（2-12）、（2-13）

21、代入式（2-11），得： （2-15）由到的變換關(guān)系為： （2-16）顯然，故變換矩陣為： （2-17） 由圖2-8中幾何關(guān)系得： （2-18）式中，z為齒輪齒數(shù)。令： （2-19） （2-20）將式（2-17）、（2-16）代入（2-15），得： （2-21） 由式（2-18）可得出中的理論漸開線數(shù)學模型為： （2-22）2.4.3 定位球心相對于齒輪軸心位置如圖2.8所示，為定位球球心，可得如下的超越方程（推導過程略）： （2-23） 式中：為端面分度圓上的齒厚，為定位球直徑。圖2.9 定位位置示意圖方程（2-23）中、均未知，當已知時，通過迭代可解出定位球與齒廓在切點k、t處的端面分度圓

22、壓力角，再將它代入下式即可求得定位球球心位置。 （2-24）2.4.4 測量頭坐標計算的數(shù)學模型如圖2.10所示，、分別為兩定位球球心，測量頭在坐標系（ox, y）中的位置可由下式表示： （2-25）在圖2.10中有： （2-26） （2-27）（2-28） 式中：為測量時兩定位球間的跨齒數(shù)。l、a由制造保證。將式（2-26）、（2-27）、（2-28）代入（2-25），即可得到測量頭的坐標計算數(shù)學模型。圖2.10 測量頭的坐標系2.4.5 漸開線齒形誤差的轉(zhuǎn)換前面建立了理論漸開線數(shù)學模型及測量頭坐標計算的數(shù)學模型。當時，將與代入式（2-9），即可得到點的齒形誤差信息。依據(jù)齒形誤差的定義，漸開

23、線齒形誤差應在齒輪端截面內(nèi)齒廓法線方向進行測量，因此應對包含齒形誤差信息的量進行轉(zhuǎn)換。如圖（2.8）所示，齒形誤差為： （2-29）2.5 測控儀器設計原則的考慮2.5.1 阿貝原則對于線值尺寸測量儀器的設計，1890年阿貝提出了一條指導性原則，其指出，為使測量儀能給出正確測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測尺寸線的延長線上，遵守阿貝原則，則可消除一次誤差。但在實際的設計工作中，有些情況不能保證阿貝原則的實施。一是遵守阿貝原則會造成儀器外廓尺寸過大；二是對于多自由度測量系統(tǒng)的儀器，很難做到使各個坐標方向或一個坐標方向的各個平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。因此擴展的阿貝原則包含三重意思：標尺與被測

24、量一條線；若做不到，則應使導軌沒有角運動；應跟蹤測量算出偏移加以補償。遵守其中的一條，即遵守了阿貝原則。從本儀器來看，測頭在x方向上由于采用了誤差傳遞機構(gòu)，不符合阿貝原則，通過跟蹤補償可使其滿足阿貝原則。在y方向上標尺光柵和測量線在一條直線上，運動導軌為雙v形滾珠導軌，運動的靈敏度較高，導軌的角運動極小，可以認為是符合阿貝原則的。而指示光柵和標尺光柵的距離又很接近，其誤差可以忽略不計。所以從總體上看，該儀器是符合阿貝原則的。2.5.2 變形最小原則變形最小原則是指盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因溫度變化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化，并使之對儀器精度的影響最小。在本儀器設計

25、中，為減小力變形的影響，對儀器布局設計作了如下考慮：采用了工作臺、床身、基座三層結(jié)構(gòu)的形式。2.5.3 測量鏈最小原則測量鏈最短原則指的是，構(gòu)成儀器測量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應最小。在精密測量儀器的整體結(jié)構(gòu)中，凡是直接與感應標準量和被測量信息的有關(guān)元件均屬于測量鏈。本儀器通過測量頭感應x軸信號變量，利用十字片簧和杠桿機構(gòu)進行傳遞，測量鏈短，符合要求。2.5.4 坐標基準統(tǒng)一原則坐標系基準統(tǒng)一對儀器群體之間位置相互依賴關(guān)系來說，是所設計儀器的子坐標系在主坐標系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換關(guān)系與實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的方法，即坐標系基準統(tǒng)一。在本儀器中，建立了三個坐標系，通過標準漸開線的數(shù)學模型、測量頭的移動、定位球的定位精度等相關(guān)計

26、算最后將坐標統(tǒng)一到xoy中，從而避免了附加誤差。2.5.5 精度匹配原則精度匹配原則是在對儀器精度分析的基礎上，根據(jù)儀器中各部分環(huán)節(jié)對儀器精度的影響程度不同，分別對各部分環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當?shù)木确峙?。本次設計中機械子系統(tǒng)部分誤差權(quán)重較大，光電子系統(tǒng)次之，軟件子系統(tǒng)誤差權(quán)重最小。2.5.6 經(jīng)濟原則經(jīng)濟原則是一切工作都需要遵守的一條基本而重要的原則。經(jīng)濟原則反映到測控儀器的設計之中，我們從以下幾個方面考慮：1、選擇適合的加工工藝和裝配工藝，從而達到省時節(jié)約的目的。2、合理的精度要求，對測量鏈中的各環(huán)節(jié)盡量分配較高的精度，在其他精度要求不高的環(huán)節(jié)采用經(jīng)濟公差。3、合理選材，應考慮對磨損、

27、受力不同的環(huán)節(jié)選用不同的材料，并且考慮材料的成本。4、合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，降低儀器零部件的精度要求，達到降低儀器成本的目的，提高儀器的使用壽命，主要從機械零部件中易損系統(tǒng)采用更合理的結(jié)構(gòu)型式和對電氣元件進行老化篩選。5、使用標準件和標準化模塊。2.6 測控儀器系統(tǒng)的設計大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀設計，是光、機、電、算一體化的有機結(jié)合。該測量系統(tǒng)包括測量數(shù)據(jù)的自動采集、處理、存儲、顯示、結(jié)果分析及打印輸出。機械子系統(tǒng)通過傳感器實現(xiàn)自動測量，將位移量轉(zhuǎn)換為電學量送入光電子系統(tǒng)，光電子系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換過來的電學量進行信號處理、分析，并實現(xiàn)對機械系統(tǒng)動力的自動驅(qū)動控制，同時將信號送入計算機，軟件系統(tǒng)通過人

28、機界面將信號獲取，并經(jīng)最終的數(shù)據(jù)處理、誤差分析等處理。2.6.1 機械子系統(tǒng)的設計機械子系統(tǒng)用于實現(xiàn)儀器的精確定位，測頭的運動，誤差的傳遞等功能。1 儀器的整體外形圖2.11 儀器的整體外形2 測量系統(tǒng)的定位測量系統(tǒng)靠兩個定位球與來實現(xiàn)高精度的定位。定位球的移動靠微分筒的絲桿驅(qū)動并帶有鎖緊機構(gòu)，定位球為浮動。定位時先調(diào)整的位置并鎖緊，會自動深入另一個齒槽，完成定位功能。為測量不同模數(shù)和不同直徑的齒輪，要求定位球易安裝及更換，且定位精度高，重復性好。定位球安裝調(diào)整機械機構(gòu)，如圖2.12所示。圖2.12定位球安裝調(diào)整機械機構(gòu)3 位移的測量x方向即齒形誤差信號由測量頭測量，經(jīng)杠桿機構(gòu)將齒形誤差信號放

29、大，由電感傳感器進行測量。在杠桿機構(gòu)中，利用十字片簧機構(gòu)可使測量頭與實際齒形機密貼合。片簧與柱銷構(gòu)成換向機構(gòu)，用于測量左右齒面。誤差傳遞機構(gòu)，如圖2.13所示。圖2.13誤差信號傳遞機構(gòu)考慮測量頭的應力變形，分析時，先將測量頭測量的偏移量通過測桿傳遞到片簧，計算出彈力的大小，再將彈力折算到測頭的受力，計算出應力變形的大小并給予適當?shù)难a償。在y方向上，主要通過光電子系統(tǒng)對光柵位移傳感器的條紋計數(shù)來控制y方向上恒定的位移，從而實現(xiàn)等距離的數(shù)據(jù)采集。每次移動的距離決定了數(shù)據(jù)采集的精度。在該方向上的運動靠步進電機控制絲桿導軌，因此涉及到步進電機的選擇和導軌的選擇。步進電機主要考慮到步進角和轉(zhuǎn)矩，絲桿導

30、軌考慮與步進電機的選擇匹配。采用雙v型密珠滾動導軌，其運動靈敏度較高，并具有較高的導向精度。數(shù)據(jù)采集機構(gòu)安裝在雙v型密珠導軌副的動導軌上，導軌的運動采用滾珠絲桿副驅(qū)動，并利用長光柵位移傳感器檢測其運動量。由于該導軌采用單層導軌，避免采用復合導軌引起的儀器誤差，易于保證精度。y方向?qū)к壢鐖D2.14所示。圖2.14 y方向?qū)к壗孛鎴D2.6.2 電氣子系統(tǒng)的設計測控系統(tǒng)硬件電路原理如圖2.15所示，由電感傳感器將測量頭傳遞過來的齒形誤差信息轉(zhuǎn)換成模擬信號，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過i/o端口送入計算機。通過光柵位移傳感器獲取直線位移導軌的位移量，其作用有兩方面：一方面通過采用信號發(fā)生器產(chǎn)生

31、采樣信號，采集齒形誤差信息；另一方面通過莫爾條紋的計數(shù)單元獲得導軌的準確位置，再通過計算獲得齒形誤差。圖2.15測控系統(tǒng)硬件電路原理框圖2.6.3 軟件子系統(tǒng)的設計系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵，采用模塊化結(jié)構(gòu)，首先通過參數(shù)初始化及計算求出定位球直徑的范圍，再經(jīng)過定位球直徑的選擇，通過i/o端口采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行處理，最終將齒輪齒形誤差顯示在窗口上。軟件系統(tǒng)主模塊框圖如圖2.16所示：主菜單初始參數(shù)輸入及計算定位球直徑計算及選擇計算原理誤差及調(diào)整測量范圍與采樣次數(shù)數(shù)據(jù)采集與處理返回主菜單步進電機控制圖形繪制及結(jié)果顯示圖2.16 軟件系統(tǒng)主模塊框圖2.7 測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標的確定2

32、.7.1被測齒輪參數(shù)表1.1漸開線圓柱齒輪特性表序號名稱代號數(shù)值1齒數(shù)z902模數(shù)83螺旋角04齒形角5齒頂高=86齒根高7全齒高8頂隙cc=0.25 8=29分度圓直徑10齒頂圓直徑11齒根圓直徑12基圓直徑13齒距14齒厚15齒間寬2.7.2 測頭在x方向的行程根據(jù)被測齒輪參數(shù) 精度8級，查機械手冊得到該齒輪的齒形誤差:2.7.3測頭在y方向的行程 由公式 （2-29） （2-30）當z=90，m=8時，s=22.4074mm2.8 造型設計 造型設計是測控儀器總體設計中一個重要的問題，造型設計是與設備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺感受與市場關(guān)系緊密相關(guān)的重要設計工作。造型設計也是具有使用

33、功能的設計，造型中所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟原則。造型設計還要使產(chǎn)品的外形、色彩和表面特征符合美學原則，以適應人們的時尚要求，并從樣式、形態(tài)、風格、氣氛上體現(xiàn)時代的特點。2.9 總結(jié)通過測量頭的直線運動軌跡做基準來在位檢測大齒輪漸開線齒形誤差，不僅提高了在位測量的精度，還大大降低了測量費用。儀器在使用時，機械子系統(tǒng)通過定位球高精度定位，并使測量頭與齒形相接觸，由步進電機驅(qū)動滾珠導軌，帶動測量頭微動，微小的測量頭在齒輪漸開線上擺動，其擺動量通過一個杠桿機構(gòu)傳遞給電感傳感器，將齒形誤差位移量轉(zhuǎn)換為電信號，電信號輸入到光電子系統(tǒng)中，光電子系統(tǒng)承載著信號的采集和轉(zhuǎn)換，并將信號通過端口送入軟件子系

34、統(tǒng)，軟件子系統(tǒng)采用人機交互的可視化界面，將標準齒輪漸開線和實際測量的齒輪漸開線相比，并將齒輪齒形誤差輸出在顯示屏幕上。用戶操作簡單，并實現(xiàn)了高精度的測量。3 精度設計與誤差分配3.1 精度設計合理的精度設計必須對儀器各組成部分源誤差對儀器總精度影響程度的正確估計，對于一些對儀器精度影響較大的環(huán)節(jié)給予較嚴的精度指標；對于那些對儀器精度影響較小的環(huán)節(jié)給予較寬松的精度指標，在滿足儀器總精度要求的前提下使成本降至最低。根據(jù)設計任務書要求，被測齒輪參數(shù)：模數(shù)，齒數(shù)，精度4級及其以下。因此，針對模數(shù)，齒數(shù)，精度8級的齒輪，查國家標準gb 10095-88得其齒形誤差，根據(jù)微小誤差原則，所設計儀器的總誤差與

35、被測參數(shù)的公差值之比應保證在1/31/10以內(nèi)，即儀器總精度。3.2 誤差分配3.2.1 誤差分析機械子系統(tǒng)方面主要有：設計原理誤差，測頭因壓力產(chǎn)生的變形誤差，誤差傳遞機構(gòu)的制造誤差，定位球定位及磨損誤差，導軌直線運動產(chǎn)生的偏移誤差，測頭傳遞機構(gòu)誤差，光柵傳感器安裝誤差，電機和電感傳感器的安裝誤差。電氣子系統(tǒng)方面主要有：傳感器測量誤差，模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的誤差和采樣控制信號的誤差，a/d轉(zhuǎn)換通道的誤差，信號處理及放大單元的信號漂移導致的誤差。軟件子系統(tǒng)方面主要有量化誤差、數(shù)據(jù)迭代誤差。3.2.2 誤差分配儀器總誤差是儀器總系統(tǒng)誤差與總隨機誤差之和，由于其性質(zhì)不同其分配方法也不同。對于系統(tǒng)誤差要進行

36、補償，余下的隨機誤差按加權(quán)作用原則進行分配。綜合考慮各個誤差對儀器精度的影響程度以及誤差控制的難易程度，機械子系統(tǒng)部分誤差權(quán)重較大，光電子系統(tǒng)次之，軟件子系統(tǒng)誤差權(quán)重最小。各子系統(tǒng)權(quán)重：機械子系統(tǒng)：0.75；光電子系統(tǒng)：0.20；軟件子系統(tǒng)：0.05。由各環(huán)節(jié)誤差的公式：得各子系統(tǒng)的誤差分配結(jié)果： 機械子系統(tǒng)：電氣子系統(tǒng)：軟件子系統(tǒng)：4 機械子系統(tǒng)的設計4.1 總體說明機械一般認為它是“機器” 和“機構(gòu)”的總稱，是用來傳遞運動和力的可動裝置。各種不同類型的機器，具有不同的形式、構(gòu)造和用途，就其組成而言，都是由各種機構(gòu)組合而成，而機構(gòu)是由構(gòu)件組成的。機構(gòu)中的構(gòu)件可以是單一的零件，也可以是幾個零件

37、的組合體稱為部件。設計機械時應滿足的要求是功能要求、可靠性要求、精度要求、經(jīng)濟性要求和外觀要求。機械子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎，是實際運動的直接體現(xiàn)，將機械系統(tǒng)所測得的實際量轉(zhuǎn)換為電信號，進行光電子系統(tǒng)的分析，通過軟件的控制，從而來實現(xiàn)所需要的測量要求。因此機械子系統(tǒng)是基礎，也是很關(guān)鍵的一步，它的精度直接影響著整個系統(tǒng)的精度范圍。本設計選用直線基準法，其測量的基本原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒輪漸開線。測量頭沿y軸方向作直線運動，并始終與齒面接觸。當測量頭沿y方向做直線運動時，它在x軸方向的變化量可以由數(shù)據(jù)采集機構(gòu)反映出來。機械子系統(tǒng)的設計分為幾個大的部分:誤差傳遞機構(gòu)的設計，導軌和絲桿的

38、設計，基座和箱體的設計，步進電機和光柵、電感傳感器的固定裝置的設計。4.2 誤差傳遞機構(gòu)的設計 誤差傳遞機構(gòu)就是把測球測得的微小力放大，使電感傳感器能測量到放大后的力。通過計算機進行數(shù)據(jù)處理，最終得到齒輪的齒形誤差。誤差傳遞機構(gòu)由杠桿、限位裝置、片簧、十字片簧、預緊彈簧、柱銷等部分組成。4.2.1杠桿的設計 由于齒形誤差較小，找到微小的力傳感器較難且價格敖貴，又加上直接測量產(chǎn)生的誤差很大，影響測量精度，所以通過杠桿把齒形誤差放大，然后再由傳感器測量。1 杠桿的尺寸計算 杠桿的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.1所示。圖4.1 杠桿結(jié)構(gòu)簡圖取=90，=110，=30，則有： （4-1） （4-2）由圖4.1所示：

39、 （4-3） 由此可知杠桿的放大比： （4-4）考慮裝配和美觀，將取。2 材料選擇考慮到本次設計中杠桿傳遞的是微小位移，其受力很小，因此材料可選擇鑄鐵。其成本低，鑄造性好，可制成形狀較復雜的零件，但不宜承受較大沖擊的載荷。本次設計杠桿選擇ht200，其機械性能如表4.1所示：表4.1 厚度在68mm的ht200鑄件物理機械性能材料性質(zhì)符號單位數(shù)值抗拉強度32抗彎強度53硬度hb187255彈性模量e115160密度7.93 杠桿的結(jié)構(gòu)圖圖4.2 杠桿結(jié)構(gòu)圖4 杠桿的限位裝置由于齒輪漸開線齒型誤差很小和差動電感傳感器總行程也很小，所以杠桿轉(zhuǎn)動幅度不能過大。為了保護差動電感傳感器不因行程過大而損壞

40、，故要加一個保護裝置。因齒輪漸開線齒型誤差很小，將測頭位移限定在上下各1mm以內(nèi)，所以取限位槽寬a=h+ 2=6+2=8mm，限位槽長取b=15mm。位槽與保持架用兩顆開槽圓柱頭螺釘緊固。表4.2 gb/t67 m3尺寸d螺距l(xiāng)abkntxrm30.5812.55.520.80.610.15 杠桿的預緊彈簧的選用杠桿的預緊材料選用直徑為0.4mm的65mn鋼絲，其材料強度高，性能好，適用于小彈簧。彈簧中徑設定為4mm，其參數(shù)見表4.3，固定螺釘選用開槽圓柱頭螺釘。其參數(shù)見表4.2表4.3 小彈簧尺寸ddn0.443.575.59134.2.2 片簧的設計1 總體說明片簧通常是一種矩形截面的金屬

41、薄片，在位移上具有較小的尺寸。儀器和儀表中采用的片簧，通常是在載荷及位移不大的情況下使用。最常見的工作方式有單端固定和兩端固定兩種形式，本設計中的片簧屬于單端固定，其一端用螺釘固定在電感測頭部位的杠桿上，另一端靠銷連接固定在固件上。在力的作用下，片簧產(chǎn)生彎曲變形，可近似認為是純彎曲。2 材料的選擇片簧材料選擇錫磷青銅，其物理機械性能如下表4.4：表4.4 錫磷青銅物理機械性能材料性質(zhì)符號單位數(shù)值抗拉強度7080屈服極限5965硬度hb160200比例極限45延伸率（%）1020彈性模量e11200許用彎曲應力216線膨脹系數(shù)（）171e-6密度870089003 片簧設計片簧厚度和寬度的特性公

42、式為： 式中，p：片簧的最大載荷；：片簧的最大變形量；l：片簧的工作長度。根據(jù)結(jié)構(gòu)定l=20mm，估計p=1n， =3mm，查表可知，取=10。計算得：h=0.281mm b=3.9046 取h=0.3mm，查表可取b=8。計算。滿足強度要求。4 強度校核 （4-5）其中，對于矩形截面， p為受力點最大力，根據(jù)電感傳感器測量力范圍，取p=0.65n帶入數(shù)據(jù)計算得： （4-6）5 片簧固定端設計片簧采用螺釘固定，緊固螺釘用開槽圓柱頭螺釘，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4.5。表4.5 gb/t65 m4尺寸d螺距l(xiāng)abkntxmm40.581.42.572.611.11.750.4676 片簧結(jié)構(gòu)圖圖4.3 片

43、簧結(jié)構(gòu)圖4.2.3 柱銷的設計1 總體說明 柱銷在機器上起定位或者連接的作用，常用的種類有圓柱銷，圓錐銷，和開口銷。選用圓柱銷，起連接片簧和固件作用。其有不同直徑公差供不同配合要求使用，可傳遞不大的載荷，如多次裝卸要損壞配合精確性，故不宜多次拆卸。本系統(tǒng)中片簧與柱銷構(gòu)成換向機構(gòu)，用于測量左右齒面。 2 材料選擇材料為35鋼，熱處理硬度，其許用切應力為3 柱銷設計圓柱銷選用a型圓柱銷4 圓柱銷強度校核 （4-7）式中，：橫向力z：銷的數(shù)量估計其受橫向力帶入數(shù)據(jù)計算得： （4-8）5 圓柱銷結(jié)構(gòu)圖圖4.4 柱銷結(jié)構(gòu)圖4.2.4 十字片簧的設計1 總體說明十字片簧彈性支承是由一對長度、寬度、厚度都相

44、同并交叉成十字形（垂直）的直片簧組成。片簧的一端固定在機構(gòu)的傳動件上，另一端固定在機構(gòu)的固定件上。其交叉線是轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)中心，在轉(zhuǎn)動過程中其隨轉(zhuǎn)動角度變化，回轉(zhuǎn)中心位置也發(fā)生變化，轉(zhuǎn)角越大，偏移量越大。因此，傳動比是一個變量。一般情況下，交叉線位于片簧長度二分之一處，如果轉(zhuǎn)角范圍不大，回轉(zhuǎn)中心偏移也很小，可以近似認為是不變的。2 材料選擇十字片簧材料選擇錫磷青銅，其物理機械性能參見表4.13 十字片簧設計因為電感傳感器在裝配時的測量力p與十字片簧載荷pn不在同一作用線內(nèi)，兩作用線夾角為45，即： （4-9）初步取 ，片簧寬，則有片簧厚： （4.10）取 十字片簧裝配時選用開槽圓柱頭螺釘 片簧的裝

45、配長度： （4-11）取，片簧的固定端長 ，即為杠桿的寬度。4 單個片簧以及十字片簧的結(jié)構(gòu)圖圖4.5 單個片簧結(jié)構(gòu)圖圖4.6 十字片簧結(jié)構(gòu)圖4.2.5 測頭與測桿的設計1 總體說明為了確定齒形誤差，必須確定齒輪的工作部分即所謂的測量長度：測量長度的確定，對正確評定齒輪質(zhì)量是很重要的，測量長度選的過長或者過短會給齒形測量帶來不利的影響。選的過長會把合格品當成廢品，選的過短，就有可能把廢品當成合格品，從而影響齒輪的使用質(zhì)量。2 測頭與測桿的設計由于測量機構(gòu)的測量精度高（it4及以下），所以測量頭的直徑應盡可能小，設計選用測量頭直徑為，測桿直徑為。被測齒輪模數(shù)m=8，齒數(shù)z=90，分度圓壓力角，側(cè)頭

46、從基圓開始測量，有效齒形誤差的起點（按齒條齒合計算）： 起測長度： （4-12）齒頂圓半徑： （4-13）基圓半徑： （4-14） （4-15）側(cè)頭的測量長度： （4-16）測桿的長度：，取測桿伸出長度為40mm測桿與杠桿的固定選用gb/t6170 m2.5型螺母，gb/t 97.1 2.5 型墊圈緊固故測桿的總長度為： （4-17） 取l=50mm，其中，m螺母墊圈的厚度，杠桿的厚度3 測頭接觸變性分析測頭測端與被測件之間由于測量力引起的接觸變形對瞄準精度影響很大，其大小根據(jù)接觸情況可按公式進行理論計算： （4-18）式中，p為測量力，r為測量球半徑；為測頭與齒輪材料的彈性模量。在這次設計中

47、，假定測頭材料的彈性模量及齒輪材料的彈性模量均為n/，球半徑為1.5則計算出測量力p與變形量的關(guān)系如表4.6所示：表4.6 測量力與變形量的關(guān)系測量力（n）0.10.050.040.020.010.0050.0020.001變形量（）1.430.900.780.490.310.190.110.067由上述分析計算可知,為了提高瞄準精度,減小接觸變形,必須減小測量力。一般要求測量力不應大于0.02n，高精度測量應控制在幾十克力之內(nèi)。接觸變形在一定的測量條件下對測量誤差影響很小。本次設計精度要求測量頭變形量不大于0.5,則測頭處的最大測量力約為0.02n,選用的彈簧彈性系數(shù)為 n/m,由于彈簧的彈性特性，得,又杠桿機構(gòu)的杠桿比為2.151,則測頭處的偏移誤差最大約為0.2151。4 材料選擇由測頭接觸變形分析可知，為了減少測頭接觸變形，應選擇彈性模量e較大的材料。本次設計測頭測桿選用奧氏體不銹鋼1cr19ni9，其具有高穩(wěn)定的化學性能和很好的耐腐蝕性能，是目前應用最多最廣的一類不銹鋼，其物理機械性能如表4