齿轮径向综合误差测量系统的设计.docx

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齿轮径向综合误差测量系统的设计

齿轮径向综合误差测量系统

的设计

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第一章绪论

齿轮测量技术简介

1.1.1齿轮测量技术的起源与历程

齿轮的应用有着悠长的历史,而齿轮的科学研究却始于17世纪M·Camus发现齿轮传动的节点原理;1765年,L·Euler将渐开线齿形引入齿轮,100连年后,Fellows等人应用范成法高效地生产出渐开线齿轮,从此渐开线齿轮取得了普遍应用。

由于制造与安装等方面的原因,实际齿轮老是存在着误差。

这种误差对传动系统的精度与动态特性（特别是振动与噪声）有直接的影响。

因此,如何表征、测量、分析、利用和控制齿轮误差一直是不断探索的课题。

齿轮测量的基础是齿轮精度理论。

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熟悉的深化。

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进程。

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做纯几何体,以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误差即为齿轮误差。

第二种理论将齿轮看做刚体,以为齿轮不单单是几何体,也是个传动件,并以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做弹性体,对齿廓进行修形,“成心地”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,致使了齿轮精度标准的不断丰硕和更新,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。

齿轮测量技术及其仪器的研发已有近百年的历史。

1.1.2齿轮测量技术的演变

整体上考察过去一个世纪里齿轮测量技术的发展,主要表此刻三个方面:

1）在测量原理方面,实现了由“比较测量”到“啮合运动测量”,直至“模型化测量”的发展。

2）在实现测量原理的技术手腕上,历经了“以机械为主”到“机电结合”,直至现今的“光-机-电”与“信息技术”综合集成的演变。

3）在测量结果的表述与利用方面,历经了从“指示表加肉眼读取”,到“记录器记录加人工研判”,直至“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。

与此同时,齿轮量仪经历了从单品种单参数仪器（典型仪器有单盘渐开线检查仪）,单品种多参数仪器（典型仪器有齿形齿向检查仪）,到多品种多参数仪器（典型仪器有齿轮测量中心）的演变。

齿轮综合误差测量原理

齿轮径向综合误差查验时，所用的装置按放了一对齿轮，其中一个齿轮装在固定的轴上，另一个齿轮则装在带有滑道的轴上，该滑道带一弹簧装置，从而使两个齿轮在径向能紧密地啮合（见图1）。

旋转中测量出中心距的变更量。

图1测量径向综合误差的原理

测量齿轮要做得很精准，以达到其对径向综合误差的影响可忽略不计的目的，在此情况下，当被测齿轮旋转一整周后，就可以取得一个可接受的测量记录。

设计测量系统时，必需十分重视测量齿轮的精度，特别是它与被测齿轮啮合的压力角，不然会严重影响测量的结果。

测量齿轮应该有足够的啮合深度，使其能与被测齿轮的整个有效齿廓相接触，但不该与非有效部份或根部相接触，避免产生这种接触的办法是将测量齿轮的齿厚增厚到足以补偿被测齿轮的侧隙。

齿轮旋转一整周记录下的曲线接近于正弦形状幅值为

，表示齿轮偏心距。

被查验齿轮径向综合误差F"等于齿轮旋转一整周中最大的中心距变更量，它可以从记录下来的线图上肯定。

单齿径向综合误差f"等于齿轮转过一个齿距角时其中心距变更量的最大值。

图2径向综合误差曲线

齿轮径向综合误差的精度公差

齿轮径向综合误差的精度公差公式如下：

（m表示模数，d表示被测齿轮

直径）

由上述公式，按照不同的m和d计算出的

和

可以形成一个用于肯定被测齿轮各类精度品级的表格。

用实际测量所得的

和

的值，别离与表格中的数值相较较，就可以够肯定被测齿轮的精度品级。

第二章齿轮径向综合误差检测系统设计

测量系统的设计框图

测量系统的结构设计

本齿轮测量系统采用双面啮合的测量方式，即把被测齿轮作为一个回转运动的传动元件，与标准件（测量齿轮或测量蜗杆）作无间隙的双面啮合，并以径向移动的方式调整被测圆柱齿轮与标准件的中心距，在齿轮转动进程中，采用位移式传感器测量取值，用以评定齿轮的运动精度和工作平稳性。

系统结构如图3，其中探头部份同时接入电容和电感式位移传感器，用以检测位移转变量。

图3测量系统结构图

系统的工作步骤

通过单片机程序来控制步进电机，带动标准齿轮转动，这里光电编码器用作收集闭环控制的反馈信号。

压力弹簧使被测齿轮和标准齿轮紧密啮合，齿轮转动进程中被测齿轮的径向综合误差直接反映为中心距的尺寸转变，通过位移传感器及处置电路使得位移信息准换为电信号送给CPU进行分析和处置。

测量人员可以按照齿轮的精度品级选择相应的测量档位，通过按键输入给计算机，计算机通过度析选择利用的传感器及控制步进电机的转速。

一般3~5级选用电容式位移传感器，6~7级选用差动放大式位移传感器。

第三章系统各部份电路设计

差动变压器LVDT与AD598

本测量系统采用差动变压器来测量齿轮中心距的变更量。

线性差动变压器是一种应用超级普遍的传感器，用于测量距离、位移等物理量。

线性差动变压器专用集成电路芯片AD598（图4）集成了正弦交流鼓励信号的产生、信号调解、放大和温度补偿等功能。

通过改变外接振荡频率电容的大小，就可改变正弦交流鼓励信号的频率，以适应各类类型的线性差动变压器对频率的要求。

本设计的齿轮中心距变更量的检测电路如图4所示。

AD598的二、3引脚产生一个正弦波鼓励信号供给差动变压器LVDT的一次绕组，从16引脚输出反映LVDT内芯位置的直流电压信号。

图4测量电路

电容式位移传感器与多谐振荡器

电容式位移传感器是利用电容器两极板间的距离转变会引发电容值的转变这一原理，将位移转变量转化为电容值转变量，从而进行进一步的信号处置。

多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加触发信号，接通电源后就可以够产生必然频率和幅值的矩形脉冲输出。

在这里咱们利用555按时器组成的多谐振荡器的特点和原理，将电容式位移传感器当做一个可变电容连接到震荡电路中，按照震荡周期公式：

T=（R1+R2）C

f=1/T

可见电容值的转变与振荡器输出脉冲的频率成线性关系，那么只要咱们检测出脉冲的频率即可取得相应的电容值从而取得对应的位移量。

实际电路如图：

图5电容式位移传感器应用电路

MSP430单片机及其外围电路

3.3.1单片机最小系统加液晶显示电路

MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。

选用430单片机主如果因为，内部集成12位的AD转换功能，能够直接将AD598输出的模拟量转换成数字量。

另外430单片机的I/O口较多，能够知足键盘、显示、开关量等利用需求，而且性能较好，便于系统扩展与联机通信。

LCD显示采用并行模式，由于单片机主要用于数据收集与系统控制，为使显示部份暂用更少的主机时间显示模块采取并行通信模式。

占用的I/O口较多，但通信所历时间较短。

图6MSP430单片机最小系统电路

3.3.2单片机上位机串行通信电路

在数据通信应用电路中，RS232作为一种典型的串行通信协议被普遍接受，其特点是原理简单，操作方便，传输稳定，但数据量较小。

由于这里需要传输给上微机的数据信息不大所以RS232能够很好的知足利用要求。

图7单片机与上位机串行通信电路

3.3.3报警器、指示灯和继电器电路

继电器是用于开关量的控制，如预紧力的施加，测量前的选当等，继电器同时起到一个高地电压隔离的作用，避免仪器驱动部份的高电压烧坏单片机。

蜂鸣器起错误报警的作用，指示灯则是用于操作指示。

图8报警器、指示灯和继电器电路

3.3.4步进电机和键盘部份

采用MSP430单片机对步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号通过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。

图9整体设计框图

✧键盘控制电路

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送死令等功能，是人工干与单片机的主要手腕。

键盘实质是一组按键开关的集合。

键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。

图9-1键盘控制模块原理图

✧步进电机驱动电路

为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，咱们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。

图9-2步进电机驱动原理图

3.3.5电源部份电路

MSP430是一个低功耗的单片机，其供电电源为。

不作详细介绍。

第四章系统软件设计

系统软件流程图

多谐振荡器脉冲频率检测子程序

/************频率检测—利用高低电平检测计数的方式检测输入方波的频率**********/

voidfrequency_test（void）

{

C_interface|=1;

do{

do{

if（C_interface==0）

break;

}while

（1）;

do{

if（C_interface==1）

break;

}while

（1）;

frequency_dat++;

}while（fixed_time==0）;

fixed_time=0;

}

差动放大器信号的A/D转换子程序

/************利用MSP430的内部AD,进行单通道单次转换**********/

voidadchange（void）

{

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