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沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘 要
本課題涉及內(nèi)容為智能齒輪齒距誤差測(cè)量儀的研究及其設(shè)計(jì)。在對(duì)現(xiàn)今各種齒距誤差測(cè)量儀進(jìn)行研究后，本課題在小型、經(jīng)濟(jì)方面著手，設(shè)計(jì)出適合中小形齒輪齒距誤差的測(cè)量儀器。其特點(diǎn)在于體積小，測(cè)量方便，有利于節(jié)省空間及使用方便。
本課題實(shí)現(xiàn)了單個(gè)及多個(gè)齒距的誤差測(cè)量，若對(duì)軟件部分進(jìn)行 開發(fā)還可測(cè)量齒形，齒廓誤差等，具有可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)中包括機(jī)械部分設(shè)計(jì)和電子測(cè)控部分設(shè)計(jì)及軟件的開發(fā)。在穩(wěn)定精度的基礎(chǔ)上，機(jī)械部分盡量做到了結(jié)構(gòu)簡單，以減少積累誤差及降低成本。在智能方面，采用單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)顯示及打印輸出測(cè)量結(jié)果的“流水”化測(cè)量過程，可節(jié)省人力及測(cè)量時(shí)間。在計(jì)算方面參考了國內(nèi)外眾多先進(jìn)的 研究成果,結(jié)合本課題特點(diǎn)，選用了相對(duì)法計(jì)算單個(gè)齒距誤差，多個(gè)齒距累積誤差具有簡單易行的特點(diǎn)。
本課題說明書在最后對(duì)儀器的測(cè)量及工作環(huán)境做出了經(jīng)濟(jì)可行性及環(huán)境分 析，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有的占地空間小，制造成本低及操作簡單，智能測(cè)量等的一 系列特性非常適合小型企業(yè)中，中小型零件批量生產(chǎn)的需要。除此之外本設(shè)計(jì) 產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低，無污染。綜合上述優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有極好的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞： 齒距誤差； 齒輪； 測(cè)量儀
I
沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
Abstract
The research and design of the intelligent gear tooth distance error measuring instrumentt are involved in this thesis.After the study of the present error measuring instrument, the paper designs the measuring instrument for the gear tooth distance error of the middle and middle gears..?Its characteristics lie in small size, convenient measurement, convenient for saving space and easy to use..
The error of single and multiple pitch measurement is realized, and if the software part is developed, it can measure tooth profile, tooth profile error, etc..?Design and development of the design and software of the design and the electrical sub measurement and controlling parts of the design and the electrical sub measurement and control system.?On the basis of the stability accuracy, the mechanical part is as far as possible to make the structure simple, in order to reduce the accumulation error and reduce the cost.?In the aspect of intelligence by SCM system, realize the automatic data collection, automatic measurement, automatic data processing, automatic display and print the measuring results of "flowing water" measurement process, save manpower and time measurement.?In terms of computation with reference to numerous domestic and foreign advanced research results, combined with the subject characteristics, selection of the least square method is used to calculate a single tooth pitch error, the choice of relative method for measuring a plurality of teeth cumulative pitch error has the characteristics of simple.
This topic statement at the end of instrument measurement and working environment make the economic feasibility and environmental analysis, with the design of products covers an area of small space, manufacturing cost is low and the operation is simple, intelligent measurement, such as a series of characteristic, and is very suitable for small and medium enterprises, small and medium-sized zero batch production.?In addition to the design of the product operation noise is low, no pollution.?The advantages of this design have excellent prospects for the market..
Keyword: Tooth distance error ； gear ；measuring instrument
III
沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
緒 論 1
1 齒距誤差測(cè)量的理論基礎(chǔ) 3
1.1 齒輪齒距偏差相關(guān)概念 3
1.1.1 齒輪單個(gè)齒距偏差(fpt) 3
1.1.2齒距累積偏差 3
1.1.3 齒距累積總偏差(Fp) 4
1.2測(cè)量原理 4
2智能齒距誤差測(cè)量儀的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7
2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 7
2.2 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8
2.2.1絲杠的設(shè)計(jì) 8
2.2.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 8
3智能齒距誤差測(cè)量儀的單片機(jī)部分設(shè)計(jì) 11
3.1 單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11
3.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 11
3.1.2 信號(hào)采集模塊設(shè)備選擇 11
3.1.3 信號(hào)調(diào)整模塊的設(shè)計(jì) 12
3.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 13
3.2 單片機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
3.2.1 主程序的程序 14
3.2.2讀入 A/D 數(shù)據(jù)程序 14
3.2.3 數(shù)字濾波程序 15
3.2.4 鍵盤掃描輸入程序 16
3.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序 16
3.2.6 打印機(jī)輸出程序 16
4 經(jīng)濟(jì)可行性及環(huán)境分析 18
5 結(jié)論 21
致 謝 22
參考文獻(xiàn) 23
VI
緒 論
齒輪是一種多參數(shù)!綜合性的機(jī)械傳動(dòng)基本零件,隨著扭矩密度的提高及實(shí)際成本的減少,齒輪技術(shù)己經(jīng)有了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展"同時(shí)為了滿足一定的使用要求!實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的 互換性,需要對(duì)齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性!傳動(dòng)平穩(wěn)性等進(jìn)行控制,由此齒輪精度的概念應(yīng)運(yùn)而生"齒輪生產(chǎn)測(cè)量的基礎(chǔ)是齒輪精度理論,而齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)也一直和生產(chǎn)力的發(fā)展密切相關(guān)"為了實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)精度方面的潛在改善,不斷提高齒輪的精度標(biāo)準(zhǔn)以及使這些標(biāo)準(zhǔn)滿足未來精度要求是至關(guān)重要的"從現(xiàn)實(shí)的角度講,對(duì)齒輪的測(cè)量技術(shù)和其標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定在某種意義上說能夠滿足以上要求并能夠確保一個(gè)國家工業(yè)繼續(xù)保持在國際工業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位并擴(kuò)大市場(chǎng)份額。
圖1.1 手持式齒距儀
本次設(shè)計(jì)，結(jié)合了中國制造業(yè)的現(xiàn)狀、針對(duì)齒輪齒距誤差的測(cè)量，借鑒了前人關(guān)與齒輪和齒距的研究成果和虛擬測(cè)量儀器的思想，研制成的基于單片機(jī)系統(tǒng)的智能齒距累積誤差檢測(cè)儀。整個(gè)設(shè)計(jì)主要 內(nèi)容如下：
1
⑴ 參考國內(nèi)外示例，設(shè)計(jì)了齒輪累積齒距誤差測(cè)量儀的機(jī)械部分。
① 完成了被測(cè)齒輪運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。
② 完成了傳感器測(cè)頭軸向及徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)。
③ 完成了箱體及床身的設(shè)計(jì)。
⑵ 研究了單個(gè)齒距誤差及累積齒距誤差等的測(cè)量方法，并建立了評(píng)定其誤差的數(shù)學(xué)模型。
⑶ 研究了基于單片機(jī)的測(cè)量與控制系統(tǒng)。
② 設(shè)計(jì)了放大、濾波及 A/D 轉(zhuǎn)換電路。
② 設(shè)計(jì)了 4×4 矩陣式鍵盤、6 位液晶顯示器。
③ 設(shè)計(jì)了打印機(jī)接口電路。
④ 設(shè)計(jì)了調(diào)試、形位誤差評(píng)定方法、測(cè)頭微調(diào)等程序。
⑤ 編制了基于單片機(jī)的形位誤差測(cè)量控制、采樣、顯示、鍵盤輸入、打印等序。
⑷ 設(shè)計(jì)了 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。
⑸ 研究了零件安裝偏心誤差，并用電算法建立了消除誤差的計(jì)算公式
1 齒距誤差測(cè)量的理論基礎(chǔ)
1.1 齒輪齒距偏差相關(guān)概念
齒輪齒距偏差是評(píng)價(jià)齒輪傳動(dòng)性能的重要指標(biāo),在幾何精度評(píng)定中,齒輪齒距偏差是必定檢測(cè)的精度項(xiàng)目。其中包括齒輪齒距偏差、齒輪齒距累計(jì)總偏差和齒輪齒距累計(jì)偏差,它們都是重要的誤差檢測(cè)量。齒距偏差表征的是齒輪每個(gè)齒之間的差別,齒距差別會(huì)影響到齒輪傳動(dòng)的過程。習(xí)慣上把上述四種誤差項(xiàng)目統(tǒng)稱齒距偏差。常用的齒距偏差測(cè)量術(shù)語簡述如
1.1.1 齒輪單個(gè)齒距偏差(fpt)
齒輪的單個(gè)齒距偏差(fpt)表征的是在齒輪分度圓上或者齒高中部附近,實(shí)際齒距和理論齒距之間的差值,通常情況下對(duì)其差值取絕對(duì)值,并把最大值作為齒距偏差的評(píng)定值(見圖 2)。通過齒輪單個(gè)齒距偏差也可以評(píng)價(jià)機(jī)床在加工齒輪工程中的周期性誤差,也可以從側(cè)面反映磨齒等加工工藝。齒輪單個(gè)齒距偏差是齒輪幾何精度基本的檢測(cè)的指標(biāo)之一,主要反映齒輪單個(gè)齒距角的精度。
圖2.1單個(gè)齒距偏差示意圖
1.1.2齒距累積偏差
齒輪單個(gè)齒距偏差只能體現(xiàn)單個(gè)齒距的情況,用來評(píng)價(jià)齒輪齒距累計(jì)效應(yīng)要用到齒輪齒距累積偏差指標(biāo)。對(duì)齒距累計(jì)偏差的控制可以減少偏差集中的情況。在小數(shù)目的齒輪齒距產(chǎn)生較大的齒輪累積偏差的情況下,傳動(dòng)過程中齒輪直接的嚙合載荷很大,會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的問題。
1.1.3 齒距累積總偏差(Fp)
上述兩個(gè)指標(biāo)都是表示局部偏差的,用來評(píng)定齒輪制造精度標(biāo)準(zhǔn)為齒距累積總偏差 Fp。齒輪齒距累積總偏差為齒輪同一側(cè)面內(nèi)任意齒距間的最大齒距累積偏差。主要用來評(píng)定在齒輪旋轉(zhuǎn)一圈的轉(zhuǎn)角誤差,反饋修正保證齒輪傳動(dòng)的準(zhǔn)確性。總之齒輪齒距偏差對(duì)齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性和均勻性影響很大,在齒輪加工過程中要嚴(yán)格的控制齒距偏差的質(zhì)量。
1.2測(cè)量原理
相對(duì)測(cè)量法屬于比較測(cè)量法,采用兩個(gè)測(cè)頭,對(duì)準(zhǔn)齒輪任意一個(gè)齒距的測(cè)量位置,調(diào)整兩個(gè)測(cè)頭的位置使測(cè)頭示值均為零,即該齒距為基準(zhǔn)齒距,保持兩測(cè)頭位置不變,依次測(cè)量其他齒距實(shí)際位置,此時(shí)測(cè)頭讀數(shù)其實(shí)是相對(duì)于基準(zhǔn)齒距的差值,數(shù)據(jù)采集完畢后,采用作圖法或者計(jì)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,就可以得到齒距偏差和齒距累積誤差。圖 3 為單齒法測(cè)量齒距偏差的原理示意圖。相對(duì)測(cè)量法又分為單齒測(cè)量法和跨齒測(cè)量法,這個(gè)是根據(jù)測(cè)量時(shí)兩個(gè)測(cè)頭所跨的齒數(shù)多少來確定的。單齒測(cè)量法選取的齒距基準(zhǔn)是分度圓附近的兩個(gè)相鄰?fù)瑐?cè)齒廓,跨齒測(cè)量法選取的測(cè)量基準(zhǔn)則是相鄰多個(gè)齒廓之和。跨齒測(cè)量法就是將測(cè)量的齒輪齒數(shù) Z 分成若干組 N 來進(jìn)行測(cè)量,即兩個(gè)測(cè)頭跨 K個(gè)齒距測(cè)量。因?yàn)辇X輪齒數(shù)是不固定的,而且齒數(shù)不一定正好可以被 N 除盡,跨齒測(cè)量法的主要難點(diǎn)在于跨齒數(shù)目的選擇。具體的跨齒數(shù)目選擇可以參考相關(guān)資料。需要指出的是,跨齒測(cè)量的目的在于提高齒距累積偏差的測(cè)量效率,并在某種程度上可提高測(cè)量精確度,對(duì)齒輪的齒距偏差仍需按照單齒距比較方法進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)法測(cè)量齒輪齒距累積誤差△Fp屬于間接測(cè)呈方法,即齒距累積誤差由齒距偏差累加起來而求得。而對(duì)齒距偏差的測(cè)量是直接觀測(cè)值△i,通過計(jì)算得到。由于直接觀測(cè)值有側(cè)量誤差,在計(jì)算齒距累積誤差時(shí)這些測(cè)量誤差也要累加起來,成為齒蹌累積誤差的測(cè)量方法誤差。該側(cè)量方法誤差將影響△Fp的測(cè)量精度。眾所周知,K個(gè)齒距偏差的累積值為:
式 (2.1)
而 式 (2.2)
則 式 (2.3)
由此可得,累積誤差與測(cè)量值的關(guān)系式:
式 (2.4)
各個(gè)齒距偏差測(cè)最值△i﹝i=1,2,3……z﹞,是等精度的互相獨(dú)立的直接觀側(cè)值,它們均含有測(cè)量儀器或方法誤差?,且各次測(cè)最誤差相同,按隨機(jī)誤差合成得由測(cè)量儀器或方法誤差決定
式 (2.5)
式(2)說明,前K個(gè)齒的△Fpx其測(cè)量誤差不僅與單個(gè)測(cè)量值的誤差有關(guān),還與被測(cè)齒數(shù)z和累積齒數(shù)K有關(guān)。把△?K的一階導(dǎo)數(shù)到最大值:看作是齒序號(hào)數(shù)K的數(shù),并令其等于零,可求得K=z/2時(shí) △?K取最大值
式 (2.6)
式中△Klim—K個(gè)齒距累積誤差的極限誤差氣,
?lim—測(cè)量儀器或方法的極限誤差
z一被測(cè)齒輪的齒數(shù)
由子整個(gè)齒輪的最大齒距累積誤差是各齒累積誤差中的最大值和最小值的代數(shù)差,即
式 (2.7)
式中△Fp為p齒至q齒間所產(chǎn)生的齒距最大累積誤差只要將(q-p)代替式(2)中的K,便可得到△Fp的測(cè)量誤差和各個(gè)單次測(cè)覺誤差值的關(guān)系式
式 (2.8)
同理當(dāng)（q-p）=z/2時(shí)△∑p.q為極大值。
式 (2.9)
式(6)通常作為相對(duì)法測(cè)量齒距累積誤差的啦數(shù)誤差計(jì)算式。由于其他誤差如兩測(cè)頭位置誤差、齒輪定位誤差及其他telJ量條件的影響甚小,式(6)也就作為該測(cè)量方法的極限誤差計(jì)算式。由式〔6)看到,當(dāng)測(cè)量儀器或方法誤差?一定時(shí),△Fp的極限測(cè)量誤差和被測(cè)齒數(shù)的齒數(shù)的平方根成正比,即被齒輪的齒數(shù):愈多,測(cè)量結(jié)果的誤差愈大。.為保證其測(cè)量精度,應(yīng)采用精度更高的扭簧測(cè)微儀替代機(jī)械式測(cè)微儀,或減小實(shí)際測(cè)量的齒數(shù),即用所識(shí)跨齒測(cè)量以減小儀器測(cè)量誤差對(duì)相對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。經(jīng)查一些書籍、參考資料卻認(rèn)為齒趴累積誤差側(cè)量誤差的計(jì)算式為
式 (2.10)
2智能齒距誤差測(cè)量儀的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
用于精確定位的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種重要的自動(dòng)化執(zhí)行元件。利用微機(jī)的數(shù)字系統(tǒng)，可以把脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成角位移。和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合，但接口相對(duì)要復(fù)雜。因此，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)大體分三種:反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) BF、永磁式步進(jìn)電機(jī) BY、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) BYG。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) BF 具有步距角小，頻率高，斷電無定位的特點(diǎn)。永磁式步進(jìn)電機(jī) BY 步距角大、頻率低、需正負(fù)脈沖、斷電時(shí)有定位轉(zhuǎn)矩，消耗功率小。永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) BYG:前二者的結(jié)合，兼有二者優(yōu)點(diǎn)，需正負(fù)脈沖，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本系統(tǒng)主要要求測(cè)頭定位精確，工件轉(zhuǎn)動(dòng)頻率高.在保證系統(tǒng)要求的條件下，選用了成本較低的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，而不是永磁感應(yīng)式步 進(jìn)電機(jī) BYG.在保證實(shí)現(xiàn)正常工作的條件下，考慮到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的一致性(如:相同的電壓、相電流)以簡化設(shè)計(jì)。
根據(jù)圖 3-1、圖 3-2、圖 3-3、圖 3-4 所示的常用幾種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)， 選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。選定型號(hào)為 45BF008
圖3.1 45 型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
圖3.2 75 型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
圖 3.3 90 型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
圖 3.4 110 型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
2.2 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.2.1絲杠的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)系統(tǒng)是本課題設(shè)計(jì)中的重要組成部分，它影響著儀器的精度和效率等。 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性要好，要有良好的運(yùn)動(dòng)特性，定位準(zhǔn)確，加減速均勻，震動(dòng)小， 無自震。在各類傳動(dòng)類型中，綜合考慮各種因素，諸如所需功率、傳動(dòng)效率、 精度等，盡可能選擇單級(jí)傳動(dòng)。本課題選擇絲杠傳動(dòng)，其特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，傳動(dòng)比又大，可滿足要求。根據(jù)精度及轉(zhuǎn)速要求選擇FFZD1604-3型滾珠絲杠
2.2.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)
蝸桿用 45 鋼，考慮到效率高些，耐磨性好些，蝸桿螺旋面進(jìn)行表面淬火，硬度為 45~55HRC蝸輪用鑄錫青銅 ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造，為節(jié)約貴金屬，僅齒圈用貴金屬制成，輪芯用鑄鐵 HT200 制造。
蝸輪蝸桿基本參數(shù)
蝸桿頭數(shù) z1 2
蝸輪齒數(shù) z2 40
模 數(shù) m 2.50 (mm)
法面模數(shù) Mn 2.44 (mm)
蝸桿分度圓直徑 d1 22.40 (mm)
中心距 A 63.00 (mm)
蝸桿導(dǎo)程角 γ 12.583°
蝸輪當(dāng)量齒數(shù) Zv2 43.03
蝸輪變位系數(shù) x2 0.72
軸向齒形角 αx 20.000°
法向齒形角 αn 19.556°
齒頂高系數(shù) ha* 0.80
頂隙系數(shù) c* 0.20
蝸桿齒寬 b1 ≥ 41.00 (mm)
蝸輪齒寬 b2 ≤ 19.00 (mm)
是否磨削加工 是
蝸桿軸向齒距 px 7.85 (mm)
蝸桿齒頂高 ha1 2.00 (mm)
蝸桿頂隙 c1 0.50 (mm)
蝸桿齒根高 hf1 2.50 (mm)
蝸桿齒高 h1 4.50 (mm)
蝸桿齒頂圓直徑 da1 26.40 (mm)
蝸桿齒根圓直徑 df1 17.40 (mm)
蝸輪分度圓直徑 d2 100.00 (mm)
蝸輪喉圓直徑 da2 107.60 (mm)
蝸輪齒根圓直徑 df2 98.60(mm) 蝸輪齒頂高 ha2 3.80(mm) 蝸輪齒根高 hf2 0.70(mm) 蝸輪齒高 h2 4.50(mm) 蝸輪外圓直徑 de2 ≤ 111.35(mm) 蝸輪齒頂圓弧半徑 Ra2 8.70(mm) 蝸輪齒
根圓弧半徑 Rf2 13.70(mm) 蝸桿軸向齒厚 sx1 3.93 (mm) 蝸桿法向齒厚 sn1 3.83 (mm) 蝸輪分度圓齒厚 s2 5.24 (mm) 蝸桿齒厚測(cè)量高度 ha1' 2.00 (mm) 蝸桿節(jié)圓直徑 d1' 26.00 (mm) 蝸輪節(jié)圓直徑 d2' 100.00 (mm)
蝸輪蝸桿傳動(dòng)的消隙 圓柱蝸桿傳動(dòng)消間隙主要是采用雙導(dǎo)圓柱蝸桿傳動(dòng)，它的工原理與普通圓柱蝸桿傳動(dòng)沒有本質(zhì)上的區(qū)別，只是這種蝸桿在中心平面內(nèi)其齒形相當(dāng)于齒條，蝸輪相當(dāng)于與之嚙合的齒輪，蝸桿的軸向齒厚，沿軸線從一端到另一端按 比例地增大或減小，與它嚙合的蝸輪的所有齒厚均相等，因此當(dāng)蝸桿沿軸線移 動(dòng)時(shí)，就改變了他們之間的嚙合側(cè)隙
3智能齒距誤差測(cè)量儀的單片機(jī)部分設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
齒距累積總誤差測(cè)量儀單片機(jī)系統(tǒng)由下面幾個(gè)模塊組成：信號(hào)采集，信號(hào)調(diào)整，中央處理，鍵盤輸入，顯示器及打印機(jī)輸出，形位誤差測(cè)量項(xiàng)目選擇，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制
如圖 4-1 所示。
圖 4.1 單片機(jī)系統(tǒng)整體原理
3.1.2 信號(hào)采集模塊設(shè)備選擇
齒距偏差測(cè)量中我們需要用到電感測(cè)微儀來進(jìn)行齒距偏差微位移信號(hào)的測(cè)量以合DGC-6PG/A 型杠桿旁向測(cè)量頭來構(gòu)成位置電壓信號(hào)提取電路。DGB-5B 型電感測(cè)微儀具有測(cè)量精度高、很測(cè)量較大范圍和微小尺寸變化的特點(diǎn),結(jié)合杠桿測(cè)量頭,可以對(duì)齒距微小的尺寸變化進(jìn)行測(cè)量,因而可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的目的。DGB-5B 的量程分為四檔,可以實(shí)現(xiàn)士 3 pm 到士 300pm 范圍的測(cè)量,其分辨率可達(dá)到 0.1pm,而 DGC-6PG/A 的重復(fù)測(cè)量誤差小于 0.07μm,因而兩者都符合示值精度要求。本文研究的齒距偏差測(cè)量控制系統(tǒng)中,采用時(shí)柵角位移傳感器來進(jìn)行被測(cè)齒輪的轉(zhuǎn)臺(tái)位置信號(hào)檢測(cè),采用英國 RENISHAW 公司生產(chǎn)的光柵尺來進(jìn)行三坐標(biāo)的定位的精確定位。由于時(shí)柵跟光柵經(jīng)過處理電路處理后,輸出的位置信號(hào)都是兩路相位差為90°的差分信號(hào)
圖4.2 DGB-5B 型電感測(cè)微儀
3.1.3 信號(hào)調(diào)整模塊的設(shè)計(jì)
⑴ 信號(hào)放大電路
圖4.3 信號(hào)放大電路
如圖 10 所示即為信號(hào)放大電路。
⑵采樣保持電路
采樣保持電路采用 SHC298 通用采樣保持芯片如圖 11 所示為其引腳接線 關(guān)系。
圖 4.4 SHC298 接線圖
3.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
圖4.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖
功率放大電路的結(jié)構(gòu)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能有十分重要的影響，功率放大電路 有單電壓，雙電壓，恒流斬波型等。不作特殊說明的情況下，功率放大電路的 功放晶體管設(shè)計(jì)于過飽和工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用雙電壓的高低壓驅(qū)動(dòng)電路。 此電路代用高低壓電源，電路中有兩個(gè)電源U1，U2一般U1是高電壓，大約為80-150V，U2為低壓，大約有5-20V左右。它和單電壓控制信號(hào)有很大的差別。單電壓的控制信號(hào)為電機(jī)步進(jìn)一個(gè)脈沖所需的方波信號(hào)。雙電壓電路中，除步進(jìn)方波外，還須高壓驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，兩路信號(hào)密切配合才能正常工作.采用高壓電源有利于脈沖前沿的上升率，從而可提供步進(jìn)電機(jī)的工作頻率及高頻力矩。 采用低電壓電源降低了功耗。但這種電路也有不足:高壓電流的上沖作用在低頻 工作中，會(huì)令輸入能量過大，使電機(jī)的低頻振蕩加劇。其次，在高低壓銜接處 有電流谷點(diǎn)，造成電機(jī)工作的不穩(wěn)定性。
圖4.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
3.2 單片機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.2.1 主程序的程序
主程序要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：控制鍵盤，記錄處理鍵盤輸入信號(hào)量類型選擇，選擇測(cè)量采樣點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)子程序，采樣 A/D 轉(zhuǎn)換程序，控制數(shù)據(jù)處理子程序以及數(shù)據(jù)保存和顯示打印等。程序框圖如圖 4.7所示
圖4.7 主程序框圖
3.2.2讀入 A/D 數(shù)據(jù)程序
該部分主要完成對(duì)來自位移轉(zhuǎn)感器的模擬信號(hào)傳感測(cè)微儀后的IV-+1V。模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。主要由A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)、中斷等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果來完成程序流程圖如圖4.8所示。
圖4.8 A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序
3.2.3 數(shù)字濾波程序
數(shù)字濾波是由軟件算法來實(shí)現(xiàn)的，其與硬件濾波相比不需要增加硬件設(shè)備，
只需在程序進(jìn)入控制算法前附加一段數(shù)字濾波的程序。所以，數(shù)字濾波實(shí)上 是程序?yàn)V波。在智能控制系統(tǒng)中，各個(gè)信號(hào)采集通道可以共用一套數(shù)字濾波程 序而不像硬件濾波那樣需要多個(gè)濾波器，并且還要考慮阻抗匹配的問題。
濾波方法使用靈活，只要改變?yōu)V波程序或運(yùn)算參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)不同的濾波效果該方法適合于解決低頻信號(hào)的濾波問題。常用的數(shù)字濾波方法有中值濾波法。算術(shù)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法和低通濾波法等。先只對(duì)中值濾波法做以介紹。濾波程序如下：
3.2.4 鍵盤掃描輸入程序
圖4.8 鍵盤掃描程序框圖
3.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序
按照前面選擇，本課題使用的 2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都為 5BF008 型，其驅(qū)動(dòng)程 序框圖如圖 17所示。
3.2.6 打印機(jī)輸出程序
本課題要求打印機(jī)能打印出被測(cè)零件的各項(xiàng)參數(shù)及測(cè)量結(jié)果，打印機(jī)程
圖4.9電機(jī)流程圖 圖4.10 顯示器掃描程序圖
4 經(jīng)濟(jì)可行性及環(huán)境分析
二十世紀(jì)初,國際上對(duì)各種測(cè)量儀的研究剛開始,對(duì)齒輪齒距誤差的測(cè)量精低、測(cè)量范圍小而且測(cè)量工具太大。到了 1923 年, 一種機(jī)械展成式萬能漸開線檢查儀首次研究成功。隨后,Zeiss 公司在一定的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),把1μm 的光學(xué)玻璃線紋尺作為距離參照基準(zhǔn),使齒輪測(cè)量的精度得到極大的提升。因此在 1925 年推出的這種儀器,開始可以對(duì)齒輪進(jìn)行精密的測(cè)量。而我國在該儀器的基礎(chǔ)上改進(jìn)為 VG450 得到了廣泛使用。在以后發(fā)展中,以機(jī)械展成式萬能螺旋線標(biāo)準(zhǔn)儀的出現(xiàn)為標(biāo)志,實(shí)現(xiàn)了全面控制齒輪質(zhì)量,使測(cè)量技術(shù)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。20 世紀(jì)六十年代中期,隨著英國研制出光柵式單齒儀開啟了齒輪的動(dòng)態(tài)高精度的測(cè)量。幾何法測(cè)量齒輪的開始是以黃潼年為主的中國工程技術(shù)人員研發(fā)的齒輪整體偏差測(cè)量技術(shù)為標(biāo)志的。數(shù)控齒輪測(cè)量開始于 Microlog50 的出現(xiàn)。而由大阪精機(jī)推出的非接觸齒面分析機(jī) PS-35,利用了全息原理;加上萬能型滾動(dòng)測(cè)量儀的出現(xiàn)標(biāo)志著非接觸測(cè)量法得以運(yùn)用。國際上也先后出現(xiàn)原聯(lián)邦德國的馬爾公司、克林公司等一批從事生產(chǎn)齒輪齒距測(cè)量儀的廠家。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代,伴隨著這些公司的發(fā)展和整合,雖然開拓出很多齒輪偏差測(cè)量的測(cè)量方法,但是要仍不能實(shí)現(xiàn)大直徑齒輪齒距累積偏差的測(cè)量。擺脫了機(jī)械展成式測(cè)量技術(shù)[川中精確的展開運(yùn)動(dòng)受展成機(jī)構(gòu)精密度限制以及柔性較差的缺點(diǎn),齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)能夠更形象地反映齒輪嚙合傳動(dòng)過程并精確地揭示齒輪單項(xiàng)誤差的變化規(guī)律以及誤差間的關(guān)系,這種方法的儀器測(cè)量效率高,適于大批量生產(chǎn)中的零件檢測(cè)和在線分選測(cè)量"成都工具研究所的謝華餛等科研技術(shù)人員,創(chuàng)建并完善了這種齒輪整體誤差測(cè)量的新型齒輪測(cè)量理論"運(yùn)用該理論按照齒輪嚙合傳動(dòng)等方法集成/靜態(tài)0齒輪整體誤差曲線;或按照單面嚙合綜合測(cè)量方式,使用特殊測(cè)量齒輪,采用滾動(dòng)點(diǎn)掃描測(cè)量法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,得到齒輪/運(yùn)動(dòng)0整體誤差曲線,并通過該曲線對(duì)齒輪的各項(xiàng)誤差指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng)定"此法具有測(cè)量速度快,測(cè)量精度接近使用狀態(tài)的特點(diǎn),但是由于它的檢測(cè)要受到與之嚙合的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)齒輪精度的制約,因此在測(cè)量能達(dá)到的精度上受到一定的影響"上個(gè)世紀(jì)九十年代,齒距測(cè)量變得更加簡單和易于操作,這得益于機(jī)械制造和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。在精密測(cè)量時(shí),計(jì)算機(jī)成為了輔助工具,幫助原有齒距儀改造,實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化,數(shù)據(jù)處理速度也得到提高,從而提高了計(jì)算精度。近年,國內(nèi)外相繼推出了如我國的哈爾濱量具集團(tuán)生產(chǎn)的測(cè)量齒輪直徑范圍在 20~630mm 的“齒距自動(dòng)測(cè)量儀”,“上置式齒距自動(dòng)測(cè)量儀”達(dá)到無窮大的齒輪直徑測(cè)量。名為“上置式齒距測(cè)量儀 3480”的測(cè)量齒距累積偏差的量儀由上海精密儀器有限公司又設(shè)計(jì)出,其特點(diǎn)有無須圓光柵、分度盤等元件的小型化、輕量化?！癊S-401 大齒輪齒距儀”由瑞士 MAAG 公司生產(chǎn),同樣可以測(cè)量齒距累積偏差[20]。另外,基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像測(cè)量如:光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、激光技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體成為近年來在測(cè)量領(lǐng)域中發(fā)展起來。吉林大學(xué)的陳向偉等設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用 A102fCCD 數(shù)字?jǐn)z像頭作為圖像傳感器,通過數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪測(cè)量相關(guān)內(nèi)容的精密、非接觸測(cè)量。通過測(cè)試證明其可以達(dá)到 4 級(jí)精度。
綜上所述,伴隨著測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)代化進(jìn)程,以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)齒距偏差的測(cè)量方法及數(shù)據(jù)分析處理都有很大的提高。將以往使用精度較低的簡易齒距側(cè)量儀器迅速向融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等方向發(fā)展,來實(shí)現(xiàn)的測(cè)量儀器的智能化、高效化、高度。特別地,將包括齒距累積偏差在內(nèi)的多個(gè)齒輪單項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量融為一體,為獲得更加精確、可靠的測(cè)量數(shù)據(jù),吸收原有測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn),然后再整合改造。近年來,隨著關(guān)鍵設(shè)備對(duì)齒輪的精度要求不斷提高,以及齒輪加工工藝水平的快速提升,齒輪的精度也較以前大大提高,因此齒輪的精度也較以前大大提高,因此齒輪的檢測(cè)越來越受重視。但是目前國內(nèi),對(duì)于大型齒輪測(cè)量的主流設(shè)備依然水平不高。已經(jīng)不能滿足日益蓬勃的機(jī)械制造業(yè)和國防工業(yè)對(duì)大型齒輪、蝸輪副的精度檢測(cè)需求。我閑的齒輪齒距偏差測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度也有很大的提高。我國在上世紀(jì)60年代使用的經(jīng)韓儀可以對(duì)具有3級(jí)精度的齒輪進(jìn)行測(cè)量;在80年代將分度精度為± 0.1”的端齒臺(tái)和分辨率為O.Uim的電感測(cè)微儀相結(jié)合,可以測(cè)量1~2級(jí)齒輪的齒距偏差;湖北汽車工業(yè)學(xué)院將編程技術(shù)應(yīng)用到齒輪的測(cè)量當(dāng)中,幵發(fā)了基于VC++編程軟件的齒輪齒距偏差自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了齒輪齒距偏差等參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、計(jì)算,測(cè)量系統(tǒng)的精度為O.Uim[32];古林大學(xué)的陳向偉,王龍山等將圖像測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用到齒輪的測(cè)貨當(dāng)屮,設(shè)計(jì)開發(fā)了齒輪圖像測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)視覺圖像測(cè)量技術(shù),圖像傳感器采州的是A102f CCD數(shù)字?jǐn)z像頭,實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪非接觸的精密測(cè)量,其測(cè)量精度達(dá)到國家4級(jí)精度要求丨33】。2006年大連理工大學(xué)粘密齒輪研究室針對(duì)超精密齒輪設(shè)計(jì)并且搭建了齒距累積總偏差測(cè)量系統(tǒng)(見圖1.9)。該系統(tǒng)釆用多齒分度臺(tái)實(shí)現(xiàn)齒距測(cè)量的分度運(yùn)動(dòng),芯軸與齒輪之問采用密珠軸套部實(shí)現(xiàn)芯軸和齒輪的同心,使用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)結(jié)合完成實(shí)驗(yàn)數(shù)掘的采集,誤差曲線的顯示和誤差分析等功能[211。該系統(tǒng)操作簡屯,測(cè)量精度達(dá)到國家1?2級(jí)精度。但是,測(cè)頭的進(jìn)入與退出需要人工操作,這樣就Jf?加了測(cè)量結(jié)果的不確定性。傳統(tǒng)的齒輪的齒距在機(jī)測(cè)量采用的是手提式齒距儀。由于其操作簡單,可以在線測(cè)量,因而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用非常普遍。但其進(jìn)行齒距測(cè)量需要進(jìn)行三個(gè)步驟,首先逐齒測(cè)量,然后記錄,再利用公式進(jìn)行計(jì)算。這樣測(cè)量的不足之處在于測(cè)量時(shí)間長,效率不高,并且容易出錯(cuò)。另外國內(nèi)很多廠家采用的也有一部分半自動(dòng)齒距誤差測(cè)量儀。這些半自動(dòng)齒距檢查儀很多是我國六七十年代從西德進(jìn)口的和哈爾濱量具廠生產(chǎn)的 3406 齒距測(cè)量儀。這類儀器由于產(chǎn)品型號(hào)久遠(yuǎn),存在操作復(fù)雜,系統(tǒng)可靠性差,測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。因此,對(duì)齒輪齒距偏差進(jìn)行研究和探索具有十分重要的意義。
5 結(jié)論
本課題研究設(shè)計(jì)的智能齒距累積總誤差測(cè)量儀，經(jīng)總體設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)模型 建立，機(jī)械部分設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)及其軟件程序的設(shè)計(jì)已基本完成。 分析研究整個(gè)設(shè)計(jì)過程后，得到以下結(jié)論：
⑴ 絕對(duì)測(cè)量法適合于齒距誤差測(cè)量，能夠做到各種項(xiàng) 目的真實(shí)測(cè)量。
⑵ 儀器采用由電機(jī)帶動(dòng)，由一組與零件軸線平行和一組與零件 軸線垂直的絲杠導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)，測(cè)頭運(yùn)動(dòng)靈活，定位準(zhǔn)確，有較好的適應(yīng) 性和可應(yīng)用性。
⑶測(cè)頭有調(diào)零和連續(xù)采集功能，有很好的可持續(xù)性和高精度性
⑷該測(cè)量儀可測(cè)量單個(gè)齒距誤差以及累積總誤差，經(jīng)濟(jì)性良好
⑸ 設(shè)計(jì)的信號(hào)放大，采樣保持，A/D 轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字濾波程序可實(shí)現(xiàn)預(yù)定 功能，誤差很小。
⑹ 本儀器測(cè)量范圍及精度：
① 零件直徑范圍：30--150mm；
② 零件高度范圍：30--300mm；
⑺ 本儀器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)采集、調(diào)整、處理、計(jì)算、顯示及打印輸出的智 能留水化測(cè)試過程，在經(jīng)濟(jì)性及自動(dòng)化方面都有突出特點(diǎn)。因此有較高應(yīng)用價(jià)值。
致 謝
本課題的全部工作都是在導(dǎo)師劉老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在畢業(yè) 設(shè)計(jì)工作過程中，導(dǎo)師從多方面給予了我鍛煉、成長的機(jī)會(huì)。導(dǎo)師為人正直，為學(xué)踏實(shí)，勤于鉆研的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我不僅在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，更將 在今后的工作中受益匪淺。
在設(shè)計(jì)工作過程中，我的同學(xué)也給了我許多熱心的幫助，在此，謹(jǐn)向指導(dǎo)、幫助過我的老師和同學(xué)表示最誠摯的感謝！
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