测控技术与仪器专业综合课程设计设计说明书-大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪--软件子系统

测控技术与仪器专业综合课程设计设计说明书-大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪--软件子系统内容摘要：

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。 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： 测控技术及仪器专业 专业综合课程设计 11 1)仪器外廓尺寸过大； 2)多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。 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。 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。 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：在设测控技术及仪器专业 专业综合课程设计 12 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。 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。 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。 测控仪器若干设计原理讨论 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。 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 补偿原理 测控技术及仪器专业 专业综合课程设计 13 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。 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。 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()rr 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。 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 A 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 ff。 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。 直线基准法 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。 测控技术及仪器专业 专业综合课程设计 14 图 1 直线基准法 假设在齿形工作范围内齿面上任意一点 iM 处的采样值为 i ，则 i  既包括了齿形误差信息量 iX ，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 i 即iii XX 。 大型齿轮渐开线齿形误差在位检测系统工作原理的选择 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。 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 iM ，有 ： 11i xx   (1) 式中， ix 为齿形误差信息， ix 为测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的理论误差。 坐标系的建立 为了研究方便，建立三个坐标系 ：  1 1 1 1 1, O x y z： 其原点 1O 为被测齿轮的轴心，其 1y 轴为 1O 点的渐开线发生点的连线 ；  2 2 2 2 2, O x y z：其原点 2O 为齿廓上的某点（暂定为分度圆上的点），其 2y 轴为在该点处齿廓的切线； 测控技术及仪器专业 专业综合课程设计 15  , O x y z ：其原点 O 为通过测量头球心 A（ A 点位于 2x 轴上）同 2y 轴平行的直线与被测齿中线的交点，显然 y 轴平行于 2y 轴 ，三坐标系的建立如图 2 所示。 ti ti L Rb O1 N y x y1 x1 y2 Mi i O2 图 2 三坐标系的建立 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 ， iM点为测量头与齿轮的接触点，故 ： 2 1 se c ( )2 bA O d  (2) 式中 d 为测量头直径， b 为基圆螺旋角。 图 3 渐开线生成线 测控技术及仪器专业 专业综合课程设计 16 bkM N AN R  (3) bbR c o s R s i nk k kx O B P M       (4) bbM 39。 = R s i n R c o sk k ky B N N      (5) 因此在 1 1 1xOy 坐标系中，渐开线上任意一点 Mi 的径矢 1()xR ： 1()( s in ( ) c o s ( ) )( c o s ( ) s in ( ) )0b t i t i t ixb t i t i t iRRR     (6) bR 为基圆半径， ti 为齿廓上 iM 处的端面齿形展开角， ti 为展角， ti 为压力角。 坐标系变换： 图 4 直角坐标系变换 由 X39。 Y39。 坐标系转换为 XY 坐标系时 ： 39。 si nx=x39。 cosy (7) si n 39。 39。 c osyyx  (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： jiRR izMA（ ） （ ） (9) zM 为变换矩阵， iA 为偏移向量。 其中 zM 一般为下式： c o s ( ) s in ( ) 0s in ( ) c o s ( ) 00 0 1zM。