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1、齿轮径向综合误差测量系统的设计作 者 姓 名： 专 业： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 目录目录1第一章绪论21.1齿轮测量技术简介21.1.1齿轮测量技术的起源与历程21.1.2齿轮测量技术的演变21.2齿轮综合误差测量原理31.3齿轮径向综合误差的精度公差4第二章齿轮径向综合误差检测系统设计52.1测量系统的设计框图52.2测量系统的结构设计52.3系统的工作步骤6第三章系统各部分电路设计63.1差动变压器LVDT与AD59863.2电容式位移传感器与NE55573.3 MSP430单片机及其外围电路83.3. 1单片机最小系统加液晶显示电路83.3. 2单片机上位机串行通
2、讯电路93.3. 3报警器、指示灯和继电器电路93.3. 4步进电机和键盘部分103.3. 5电源部分电路10第四章系统软件设计124.1系统软件流程图124.2多谐振荡器脉冲频率检测子程序134.3差动放大器信号的 A/D转换子程序134.4基于RS232的串口通讯子程序13第五章总结与体会14参考文献15第一章 绪论1.1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久的历史,而齿轮的科学研究却始于17世纪MCamus发现齿轮传动的节点原理; 1765年, LEuler将渐开线齿形引入齿轮,100多年后, 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
3、轮得到了广泛应用。由于制造与安装等方面的原因,实际齿轮总是存在着误差。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认识的深化。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过程。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作纯几何体,认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
4、论位置的偏差即为齿轮误差。第二种理论将齿轮看作刚体,认为齿轮不仅仅是几何体,也是个传动件,并认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作弹性体,对齿廓进行修形,“有意地”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,导致了齿轮精度标准的不断丰富和更新,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
5、测量技术的发展,主要表现在三个方面: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段上,历经了“以机械为主”到“机电结合”,直至当今的“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。1.2齿轮综合误差测量原理齿轮径向综合
6、误差检验时，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动量。图1测量径向综合误差的原理测量齿轮要做得很精确，以达到其对径向综合偏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，就能得到一个可接受的测量记录。设计测量系统时，必须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，否则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，但不应与非有效部分或根部相接触，避免产生这种接触的办法是将测量齿轮的齿厚增厚到足
7、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。被检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动量，它可以从记录下来的线图上确定。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动量的最大值。图2 径向综合误差曲线1.3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，根据不同的m和d计算出的和可以形成一个用于确定被测齿轮各种精度等级的表格。用实际测量所得的和的值，分别与表格中的数值相比较，就可以确定被测齿轮的精度等级。第二章 齿轮径向综合误差检测系统设计2.1测量系统的设计框图AD
8、598由555构成的多谐振荡器步进电机及驱动MSP430单片机液晶显示模块键盘及接口电路RS232串口通讯机械部分差动变压器LVDT电容式位移传感器开关量I/O光电编码器（闭环控制）2.2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，在齿轮转动过程中，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， 其中探头部分同时接入电容和电感式位移传感器，用以检测位移变化量。图3 测量系统结构图2.3系统的工作步骤通过单片机程
9、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采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，齿轮转动过程中被测齿轮的径向综合偏差直接反应为中心距的尺寸变化，通过位移传感器及处理电路使得位移信息准换为电信号送给CPU进行分析和处理。测量人员可以根据齿轮的精度等级选择相应的测量档位，通过按键输入给计算机，计算机经过分析选择使用的传感器及控制步进电机的转速。一般35级选用电容式位移传感器，67级选用差动放大式位移传感器。第三章 系统各部分电路设计3.1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动量。线性差动变压器是一种应用非常广泛的传感器，用于
10、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）集成了正弦交流激励信号的产生、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，就可改变正弦交流激励信号的频率，以适应各种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动量的检测电路如图4所示。AD598的2、3引脚产生一个正弦波激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3.2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变化会引起电容值的变化这一原理，将位移变化量转化为电容值变化量，从而进行进一步的信号处理。多谐振
11、荡器是一种自激振荡电路，不需要外加触发信号，接通电源后就能够产生一定频率和幅值的矩形脉冲输出。在这里我们利用555定时器构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，根据震荡周期公式：T=0.7(R1+R2)C f=1/T可见电容值的变化与振荡器输出脉冲的频率成线性关系，那么只要我们检测出脉冲的频率即可得到相应的电容值从而得到对应的位移量。实际电路如图：图5 电容式位移传感器应用电路3.3 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单片机主要
12、是因为，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，能够满足键盘、显示、开关量等使用需求，并且性能较好，便于系统扩展与联机通讯。LCD显示采用并行模式，由于单片机主要用于数据采集与系统控制，为使显示部分暂用更少的主机时间显示模块采取并行通讯模式。占用的I/O口较多，但通讯所用时间较短。图6 MSP430单片机最小系统电路3.3. 2单片机上位机串行通讯电路在数据通讯应用电路中，RS232作为一种典型的串行通讯协议被广泛接受，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
13、很好的满足使用要求。图7 单片机与上位机串行通讯电路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，防止仪器驱动部分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步进电机和键盘部分采用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，信号经过芯片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。电源 步进电机步进电机驱动键盘 MSP430显示串口通信图9总体设
14、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、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。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，我们在这里采用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电源部分电路MSP430是一个低功耗的单片机，其供电电源为3.3V。不作详细介绍。第四章 系统软件设计YYYNNNY系统初始化准备测量复位开始10YN参数设定精度等级启用差动放大器步进电机旋转A/D转换启用电容式传感器步进电机旋转数据采样Y数据处理，送显示，送上位机数据处理，送显示，送上位机停止旋转一周旋转一周NN4.1系统软件流程图4.2多谐振荡器脉冲频率检测子程序
