【正文】 .........................50 .........................................................................................................54 .............................................................................................................56 6 實驗驗證 ................................................................................................................................. 58 7 總結(jié)與展望 ............................................................................................................................. 60 致謝 ............................................................................................................................................. 61 參考文獻 .................................................................................................................................... 62 附錄 1 實驗數(shù)據(jù) ....................................................................................................................... 64 附錄 2 插圖 ............................................................................................................................... 68 附錄 3 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 .................................................................................. 70 緒論 1 1 緒論 齒輪檢測技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 齒輪的應(yīng)用有著悠久的歷史，而齒輪的科學(xué)研究卻始于 17 世紀(jì) 發(fā)現(xiàn)齒輪傳動的節(jié)點原理 。這種誤差對傳動系統(tǒng)的精度與動態(tài)特性（特別是振動與噪聲）有直接的影響。齒輪精度理論的發(fā)展實質(zhì)上反映了人們對齒輪誤差認識的深化。齒輪測量技術(shù)及其儀器的研發(fā)已有近百年的歷史，其歷程如圖 11 所示。 1970 年是齒輪測量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點。而齒輪測量機采用的是坐標(biāo)法或電子展成法，仍然是基于對齒輪單項1 9 0 0 1 9 2 3 1 9 7 0 1 9 8 0 1 9 9 0量 具 機 械 展 成 法螺 旋 展 成 法坐 標(biāo) 法 （ 電 子 展 成 法 ）光 學(xué) 全 息 法運 動 幾 何 法 （ 整 體 誤 差 ）單 嚙 、 雙 嚙 法注 ： 1 9 5 9 年 三 坐 標(biāo) 測 量 機 問 世1 9 5 9漸 開 線 展 成 法 圖 11 齒輪測量技術(shù)發(fā)展歷程 【 1】 Fig. 11 Development of Gear Measure Technology【 1】 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 參數(shù) 的測量。 與此同時，齒輪 測量 儀 還 經(jīng)歷了從單品種單參數(shù)儀器（典型儀器有單盤漸開線檢查儀），單品種多參數(shù)儀器（典型儀器有齒形齒向檢查儀），到多品種多參數(shù)儀器（典型儀器有齒輪測量中心）的演變。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控設(shè)備的核心 是 數(shù)控裝置 。隨著集成電路技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，人 們開始通過小型通用計算機或微型計算機的系統(tǒng)控制程序來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，習(xí)慣上稱為軟件數(shù)控或簡稱為 CNC(Computer Numerical Control)，它們相對體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，靈活性高。 數(shù)控系統(tǒng)的開放性概念 的 含義是 指 ：數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)者在一個統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)下開發(fā)自己的產(chǎn)品，這個統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)是一個 被 廣泛認可的并且是透明的規(guī)范。 20 世紀(jì) 90 年代初，正當(dāng)日本和歐洲相繼制訂開放式數(shù)控發(fā)展計劃時， Ampro Computer 公司的策略發(fā)展部行政副總裁 Pick Lehrbaum 提出了“利用 PC 機體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計新一代的嵌入式應(yīng)用”， Software Development System 的 James 提出了“ Windows 和嵌入式計算機技術(shù)的融合”，主 張利用現(xiàn)有 PC 機的軟、硬件資源規(guī)范設(shè)計新一代數(shù)控系統(tǒng) 【 6】 。使用 PC 機不僅為機床數(shù)控系統(tǒng)提供了優(yōu)越的硬件平臺，而且同樣能保持?jǐn)?shù)控機床的性能價格比的優(yōu)勢。 借助 PC 的其它功能和計算機通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，有利于實現(xiàn)制造信息化 ，降低開發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率 。并且，我國對外貿(mào)易活動日益 密切 ， 還 提出了對齒輪零件 按國外標(biāo)準(zhǔn)（如 DIN 標(biāo)準(zhǔn)）進行誤差評定 的要求。 而 本課題以 齒輪測量 中心所具有 的高精機械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用當(dāng)代先進的電子展成 法測量原理，利用計算機數(shù)控技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)， 完成測量與控制系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)對 漸開線圓柱 齒輪各單項參數(shù)的測量功能。齒輪測量中心的測控原理及系統(tǒng)組成 5 2 齒輪 測量中心的測控原理及系統(tǒng)組成 早期的齒輪量儀，采用的是機械展成式測量技術(shù)，就是將儀器的運動機構(gòu)形成的標(biāo)準(zhǔn)特征線與被測齒輪的實際特征線作 比較，來確定相應(yīng)誤差 【 1】 。 現(xiàn)代光電技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件工程 、 精密機械等技術(shù)的發(fā)展使得齒輪測量采用 CNC 坐標(biāo)測量技術(shù)成為可能。所謂電子展成，即通過由計算機、控制器、伺服驅(qū)動裝置及傳動裝置組成的展成系統(tǒng)，取代機械展成法中的展成裝置，形成某 種特定曲線軌跡 （ 如螺旋線 、 齒廓線等 ） 【 8】 。 如圖 21 所示： 當(dāng)測量漸開線齒輪時，對于齒廓測量，按照漸開線齒輪齒廓的形成原理對 W 軸和 X 軸 進行 聯(lián)動 控制，使 測頭 形成標(biāo)準(zhǔn)的理論漸開線軌跡；對于 螺旋線 測量，則是按照螺旋線的形成原理對運動機構(gòu)進行控制，若被測齒輪是斜齒輪，則需要 W 軸和Z 軸 聯(lián)動。 坐標(biāo)測量法 ，即是根據(jù)測量項目的需要，在被測齒輪的齒面上測取一系列的坐標(biāo)點數(shù)XYZW 圖 21 齒輪測量儀 Fig. 21 Gear Measuring Apparatus 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 據(jù)，然后再根據(jù) 所建立的工件坐標(biāo)系下 齒輪的數(shù)學(xué)模型對這些數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過與理論模型進行比對，求得誤差值。若要實現(xiàn)自動采點 運動控制 ，則難度更大。 CNC 型齒輪測量中心 由計算機系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三大部分組成。 各運動軸的 定義 如圖 23 所示。 雖然從原理上講，位置閉環(huán)控制系統(tǒng)是根據(jù)測量系統(tǒng)反饋回來的位置信息去確定運動部件是否已達到所需的位置，傳動系統(tǒng)誤差不會直接引起定位誤差。 在齒輪誤差 測量 運動 中，各運動構(gòu)件主要完成的是位置進給運動，不需要克服很大的阻力，運動速度也不高，但需要保證運動的平穩(wěn)性，需要頻繁 地 進行定位，切換運動速度和方向，所以 伺服 電機 應(yīng)該滿足以下 要求： 圖 23 齒輪測量中心 Fig. 23 Gear Measuring Center 伺 服 拖 動 系 統(tǒng)導(dǎo)軌機構(gòu)傳動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu) 圖 24 伺服拖動系統(tǒng)組成 Fig. 24 Servo Motion Components 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 （ 1）調(diào) 速 范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性 ； （ 2）電機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速 大轉(zhuǎn)矩的要求； （ 3）反應(yīng)速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度 ； （ 4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn) 。 采用上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 滿足了 進行齒輪 精密 測量過程對 機械和 運動系統(tǒng)要求。與加工機床和普通三坐標(biāo)測量機的數(shù)控系統(tǒng)相比，具有數(shù)據(jù)輸入通道多、數(shù)據(jù)量大、需實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制等特點 【 11】 【 12】 。 其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖 25 所示。運動 構(gòu)件的位置測量信號反饋給運動控制器，構(gòu)成位置外環(huán)，從而形成一個雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，所以具有較高的運動精度 。計算機通過開關(guān)量輸入、 輸出模板實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控 ，并與運動控制系統(tǒng)相配合，完成對儀器本身和操作人員的保護功能。 與數(shù)據(jù)采集卡相配合的接口電路使測微測頭和操縱盒能夠正常工作并完成一定的信號處理功能。 整個測量與控制系統(tǒng) 的軟硬件開發(fā)均采用模塊化的設(shè)計思想，使各模塊內(nèi)部功能運 動 控 制 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng)狀 態(tài) 監(jiān) 控 系 統(tǒng)氣壓限位急停位置測量測微測頭操縱盒伺 服 電 機伺服放大器計 算 機 總 線操 作 系 統(tǒng)測 控 軟 件運 動 控 制 器數(shù) 據(jù) 采 集 卡運 動 構(gòu) 件 圖 25 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig. 25 Architecture of Measuring and Controlling System 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 相對獨立，盡量減少模塊間的耦合。 運動控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 11 運動控制器與伺服機構(gòu)的選擇 a 運動控制器 伴隨著半導(dǎo)體制造業(yè)、計算機制造業(yè)、數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械的快速發(fā)展 ，數(shù)字運動控制器的開發(fā)與應(yīng)用 取得 了 驚人的業(yè)績，在一些工業(yè)發(fā)達國家已形成了一種新興的產(chǎn)業(yè)。可以說，只要有伺服電機應(yīng)用的場合就離不開 運動控制器 。圖 32 給出了伺服控制卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 GALIL 數(shù)字運動控制器采用 32 位高速 MCU，為應(yīng)用工程師提供了許多運動控制方式，如定位、 JOG、直線 /圓弧插補、電子齒輪、龍門同步驅(qū)動、電子凸輪、螺旋線、正切跟隨等功能。 GALIL 公司為用戶提供了功能強大的 2字符命令集，在一般應(yīng)用場合，用戶可以直接進行編程，快捷、簡單。伺服系統(tǒng)是測控系統(tǒng)的重要組成部分，用以實現(xiàn)系統(tǒng)位置及 電 機 轉(zhuǎn)程 序 監(jiān) 視 定 時器6 8 3 3 1 微 控 制 器具 有2 M R A M 和 2 M F l a s h E E P R O M高 速 電 機 /編 碼 器 接 口F I F OP n P 即 插 即 用接 口I / O 接 口中 斷 請 求P C I 總 線應(yīng) 用 于 各 運 動軸 的高 速 鎖 存 器8 可 編 程 T T L 輸入8 可 編 程 T T L 輸出高 速 編 碼 器 比 較輸 出T T L 限 位 和 零 位 輸 入主 編 碼 器+ / 1 0 V 電 壓 輸 出用 于 伺 服 電 機脈 沖 / 方 向 輸 出用 于 步 進 電 機圖 32 Galil運動 控制卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 【 15】 Fig. 32 Internal Architecture of Galil Motion Controller【 15】 運動控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 13 速的伺服控制。因此，選擇高性能的驅(qū)動系統(tǒng)以及位置控制系統(tǒng)，一直是測控系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵 【 17】 。 按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論，機床伺服系統(tǒng)通?？煞譃殚_環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。其功能是提供測量運動過程中需要的轉(zhuǎn)矩和功率并調(diào)節(jié)運動速度。 交流伺服電機 具有 動態(tài)響應(yīng)好 、轉(zhuǎn)速高，容量大 的優(yōu)點 。 在搭建起伺服系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)之后，還需要使用調(diào)節(jié)控制器對它進行控制，以滿足實際應(yīng)用時的要求。 在模擬控制系統(tǒng)中，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 （ a） （ b） 圖 34 伺服放大器與直流伺服電機 Fig. 34 Servo Amplifier and Servo Motor 運動控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 15 （ 2） 積分調(diào)節(jié) 是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。 關(guān)于系統(tǒng)的 PID 控制器參數(shù) 調(diào)節(jié) 方法，本課題中采用 了 試湊 的方 法。 （ 2） 如果在比例控制基礎(chǔ)上系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)誤差 不能滿足設(shè)計要求，則加入積分環(huán)節(jié)。在整定時，先將 微分時間 dT 置為 零，在第二步整定基礎(chǔ)上增大 dT ，同樣地相應(yīng)改變比例系數(shù)和積分時間，逐步試湊以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 位置測量系統(tǒng)的構(gòu)建 a 光柵測量系統(tǒng)的設(shè)計 位置測量系統(tǒng) 是 CNC 系統(tǒng)的重要組成部分。其中光柵是數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種檢測裝置，尤其是在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。計量光柵的