【正文】 CPU輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌移動(dòng)，從而使測(cè)頭隨齒行方向移動(dòng)。由于該導(dǎo)軌采用單層導(dǎo)軌，避免采用復(fù)合導(dǎo)軌引起的儀器誤差，易于保證精度。片簧與柱銷構(gòu)成換向機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量左右齒面。在系統(tǒng)運(yùn)行開始時(shí)，軟件系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話界面在輸入待測(cè)齒輪參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)提示可選用的定位球直徑的大小范圍，及已經(jīng)計(jì)算確定的定位臂的長(zhǎng)度范圍，選用合適的定位球直徑和定位臂長(zhǎng)，系統(tǒng)可以自動(dòng)的確定定位位置并補(bǔ)償定位誤差。ACCE、 代入，可得 1 139。A 圖 定位球球心相對(duì)于齒輪軸心位置圖 則齒間隙為 2siRSSZ??? （式 ） 由公式（ 229）（ 230）（ 231）可得 ()2 t ti tiS R i nv i nvZ R R?? ? ?? ? ? ? （式 ） 由圖 可知 ta n( ) ta n( )2 c os( ) b ti b tibD RR? ? ?? ? ? ? 化簡(jiǎn)得 2 c os( ) ( ta n( ( ) ) ta n( ) )2 tb b ti ti t tiiS RD R inv invZ R R?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （式 ） 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 11 圖 測(cè)量頭坐標(biāo)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型圖 如圖 所示， A′、 B′分別為兩定位球球心，測(cè)量頭在坐標(biāo)系 xOy 中的位置可由下式表示 ( 39。2c o s ( ) s in ( )s in ( ) c o s ( )0ttx x yy x yz??? ??????? ?? （式 ） 1x 為在 1 1 1xOy 坐標(biāo)系統(tǒng)的 x 軸分量， 1y 為 y 軸分量。 3 運(yùn)用該方法易于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，并且有利于提高大型齒輪在位測(cè)量的精度。 直線基準(zhǔn)法 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 5 測(cè)量的基本原理是利用測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡去逼近齒輪漸開線。 直角坐標(biāo)法測(cè)量漸開線齒形的原理是把被測(cè)齒形置于給定的直角坐標(biāo)系中，把測(cè)量得到的齒形各點(diǎn)的直角坐標(biāo)值與其理論坐標(biāo)比較，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得齒形誤差。另外對(duì)于提高檢驗(yàn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度等方面的要求，在儀器設(shè)計(jì)中也應(yīng)有所考慮。有些是固定的，有些是可動(dòng)的，有些是可調(diào)的。例如，在設(shè)計(jì)高精度的分度裝置，除了應(yīng)該選擇恰當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換原理外，軸系實(shí)際便是一個(gè)關(guān)鍵。這些載體的大小、形狀、材料、重量、狀態(tài)等特點(diǎn)都將對(duì)測(cè)量和跟蹤控制的質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。就具體一臺(tái)儀器而言，其所能達(dá)到的新功能，所實(shí)現(xiàn)的新方法，所反映出的新技術(shù)、新理論等，則是儀器總體設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新。伴隨著齒輪制造技術(shù)的提高和對(duì)其傳動(dòng)性能、精度、壽命等方面的要求越來越來高，齒輪檢測(cè)技術(shù)一直在不斷地研究與提高。因此，測(cè)控儀器的范疇十分廣泛。 ⑴ 了解被測(cè)控參數(shù)的特點(diǎn) 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 2 測(cè)控儀器的工作任務(wù)首先是對(duì)被測(cè)參數(shù)的測(cè)量和跟蹤。例如：儀器是在室內(nèi)還是室外工作；是在計(jì)量室內(nèi)還是車間工作；是在線測(cè)量還是離線脫機(jī)測(cè)量；間斷工作還是連續(xù)工作（以及連續(xù)時(shí)間）；儀器工作環(huán)境（環(huán)境溫度變動(dòng)范圍，濕度及振 動(dòng)情況，灰塵以及外界干擾）等。 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 3 ⑶ 儀器中的感受轉(zhuǎn)換部件類型 感受元件是采用接觸式的還是采用非接觸式的，既決定于被測(cè)件材料的性質(zhì)，也與被測(cè)參數(shù)本身的性質(zhì)有關(guān)。 ⑹ 儀器的使用場(chǎng)合 對(duì)于計(jì)量室內(nèi)使用的高精 度儀器，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采取措施避免外界條件變化對(duì)它的影響，或者設(shè)計(jì)有消除外界條件變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的校正環(huán)節(jié)。 大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測(cè)的主要方法 齒形誤差的主要測(cè)量方法有：直角坐標(biāo)法、標(biāo)準(zhǔn)漸開線法、直線基準(zhǔn)法、極坐標(biāo)法原理、標(biāo)準(zhǔn)圓弧法 (會(huì)田氏法 )、單面嚙合整體測(cè)量法。用一直尺與基圓盤相切，當(dāng)基圓盤旋轉(zhuǎn)，直尺沿切線方向做無滑動(dòng)的移動(dòng)時(shí)，直尺與基圓盤的切點(diǎn)相應(yīng)移動(dòng)，使直尺上的點(diǎn) A 相對(duì)于基圓盤上的點(diǎn) A? 形成理論漸開線軌跡。在齒形工作范圍內(nèi)，用直線作基準(zhǔn)在位檢測(cè)大齒輪漸開線誤差是完全可行的。 從 1 1 1xOy 到 2 2 2xOy 的變換關(guān)系 ( 2 ) ( 1 ) 1txxzR M R A??? （式 ） 1 1 1xOy 中的 1x 軸上的分量投影到 2 2 2xOy 中，由于 1 1 1xOy 坐標(biāo)系與 2 2 2xOy 坐標(biāo)系夾角為 t? ，因此可得 39。 12c o s ( ) s in ( ) 0s in ( ) c o s ( ) 00 0 1ttttx xyyzz?????? ? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ??? （式 ） 然后通過平移 1sin ( )cos( )0titiRAR?????????? （式 ） 就可得到接觸點(diǎn)在 2 2 2xOy 的坐標(biāo) ( 2 )( s in ( ) c o s ( ) ) c o s ( ) ( c o s ( ) s in ( ) ) s in ( ) s in ( )( s in ( ) c o s ( ) ) s in ( ) ( c o s ( ) s in ( ) ) c o s ( ) c o s ( )0b t i t i t i t b t i t i t i t tx b t i t i t i t b t i t i t i t tR R RR R R R? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?（式 ） 從 2 2 2xOy 坐標(biāo)系變換關(guān)系為 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 8 2( ) ( 2 ) 2xxzR M R A??? （式 ） 顯然 2? 為 0，故變換矩陣為 21 0 00 1 00 0 1zM?????? ???? （式 ） 2 2 2xOy 坐標(biāo)系再通過平移 2A ， 在 2x 軸方向上向左平移 1 * *sec( )2bd ?， b? 為基圓螺旋角， d 為測(cè)量頭直徑。 ) c os( )2tW A C C E Z??? ? ? （式 ） 139。 本儀器是針對(duì)齒數(shù)為 97，模數(shù)為 10 的一類大型齒輪齒形誤差測(cè)量而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。對(duì)于鎖緊螺母與半球形墊圈，應(yīng)避免夾緊時(shí)的過定位，保證定位精度，且裝夾方便。步進(jìn)電機(jī)主要考慮到步進(jìn)角和轉(zhuǎn)矩，絲桿導(dǎo)軌考慮與步進(jìn)電機(jī)的選擇匹配。 電 感 傳感 器放 大 電路限 幅A / D S 78 0 4光 柵 傳感 器步 進(jìn) 電 機(jī)地 址 譯 碼器驅(qū) 動(dòng) 電路細(xì) 分 、 辨 向 、 計(jì)數(shù) （ H C T L 2 0 2 0 ）PC 總線顯 示P C鍵 盤打 印 圖 電路原理圖 在齒形誤差測(cè)量測(cè)控電路 最上路信號(hào)是由電感測(cè)頭測(cè)量位移量經(jīng)十字片簧和杠桿機(jī)構(gòu)放大、傳遞出來的輸出信號(hào)。 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 15 圖 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 。由電感傳感器將測(cè)量頭傳遞過來的齒形誤差信息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過 I/O 端口送入2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 14 計(jì)算機(jī)。每次移動(dòng)的距離決定了數(shù)據(jù)采集的精度。為了適合不同齒輪的測(cè)量，需要設(shè)定不同定位球的大小和測(cè)量臂 長(zhǎng)度的選擇，這個(gè)通過一定的計(jì)算公式有軟件部分給出相應(yīng)的推薦范圍。該測(cè)量系統(tǒng)具體是由機(jī)械主體、誤差信號(hào)提取及處理單元電路、采樣控制信號(hào)單元及伺服驅(qū)動(dòng)單元電路四部分組成，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)以 PC 機(jī)為核心在軟件菜單的控制下完成齒形誤差的采集和處理。 c o s ( )2 2 2 2 2c o s ( )2b t ttNcd R R A OZ Z Z Z ZOEZ? ? ? ? ?? ? ???? ? ? ? ??? （式 ） 39。2 139。 理論漸開線數(shù)學(xué)模型 測(cè)量頭在齒廓上滾動(dòng)，其軌跡就是理論漸開線齒形的等距漸開線，故 2 1 se c( )2 bAO d ?? （式 ） 圖 測(cè)量坐標(biāo)系 式中， d 為測(cè)量頭直徑， b? 為基圓螺旋角。 圖 直線基準(zhǔn)法 假設(shè)在齒形工作范圍內(nèi)齒面上任意一點(diǎn) iM 處的采樣值為 i? ，則 i? 既包括了齒形誤差信息量 iX? ，又包括了測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡與漸開線之間的原理誤差i? 即 iii XX ???? 。此方法測(cè)量齒形，不需要切向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化齒輪測(cè)量中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，兩軸位移非線性，對(duì)徑向測(cè)量系統(tǒng)的精度及測(cè)頭相對(duì)于齒 輪軸線的位置精度要求較高，僅適合中等精度齒形的測(cè)量。 本次設(shè)計(jì)中創(chuàng)新點(diǎn)有： ⑴ 原理創(chuàng)新 提出測(cè)量齒輪齒形誤差的直線逼近漸開線的原理，測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)，消除了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器采用復(fù)合導(dǎo)軌所引起的誤差，保證了精度，并使開發(fā)的儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量鏈短、成本降低等。 ⑸ 儀器的通用性 如果要求儀器具有一定的通用性，就應(yīng)為儀器設(shè)計(jì)一定的附件和調(diào)整環(huán)節(jié)，同時(shí)也要考慮各種附件在主機(jī)上的裝卸問題，使儀器能適應(yīng)不同的測(cè)量對(duì)象。這兩類不同測(cè)量方法的儀器，設(shè)計(jì)時(shí)差別很大，它們對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換原理的選擇有不同的考慮，而且在儀器結(jié)構(gòu)布局上也有較大差異。 ⑶ 了解儀器的功能要求 儀器的功能要求包括儀器用途（是靜態(tài)測(cè)量還是動(dòng)態(tài)測(cè)量、是開環(huán)測(cè)量還是閉環(huán)測(cè)控、是一維測(cè)量還是多 維測(cè)量、是單一參數(shù)測(cè)量還是多種參數(shù)測(cè)量）；儀器的檢測(cè)效率；儀器的測(cè)量范圍；儀器的承載能力；儀器的操作方式（手動(dòng)、自動(dòng)、鍵盤、觸摸屏）；測(cè)量結(jié)果的顯示方式（儀表、數(shù)字、圖象、記錄、打印等）；儀器的自動(dòng)診斷要求；儀器的自動(dòng)保護(hù)要求以及儀器的外輪廓尺寸與自重要求等。這一工作的目的是要弄清楚設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)儀器設(shè)計(jì)提出的要求和限制，以便所設(shè)計(jì)的儀器能實(shí)現(xiàn)和滿足設(shè)計(jì)任務(wù)提出的各項(xiàng)指標(biāo)和要求。 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 1 2 總體設(shè)計(jì) 引言 儀器總體設(shè)計(jì)，是指在進(jìn)行儀器具體設(shè)計(jì)以前，從儀器自身的功能、技術(shù)指標(biāo)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)框架及儀器應(yīng)用的環(huán)境和條件等總體角度出發(fā)，對(duì)儀器設(shè)計(jì)中的全局問題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。 關(guān)鍵字 ：大型齒輪 齒形誤差 直線基準(zhǔn)法 在位檢測(cè) 定位 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) II 目錄 摘要 ............................................................................................................................ I 目錄 ........................................................................................................................... II 1 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書 ......................