【導(dǎo)讀】計(jì)、精度分析、設(shè)計(jì)小結(jié)及參考文獻(xiàn)；在簡(jiǎn)圖中對(duì)主要零件應(yīng)統(tǒng)一編號(hào)、華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》。制造出性能優(yōu)良、高質(zhì)量、高精度的齒輪。隨著大齒輪在工業(yè)工程等方面的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)一體化的在位測(cè)量?jī)x器。在總體設(shè)計(jì)中闡述了大齒輪在位測(cè)量系統(tǒng)的工作原理及。采集的齒輪誤差信息，通過(guò)光電系統(tǒng)對(duì)測(cè)量頭信號(hào)的調(diào)理，完成了實(shí)際齒輪齒廓的測(cè)量，動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、打印。

　　

【正文】 綜合課程設(shè)計(jì) 22 考慮測(cè) 量 頭 的應(yīng)力變形，分析時(shí)，先將測(cè) 量 頭測(cè)量的偏移 量 通過(guò)測(cè)桿傳遞到片簧，計(jì)算出彈力的大小，再將彈力折算到測(cè)頭的受力，計(jì)算出應(yīng)力變形的大小 并 給予適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償 。 在 Y 方向上，主要 通過(guò)光 電 子 系統(tǒng) 對(duì) 光柵位移傳感器的條紋計(jì)數(shù)來(lái)控制 Y 方向上恒定的位移，從而實(shí)現(xiàn) 等 距離的數(shù)據(jù)采集 。 每次移動(dòng)的距離決定了數(shù)據(jù)采集的精度。在該方向上的運(yùn)動(dòng)靠步進(jìn)電機(jī)控制絲桿導(dǎo)軌，因此涉及到步進(jìn)電機(jī)的選擇和導(dǎo)軌的選擇 。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。 采用密珠滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，其運(yùn)動(dòng)靈敏度較高，并具有較高的導(dǎo)向精度。數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu) 安裝在 雙 V 行密珠導(dǎo)軌副的動(dòng)導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)采用滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)，并利用長(zhǎng)光柵位移傳感器檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)量。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。 ③ 箱體的設(shè)計(jì) 箱體的設(shè)計(jì)主要參考設(shè)計(jì)機(jī)械部分裝配后的具體尺寸， 并 根據(jù)一些設(shè)計(jì) 手冊(cè) 等資料提供的數(shù)據(jù)，確定箱體的尺寸、壁厚、肋板和凸臺(tái)等的布置和結(jié)構(gòu)參數(shù) 。 光電子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 測(cè)控 電路系統(tǒng)主要功能是信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸與自動(dòng)控制，主要從精度、轉(zhuǎn)換速率、自動(dòng)化程度等方面來(lái)考慮整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造。本系統(tǒng)主要從精度和自動(dòng)化程度來(lái)構(gòu)思整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造。 測(cè) 控系統(tǒng)電路原理圖如圖 所示。由電感傳感器將測(cè)量頭傳遞過(guò)來(lái)的齒形誤差信息（ X 方向位移量）轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并經(jīng)過(guò) 模數(shù) 轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)， 送入單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理 ；由光柵位移傳感器獲取直線導(dǎo)軌的位移量（ Y 方向位移量），其作用有兩方面：一方面通過(guò)采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生采樣信號(hào)，采集齒形誤差信息；另一方面通過(guò)莫爾條紋的計(jì)數(shù)單元獲取導(dǎo)軌的準(zhǔn)確位置，再通過(guò)計(jì)算獲得齒形誤差。 在齒形誤差測(cè)量測(cè)控電路中共有 四 路信號(hào)： 第一路信號(hào) 是由電感測(cè) 量 頭測(cè)量 其 位移量 ， 經(jīng)十字片簧和杠桿機(jī)構(gòu)放大 。 傳遞出來(lái)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、限幅、 采樣保持以 及 A/D 轉(zhuǎn)換后送入 單片機(jī)進(jìn)行 處理。 第二路 信號(hào) 是 由光柵位移傳感器采集導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向和位移量信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形、細(xì)分判向 后 送入 單片機(jī) 進(jìn)行 計(jì)數(shù) 處理，并在相應(yīng)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)脈沖后產(chǎn)生中斷。 第三路電路是由單片機(jī) 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)。 第四路電路是用單片機(jī)與 PC 機(jī)實(shí)行串口連接，實(shí)現(xiàn)齒形誤差的顯示。 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 23 圖 7 測(cè)控系統(tǒng)硬件電路原理框圖 測(cè)量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵，采用模塊化結(jié)構(gòu) ，首先通過(guò)參數(shù)初始化及計(jì)算求出定位球直徑的范圍，再經(jīng)過(guò)定位球直徑、跨齒數(shù) 、定位臂長(zhǎng)和測(cè)量臂長(zhǎng)的選擇，通過(guò)I/O 端口采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將齒輪齒行誤差顯示在窗口上。軟件系統(tǒng)主模塊框圖如圖 8 所示。 圖 8 軟件系統(tǒng)模塊圖 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 24 造型設(shè)計(jì) 造型要求 1)外形齒廓應(yīng)由直線和光滑曲線組成，盡量避免過(guò)度的 凸出物 ，使外形美觀大方，減少安全隱患 。 2)結(jié)構(gòu)勻稱(chēng)， 長(zhǎng)和寬比例近似為黃金分割 比，以取得協(xié)調(diào)美感 。 3) 結(jié)構(gòu)要 均衡 穩(wěn)定 。儀器各部分輕重對(duì)稱(chēng)，相對(duì)和諧，且下部較重，上部較輕，以降低重心。 裝飾方面 1)色彩格調(diào)符合人的審美 觀，給操作者美的感受； 2)造型與布局的關(guān)系，以布局為主，造型應(yīng)為布局服務(wù)，為布局上使用方便服務(wù)。 3）考慮操作者人體尺度、視角要求、作用力要求及操作安全等。 3 精度設(shè)計(jì)與誤差分配 精度設(shè)計(jì) 通過(guò)測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡做基準(zhǔn)來(lái)在位測(cè)量大齒輪漸開(kāi)線齒形誤差，對(duì)于大型齒輪，其漸開(kāi)線齒廓已很接近直線，只是在漸開(kāi)線的兩端誤差較大，因此需要在兩端進(jìn)行補(bǔ)償。 由設(shè)計(jì)要求，選取參數(shù)如下： mmmn 8? , 90?z ,精度 為 4 時(shí)， 齒輪的公差為36ff um? 。 根據(jù) 1/3 原則 ，儀器的總精度為 36 1/ 3 12um?? ，則 12U um?儀 。 誤差分析 機(jī)械子系統(tǒng)誤差 界面顯示程序 數(shù)據(jù)處理程序 接口部分的程序 圖 9 軟件系統(tǒng)主模塊框圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 軟件系統(tǒng) 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 25 ① 定位誤差 ② 數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)的誤差 ③ 導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)誤差 ④ 絲桿螺母結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差 ⑤ 差動(dòng)電感傳感器的裝配誤差 ⑥ 光柵位移傳感器的裝配誤差 ⑦ 電機(jī)與連軸器連接部分安裝誤差 ⑧動(dòng)導(dǎo)軌與連軸器連接部分安裝誤差 電氣子系統(tǒng)誤差 光電系統(tǒng)將測(cè)量頭采集的微位移通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由 I/O 端口送入軟件子系統(tǒng)，電路受外界干擾較大，且易受到溫度、環(huán)境的影響。主要包括： ① 傳感器誤差 ② A/D 轉(zhuǎn)換誤差 軟件子系統(tǒng)誤差 在軟件系統(tǒng)中誤差均為 以內(nèi)，可取極小值。 其余誤差 ① 原理誤差可完全補(bǔ)償； ② 溫度誤差 當(dāng)測(cè)量頭和齒輪兩者材料不同時(shí)，線膨脹系數(shù)就不同，則會(huì)引起溫度誤差。但由于測(cè)量頭直徑較小，齒輪本身由于溫度引起的變化暫時(shí)不考慮，故在此溫度誤差不計(jì)。 誤差分配 以上所分析的各種誤差中，需要進(jìn)行考慮和計(jì)算的基本屬于隨機(jī)誤差和 未定系統(tǒng)誤差，故主要按照隨機(jī)誤差的分配原則進(jìn)行分配。 參考加權(quán)作用原則，考慮到一些實(shí)際情況，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼`差調(diào)整，確定各子系統(tǒng)的精度要求（局部誤差）如下： 各子系統(tǒng)權(quán)重：機(jī)械系統(tǒng) : 電氣系統(tǒng) : 軟件系統(tǒng) : 2 2 2 1 5 . 4 30 . 7 5 0 . 2 0 0 . 0 5U? ? ???儀um 機(jī)械系統(tǒng)： D um 電氣系統(tǒng) : U 0 .2 0 3 .0 8 6? ? ? ?電 um 軟件系統(tǒng) : U 0 .0 5= 0. 77 1u m? ? ?軟 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 26 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 概述 在大型齒輪漸開(kāi)線齒形誤差在位測(cè)量系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)可以分為硬件接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理及繪制顯示圖形等模塊，實(shí)現(xiàn)的功能主要有： (1)管理和控制硬件資源：軟件系統(tǒng)將機(jī)械子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)軟件程序控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整測(cè)頭位置和確定定位球的位置等。軟件系統(tǒng)通過(guò)串口向控制芯片發(fā)送指令來(lái)控制電機(jī)的啟停，同時(shí)接受光柵傳感器的測(cè)量信號(hào)。 (2)數(shù)據(jù)分析與記錄：軟件系統(tǒng)計(jì)算出理論漸開(kāi)線的各采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo) ,并且和接收到的測(cè)得信號(hào)相比較，得出齒形公差，并保存數(shù)據(jù)。 (3) 軟件部分與硬件系統(tǒng)的交互：用戶可以通過(guò)軟件系統(tǒng)界面上的控件對(duì)測(cè)量過(guò)程和方法進(jìn)行控制，同時(shí)手動(dòng)輸入測(cè)量參數(shù)和齒輪參數(shù)。軟件系統(tǒng)可以通過(guò)在用戶界面上的圖形顯示與數(shù)字列表將測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果等信息直觀地提供給用戶。此外通過(guò)軟件系統(tǒng)提供的函數(shù)接口，外部設(shè)備和程序可以獲取本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和結(jié)果。 在計(jì)算過(guò)程中我們采用了二分法來(lái)計(jì)算 端面展開(kāi)角和端面壓力角。 牛頓迭代法是牛頓在 17 世紀(jì)提出的一種求解方法，非線性方程不存在求根方式，從而求精確根非常困難，甚至不可能，從而尋找方程的近似根就顯得特別重要。而牛頓迭代法通過(guò)比較改變初值可以快速的算出近似根。 迭代法也稱(chēng)輾轉(zhuǎn)法，是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過(guò)程 ,跟迭代法相對(duì)應(yīng)的是直接法（或者稱(chēng)為一次解法），即一次性解決問(wèn)題。迭代算法是用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一種基本方法。它利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、適合做重復(fù)性操作的特點(diǎn)，讓計(jì)算機(jī)對(duì)一組指令（或一定步驟）進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，在每次執(zhí)行這組指令（或這些步驟）時(shí)，都 從變量的原值推出它的一個(gè)新值。 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于 Windows 7 環(huán)境，采用 visual studio 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用面向?qū)ο蟮?C++語(yǔ)言，是一種集代碼編輯、編譯、鏈接、調(diào)試運(yùn)行等功能于一體的高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具。面向?qū)ο蠹夹g(shù)是目前流行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)技術(shù)，它包括面向?qū)ο蠓治龊兔嫦驅(qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)具有封裝性、多態(tài)性、和繼承性等特點(diǎn)。 C++語(yǔ)言簡(jiǎn)單功能強(qiáng)大、類(lèi)型安全、形式優(yōu)美，并且實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)。 總體設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)測(cè)量任務(wù)的結(jié)構(gòu)上可分為四個(gè)部分：電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序部分 、接口部分、數(shù)據(jù)處理部分和界面顯示部分。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò) MCU 產(chǎn)生 PWM 波控制電機(jī)的運(yùn)作，接口部分包括接口初始化程序和數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)處理部分包括定位球直徑范圍的計(jì)算、測(cè)頭測(cè)量范圍的計(jì)算和采樣次數(shù)的計(jì)算、定位球球心位置和測(cè)量球球心位置的確定、理論漸開(kāi)線的確定和誤差的處理等，界面顯示程序使測(cè)量結(jié)果通過(guò)數(shù)字與圖形兩種方式在軟件界面上顯示出來(lái)。該測(cè)量系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。 其基本結(jié)構(gòu)如圖 10 所示： 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 27 總體設(shè)計(jì)階段，組內(nèi)討論決定發(fā)出指令由 PC 完成，則 PC 需要計(jì)算齒輪參數(shù)和控制采集數(shù)據(jù) 還有電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體工作流程圖如圖 11 所示。 輸入齒輪初始參數(shù)：模數(shù)、齒數(shù)、嚙合齒數(shù)、采樣次數(shù) 等待輸入判斷輸入數(shù)據(jù)正誤 計(jì)算齒輪相關(guān)參數(shù)并計(jì)算定位球半徑范圍 N 開(kāi)始 Y 顯示定位球可選范圍并等待輸入 判斷輸入的定位球直徑是否合理 N 1 Y 界面顯示程序 數(shù)據(jù)處理程序 接口部分的程序 圖 10 軟件結(jié)構(gòu)框圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 軟件系統(tǒng) 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 28 計(jì)算定位球半徑 和初始位置坐標(biāo) 確定每個(gè)采樣坐標(biāo)點(diǎn)的原理誤差 判斷用戶是否點(diǎn)擊測(cè)量 N 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，測(cè)頭到達(dá)起始點(diǎn) 開(kāi)啟電機(jī) 開(kāi)始測(cè)量 開(kāi)始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理 到達(dá)終點(diǎn)，停止電機(jī) 輸出實(shí)際齒形誤差數(shù)據(jù) 結(jié)束 圖 11 總體程序設(shè)計(jì)流程圖 Y 測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè) 專(zhuān)業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 29 數(shù)據(jù)處理部分 被測(cè)齒輪基本尺寸的計(jì)算 由已知的齒數(shù)、模數(shù)即可得到齒輪分度圓半徑 R、齒輪齒頂圓半徑 、齒輪起測(cè)圓半徑 均可由初始化輸入的齒輪模數(shù)和齒數(shù)得到，計(jì)算公式如下： 齒輪分度圓半徑： R= mz (42) 齒輪齒頂圓半徑： ar = mz+m (43) 齒輪基圓半徑： cosbtr mz ?? (44) 齒輪起測(cè)圓半徑 : 2 2 2 2( / s i n )g b b tr r R r m ?? ? ? ? (45) 齒輪分度圓的端面齒形展角： t t tinv =tan ? ? ? (46) 定位球直徑的范圍 此系統(tǒng)測(cè)量的基本原理是利用測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡去逼近齒形漸開(kāi)線，為保證系統(tǒng)的測(cè)量精度，選取合適的定位球?qū)μ岣叨ㄎ痪扔兄陵P(guān)重要的影響。定位球的大小要保證其同兩齒廓可靠接觸，定位球球心位置應(yīng)在分度圓與齒頂圓之間變化。當(dāng)輸入被測(cè)齒輪參數(shù)后，系統(tǒng)將計(jì)算出定位球的直徑范圍，供用戶選擇合適的定位球公稱(chēng)直徑。其計(jì)算公式如下： rrrSrrr bibttibbb Zi n vD 22]}2)(t a n [ a r c c o s{)c o s (2 ????????? ??? (47) 式中 為基圓螺旋角， 為端面分度圓齒厚， tinv ? 為齒輪分度圓的端面齒形展角。 將 及 分別代入（ 47）式可得到定位球的最大直徑 和最小直徑 ，即： 22m i n 2 c o s ( ) { t a n [