【正文】 II .........................................................................................................44 ......................................................................................................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 齒輪的應用有著悠久的歷史，而齒輪的科學研究卻始于 17 世紀 發(fā)現(xiàn)齒輪傳動的節(jié)點原理 。 整機聯(lián)調(diào)和 實 驗驗 證 表 明 了 本套 測控系統(tǒng)的 軟硬件 開發(fā)是 比較 成功的， 實現(xiàn) 了 漸開線 圓柱 齒輪 各單項誤差的 自動化測量 ， 并對其它 同類儀器的產(chǎn)品開發(fā)和 升級改造具有參考意義和實用價值。按照軟件工程的開發(fā)規(guī)范完成了齒輪測量中心用戶軟件中測控系統(tǒng)軟件部分的代碼編寫工作，主要包括數(shù)據(jù)采集程序 ，狀 態(tài)監(jiān)控程序，運動控制程序和用戶接口程序等。 從儀器的機械系統(tǒng)特點出發(fā)，建立了具有開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點的 自動運 動控制系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 從而使 儀器 具備了自動測量 所需的硬件條件。本 課題 從工程實際出發(fā)，成功地 完成了齒輪測 量中心測控系統(tǒng)的開發(fā)工作 。摘要 I 論文題目 : 齒輪測量中心測控系統(tǒng)開發(fā) 學科領(lǐng)域 ：測試計量技術(shù)及儀器 論文作者： 昌明 簽名 ： 導師姓名 ：張 琳（副教授） 簽名： 答辯日期 ： 2021 年 3 月 摘 要 隨著我國制造業(yè) 水平 的不斷提高 和發(fā)展 ， 以及 對外經(jīng)濟貿(mào)易活動的日益頻繁， 不但 對齒輪的加工 和檢測精度 提出了越來越高 的要求，還對齒輪誤差評價標準提出了 多樣化的 要求 。而 傳統(tǒng) 齒輪測量儀 器雖然 測量 精度較高，但由于功能 單一 、數(shù)據(jù)處理能力弱等缺點，已經(jīng)無法滿 足自動化檢測的要求。 本文論述了 以電子展成法 為運動控制基礎(chǔ) ， 結(jié) 合坐標測量技術(shù)進行誤差補償 的原理 ， 開發(fā) 齒輪測量中心測控系統(tǒng)的 實現(xiàn) 方法 。運用面向?qū)ο蟮木幊趟枷雽A柱齒輪的 特征參數(shù)和測量 方法 進行了抽象 與封裝。與 設計的機械 系統(tǒng)相互配 合，實現(xiàn)了漸開線圓柱齒輪各單項參數(shù)的 自動 測量功能。 關(guān)鍵詞： 齒輪測量中心，漸開線 圓柱 齒輪， 電子展成法， 電子齒輪，測控系統(tǒng) 西安理工大學碩士學位論文 II ABSTRACT I Subject： MEASURING AND CONTROLING SYSTEM DEVELOPS ON GEAR MEASURING CENTER Specialty： Measurement Metrology Technology amp。 1765 年， 將漸開線齒形引入齒輪。由于制造與安裝等方面的原因， 實際齒輪總是存在著誤差。因此，如何表征、測量、分析、利用和控制齒輪誤差一直是不斷探索的課題。齒輪測量技術(shù)的發(fā)展歷程是以齒輪精度理論的發(fā)展為前提的。迄今 ，齒輪精度理論經(jīng)歷了齒輪誤差幾何學理論、齒輪誤差運動學理論和齒輪誤差動力學理論的發(fā)展過程。反過來，齒輪測量技術(shù)的發(fā)展也為齒輪精度理 論的應用和齒輪標準的貫徹提供了技術(shù)支撐。 20 世紀 70 年代以前，齒輪測量原理主要以比較測量為主，其實質(zhì)是相對測量。迄今，基于這些技術(shù)的儀器仍是一些工廠檢測齒輪的常用工具。齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機（中心）的出現(xiàn)解決了齒輪測量領(lǐng)域的一個難題 ,即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。齒輪整體誤差測量技術(shù)是從齒輪綜合測量中提取單項誤差和其它有用信息。 20 世紀 90 年代以來，隨著計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，齒輪測量技術(shù)的發(fā)展開始呈現(xiàn)出多種趨勢。 整體上考察過去一個世紀里齒輪測量技術(shù)的發(fā)展 ， 主要表現(xiàn)在三個方面： （ 1） 在測量原理方面 ， 實 現(xiàn)了由“比較測量”到“嚙合運動測量” ，直至“模型化測量”的發(fā)展； （ 2） 在實現(xiàn)測量原理的技術(shù)手段上 ， 歷經(jīng)了“以機械為主”到“機電結(jié)合” ， 直至當今的“光 —— 機 —— 電”與“信息技術(shù)”綜合集成的演變； （ 3） 在測量結(jié)果的表述與利用方面，歷經(jīng)了從“指示表加肉眼讀取”，到“記錄器記錄加人工分析”，直至“計算機自動分析并將測量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。 目前， CNC 型齒輪測量中 心 在檢測功能，測量精度和自動化程度方面均得到很大提高 ，不僅可以測量齒輪工件，還可以測量齒輪加工刀具，甚至可以對加工機床的參數(shù)調(diào)整給出參考 。 數(shù)字控制（ Numerical Control）技術(shù)，簡稱數(shù)控（ NC）技術(shù)，是指用數(shù)字化信息（數(shù)字量及字符）發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。數(shù)控設備就是裝備了 這種 系統(tǒng)的受控設備，它 廣泛地應用在制造業(yè)和其它行業(yè)中 ，如數(shù)控加工 設備、數(shù)控測量設備 等 【 2】 。數(shù)控技術(shù)水平的高低和數(shù)控設備的擁有量，是衡量國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一。 它的研究開始于 20 世紀 40 年代前后。 在微型計算機普及以前，數(shù)控設備的數(shù)控功能是利用專用計算機的硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，稱為硬件數(shù)控或簡稱 NC，它們往往體積巨大，結(jié)構(gòu)復雜，靈活性低。計算機數(shù)控（ CNC）系統(tǒng)的部分或全部控制功能都是通過軟件來實現(xiàn)的，故只需更改相應的控制程序，就可改變控緒論 3 制功能，而無需改變硬件電路， 大大提高了控制系統(tǒng)的通用性和靈活性，即具有很好的“柔性” 【 4】 。我國從 1958 年開始數(shù)控技術(shù)的研究工作，目前，我國已經(jīng)組織各方面的力量制定了中國的開放式數(shù)控系統(tǒng) ONC（ Open Numerical Control）技術(shù)規(guī)范，并已經(jīng)作為國家技術(shù)標準正式發(fā)布 【 5】 。 它 具有以下五個方面的 特性：系統(tǒng)互換性、可伸縮性、可移植性、可操作性 和 可擴展性。此外，系統(tǒng)能直接運行第三方軟件，充分利用現(xiàn)有的軟件來開發(fā)出滿足自己要求的數(shù)控系統(tǒng)。 基于 PC 機的數(shù)控系統(tǒng)，就是指建立在普及型 PC 機（個人計算機）的硬件和操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上， 采取機卡分離的方式， 使用市場上 銷售 的軟件和 硬件 來實現(xiàn)機床控制功能的數(shù)控系統(tǒng)。 眾所周知， PC 機本身就是一個標準的開放式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。 微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，使得能夠制 造出功能強大、體積小巧的運動控制器產(chǎn)品，加速了 PC 機在數(shù)控領(lǐng)域的普及速度。 PC 機進入數(shù)控領(lǐng)域，極大地豐富了數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件資源，有利于實現(xiàn)總線式、模塊化、開放化的數(shù)控系統(tǒng)。所以，計算機數(shù)控系統(tǒng)將得到越來越廣泛的應用。 而伴隨 我國齒輪新標準的進一步實施，提出了 對 凸形齒、修緣齒等 零件的測量要求。 與傳統(tǒng)的齒輪測量儀器相比，齒輪測量中心除具有 自動化程度高、測量精度高的特點外 ，在誤差數(shù)據(jù)處理和評定方面 也 具有很大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點。 因此，開發(fā)一臺具有上述特點、能夠滿足用戶需要的齒輪測量中心產(chǎn)品是十分必要的。 齒輪測量中心的系統(tǒng)組成包括：機械系統(tǒng)，測量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與誤差評價系統(tǒng)四個部分。主要內(nèi)容包括： （ 1） 測量與控制系統(tǒng)的硬件設計與構(gòu)建（含運動控制器、測頭的選型，運動軸位置信息、測頭偏移量的獲取與處理，手動操縱盒的設計，安全保護系統(tǒng)設計）； （ 2） 控制系統(tǒng)設計（含電機數(shù)字控制策略、測量方案設計）； （ 3） 編寫 測控系統(tǒng)相關(guān)程序 。而精確的展成運動是借助一些精密機構(gòu)來實現(xiàn)的。比較測量的主要缺點是：測量精度依賴于標準件或展成機構(gòu)的精度，機械結(jié)構(gòu)復雜，柔性較差，同一個齒輪需要多臺儀器測量。 齒輪測量坐標 系的建立方 法可細分為直角坐標法、極坐標法和圓柱坐標法。 電子展成法是相對機械展成法而言的。 電子展成法一般是按照被測齒輪的理論方程進行控制的，數(shù)控系統(tǒng) 采用 閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，通常采用極坐標法或圓柱坐標法，這樣方便建立工 件坐標系，簡化數(shù)控系統(tǒng)的軟件編程難度。 采用這種方法開發(fā)齒輪量儀，難度主要集中在運動控制程序的編制上，數(shù)據(jù)處理難度相對較低。運動過程中，計 算機實時采集測頭 變形量 和同一時刻各坐標 軸光柵的計數(shù)值， 然后經(jīng)過分析處理，輸出測量結(jié)果 【 9】 。 坐標測量法通常應用于 三坐標測量機 （ 如 圖 22） ，將被測齒輪放置在三坐標測量機的工作范圍之內(nèi)， 建立工件坐標系 ，之 后被測齒輪 的位置 將不能 改變 。采用這種方法進行測量，難度主要集中在 數(shù)學模型的建立和 后期的數(shù)據(jù)處理上，對開發(fā)人員有較高要求。 比較上述兩種測量方法， 考慮到 開發(fā)難度和時間 ，這里利用電子展成法 構(gòu)建 CNC 型齒輪測量中心 。為此 還 需要在后期數(shù)據(jù)處理時 ，利用采樣點的坐標值 對誤差值進行修正，減小傳動誤差對測量結(jié)果的影響 【 10】 。 以機械系統(tǒng)為 基礎(chǔ)，以計算機系統(tǒng)為開發(fā)工具和工作平臺，以測量與控制系統(tǒng)為核心單元 。 測量中心的系統(tǒng)組成 伺服拖動 系統(tǒng) 由于齒輪是回轉(zhuǎn) 體 零件，使用圓柱坐標系對其進行測量比較便利，主運動系統(tǒng)應有三維直線運動自由度和繞齒輪 軸線 回轉(zhuǎn)運動自由度 。 圖 22 三坐標測量機 Fig. 22 CMM 齒輪測量中心的測控原理及系統(tǒng)組成 7 伺服拖動系統(tǒng) （如圖 24） 對齒輪測量中心這樣的精密測量設備而言，其性能影響著儀器的最 終精度。 傳動 機構(gòu)方面 ， 根據(jù) 測量過程中運動平穩(wěn)、爬行小、剛度高，同時不 應 產(chǎn)生較大的震動和噪聲的 要求 ，選 用 了 滾動螺旋傳動 。但若傳動機構(gòu)精度不高，或有空程、爬行等現(xiàn)象，便會延長尋覓準確定位的時間，甚至來回搜索，乃至難以準確定位。 在絲杠與驅(qū)動電機間均采用了橡膠同步帶傳遞運動。 直流伺服電機 具有 低轉(zhuǎn)速大慣量 ， 轉(zhuǎn)矩大 ， 起動力矩大 ，調(diào)速范圍大、低速運 行平穩(wěn)， 力矩波動小的性能特點 。 這里選用了調(diào)速性能良好的直流伺服電機。采取如 圖 23 所示的坐標系建立方案，為 以后 測量與控制系統(tǒng)的軟件編程工作也帶來了方便。 由于齒輪測量中心所測量的項目包含有形狀、尺寸及位置等幾何要素，因此要求 采樣點密集、采樣頻率高，以實現(xiàn)高精度、高效率測量。 當齒輪測量中心的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定以后，測控系統(tǒng)成為影響儀器精度的 重要 因素。 按組成結(jié)構(gòu) ，可 分為 運動 控制 系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) ，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 和測控軟件四部分，各部分間相互配合，共同完成整機 的測量與控制任務。 （ 1）運動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)主要由運動控制器、伺服放大器、伺服電機、位置測量系統(tǒng)組成，主要完成測量過