大型齿轮渐开线齿形误差在线测量仪器设计(全套图纸).doc
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1、毕业设计说明书论文(全套CAD图纸) QQ 36396305 专业综合课程设计设计说明书撰写要求1. 整理提纲,与指导教师讨论设计说明书的撰写内容;2. 设计说明书应在设计工作的基础上独立完成,严禁抄袭,以便培养良好的学术道德;3. 设计说明书内容包括:摘要、目录(标题及页次)、设计任务书、总体设计(设计任务分析与创新点的构思、测控仪器若干设计原则的考虑、测控仪器若干设计原理的讨论、测控仪器工作原理的选择和系统设计、测控系统主要结构参数与技术指标的确定、测控仪器造型设计)、精度设计、机械系统设计、光电系统设计、软件系统设计、精度分析、设计小结及参考文献;4. 设计说明书应按教师推荐的格式书写,
2、要求文字简明、通顺,尽量使用专业术语;5. 说明书的内容应以计算内容为基础,参数的最后选择应符合相关国家标准;6. 设计说明书中的相关计算内容应列出计算公式,标注出处、单位,写出简短的分析结论;7. 为了清楚说明计算内容,应附必要的插图和简图。在简图中对主要零件应统一编号、以便在计算中和分析中引用;8. 全部设计中所使用的参量符号和标注,必须前后一致,各参量的数值应标注单位(采用国际单位);9. 设计说明书文中和文后要标注和著录参考文献,标注和著录参考文献的方法参考中华人民共和国国家标准GB 771487文后参考文献著录规则。王代华2003年12月第一稿2004年12月修改2005年12月第二
3、次修改2007年1月第三次修改2009年1月第四次修改67摘 要随着工业化、信息化的不断进步,对齿轮的要求也进一步提高。齿轮检测技术则在齿轮制造中占据着举足轻重的地位,没有先进的检测方法和可靠的检测仪器,就不可能制造出适应现代工业的高精度的齿轮。针对大型齿轮齿形误差的在线测量,本设计中采用了机械、光电、计算机一体化的设计理念。在总体设计中阐述了大齿轮在位测量系统的工作原理及系统组成的各个部分,在关键的机械装置设计过程中应用了坐标系统一的思想;在误差分析过程中合理分配各部分误差,并采用了高精度的测量方法来减小误差,根据测量头所采集的齿轮误差信息,通过光电系统对测量头信号进行调理,完成了实际齿轮齿
4、廓的测量;电气子系统使用单片机完成数据采集以及点击的控制,将数据传送到PC进行后期的处理打印。软件子系统的设计是基于Visual Studio 2010平台,运用C#编程语言,构建了测控系统人机交互平台,实现了误差的自动采集、处理、存储、显示、打印。 关键词:大齿轮 齿形误差 直线基准 在位检测 定位目 录摘要 .1目录.21、设计任务书.32、总体设计.43、精度设计与误差分配.234、机械子系统设计.255、光电子系统设计.266、软件子系统设计.547、精度分析.578、心得体会.61参考文献.62附录 1 专业综合课程设计设计任务书设计题目:large-scale gearsinvol
5、ute profile error measuring machine with a straight line basis(大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪)设计要求:设计大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪器,结构简单,重量轻,体积小,测量链短;被测齿轮参数:模数mm,齿数,精度4级及其以下;实现误差数据的自动采集、处理、存储、显示、打印输出检测参数;2 总体设计2.1引言齿轮是机械制造中的重要传动元件,它广泛应用于汽车、机床、工程机械、发电、船舶、航天航空、兵器等各方面。随着仪器科学的发展,对于齿轮制造精度的要求日益提高。因此在不断提高齿轮加工工艺水平的同时, 还必须不断地完善各种齿轮的测量
6、方法与装备,把齿轮测量技术提高到一个新的水平。在做到准确测量的同时, 通过分析、研究测量出的各种参数误差, 找出其产生的原因及解决的方法, 并将其提供给制造加工部门, 使他们能够及时改进加工工艺, 提高产品质量。齿形误差是指在齿轮端截面上齿形的工作部分内,包容实际齿形且距离最小的两条设计齿形间的法向距离,它是一个合成误差。评定渐开线齿形用两平行直线来包容评定,设计齿形则用两条平行的设计齿形线来包容。齿形误差可使齿廓上接触点脱离啮合线造成瞬时传动比的变化,影响齿轮传动的平稳性,因此齿形误差是评定齿轮加工精度的主要项目之一,必须严格控制在国家标准的齿形公差范围内。2.2主要测量方法齿形误差的主要测
7、量方法有:直角坐标法、标准渐开线法以及直线基准法。2.2.1直角坐标法坐标法是指将被测齿形上的若干点的实际坐标与理论坐标进行比较,计算得出齿形误差。根据测量过程中采用的渐开线坐标形式,坐标法可以分为直角坐标法与极坐标法。直角坐标法测量渐开线齿形的原理是把被测齿形置于给定的直角坐标系中,把测量得到的齿形各点的直角坐标值与其理论坐标比较,经数据处理获得齿形误差。这种方法的控制与数据处理软件均比较复杂,测量精度难以提高。极坐标法的渐开线齿形测量仪,其工作台在旋转的同时,测头按渐开线极坐标方程 沿径向移动,同时测量实际齿形偏差。此方法测量齿形,不需要切向运动机构,可以简化齿轮测量中心的机械结构,但数据
8、处理复杂,两轴位移非线性,对径向测量系统的精度及测头相对于齿轮轴线的位置精度要求较高,仅适合中等精度齿形的测量。2.2.2标准渐开线法将被测齿形与仪器产生的理论渐开线轨迹进行比较,从而求出齿形误差的方法称为标准渐开线法。用一直尺与基圆盘相切,当基圆盘旋转,直尺沿切线方向做无滑动的移动时,直尺与基圆盘的切点相应移动,使直尺上的点A相对于基圆盘上的点形成理图2-1 直线基准法示意图论渐开线轨迹。若测微仪的测端相对于切点,当被测齿形与测端接触时,就可以使实际齿形与理论渐开线轨迹进行比较,从而测得误差。在大齿轮的测量中,理论渐开线轨迹不容易复现,常用一些简单的几何型线,如圆弧和直线来代替理论渐开线作为
9、替代标准。2.2.3直线基准法测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。如图2-1所示,测量头A只能沿Y轴方向作直线运动,而且始终保持与齿面接触。当测量头A沿Y轴方向做直线运动时,它在X轴方向的变化量可以由测微传感器反映出来。假设在齿形工作范围内齿面上任意一点处的采样值为,则既包括了齿形误差信息量,又包括了测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的原理误差即。2.2.4本次设计原理选择及选其的理由我们选择直线基准法作为设计原理,应属于展成法范围,其原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。在齿形工作范围内,用直线作基准在位检测大齿轮渐开线误差是完全可行的。选择直线基准法主要考虑到
10、以下三点: 大型齿轮渐开线轮廓接近直线,在测量范围内原理误差不大,有利于实现测量原理。 随着齿数和模数增大,其原理误差变化不大,故该测量原理适用范围广,具有现实意义。 运用该方法易于实现在线测量,并且有利于提高大型齿轮在位测量的精度。2.3 创新点采用单片机作为数据接收和电机控制, 单片机与总线相比优点: 单片机成本低廉(45元),相较于总体仪器开销微乎其微。 利用总线方式,PCI插槽位于PC机主板上;若利用PCI接口,会占用主板硬件资源。 PCI板卡已插在PC上,则senser与板卡间需要信号线。传感器输出线太长,容易受干扰,带入噪声。 利用单片机方便对采集与电机执行控制得到采样信号后与PC
11、通信,将采样信息送入PC。方式1:无线串口蓝牙,方式2:USB方式。 省去很多硬件资源,如分频器件、总线控制器、缓存器等。2.4 测量仪器工作原理及其系统设计2.4.1 直线基准法的基本原理测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿形渐开线,如图2-1所示:在齿形工作范围内的齿面上的任意一点,有 (2-1)式中,为齿形误差信息,为测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的理论误差。为了研究方便,建立三个坐标系:其原点为被测齿轮的轴心,其轴为点的渐开线发生点的连线;:其原点为齿廓上的某点(暂定为分度圆上的点),其轴为在该点处齿廓的切线;:其原点为通过测量头球心A(A点位于轴上)同轴平行的直线与被测
12、齿中线的交点,显然轴平行于轴,三坐标系的建立如图2-3所示。2.4.2 理论渐开线数学模型测量头在齿廓上滚动,其轨迹就是理论渐开线齿形的等距渐开线,故图2-3 三坐标系的建立 (2-2)式中,为测量头直径,为基圆螺旋角。如图2-3所示, 点为测量头与齿轮的接触点,有 (2-3) (2-4) (2-5)因此在坐标系中,渐开线上任意一点Mi的径矢 (2-6)为基圆半径,为齿廓上处的端面齿形展开角,为展角,为压力角。从到的变换关系 (2-7)中的轴上的分量投影到中,由于坐标系与坐标系夹角为,因此可得 (2-8)为在坐标系统的x轴分量,为轴分量。为分度圆上的展角。则 (2-9)然后通过平移 (2-10
13、)就可得到接触点在的坐标 (2-11)从坐标系变换关系为 (2-12)显然为0,故变换矩阵为 (2-13)坐标系再通过平移,在轴方向上向左平移,为基圆螺旋角,为测量头直径。在轴方向上向上平移,根据图2-3可得 (2-14) (2-15)根据齿轮的一些方程式得 (2-16) (2-17)由公式(2-14)、(2-15)、(2-16)和(2-17)得 (2-18) (2-19)可得到 (2-20)令 (2-21)则(2-22)式中,为齿轮模数,为齿轮齿数,为齿轮分度圆上的齿厚。 (2-23)则可得到 (2-24)2.4.3定位球球心相对于齿轮轴心位置如图2-4所示,在定位球与齿的接触点上,半径为,
14、齿宽为 (2-25) (2-26)则齿间隙为 (2-27)由公式(2-29)(2-30)(2-31)可得 (2-28)由图2-3可知 图2-4 定位球球心相对于齿轮轴心位置图化简得 (2-29)2.4.4测量头坐标计算的数学模型如图2-5所示,A、B分别为两定位球球心,测量头在坐标系xOy中的位置可由下式表示 (2-30)在图2-5中可知 (2-31) 图2-5 测量头坐标计算的数学模型图根据图2-5知 (2-32)将公式(2-35)代入(2-37)可得(2-33) (2-34) (2-35) (2-36) (2-37)将代入,可得 (2-38)2.5测量系统设计2.5.1总体功能结构规划大型
15、齿轮渐开线齿形误差在位测量仪设计,是光、机、电、算一体化的有机结合。该测量系统包括测量数据的自动采集、处理、存储、显示、结果分析及打印输出。该测量系统具体是由机械主体、误差信号提取及处理单元电路、采样控制信号单元及伺服驱动单元电路四部分组成,整个测控系统以单片机机为数据采集和电机控制中枢,同步将数据发送到上位机,在上位机上实现计算、显示、打印等操作。机械子系统通过传感器实现自动测量,将位移量转换为电学量送入光电子系统,光电子系统将转换过来的电学量进行信号处理、分析,并实现对机械系统动力的自动驱动控制,同时将信号送入计算机,软件系统通过人机界面将信号获取,并经最终的数据处理、误差分析等处理。本仪
16、器是针对齿数为150,模数为10,精度9级的一类大型齿轮齿形误差测量而进行的设计。其功能由机械子系统、电气子系统、软件子系统三个部分实现。2.5.2机械子系统功能实现 测量系统的定位测量系统的定位主要是为了确定齿轮的基圆半径,确定齿轮的中心。在系统运行开始时,软件系统的人机对话界面在输入待测齿轮参数后,系统自动提示可选用的定位球直径的大小范围,及已经计算确定的定位臂的长度范围和调整参数,选用合适的定位球直径和定位臂长,系统可以自动的确定定位位置并补偿定位误差。测量系统的定位靠定位球A和B完成, 定位球A的移动靠微分筒的丝杆驱动并带有锁紧装置,定位球B为浮动。在定位时首先调整A的位置,并锁紧后,
17、定位球B会自动伸入另一个齿槽中,完成定位功能。为了适合不同齿轮的测量,需要设定不同定位球的大小和测量臂长度的选择,这个通过一定的计算公式有软件部分给出相应的推荐范围。为测量不同模数和不同直径的齿轮,要求定位球易安装及更换,且定位精度高,重复性好。对于锁紧螺母与半球形垫圈,应避免夹紧时的过定位,保证定位精度,且装夹方便。 位移的测量(X和Y方向)X方向即齿形误差信号由测量头测量,经杠杆机构将齿形误差信号放大,由电感传感器进行测量。在杠杆机构中,利用十字片簧机构可使测量头与实际齿形机密贴合。片簧与柱销构成换向机构,用于测量左右齿面。考虑测量头的应力变形,分析时,先将测量头测量的偏移量通过测杆传递到
18、片簧,计算出弹力的大小,再将弹力折算到测头的受力,计算出应力变形的大小并给予适当的补偿。在Y方向上,主要通过光电子系统对光栅位移传感器的条纹计数来控制Y方向上恒定的位移,从而实现等距离的数据采集。每次移动的距离决定了数据采集的精度。在该方向上的运动靠步进电机控制丝杆导轨,因此涉及到步进电机的选择和导轨的选择。步进电机主要考虑到步进角和转矩,丝杆导轨考虑与步进电机的选择匹配。采用密珠滚动导轨,其运动灵敏度较高,并具有较高的导向精度。数据采集机构安装在双V行密珠导轨副的动导轨上,导轨的运动采用滚珠丝杆副驱动,并利用长光栅位移传感器检测其运动量。由于该导轨采用单层导轨,避免采用复合导轨引起的仪器误差
19、,易于保证精度。 箱体的设计箱体的设计主要参考设计机械部分装配后的具体尺寸,并根据一些设计手册等资料提供的数据,确定箱体的尺寸、壁厚、肋板和凸台等的布置和结构参数。2.5.3光电子系统功能实现测控系统硬件电路原理如图2-6所示。由电感传感器将测量头传递过来的齿形误差信息转换成模拟信号,并经过模数转换器转换成数字信号,通过I/O端口送入单片机。通过光栅位移传感器获取直线位移导轨的位移量,其作用有两方面:一方面通过采用信号发生器产生采样信号,采集齿形误差信息;另一方面通过莫尔条纹的计数单元获得导轨的准确位置,再通过计算获得齿形误差。步进电机电机驱动电源管理模块LCD1602显示状态运行参数电感传感
20、器自举放大电平平移限幅电路滤波采样保持AD芯片T1 P0T0 89S52 MCU P1光栅位移传感器信号调理细分辨向串口RS232usb接口反向计数正向计数图2-6 测控系统硬件电路原理框图在齿形误差测量测控电路中共有三路信号。最上路信号是由电感测头测量位移量经十字片簧和杠杆机构放大、传递出来的输出信号。经过放大、电平平移、限幅、A/D转换后送入单片机采集,再将采集的结果发送给PC。另一路信号由光栅位移传感器采集导轨运动方向和位移量信号,经过放大、整形、细分判向和计数处理送入单片机进行处理,并在相应个数计数脉冲后产生中断。单片机输出脉冲控制步进电机转动实现导轨移动,从而使测头随齿行方向移动。图
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