測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)大型齒輪漸開(kāi)線齒形誤差在位測(cè)量?jī)x

1、成績(jī)專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：大型齒輪漸開(kāi)線齒形誤差在位測(cè)量?jī)x 姓 名： （機(jī)械） （電氣） （軟件） 專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器三班 年 級(jí)：2007級(jí) 指導(dǎo)教師： 輔導(dǎo)教師： 起止時(shí)間：2010年12月20日 2011年1月14日 重慶大學(xué)光電工程學(xué)院2011年1月專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)要求1. 整理提綱，與指導(dǎo)教師討論設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)內(nèi)容；2. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)在設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)上獨(dú)立完成，嚴(yán)禁抄襲，以便培養(yǎng)良好的學(xué)術(shù)道德；3. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)內(nèi)容包括：摘要、目錄（標(biāo)題及頁(yè)次）、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、總體設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)任務(wù)分析與創(chuàng)新點(diǎn)的構(gòu)思、測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原則的考慮、測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原理的討論、

2、測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定、測(cè)控儀器造型設(shè)計(jì)）、精度設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精度分析、設(shè)計(jì)小結(jié)及參考文獻(xiàn)；4. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)按教師推薦的格式書(shū)寫(xiě)，要求文字簡(jiǎn)明、通順，盡量使用專業(yè)術(shù)語(yǔ)；5. 說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容應(yīng)以計(jì)算內(nèi)容為基礎(chǔ)，參數(shù)的最后選擇應(yīng)符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；6. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中的相關(guān)計(jì)算內(nèi)容應(yīng)列出計(jì)算公式，標(biāo)注出處、單位，寫(xiě)出簡(jiǎn)短的分析結(jié)論；7. 為了清楚說(shuō)明計(jì)算內(nèi)容，應(yīng)附必要的插圖和簡(jiǎn)圖。在簡(jiǎn)圖中對(duì)主要零件應(yīng)統(tǒng)一編號(hào)、以便在計(jì)算中和分析中引用；8. 全部設(shè)計(jì)中所使用的參量符號(hào)和標(biāo)注，必須前后一致，各參量的數(shù)值應(yīng)標(biāo)注單位（采用國(guó)際

3、單位）；9. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)文中和文后要標(biāo)注和著錄參考文獻(xiàn)，標(biāo)注和著錄參考文獻(xiàn)的方法參考中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb 771487文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則。王代華2003年12月第一稿2004年12月修改2005年12月第二次修改2007年1月第三次修改2009年1月第四次修改摘 要齒輪檢測(cè)技術(shù)在齒輪制造中占有重要地位，沒(méi)有先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和儀器，不可能制造出性能優(yōu)良、高質(zhì)量、高精度的齒輪。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(lái)越高，齒輪檢測(cè)技術(shù)一直在不斷的研究和提高。本文介紹一種基于采用測(cè)量頭直線運(yùn)動(dòng)軌跡做基準(zhǔn)在位測(cè)量大齒輪漸開(kāi)線齒形誤差方法，采用機(jī)械、光電、計(jì)算機(jī)一體化設(shè)計(jì)

4、的一種儀器。簡(jiǎn)要敘述了測(cè)量系統(tǒng)的原理、各部分組件結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及精度分析。設(shè)計(jì)過(guò)程包含測(cè)量?jī)x的機(jī)械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)三部分的設(shè)計(jì)。在關(guān)鍵的機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)中提出了坐標(biāo)統(tǒng)一的思想，提高了測(cè)量系統(tǒng)的精度，通過(guò)建立定位球的直徑與定位球同齒廓在切點(diǎn)的端面壓力角之間的公式，得到定位球直徑與齒輪軸心之間的位置關(guān)系和定位球精確的定位關(guān)系，大大提高了儀器的定位精度；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)量頭沿齒面運(yùn)動(dòng)，電路系統(tǒng)對(duì)電感傳感器所采集的齒形誤差信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，通過(guò)pci總線接口芯片把信號(hào)送入計(jì)算機(jī)；軟件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于visual c+，構(gòu)建了測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒形誤差信號(hào)的自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)、顯

5、示、打印。關(guān)鍵詞 大型齒輪 齒形誤差 直線基準(zhǔn) 在位檢測(cè) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)目 錄設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1摘 要3目 錄4組員分工和完成情況51 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)12 總體設(shè)計(jì)22.1 總體說(shuō)明22.2 基本概念22.3 齒形誤差的測(cè)量方法的確定42.4 直線基準(zhǔn)法的測(cè)量原理62.5 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則的考慮112.6 測(cè)控儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)122.7 測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定162.8 造型設(shè)計(jì)172.9 總結(jié)173 精度設(shè)計(jì)與誤差分配183.1 精度設(shè)計(jì)183.2 誤差分配184 機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)194.1 總體說(shuō)明194.2 誤差傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)194.3 定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)294.4 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)314.5

6、驅(qū)動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì)374.6 電機(jī)的選擇454.7 聯(lián)軸器的選擇454.8 箱體的設(shè)計(jì)465 光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)495.1 引言495.2 電路系統(tǒng)性能要求分析495.3 總體設(shè)計(jì)505.4 光電系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)515.5 電感傳感器及其信號(hào)處理電路515.6 光柵位移傳感器585.7 信號(hào)處理615.8 控制及驅(qū)動(dòng)電路665.9 pci總線及接口技術(shù)746 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)866.1 前言866.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理866.3 系統(tǒng)初始化886.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成916.5 齒形誤差的計(jì)算936.6 硬件接口946.7 軟件界面及相關(guān)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)977 精度分析1017.1 機(jī)械系統(tǒng)1017.2 電氣系統(tǒng)

7、1037.3 軟件系統(tǒng)1047.4 系統(tǒng)的誤差綜合104心得體會(huì)105附錄一：系統(tǒng)的部分機(jī)械圖107附錄二：系統(tǒng)的部分電路圖112附錄三：程序源代碼113組員分工和完成情況1 總體設(shè)計(jì)：全體組員2 精度設(shè)計(jì)和誤差分配精度設(shè)計(jì)：全體組員誤差分配：譚艾英3 機(jī)械子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)械小組完成 3.1 機(jī)械零件設(shè)計(jì)的分工： 譚艾英：誤差傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、燕尾槽及絲桿的設(shè)計(jì) 王語(yǔ)詩(shī)：雙v型導(dǎo)軌及絲桿的設(shè)計(jì)、箱體的設(shè)計(jì)徐文韜：機(jī)座的設(shè)計(jì)、電機(jī)的選擇、聯(lián)軸器的選擇 3.2 機(jī)械繪圖的分工： 譚艾英:誤差傳遞機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)的繪制. 包含測(cè)桿、杠桿、十字片簧、片簧、柱銷(xiāo)、凸輪、支撐臺(tái)、彈簧、緊固螺釘、

8、兩個(gè)定位球、鎖緊螺母等零件 王語(yǔ)詩(shī):導(dǎo)軌、箱體、機(jī)座以及電感傳感器固定裝置的繪制. 包含雙v型動(dòng)導(dǎo)軌、尾槽、兩個(gè)定導(dǎo)軌、緊固螺釘、平鑲條等零件。 徐文韜:兩個(gè)絲桿的零件、光柵傳感器、電機(jī)的繪制. 包含微分筒、滑動(dòng)絲桿、滾動(dòng)絲桿、絲桿螺母、螺母固定裝置、絲桿支架等 裝配圖:譚艾英、王語(yǔ)詩(shī)、徐文韜。 3.3 機(jī)械精度分析：譚艾英、王語(yǔ)詩(shī)、徐文韜。4 電氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：電氣小組完成蔣 波：總體設(shè)計(jì)模塊流程圖，光柵位移傳感器原理及選擇、信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)、細(xì)分判向、采樣及正反計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)、總電路原理圖繪制、pcb板制作、精度分析、編寫(xiě)報(bào)告。周海洋：電感傳感器工作原理、電感測(cè)頭功能與選擇、信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)、

9、電平平移電路設(shè)計(jì)、限幅電路設(shè)計(jì)、a/d轉(zhuǎn)換芯片選擇和設(shè)計(jì)、總電路原理圖繪制、精度分析、編寫(xiě)報(bào)告。李騰飛：步進(jìn)電機(jī)原理及選擇、控制電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、pci總線的設(shè)計(jì)、pci總線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電路圖原理圖相應(yīng)模塊設(shè)計(jì)、編寫(xiě)報(bào)告。鄒 晨：地址譯碼芯片選擇、地址譯碼電路設(shè)計(jì)、pci總線的設(shè)計(jì)、pci總線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、總線整體設(shè)計(jì)、電路圖原理圖相應(yīng)模塊設(shè)計(jì)、編寫(xiě)報(bào)告。5、軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：軟件小組完成吳衛(wèi)馨：設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)框圖、軟件系統(tǒng)功能框圖、測(cè)量系統(tǒng)軟總體流程、系統(tǒng)主軟件編寫(xiě)、各子系統(tǒng)模塊框圖、完成軟件界面及相關(guān)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、精度分析、編寫(xiě)報(bào)告。豐雯瑞:系統(tǒng)子程序源代碼編寫(xiě)，包括 :初始化對(duì)話框程序流程圖、

10、計(jì)算被測(cè)齒輪的測(cè)量范圍、定位球直徑的計(jì)算、測(cè)量次數(shù)的計(jì)算、采樣次數(shù)的計(jì)算、計(jì)算采樣點(diǎn)的xy坐標(biāo)、計(jì)算定位球球心位置、測(cè)量頭坐標(biāo),迭代方法的程序.、精度分析、編寫(xiě)報(bào)告。向 征：查閱資料、被測(cè)齒輪齒形偏差信息采集、 齒形誤差值的算法、 生成模擬數(shù)據(jù)的算法、精度分析、編寫(xiě)報(bào)告。6 完成情況 根據(jù)分工的項(xiàng)目，組員均順利完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)，符合設(shè)計(jì)要求。1 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：large-scale gearsinvolute profile error measuring machine with a straight line basis(大型齒輪漸開(kāi)線齒形誤差在位測(cè)量?jī)x)設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)大型齒輪漸開(kāi)線

11、齒形誤差在位測(cè)量?jī)x器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小，測(cè)量鏈短； 被測(cè)齒輪參數(shù)：模數(shù) ,齒數(shù),精度4級(jí)及其以下； 實(shí)現(xiàn)誤差數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、打印輸出專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)檢測(cè)參數(shù)； 齒形誤差。2 總體設(shè)計(jì)2.1 總體說(shuō)明隨著大齒輪在船舶、冶金、采礦、發(fā)電等設(shè)備以及在宇宙探索、空間追蹤、火箭及導(dǎo)彈發(fā)射等方面的廣泛應(yīng)用，對(duì)大齒輪的精度要求越來(lái)越高。迫切需要開(kāi)發(fā)一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、使用方便、精度穩(wěn)定可靠且能在車(chē)間使用的大齒輪在位檢測(cè)儀器。我們查閱及閱讀資料，大齒輪齒形誤差在位檢測(cè)的主要原理有：直角坐標(biāo)法原理、圓弧基準(zhǔn)法原理、標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線法原理、直線基準(zhǔn)法原理。在儀器設(shè)計(jì)中必須考慮得原則有：阿貝

12、原則、最小變形原則、測(cè)量鏈最短原則、坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則、精度匹配原則、經(jīng)濟(jì)原則、造型原則。我們對(duì)總個(gè)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析，機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的傳遞和測(cè)量，電路部分處理測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)，使計(jì)算機(jī)能識(shí)別測(cè)量的信號(hào)，通過(guò)軟件部分實(shí)現(xiàn)控制以及一些參數(shù)的計(jì)算。然后我們集體討論各子系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的大體情況，衡量各子系統(tǒng)所占的權(quán)重后，我們得出了按加權(quán)平均原則進(jìn)行的誤差分配。2.2 基本概念2.2.1 漸開(kāi)線的形成及其性質(zhì) 如圖2.1所示，當(dāng)一直線沿一圓周作純滾動(dòng)，則直線上任一點(diǎn)k的軌跡ak稱為該圓的漸開(kāi)線。該圓稱為漸開(kāi)線的基圓，其半徑用表示；直線稱為漸開(kāi)線的發(fā)生線，角稱為漸開(kāi)線ak段的展角。圖2.1

13、漸開(kāi)線的形成漸開(kāi)線的形狀取決于基圓的大小。因漸開(kāi)線是從基圓開(kāi)始向外展開(kāi)，故基圓以內(nèi)無(wú)漸開(kāi)線。由于選用的坐標(biāo)不同，漸開(kāi)線齒形方程可寫(xiě)出以下幾種形式。1 極坐標(biāo)參數(shù)方程 由圖2.1可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生線轉(zhuǎn)過(guò)角，k點(diǎn)與中心o點(diǎn)的距離ok稱為k點(diǎn)的極半徑，所對(duì)應(yīng)的展角為，則 （2-1）為漸開(kāi)線極坐標(biāo)參數(shù)方程，以角為參變量。稱展角為壓力角的漸開(kāi)線函數(shù)， 工程上常用表示,且。2 直角坐標(biāo)參數(shù)方程 如圖2-2，漸開(kāi)線上任一點(diǎn)k的、坐標(biāo)為: （2-2）在直線bk上另一點(diǎn)所展開(kāi)的漸開(kāi)線，其方程為： （2-3）圖2.2 坐標(biāo)示意圖3 矢量參數(shù)方程 如圖2.2中直線ok為漸開(kāi)線的矢徑，漸開(kāi)線的矢量參數(shù)方程為： （2-4）4

14、 法線極坐標(biāo)方程 漸開(kāi)線上各點(diǎn)曲率半徑的計(jì)算式為：，k為漸開(kāi)線上各點(diǎn)的曲率，習(xí)慣上又稱為漸開(kāi)線上各點(diǎn)的長(zhǎng)度。展開(kāi)長(zhǎng)度常用l表示，則 （2-5）2.2.2 齒形誤差的定義根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)jb179-83規(guī)定，齒形誤差的定義是：在端截面上，齒形工作部分內(nèi)（齒頂?shù)估獠糠殖猓┌輰?shí)際齒形的兩條最近的設(shè)計(jì)齒形間的法向距離。齒形誤差和齒形公差的示意圖，如圖2.3和圖2.4。設(shè)計(jì)齒形可以是修正的理論漸開(kāi)線，包括修緣齒形、凸齒形等。 齒頂和齒根處的齒形誤差只允許偏向齒體內(nèi)。圖2.3 齒形誤差圖2.4 齒形公差2.3 齒形誤差的測(cè)量方法的確定根據(jù)漸開(kāi)線齒形的形成、齒形誤差的定義，用于齒形誤差的測(cè)量主要有以下幾種方

15、法：標(biāo)準(zhǔn)曲線法、坐標(biāo)法和標(biāo)準(zhǔn)軌跡法。根據(jù)以下所述齒形誤差的集中測(cè)量方法，綜合考慮各方面的影響因素：大型齒輪漸開(kāi)線輪廓接近直線，在測(cè)量范圍內(nèi)原理誤差不大，有利于實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理；隨著齒數(shù)和模數(shù)增大，其原理誤差變化不大，故該測(cè)量原理適用范圍廣，具有現(xiàn)實(shí)意義；運(yùn)用該方法易于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，最終采用直線基準(zhǔn)法作為本次設(shè)計(jì)儀器的工作原理。2.3.1 直角坐標(biāo)法 直角坐標(biāo)法以一基圓中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，測(cè)頭位于被測(cè)齒形的基圓處。測(cè)量時(shí)，被測(cè)齒輪不動(dòng)，測(cè)頭在垂直網(wǎng)轉(zhuǎn)軸線的平面內(nèi)對(duì)齒廓作直角坐標(biāo)測(cè)量，將測(cè)得值與理論值按坐標(biāo)位置進(jìn)行比較。將各點(diǎn)的差值進(jìn)行分析比較或繪出齒廓偏差曲線，按齒廓總偏差定義評(píng)定齒廓總偏差。由圖2.5

16、可得出齒輪漸開(kāi)線的直角坐標(biāo)方程為： (2-6)圖2.5 直角坐標(biāo)法xkrbykxy 如圖2.5所示，對(duì)于理論漸開(kāi)線，每設(shè)定一個(gè)，就可以計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的理論坐標(biāo)值,。按測(cè)量點(diǎn)的理論確定測(cè)端的位置，將測(cè)得的實(shí)際值與理論值相比，則該點(diǎn)的齒形誤差公式為： (2-7)采用這類(lèi)測(cè)量原理的量?jī)x，在測(cè)量大齒輪時(shí)，用此方法必須確定坐標(biāo)機(jī)的坐標(biāo)系和齒輪軸線之間的相對(duì)位置用齒輪齒槽定位，由于該定位.受其被測(cè)齒輪誤差的影響，測(cè)量基準(zhǔn)不符合齒輪檢測(cè)規(guī)范的要求，很難達(dá)到較高的測(cè)量精度。2.3.2 圓弧基準(zhǔn)法 圓弧基準(zhǔn)法，是借助測(cè)量頭的圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)代替理論漸開(kāi)線進(jìn)行測(cè)量，圓弧中心一般選為齒面節(jié)點(diǎn)的曲率中心，圓弧半徑為節(jié)點(diǎn)處

17、的曲率半徑。圖2.6 圓弧基準(zhǔn)法 （2-7）式中為被測(cè)齒輪分度圓上齒面的曲率半徑。當(dāng)給定一個(gè)時(shí)，圓弧的水平坐標(biāo)為： （2-8）為測(cè)量數(shù)據(jù)的原理誤差，被測(cè)齒廓的齒形誤差測(cè)量步驟如下： 計(jì)算出理論齒形上的各點(diǎn)對(duì)圓弧的理論偏差值測(cè)出實(shí)際齒形上各點(diǎn)對(duì)圓弧的偏差將便可求得齒面上各點(diǎn)的齒形誤差。由于計(jì)算值比較復(fù)雜，大齒輪的齒頂從加工難度和經(jīng)濟(jì)性考慮，其精度不高?？魁X頂圓定位來(lái)確定測(cè)量坐標(biāo)系的位置，將會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差。2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線法將被測(cè)齒形與儀器產(chǎn)生的理論漸開(kāi)線軌跡進(jìn)行比較，進(jìn)而求出齒形誤差的方法稱為標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線法。用一直尺與基圓相切，當(dāng)基圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，直尺沿切線方向做無(wú)滑動(dòng)的移動(dòng)時(shí)，直尺與基圓盤(pán)

18、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(pán)上的點(diǎn)形成理論漸開(kāi)線軌跡。若測(cè)微儀的測(cè)端相對(duì)于切點(diǎn)，當(dāng)被測(cè)齒形與測(cè)端接觸時(shí)，就可以使實(shí)際齒形與理論漸開(kāi)線軌跡進(jìn)行比較，從而測(cè)得誤差。在大齒輪的測(cè)量中，理論漸開(kāi)線軌跡不容易復(fù)現(xiàn)，這給測(cè)量帶來(lái)很大的不確定性。2.3.4 直線基準(zhǔn)法直線基準(zhǔn)法，是先計(jì)算出理論漸開(kāi)線齒形相對(duì)于基準(zhǔn)直線的理論差值，然后測(cè)出實(shí)際齒形上各點(diǎn)對(duì)基準(zhǔn)直線的差值，兩者之差即為齒形誤差。由于這種方法原理誤差較大，因此必須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行原理誤差補(bǔ)償。對(duì)于大型齒輪，由于基圓很大，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，因此在實(shí)際的檢測(cè)中，該方法具有一定的精度。2.4 直線基準(zhǔn)法的測(cè)

19、量原理基本原理是利用測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡去逼近齒形漸開(kāi)線，圖2-7所示為測(cè)量原理圖。測(cè)量頭a只能沿y軸方向作直線運(yùn)動(dòng)，而且始終保持與齒面接觸，當(dāng)測(cè)量頭a沿y軸方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，x方向上的變化可由電感傳感器反映出來(lái)。假設(shè)在齒形工作范圍內(nèi)齒面上任意一點(diǎn)處的采樣值為，則既包括了齒形誤差信息量，又包含了測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡與漸開(kāi)線之間的原理誤差，即 （2-9）圖2.7 測(cè)量原理圖2.4.1 坐標(biāo)系的建立為了研究問(wèn)題方便，建立了圖2.8所示的3個(gè)坐標(biāo)系：圖2.8 三個(gè)坐標(biāo)系：其原點(diǎn)為被測(cè)齒輪的軸心，其軸為點(diǎn)與漸開(kāi)線發(fā)生點(diǎn)的連線；：其原點(diǎn)為齒廓上的某點(diǎn)（此點(diǎn)由優(yōu)化得到，暫定為分度圓上的點(diǎn)），其軸為在該點(diǎn)處

20、齒廓的切線；：其原點(diǎn)為通過(guò)測(cè)量頭球心a（a點(diǎn)位于x2軸上）同軸平行的直線與被測(cè)齒中線的交點(diǎn)，顯然軸平行軸。2.4.2 理論漸開(kāi)線數(shù)學(xué)模型如圖2.8所示，在坐標(biāo)系中的理論漸開(kāi)線為齒輪端截面內(nèi)的漸開(kāi)線，虛線表示測(cè)量頭球心的a的軌跡，這是理論漸開(kāi)線齒形的等距漸開(kāi)線，故 （2-10）式中d為測(cè)量頭直徑，為基圓螺旋角。在 中，漸開(kāi)線任意一點(diǎn)的失徑為： （2-11）式中：為基圓半徑，為齒廓上處的端面齒形展開(kāi)角。由到的變換關(guān)系為： （2-12）由圖2.8可知，故變換矩陣為： （2-13）式中，為分度圓上的端面齒形展開(kāi)角， （2-14）式中：r為分度圓直徑，為分度圓的端面壓力角。將式（2-12）、（2-13）

21、代入式（2-11），得： （2-15）由到的變換關(guān)系為： （2-16）顯然，故變換矩陣為： （2-17） 由圖2-8中幾何關(guān)系得： （2-18）式中，z為齒輪齒數(shù)。令： （2-19） （2-20）將式（2-17）、（2-16）代入（2-15），得： （2-21） 由式（2-18）可得出中的理論漸開(kāi)線數(shù)學(xué)模型為： （2-22）2.4.3 定位球心相對(duì)于齒輪軸心位置如圖2.8所示，為定位球球心，可得如下的超越方程（推導(dǎo)過(guò)程略）： （2-23） 式中：為端面分度圓上的齒厚，為定位球直徑。圖2.9 定位位置示意圖方程（2-23）中、均未知，當(dāng)已知時(shí)，通過(guò)迭代可解出定位球與齒廓在切點(diǎn)k、t處的端面分度圓

22、壓力角，再將它代入下式即可求得定位球球心位置。 （2-24）2.4.4 測(cè)量頭坐標(biāo)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如圖2.10所示，、分別為兩定位球球心，測(cè)量頭在坐標(biāo)系（ox, y）中的位置可由下式表示： （2-25）在圖2.10中有： （2-26） （2-27）（2-28） 式中：為測(cè)量時(shí)兩定位球間的跨齒數(shù)。l、a由制造保證。將式（2-26）、（2-27）、（2-28）代入（2-25），即可得到測(cè)量頭的坐標(biāo)計(jì)算數(shù)學(xué)模型。圖2.10 測(cè)量頭的坐標(biāo)系2.4.5 漸開(kāi)線齒形誤差的轉(zhuǎn)換前面建立了理論漸開(kāi)線數(shù)學(xué)模型及測(cè)量頭坐標(biāo)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)時(shí)，將與代入式（2-9），即可得到點(diǎn)的齒形誤差信息。依據(jù)齒形誤差的定義，漸開(kāi)

23、線齒形誤差應(yīng)在齒輪端截面內(nèi)齒廓法線方向進(jìn)行測(cè)量，因此應(yīng)對(duì)包含齒形誤差信息的量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖（2.8）所示，齒形誤差為： （2-29）2.5 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則的考慮2.5.1 阿貝原則對(duì)于線值尺寸測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)，1890年阿貝提出了一條指導(dǎo)性原則，其指出，為使測(cè)量?jī)x能給出正確測(cè)量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測(cè)尺寸線的延長(zhǎng)線上，遵守阿貝原則，則可消除一次誤差。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，有些情況不能保證阿貝原則的實(shí)施。一是遵守阿貝原則會(huì)造成儀器外廓尺寸過(guò)大；二是對(duì)于多自由度測(cè)量系統(tǒng)的儀器，很難做到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。因此擴(kuò)展的阿貝原則包含三重意思：標(biāo)尺與被測(cè)

24、量一條線；若做不到，則應(yīng)使導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)；應(yīng)跟蹤測(cè)量算出偏移加以補(bǔ)償。遵守其中的一條，即遵守了阿貝原則。從本儀器來(lái)看，測(cè)頭在x方向上由于采用了誤差傳遞機(jī)構(gòu)，不符合阿貝原則，通過(guò)跟蹤補(bǔ)償可使其滿足阿貝原則。在y方向上標(biāo)尺光柵和測(cè)量線在一條直線上，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌為雙v形滾珠導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)的靈敏度較高，導(dǎo)軌的角運(yùn)動(dòng)極小，可以認(rèn)為是符合阿貝原則的。而指示光柵和標(biāo)尺光柵的距離又很接近，其誤差可以忽略不計(jì)。所以從總體上看，該儀器是符合阿貝原則的。2.5.2 變形最小原則變形最小原則是指盡量避免在儀器工作過(guò)程中，因受力變化或因溫度變化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化，并使之對(duì)儀器精度的影響最小。在本儀器設(shè)計(jì)

25、中，為減小力變形的影響，對(duì)儀器布局設(shè)計(jì)作了如下考慮：采用了工作臺(tái)、床身、基座三層結(jié)構(gòu)的形式。2.5.3 測(cè)量鏈最小原則測(cè)量鏈最短原則指的是，構(gòu)成儀器測(cè)量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最小。在精密測(cè)量?jī)x器的整體結(jié)構(gòu)中，凡是直接與感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)量信息的有關(guān)元件均屬于測(cè)量鏈。本儀器通過(guò)測(cè)量頭感應(yīng)x軸信號(hào)變量，利用十字片簧和杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳遞，測(cè)量鏈短，符合要求。2.5.4 坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則坐標(biāo)系基準(zhǔn)統(tǒng)一對(duì)儀器群體之間位置相互依賴關(guān)系來(lái)說(shuō)，是所設(shè)計(jì)儀器的子坐標(biāo)系在主坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換關(guān)系與實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的方法，即坐標(biāo)系基準(zhǔn)統(tǒng)一。在本儀器中，建立了三個(gè)坐標(biāo)系，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線的數(shù)學(xué)模型、測(cè)量頭的移動(dòng)、定位球的定位精度等相關(guān)計(jì)

26、算最后將坐標(biāo)統(tǒng)一到xoy中，從而避免了附加誤差。2.5.5 精度匹配原則精度匹配原則是在對(duì)儀器精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度的影響程度不同，分別對(duì)各部分環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙洹１敬卧O(shè)計(jì)中機(jī)械子系統(tǒng)部分誤差權(quán)重較大，光電子系統(tǒng)次之，軟件子系統(tǒng)誤差權(quán)重最小。2.5.6 經(jīng)濟(jì)原則經(jīng)濟(jì)原則是一切工作都需要遵守的一條基本而重要的原則。經(jīng)濟(jì)原則反映到測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)之中，我們從以下幾個(gè)方面考慮：1、選擇適合的加工工藝和裝配工藝，從而達(dá)到省時(shí)節(jié)約的目的。2、合理的精度要求，對(duì)測(cè)量鏈中的各環(huán)節(jié)盡量分配較高的精度，在其他精度要求不高的環(huán)節(jié)采用經(jīng)濟(jì)公差。3、合理選材，應(yīng)考慮對(duì)磨損、

27、受力不同的環(huán)節(jié)選用不同的材料，并且考慮材料的成本。4、合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，降低儀器零部件的精度要求，達(dá)到降低儀器成本的目的，提高儀器的使用壽命，主要從機(jī)械零部件中易損系統(tǒng)采用更合理的結(jié)構(gòu)型式和對(duì)電氣元件進(jìn)行老化篩選。5、使用標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)化模塊。2.6 測(cè)控儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大型齒輪漸開(kāi)線齒形誤差在位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)，是光、機(jī)、電、算一體化的有機(jī)結(jié)合。該測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、結(jié)果分析及打印輸出。機(jī)械子系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，將位移量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量送入光電子系統(tǒng)，光電子系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的電學(xué)量進(jìn)行信號(hào)處理、分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，軟件系統(tǒng)通過(guò)人

28、機(jī)界面將信號(hào)獲取，并經(jīng)最終的數(shù)據(jù)處理、誤差分析等處理。2.6.1 機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)儀器的精確定位，測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)，誤差的傳遞等功能。1 儀器的整體外形圖2.11 儀器的整體外形2 測(cè)量系統(tǒng)的定位測(cè)量系統(tǒng)靠?jī)蓚€(gè)定位球與來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的定位。定位球的移動(dòng)靠微分筒的絲桿驅(qū)動(dòng)并帶有鎖緊機(jī)構(gòu)，定位球?yàn)楦?dòng)。定位時(shí)先調(diào)整的位置并鎖緊，會(huì)自動(dòng)深入另一個(gè)齒槽，完成定位功能。為測(cè)量不同模數(shù)和不同直徑的齒輪，要求定位球易安裝及更換，且定位精度高，重復(fù)性好。定位球安裝調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)，如圖2.12所示。圖2.12定位球安裝調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)3 位移的測(cè)量x方向即齒形誤差信號(hào)由測(cè)量頭測(cè)量，經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)將齒形誤差信號(hào)放

29、大，由電感傳感器進(jìn)行測(cè)量。在杠桿機(jī)構(gòu)中，利用十字片簧機(jī)構(gòu)可使測(cè)量頭與實(shí)際齒形機(jī)密貼合。片簧與柱銷(xiāo)構(gòu)成換向機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量左右齒面。誤差傳遞機(jī)構(gòu)，如圖2.13所示。圖2.13誤差信號(hào)傳遞機(jī)構(gòu)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)

30、軌考慮與步進(jìn)電機(jī)的選擇匹配。采用雙v型密珠滾動(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型密珠導(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。y方向?qū)к壢鐖D2.14所示。圖2.14 y方向?qū)к壗孛鎴D2.6.2 電氣子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)硬件電路原理如圖2.15所示，由電感傳感器將測(cè)量頭傳遞過(guò)來(lái)的齒形誤差信息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)i/o端口送入計(jì)算機(jī)。通過(guò)光柵位移傳感器獲取直線位移導(dǎo)軌的位移量，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

31、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)單元獲得導(dǎo)軌的準(zhǔn)確位置，再通過(guò)計(jì)算獲得齒形誤差。圖2.15測(cè)控系統(tǒng)硬件電路原理框圖2.6.3 軟件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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，最終將齒輪齒形誤差顯示在窗口上。軟件系統(tǒng)主模塊框圖如圖2.16所示：主菜單初始參數(shù)輸入及計(jì)算定位球直徑計(jì)算及選擇計(jì)算原理誤差及調(diào)整測(cè)量范圍與采樣次數(shù)數(shù)據(jù)采集與處理返回主菜單步進(jìn)電機(jī)控制圖形繪制及結(jié)果顯示圖2.16 軟件系統(tǒng)主模塊框圖2.7 測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定2

32、.7.1被測(cè)齒輪參數(shù)表1.1漸開(kāi)線圓柱齒輪特性表序號(hào)名稱代號(hào)數(shù)值1齒數(shù)z902模數(shù)83螺旋角04齒形角5齒頂高=86齒根高7全齒高8頂隙cc=0.25 8=29分度圓直徑10齒頂圓直徑11齒根圓直徑12基圓直徑13齒距14齒厚15齒間寬2.7.2 測(cè)頭在x方向的行程根據(jù)被測(cè)齒輪參數(shù) 精度8級(jí)，查機(jī)械手冊(cè)得到該齒輪的齒形誤差:2.7.3測(cè)頭在y方向的行程 由公式 （2-29） （2-30）當(dāng)z=90，m=8時(shí)，s=22.4074mm2.8 造型設(shè)計(jì) 造型設(shè)計(jì)是測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問(wèn)題，造型設(shè)計(jì)是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺(jué)感受與市場(chǎng)關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計(jì)工作。造型設(shè)計(jì)也是具有使用

33、功能的設(shè)計(jì)，造型中所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟(jì)原則。造型設(shè)計(jì)還要使產(chǎn)品的外形、色彩和表面特征符合美學(xué)原則，以適應(yīng)人們的時(shí)尚要求，并從樣式、形態(tài)、風(fēng)格、氣氛上體現(xiàn)時(shí)代的特點(diǎn)。2.9 總結(jié)通過(guò)測(cè)量頭的直線運(yùn)動(dòng)軌跡做基準(zhǔn)來(lái)在位檢測(cè)大齒輪漸開(kāi)線齒形誤差，不僅提高了在位測(cè)量的精度，還大大降低了測(cè)量費(fèi)用。儀器在使用時(shí)，機(jī)械子系統(tǒng)通過(guò)定位球高精度定位，并使測(cè)量頭與齒形相接觸，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠導(dǎo)軌，帶動(dòng)測(cè)量頭微動(dòng)，微小的測(cè)量頭在齒輪漸開(kāi)線上擺動(dòng)，其擺動(dòng)量通過(guò)一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)傳遞給電感傳感器，將齒形誤差位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)輸入到光電子系統(tǒng)中，光電子系統(tǒng)承載著信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，并將信號(hào)通過(guò)端口送入軟件子系

34、統(tǒng)，軟件子系統(tǒng)采用人機(jī)交互的可視化界面，將標(biāo)準(zhǔn)齒輪漸開(kāi)線和實(shí)際測(cè)量的齒輪漸開(kāi)線相比，并將齒輪齒形誤差輸出在顯示屏幕上。用戶操作簡(jiǎn)單，并實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)量。3 精度設(shè)計(jì)與誤差分配3.1 精度設(shè)計(jì)合理的精度設(shè)計(jì)必須對(duì)儀器各組成部分源誤差對(duì)儀器總精度影響程度的正確估計(jì)，對(duì)于一些對(duì)儀器精度影響較大的環(huán)節(jié)給予較嚴(yán)的精度指標(biāo)；對(duì)于那些對(duì)儀器精度影響較小的環(huán)節(jié)給予較寬松的精度指標(biāo)，在滿足儀器總精度要求的前提下使成本降至最低。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，被測(cè)齒輪參數(shù)：模數(shù)，齒數(shù)，精度4級(jí)及其以下。因此，針對(duì)模數(shù)，齒數(shù)，精度8級(jí)的齒輪，查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb 10095-88得其齒形誤差，根據(jù)微小誤差原則，所設(shè)計(jì)儀器的總誤差與

35、被測(cè)參數(shù)的公差值之比應(yīng)保證在1/31/10以內(nèi)，即儀器總精度。3.2 誤差分配3.2.1 誤差分析機(jī)械子系統(tǒng)方面主要有：設(shè)計(jì)原理誤差，測(cè)頭因壓力產(chǎn)生的變形誤差，誤差傳遞機(jī)構(gòu)的制造誤差，定位球定位及磨損誤差，導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偏移誤差，測(cè)頭傳遞機(jī)構(gòu)誤差，光柵傳感器安裝誤差，電機(jī)和電感傳感器的安裝誤差。電氣子系統(tǒng)方面主要有：傳感器測(cè)量誤差，模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的誤差和采樣控制信號(hào)的誤差，a/d轉(zhuǎn)換通道的誤差，信號(hào)處理及放大單元的信號(hào)漂移導(dǎo)致的誤差。軟件子系統(tǒng)方面主要有量化誤差、數(shù)據(jù)迭代誤差。3.2.2 誤差分配儀器總誤差是儀器總系統(tǒng)誤差與總隨機(jī)誤差之和，由于其性質(zhì)不同其分配方法也不同。對(duì)于系統(tǒng)誤差要進(jìn)行

36、補(bǔ)償，余下的隨機(jī)誤差按加權(quán)作用原則進(jìn)行分配。綜合考慮各個(gè)誤差對(duì)儀器精度的影響程度以及誤差控制的難易程度，機(jī)械子系統(tǒng)部分誤差權(quán)重較大，光電子系統(tǒng)次之，軟件子系統(tǒng)誤差權(quán)重最小。各子系統(tǒng)權(quán)重：機(jī)械子系統(tǒng)：0.75；光電子系統(tǒng)：0.20；軟件子系統(tǒng)：0.05。由各環(huán)節(jié)誤差的公式：得各子系統(tǒng)的誤差分配結(jié)果： 機(jī)械子系統(tǒng)：電氣子系統(tǒng)：軟件子系統(tǒng)：4 機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 總體說(shuō)明機(jī)械一般認(rèn)為它是“機(jī)器” 和“機(jī)構(gòu)”的總稱，是用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和力的可動(dòng)裝置。各種不同類(lèi)型的機(jī)器，具有不同的形式、構(gòu)造和用途，就其組成而言，都是由各種機(jī)構(gòu)組合而成，而機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組成的。機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件可以是單一的零件，也可以是幾個(gè)零件

37、的組合體稱為部件。設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)應(yīng)滿足的要求是功能要求、可靠性要求、精度要求、經(jīng)濟(jì)性要求和外觀要求。機(jī)械子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實(shí)際運(yùn)動(dòng)的直接體現(xiàn)，將機(jī)械系統(tǒng)所測(cè)得的實(shí)際量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行光電子系統(tǒng)的分析，通過(guò)軟件的控制，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的測(cè)量要求。因此機(jī)械子系統(tǒng)是基礎(chǔ)，也是很關(guān)鍵的一步，它的精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度范圍。本設(shè)計(jì)選用直線基準(zhǔn)法，其測(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(kāi)線。測(cè)量頭沿y軸方向作直線運(yùn)動(dòng)，并始終與齒面接觸。當(dāng)測(cè)量頭沿y方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在x軸方向的變化量可以由數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)反映出來(lái)。機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為幾個(gè)大的部分:誤差傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌和絲桿的

38、設(shè)計(jì)，基座和箱體的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)和光柵、電感傳感器的固定裝置的設(shè)計(jì)。4.2 誤差傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 誤差傳遞機(jī)構(gòu)就是把測(cè)球測(cè)得的微小力放大，使電感傳感器能測(cè)量到放大后的力。通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到齒輪的齒形誤差。誤差傳遞機(jī)構(gòu)由杠桿、限位裝置、片簧、十字片簧、預(yù)緊彈簧、柱銷(xiāo)等部分組成。4.2.1杠桿的設(shè)計(jì) 由于齒形誤差較小，找到微小的力傳感器較難且價(jià)格敖貴，又加上直接測(cè)量產(chǎn)生的誤差很大，影響測(cè)量精度，所以通過(guò)杠桿把齒形誤差放大，然后再由傳感器測(cè)量。1 杠桿的尺寸計(jì)算 杠桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.1所示。圖4.1 杠桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖取=90，=110，=30，則有： （4-1） （4-2）由圖4.1所示：

39、 （4-3） 由此可知杠桿的放大比： （4-4）考慮裝配和美觀，將取。2 材料選擇考慮到本次設(shè)計(jì)中杠桿傳遞的是微小位移，其受力很小，因此材料可選擇鑄鐵。其成本低，鑄造性好，可制成形狀較復(fù)雜的零件，但不宜承受較大沖擊的載荷。本次設(shè)計(jì)杠桿選擇ht200，其機(jī)械性能如表4.1所示：表4.1 厚度在68mm的ht200鑄件物理機(jī)械性能材料性質(zhì)符號(hào)單位數(shù)值抗拉強(qiáng)度32抗彎強(qiáng)度53硬度hb187255彈性模量e115160密度7.93 杠桿的結(jié)構(gòu)圖圖4.2 杠桿結(jié)構(gòu)圖4 杠桿的限位裝置由于齒輪漸開(kāi)線齒型誤差很小和差動(dòng)電感傳感器總行程也很小，所以杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不能過(guò)大。為了保護(hù)差動(dòng)電感傳感器不因行程過(guò)大而損壞

40、，故要加一個(gè)保護(hù)裝置。因齒輪漸開(kāi)線齒型誤差很小，將測(cè)頭位移限定在上下各1mm以內(nèi)，所以取限位槽寬a=h+ 2=6+2=8mm，限位槽長(zhǎng)取b=15mm。位槽與保持架用兩顆開(kāi)槽圓柱頭螺釘緊固。表4.2 gb/t67 m3尺寸d螺距l(xiāng)abkntxrm30.5812.55.520.80.610.15 杠桿的預(yù)緊彈簧的選用杠桿的預(yù)緊材料選用直徑為0.4mm的65mn鋼絲，其材料強(qiáng)度高，性能好，適用于小彈簧。彈簧中徑設(shè)定為4mm，其參數(shù)見(jiàn)表4.3，固定螺釘選用開(kāi)槽圓柱頭螺釘。其參數(shù)見(jiàn)表4.2表4.3 小彈簧尺寸ddn0.443.575.59134.2.2 片簧的設(shè)計(jì)1 總體說(shuō)明片簧通常是一種矩形截面的金屬

41、薄片，在位移上具有較小的尺寸。儀器和儀表中采用的片簧，通常是在載荷及位移不大的情況下使用。最常見(jiàn)的工作方式有單端固定和兩端固定兩種形式，本設(shè)計(jì)中的片簧屬于單端固定，其一端用螺釘固定在電感測(cè)頭部位的杠桿上，另一端靠銷(xiāo)連接固定在固件上。在力的作用下，片簧產(chǎn)生彎曲變形，可近似認(rèn)為是純彎曲。2 材料的選擇片簧材料選擇錫磷青銅，其物理機(jī)械性能如下表4.4：表4.4 錫磷青銅物理機(jī)械性能材料性質(zhì)符號(hào)單位數(shù)值抗拉強(qiáng)度7080屈服極限5965硬度hb160200比例極限45延伸率（%）1020彈性模量e11200許用彎曲應(yīng)力216線膨脹系數(shù)（）171e-6密度870089003 片簧設(shè)計(jì)片簧厚度和寬度的特性公

42、式為： 式中，p：片簧的最大載荷；：片簧的最大變形量；l：片簧的工作長(zhǎng)度。根據(jù)結(jié)構(gòu)定l=20mm，估計(jì)p=1n， =3mm，查表可知，取=10。計(jì)算得：h=0.281mm b=3.9046 取h=0.3mm，查表可取b=8。計(jì)算。滿足強(qiáng)度要求。4 強(qiáng)度校核 （4-5）其中，對(duì)于矩形截面， p為受力點(diǎn)最大力，根據(jù)電感傳感器測(cè)量力范圍，取p=0.65n帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： （4-6）5 片簧固定端設(shè)計(jì)片簧采用螺釘固定，緊固螺釘用開(kāi)槽圓柱頭螺釘，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4.5。表4.5 gb/t65 m4尺寸d螺距l(xiāng)abkntxmm40.581.42.572.611.11.750.4676 片簧結(jié)構(gòu)圖圖4.3 片

43、簧結(jié)構(gòu)圖4.2.3 柱銷(xiāo)的設(shè)計(jì)1 總體說(shuō)明 柱銷(xiāo)在機(jī)器上起定位或者連接的作用，常用的種類(lèi)有圓柱銷(xiāo)，圓錐銷(xiāo)，和開(kāi)口銷(xiāo)。選用圓柱銷(xiāo)，起連接片簧和固件作用。其有不同直徑公差供不同配合要求使用，可傳遞不大的載荷，如多次裝卸要損壞配合精確性，故不宜多次拆卸。本系統(tǒng)中片簧與柱銷(xiāo)構(gòu)成換向機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量左右齒面。 2 材料選擇材料為35鋼，熱處理硬度，其許用切應(yīng)力為3 柱銷(xiāo)設(shè)計(jì)圓柱銷(xiāo)選用a型圓柱銷(xiāo)4 圓柱銷(xiāo)強(qiáng)度校核 （4-7）式中，：橫向力z：銷(xiāo)的數(shù)量估計(jì)其受橫向力帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： （4-8）5 圓柱銷(xiāo)結(jié)構(gòu)圖圖4.4 柱銷(xiāo)結(jié)構(gòu)圖4.2.4 十字片簧的設(shè)計(jì)1 總體說(shuō)明十字片簧彈性支承是由一對(duì)長(zhǎng)度、寬度、厚度都相

44、同并交叉成十字形（垂直）的直片簧組成。片簧的一端固定在機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)件上，另一端固定在機(jī)構(gòu)的固定件上。其交叉線是轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)中心，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中其隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化，回轉(zhuǎn)中心位置也發(fā)生變化，轉(zhuǎn)角越大，偏移量越大。因此，傳動(dòng)比是一個(gè)變量。一般情況下，交叉線位于片簧長(zhǎng)度二分之一處，如果轉(zhuǎn)角范圍不大，回轉(zhuǎn)中心偏移也很小，可以近似認(rèn)為是不變的。2 材料選擇十字片簧材料選擇錫磷青銅，其物理機(jī)械性能參見(jiàn)表4.13 十字片簧設(shè)計(jì)因?yàn)殡姼袀鞲衅髟谘b配時(shí)的測(cè)量力p與十字片簧載荷pn不在同一作用線內(nèi)，兩作用線夾角為45，即： （4-9）初步取 ，片簧寬，則有片簧厚： （4.10）取 十字片簧裝配時(shí)選用開(kāi)槽圓柱頭螺釘 片簧的裝

45、配長(zhǎng)度： （4-11）取，片簧的固定端長(zhǎng) ，即為杠桿的寬度。4 單個(gè)片簧以及十字片簧的結(jié)構(gòu)圖圖4.5 單個(gè)片簧結(jié)構(gòu)圖圖4.6 十字片簧結(jié)構(gòu)圖4.2.5 測(cè)頭與測(cè)桿的設(shè)計(jì)1 總體說(shuō)明為了確定齒形誤差，必須確定齒輪的工作部分即所謂的測(cè)量長(zhǎng)度：測(cè)量長(zhǎng)度的確定，對(duì)正確評(píng)定齒輪質(zhì)量是很重要的，測(cè)量長(zhǎng)度選的過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短會(huì)給齒形測(cè)量帶來(lái)不利的影響。選的過(guò)長(zhǎng)會(huì)把合格品當(dāng)成廢品，選的過(guò)短，就有可能把廢品當(dāng)成合格品，從而影響齒輪的使用質(zhì)量。2 測(cè)頭與測(cè)桿的設(shè)計(jì)由于測(cè)量機(jī)構(gòu)的測(cè)量精度高（it4及以下），所以測(cè)量頭的直徑應(yīng)盡可能小，設(shè)計(jì)選用測(cè)量頭直徑為，測(cè)桿直徑為。被測(cè)齒輪模數(shù)m=8，齒數(shù)z=90，分度圓壓力角，側(cè)頭

46、從基圓開(kāi)始測(cè)量，有效齒形誤差的起點(diǎn)（按齒條齒合計(jì)算）： 起測(cè)長(zhǎng)度： （4-12）齒頂圓半徑： （4-13）基圓半徑： （4-14） （4-15）側(cè)頭的測(cè)量長(zhǎng)度： （4-16）測(cè)桿的長(zhǎng)度：，取測(cè)桿伸出長(zhǎng)度為40mm測(cè)桿與杠桿的固定選用gb/t6170 m2.5型螺母，gb/t 97.1 2.5 型墊圈緊固故測(cè)桿的總長(zhǎng)度為： （4-17） 取l=50mm，其中，m螺母墊圈的厚度，杠桿的厚度3 測(cè)頭接觸變性分析測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)件之間由于測(cè)量力引起的接觸變形對(duì)瞄準(zhǔn)精度影響很大，其大小根據(jù)接觸情況可按公式進(jìn)行理論計(jì)算： （4-18）式中，p為測(cè)量力，r為測(cè)量球半徑；為測(cè)頭與齒輪材料的彈性模量。在這次設(shè)計(jì)中

47、，假定測(cè)頭材料的彈性模量及齒輪材料的彈性模量均為n/，球半徑為1.5則計(jì)算出測(cè)量力p與變形量的關(guān)系如表4.6所示：表4.6 測(cè)量力與變形量的關(guān)系測(cè)量力（n）0.10.050.040.020.010.0050.0020.001變形量（）1.430.900.780.490.310.190.110.067由上述分析計(jì)算可知,為了提高瞄準(zhǔn)精度,減小接觸變形,必須減小測(cè)量力。一般要求測(cè)量力不應(yīng)大于0.02n，高精度測(cè)量應(yīng)控制在幾十克力之內(nèi)。接觸變形在一定的測(cè)量條件下對(duì)測(cè)量誤差影響很小。本次設(shè)計(jì)精度要求測(cè)量頭變形量不大于0.5,則測(cè)頭處的最大測(cè)量力約為0.02n,選用的彈簧彈性系數(shù)為 n/m,由于彈簧的彈性特性，得,又杠桿機(jī)構(gòu)的杠桿比為2.151,則測(cè)頭處的偏移誤差最大約為0.2151。4 材料選擇由測(cè)頭接觸變形分析可知，為了減少測(cè)頭接觸變形，應(yīng)選擇彈性模量e較大的材料。本次設(shè)計(jì)測(cè)頭測(cè)桿選用奧氏體不銹鋼1cr19ni9，其具有高穩(wěn)定的化學(xué)性能和很好的耐腐蝕性能，是目前應(yīng)用最多最廣的一類(lèi)不銹鋼，其物理機(jī)械性能如表4