齒輪徑向綜合誤差測量系統(tǒng)的設(shè)計

1、齒輪徑向綜合誤差測量系統(tǒng)的設(shè)計作 者 姓 名： 專 業(yè)： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 目錄目錄1第一章緒論21.1齒輪測量技術(shù)簡介2齒輪測量技術(shù)的起源與歷程21.1.2齒輪測量技術(shù)的演變21.2齒輪綜合誤差測量原理31.3齒輪徑向綜合誤差的精度公差4第二章齒輪徑向綜合誤差檢測系統(tǒng)設(shè)計52.1測量系統(tǒng)的設(shè)計框圖52.2測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計52.3系統(tǒng)的工作步驟6第三章系統(tǒng)各部分電路設(shè)計63.1差動變壓器LVDT與AD59863.2電容式位移傳感器與NE55573.3 MSP430單片機及其外圍電路83.3. 1單片機最小系統(tǒng)加液晶顯示電路83.3. 2單片機上位機串行通訊電路93

2、.3. 3報警器、指示燈和繼電器電路93.3. 4步進(jìn)電機和鍵盤部分103.3. 5電源部分電路10第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計124.1系統(tǒng)軟件流程圖124.2多諧振蕩器脈沖頻率檢測子程序134.3差動放大器信號的 A/D轉(zhuǎn)換子程序134.4基于RS232的串口通訊子程序13第五章總結(jié)與體會14參考文獻(xiàn)15第一章 緒論1.1齒輪測量技術(shù)簡介1.1.1齒輪測量技術(shù)的起源與歷程齒輪的應(yīng)用有著悠久的歷史,而齒輪的科學(xué)研究卻始于17世紀(jì)M·Camus發(fā)現(xiàn)齒輪傳動的節(jié)點原理; 1765年, L·Euler將漸開線齒形引入齒輪,100多年后, Fellows等人應(yīng)用范成法高效地生產(chǎn)出漸開線齒輪

3、,從此漸開線齒輪得到了廣泛應(yīng)用。由于制造與安裝等方面的原因,實際齒輪總是存在著誤差。這種誤差對傳動系統(tǒng)的精度與動態(tài)特性(特別是振動與噪聲)有直接的影響。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。齒輪測量的基礎(chǔ)是齒輪精度理論。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。齒輪精度理論的發(fā)展實質(zhì)上反映了人們對齒輪誤差認(rèn)識的深化。迄今,齒輪精度理論經(jīng)歷了齒輪誤差幾何學(xué)理論、齒輪誤差運動學(xué)理論和齒輪誤差動力學(xué)理論的發(fā)展過程。其中,齒輪誤差動力學(xué)理論還處在探索中。第一種理論將齒輪看作純幾何體,認(rèn)為齒輪是一些空間曲面的組合,任一曲面都可由三維空間中點的坐標(biāo)來描述,實際曲面

4、上點的位置和理論位置的偏差即為齒輪誤差。第二種理論將齒輪看作剛體,認(rèn)為齒輪不僅僅是幾何體,也是個傳動件,并認(rèn)為齒輪誤差在嚙合運動中是通過嚙合線方向影響傳動特性的,因此嚙合運動誤差反映了齒面誤差信息。第三種理論將齒輪看作彈性體,對齒廓進(jìn)行修形,“有意地”引入誤差,用于補償輪齒承載后的彈性變形,從而獲取最佳動態(tài)性能,由此形成了齒輪動態(tài)精度的新概念。齒輪精度理論的發(fā)展,導(dǎo)致了齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)的不斷豐富和更新,如傳動誤差、設(shè)計齒廓的引入等。反過來,齒輪測量技術(shù)的發(fā)展也為齒輪精度理論的應(yīng)用和齒輪標(biāo)準(zhǔn)的貫徹提供了技術(shù)支撐。齒輪測量技術(shù)及其儀器的研發(fā)已有近百年的歷史。1.1. 2齒輪測量技術(shù)的演變整體上考察過去

5、一個世紀(jì)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(dāng)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“記錄器記錄加人工研判”,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。與此同時,齒輪量儀經(jīng)歷了從單品種單參數(shù)儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀),單品種多參數(shù)儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀),到多品種多參數(shù)儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。1.2齒輪綜合誤差測量原

6、理齒輪徑向綜合誤差檢驗時，所用的裝置按放了一對齒輪，其中一個齒輪裝在固定的軸上，另一個齒輪則裝在帶有滑道的軸上，該滑道帶一彈簧裝置，從而使兩個齒輪在徑向能緊密地嚙合（見圖1）。旋轉(zhuǎn)中測量出中心距的變動量。圖1測量徑向綜合誤差的原理測量齒輪要做得很精確，以達(dá)到其對徑向綜合偏差的影響可忽略不計的目的，在此情況下，當(dāng)被測齒輪旋轉(zhuǎn)一整周后，就能得到一個可接受的測量記錄。設(shè)計測量系統(tǒng)時，必須十分重視測量齒輪的精度，特別是它與被測齒輪嚙合的壓力角，否則會嚴(yán)重影響測量的結(jié)果。測量齒輪應(yīng)該有足夠的嚙合深度，使其能與被測齒輪的整個有效齒廓相接觸，但不應(yīng)與非有效部分或根部相接觸，避免產(chǎn)生這種接觸的辦法是將測量齒輪

7、的齒厚增厚到足以補償被測齒輪的側(cè)隙。齒輪旋轉(zhuǎn)一整周記錄下的曲線接近于正弦形狀幅值為，表示齒輪偏心距。被檢驗齒輪徑向綜合誤差F"等于齒輪旋轉(zhuǎn)一整周中最大的中心距變動量，它可以從記錄下來的線圖上確定。單齒徑向綜合誤差f"等于齒輪轉(zhuǎn)過一個齒距角時其中心距變動量的最大值。圖2 徑向綜合誤差曲線1.3齒輪徑向綜合誤差的精度公差齒輪徑向綜合誤差的精度公差公式如下：（m表示模數(shù)，d表示被測齒輪直徑）由上述公式，根據(jù)不同的m和d計算出的和可以形成一個用于確定被測齒輪各種精度等級的表格。用實際測量所得的和的值，分別與表格中的數(shù)值相比較，就可以確定被測齒輪的精度等級。第二章 齒輪徑向綜合誤差檢

8、測系統(tǒng)設(shè)計2.1測量系統(tǒng)的設(shè)計框圖AD598由555構(gòu)成的多諧振蕩器步進(jìn)電機及驅(qū)動MSP430單片機液晶顯示模塊鍵盤及接口電路RS232串口通訊機械部分差動變壓器LVDT電容式位移傳感器開關(guān)量I/O光電編碼器（閉環(huán)控制）2.2測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計本齒輪測量系統(tǒng)采用雙面嚙合的測量方式，即把被測齒輪作為一個回轉(zhuǎn)運動的傳動元件，與標(biāo)準(zhǔn)件(測量齒輪或測量蝸桿)作無間隙的雙面嚙合，并以徑向移動的方式調(diào)整被測圓柱齒輪與標(biāo)準(zhǔn)件的中心距，在齒輪轉(zhuǎn)動過程中，采用位移式傳感器測量取值，用以評定齒輪的運動精度和工作平穩(wěn)性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3， 其中探頭部分同時接入電容和電感式位移傳感器，用以檢測位移變化量。圖3 測量系統(tǒng)

9、結(jié)構(gòu)圖2.3系統(tǒng)的工作步驟通過單片機程序來控制步進(jìn)電機，帶動標(biāo)準(zhǔn)齒輪轉(zhuǎn)動，這里光電編碼器用作采集閉環(huán)控制的反饋信號。壓力彈簧使被測齒輪和標(biāo)準(zhǔn)齒輪緊密嚙合，齒輪轉(zhuǎn)動過程中被測齒輪的徑向綜合偏差直接反應(yīng)為中心距的尺寸變化，通過位移傳感器及處理電路使得位移信息準(zhǔn)換為電信號送給CPU進(jìn)行分析和處理。測量人員可以根據(jù)齒輪的精度等級選擇相應(yīng)的測量檔位，通過按鍵輸入給計算機，計算機經(jīng)過分析選擇使用的傳感器及控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速。一般35級選用電容式位移傳感器，67級選用差動放大式位移傳感器。第三章 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計3.1差動變壓器LVDT與AD598本測量系統(tǒng)采用差動變壓器來測量齒輪中心距的變動量。線性差動

10、變壓器是一種應(yīng)用非常廣泛的傳感器，用于測量距離、位移等物理量。線性差動變壓器專用集成電路芯片AD598（圖4）集成了正弦交流激勵信號的產(chǎn)生、信號調(diào)解、放大和溫度補償?shù)裙δ?。通過改變外接振蕩頻率電容的大小，就可改變正弦交流激勵信號的頻率，以適應(yīng)各種類型的線性差動變壓器對頻率的要求。本設(shè)計的齒輪中心距變動量的檢測電路如圖4所示。AD598的2、3引腳產(chǎn)生一個正弦波激勵信號供給差動變壓器LVDT的一次繞組，從16引腳輸出反映LVDT內(nèi)芯位置的直流電壓信號。圖4測量電路3.2電容式位移傳感器與多諧振蕩器電容式位移傳感器是利用電容器兩極板間的距離變化會引起電容值的變化這一原理，將位移變化量轉(zhuǎn)化為電容值變

11、化量，從而進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加觸發(fā)信號，接通電源后就能夠產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖輸出。在這里我們利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的特點和原理，將電容式位移傳感器當(dāng)做一個可變電容連接到震蕩電路中，根據(jù)震蕩周期公式：T=0.7(R1+R2)C f=1/T可見電容值的變化與振蕩器輸出脈沖的頻率成線性關(guān)系，那么只要我們檢測出脈沖的頻率即可得到相應(yīng)的電容值從而得到對應(yīng)的位移量。實際電路如圖：圖5 電容式位移傳感器應(yīng)用電路3.3 MSP430單片機及其外圍電路3.3. 1單片機最小系統(tǒng)加液晶顯示電路MSP430 系列是一個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功

12、耗的混合型單片機。選用430單片機主要是因為，內(nèi)部集成12位的AD轉(zhuǎn)換功能，能夠直接將AD598輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。另外430單片機的I/O口較多，能夠滿足鍵盤、顯示、開關(guān)量等使用需求，并且性能較好，便于系統(tǒng)擴展與聯(lián)機通訊。LCD顯示采用并行模式，由于單片機主要用于數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制，為使顯示部分暫用更少的主機時間顯示模塊采取并行通訊模式。占用的I/O口較多，但通訊所用時間較短。圖6 MSP430單片機最小系統(tǒng)電路3.3. 2單片機上位機串行通訊電路在數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用電路中，RS232作為一種典型的串行通訊協(xié)議被廣泛接受，其特點是原理簡單，操作方便，傳輸穩(wěn)定，但數(shù)據(jù)量較小。由于這里需要傳輸給

13、上微機的數(shù)據(jù)信息不大所以RS232能夠很好的滿足使用要求。圖7 單片機與上位機串行通訊電路3.3. 3報警器、指示燈和繼電器電路繼電器是用于開關(guān)量的控制，如預(yù)緊力的施加，測量前的選當(dāng)?shù)?，繼電器同時起到一個高地電壓隔離的作用，防止儀器驅(qū)動部分的高電壓燒壞單片機。蜂鳴器起錯誤報警的作用，指示燈則是用于操作指示。圖8 報警器、指示燈和繼電器電路3.3. 4步進(jìn)電機和鍵盤部分采用MSP430單片機對步進(jìn)電機的控制，通過I/O口輸出的時序方波作為步進(jìn)電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動步進(jìn)電機；同時，用 4個按鍵來對電機的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管動態(tài)顯示電機的轉(zhuǎn)速。電源 步進(jìn)電機步進(jìn)電機驅(qū)動鍵

14、盤 MSP430顯示串口通信圖9總體設(shè)計框圖² 鍵盤控制電路鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。圖9-1鍵盤控制模塊原理圖² 步進(jìn)電機驅(qū)動電路為了高效控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，因此需要將單片機發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，我們在這里采用ULN2003為步進(jìn)電機提供脈沖信號。圖9-2 步進(jìn)電機驅(qū)動原理圖3.3. 5電源部分電路MSP430是一個低功耗的單片機，其供電電源為3.3V。不作詳細(xì)介紹。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計YYYNNN

15、Y系統(tǒng)初始化準(zhǔn)備測量復(fù)位開始10YN參數(shù)設(shè)定精度等級啟用差動放大器步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)A/D轉(zhuǎn)換啟用電容式傳感器步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采樣Y數(shù)據(jù)處理，送顯示，送上位機數(shù)據(jù)處理，送顯示，送上位機停止旋轉(zhuǎn)一周旋轉(zhuǎn)一周NN4.1系統(tǒng)軟件流程圖4.2多諧振蕩器脈沖頻率檢測子程序/*頻率檢測利用高低電平檢測計數(shù)的方法檢測輸入方波的頻率*/ void frequency_test (void) C_interface |=1; do do if(C_interface =0) break; while(1); do if(C_interface =1) break; while(1); frequency_dat+;

16、while (fixed_time=0); fixed_time=0; 4.3差動放大器信號的 A/D轉(zhuǎn)換子程序/*利用MSP430的內(nèi)部AD,進(jìn)行單通道單次轉(zhuǎn)換*/ void adchange(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;/關(guān)閉看門狗P6SEL |= BIT1;/端口的第二功能ADC12CTL0 = ADC12ON + MSC + SHT0_8; /打開ADC12,設(shè)置采樣時間ADC12CTL1 = SHP + CONSEQ_1; /使用采樣時鐘,單通道單次采樣ADC12MCTL1 = INCH_1; /A1,ref+ = AVCCADC12CTL0 |=

17、ENC;/允許進(jìn)行轉(zhuǎn)換ADC12CTL0 |= ADC12SC;/開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換while(ADC12IFG&BIT0)=0); /等待轉(zhuǎn)換結(jié)束A1_Results = ADC12MEM1;/保存A1轉(zhuǎn)換結(jié)果4.4基于RS232的串口通訊子程序void communication (void)unsigned char i;WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;/停止看門狗P3SEL |= (BIT4 + BIT5);/P34,P35 USART0 TXD/RXDBCSCTL1 |= XTS;do IFG1 &= OFIFG;for (i=0xFF;i>0;i-

18、); while(IFG1&OFIFG);BCSCTL2 |= SELM_3;ME1 |= UTXE0 + URXE0;/允許USART0 TXD/RXDUCTL0 |= CHAR;/8-bitUTCTL0 |= SSEL0;/UCLK = ACLKUBR00 = 0x9F;UBR10 = 0x01;UMCTL0 = 0xB5;/ModulationUCTL0 &= SWRST;/初始化USART狀態(tài)機while(!(IFG1&UTXIFG0);/等待TXBUF0 = RXBUF0;/將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去第五章 總結(jié)與體會本設(shè)計為齒輪徑向綜合誤差檢測系統(tǒng)，給出了檢測儀的測量原理、機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和調(diào)試程序。其中在位移傳感器的使用和信號處理部分做了創(chuàng)新改進(jìn)型設(shè)計，使用新的原理和方案完成了系統(tǒng)功能。本設(shè)計采用電容式傳感器將位移信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后對數(shù)字量直接進(jìn)行處理。這突破了傳統(tǒng)的誤差檢測儀的測量原理，使得系統(tǒng)的信號處理更簡單，測量精度更高，可靠性更好。通過這次課程設(shè)計我明白了自己的知識還比較欠缺，要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低