齒輪徑向綜合誤差測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、齒輪徑向綜合誤差測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作 者 姓 名： 專(zhuān) 業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 目錄目錄1第一章緒論21.1齒輪測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介2齒輪測(cè)量技術(shù)的起源與歷程21.1.2齒輪測(cè)量技術(shù)的演變21.2齒輪綜合誤差測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.1測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖52.2測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)63.1差動(dòng)變壓器LVDT與AD59863.2電容式位移傳感器與NE55573.3 MSP430單片機(jī)及其外圍電路83.3. 1單片機(jī)最小系統(tǒng)加液晶顯示電路83.3. 2單片機(jī)上位機(jī)串行通訊電路93

2、.3. 3報(bào)警器、指示燈和繼電器電路93.3. 4步進(jìn)電機(jī)和鍵盤(pán)部分103.3. 5電源部分電路10第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)124.1系統(tǒng)軟件流程圖124.2多諧振蕩器脈沖頻率檢測(cè)子程序134.3差動(dòng)放大器信號(hào)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(huì)14參考文獻(xiàn)15第一章 緒論1.1齒輪測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介1.1.1齒輪測(cè)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(dòng)的節(jié)點(diǎn)原理; 1765年, L·Euler將漸開(kāi)線(xiàn)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(kāi)線(xiàn)齒輪

3、,從此漸開(kāi)線(xiàn)齒輪得到了廣泛應(yīng)用。由于制造與安裝等方面的原因,實(shí)際齒輪總是存在著誤差。這種誤差對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度與動(dòng)態(tài)特性(特別是振動(dòng)與噪聲)有直接的影響。因此,如何表征、測(cè)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(cè)量的基礎(chǔ)是齒輪精度理論。齒輪測(cè)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(shí)質(zhì)上反映了人們對(duì)齒輪誤差認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)學(xué)理論和齒輪誤差動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展過(guò)程。其中,齒輪誤差動(dòng)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(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)描述,實(shí)際曲面

4、上點(diǎn)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(gè)傳動(dòng)件,并認(rèn)為齒輪誤差在嚙合運(yùn)動(dòng)中是通過(guò)嚙合線(xiàn)方向影響傳動(dòng)特性的,因此嚙合運(yùn)動(dòng)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(duì)齒廓進(jìn)行修形,“有意地”引入誤差,用于補(bǔ)償輪齒承載后的彈性變形,從而獲取最佳動(dòng)態(tài)性能,由此形成了齒輪動(dòng)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(dòng)誤差、設(shè)計(jì)齒廓的引入等。反過(guò)來(lái),齒輪測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)的演變整體上考察過(guò)去

5、一個(gè)世紀(jì)里齒輪測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:1)在測(cè)量原理方面,實(shí)現(xiàn)了由“比較測(cè)量”到“嚙合運(yùn)動(dòng)測(cè)量”,直至“模型化測(cè)量”的發(fā)展。2)在實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理的技術(shù)手段上,歷經(jīng)了“以機(jī)械為主”到“機(jī)電結(jié)合”,直至當(dāng)今的“光-機(jī)-電”與“信息技術(shù)”綜合集成的演變。3)在測(cè)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(jì)算機(jī)自動(dòng)分析并將測(cè)量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。與此同時(shí),齒輪量?jī)x經(jīng)歷了從單品種單參數(shù)儀器(典型儀器有單盤(pán)漸開(kāi)線(xiàn)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(cè)量中心)的演變。1.2齒輪綜合誤差測(cè)量原

6、理齒輪徑向綜合誤差檢驗(yàn)時(shí)，所用的裝置按放了一對(duì)齒輪，其中一個(gè)齒輪裝在固定的軸上，另一個(gè)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(gè)齒輪在徑向能緊密地嚙合（見(jiàn)圖1）。旋轉(zhuǎn)中測(cè)量出中心距的變動(dòng)量。圖1測(cè)量徑向綜合誤差的原理測(cè)量齒輪要做得很精確，以達(dá)到其對(duì)徑向綜合偏差的影響可忽略不計(jì)的目的，在此情況下，當(dāng)被測(cè)齒輪旋轉(zhuǎn)一整周后，就能得到一個(gè)可接受的測(cè)量記錄。設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，必須十分重視測(cè)量齒輪的精度，特別是它與被測(cè)齒輪嚙合的壓力角，否則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的結(jié)果。測(cè)量齒輪應(yīng)該有足夠的嚙合深度，使其能與被測(cè)齒輪的整個(gè)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(cè)量齒輪

7、的齒厚增厚到足以補(bǔ)償被測(cè)齒輪的側(cè)隙。齒輪旋轉(zhuǎn)一整周記錄下的曲線(xiàn)接近于正弦形狀幅值為，表示齒輪偏心距。被檢驗(yàn)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(dòng)量，它可以從記錄下來(lái)的線(xiàn)圖上確定。單齒徑向綜合誤差f"等于齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角時(shí)其中心距變動(dòng)量的最大值。圖2 徑向綜合誤差曲線(xiàn)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(cè)齒輪直徑）由上述公式，根據(jù)不同的m和d計(jì)算出的和可以形成一個(gè)用于確定被測(cè)齒輪各種精度等級(jí)的表格。用實(shí)際測(cè)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(cè)齒輪的精度等級(jí)。第二章 齒輪徑向綜合誤差檢

8、測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖AD598由555構(gòu)成的多諧振蕩器步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)MSP430單片機(jī)液晶顯示模塊鍵盤(pán)及接口電路RS232串口通訊機(jī)械部分差動(dòng)變壓器LVDT電容式位移傳感器開(kāi)關(guān)量I/O光電編碼器（閉環(huán)控制）2.2測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本齒輪測(cè)量系統(tǒng)采用雙面嚙合的測(cè)量方式，即把被測(cè)齒輪作為一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件，與標(biāo)準(zhǔn)件(測(cè)量齒輪或測(cè)量蝸桿)作無(wú)間隙的雙面嚙合，并以徑向移動(dòng)的方式調(diào)整被測(cè)圓柱齒輪與標(biāo)準(zhǔn)件的中心距，在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，采用位移式傳感器測(cè)量取值，用以評(píng)定齒輪的運(yùn)動(dòng)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(shí)接入電容和電感式位移傳感器，用以檢測(cè)位移變化量。圖3 測(cè)量系統(tǒng)

9、結(jié)構(gòu)圖2.3系統(tǒng)的工作步驟通過(guò)單片機(jī)程序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這里光電編碼器用作采集閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。壓力彈簧使被測(cè)齒輪和標(biāo)準(zhǔn)齒輪緊密?chē)Ш?，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中被測(cè)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(guò)位移傳感器及處理電路使得位移信息準(zhǔn)換為電信號(hào)送給CPU進(jìn)行分析和處理。測(cè)量人員可以根據(jù)齒輪的精度等級(jí)選擇相應(yīng)的測(cè)量檔位，通過(guò)按鍵輸入給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)分析選擇使用的傳感器及控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一般35級(jí)選用電容式位移傳感器，67級(jí)選用差動(dòng)放大式位移傳感器。第三章 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)3.1差動(dòng)變壓器LVDT與AD598本測(cè)量系統(tǒng)采用差動(dòng)變壓器來(lái)測(cè)量齒輪中心距的變動(dòng)量。線(xiàn)性差動(dòng)

10、變壓器是一種應(yīng)用非常廣泛的傳感器，用于測(cè)量距離、位移等物理量。線(xiàn)性差動(dòng)變壓器專(zhuān)用集成電路芯片AD598（圖4）集成了正弦交流激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)調(diào)解、放大和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。通過(guò)改變外接振蕩頻率電容的大小，就可改變正弦交流激勵(lì)信號(hào)的頻率，以適應(yīng)各種類(lèi)型的線(xiàn)性差動(dòng)變壓器對(duì)頻率的要求。本設(shè)計(jì)的齒輪中心距變動(dòng)量的檢測(cè)電路如圖4所示。AD598的2、3引腳產(chǎn)生一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)供給差動(dòng)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(hào)。圖4測(cè)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(huì)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(hào)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(hào)，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(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的特點(diǎn)和原理，將電容式位移傳感器當(dāng)做一個(gè)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(jiàn)電容值的變化與振蕩器輸出脈沖的頻率成線(xiàn)性關(guān)系，那么只要我們檢測(cè)出脈沖的頻率即可得到相應(yīng)的電容值從而得到對(duì)應(yīng)的位移量。實(shí)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(jī)及其外圍電路3.3. 1單片機(jī)最小系統(tǒng)加液晶顯示電路MSP430 系列是一個(gè) 16 位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功

12、耗的混合型單片機(jī)。選用430單片機(jī)主要是因?yàn)?，?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(jī)的I/O口較多，能夠滿(mǎn)足鍵盤(pán)、顯示、開(kāi)關(guān)量等使用需求，并且性能較好，便于系統(tǒng)擴(kuò)展與聯(lián)機(jī)通訊。LCD顯示采用并行模式，由于單片機(jī)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(jī)時(shí)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(shí)間較短。圖6 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.3. 2單片機(jī)上位機(jī)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(diǎn)是原理簡(jiǎn)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(jī)的數(shù)據(jù)信息不大所以RS232能夠很好的滿(mǎn)足使用要求。圖7 單片機(jī)與上位機(jī)串行通訊電路3.3. 3報(bào)警器、指示燈和繼電器電路繼電器是用于開(kāi)關(guān)量的控制，如預(yù)緊力的施加，測(cè)量前的選當(dāng)?shù)?，繼電器同時(shí)起到一個(gè)高地電壓隔離的作用，防止儀器驅(qū)動(dòng)部分的高電壓燒壞單片機(jī)。蜂鳴器起錯(cuò)誤報(bào)警的作用，指示燈則是用于操作指示。圖8 報(bào)警器、指示燈和繼電器電路3.3. 4步進(jìn)電機(jī)和鍵盤(pán)部分采用MSP430單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)I/O口輸出的時(shí)序方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，用 4個(gè)按鍵來(lái)對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電源 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鍵

14、盤(pán) MSP430顯示串口通信圖9總體設(shè)計(jì)框圖² 鍵盤(pán)控制電路鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。鍵盤(pán)所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。圖9-1鍵盤(pán)控制模塊原理圖² 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們?cè)谶@里采用ULN2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)。圖9-2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖3.3. 5電源部分電路MSP430是一個(gè)低功耗的單片機(jī)，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(jì)YYYNNN

15、Y系統(tǒng)初始化準(zhǔn)備測(cè)量復(fù)位開(kāi)始10YN參數(shù)設(shè)定精度等級(jí)啟用差動(dòng)放大器步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)A/D轉(zhuǎn)換啟用電容式傳感器步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采樣Y數(shù)據(jù)處理，送顯示，送上位機(jī)數(shù)據(jù)處理，送顯示，送上位機(jī)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(cè)子程序/*頻率檢測(cè)利用高低電平檢測(cè)計(jì)數(shù)的方法檢測(cè)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(dòng)放大器信號(hào)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(mén)狗P6SEL |= BIT1;/端口的第二功能ADC12CTL0 = ADC12ON + MSC + SHT0_8; /打開(kāi)ADC12,設(shè)置采樣時(shí)間ADC12CTL1 = SHP + CONSEQ_1; /使用采樣時(shí)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(kāi)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(mén)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(jī)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(huì)本設(shè)計(jì)為齒輪徑向綜合誤差檢測(cè)系統(tǒng)，給出了檢測(cè)儀的測(cè)量原理、機(jī)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(hào)處理部分做了創(chuàng)新改進(jìn)型設(shè)計(jì)，使用新的原理和方案完成了系統(tǒng)功能。本設(shè)計(jì)采用電容式傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)數(shù)字量直接進(jìn)行處理。這突破了傳統(tǒng)的誤差檢測(cè)儀的測(cè)量原理，使得系統(tǒng)的信號(hào)處理更簡(jiǎn)單，測(cè)量精度更高，可靠性更好。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我明白了自己的知識(shí)還比較欠缺，要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低