齒圈徑向跳動測量智能同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研制

楊有松+劉志超+孫琪+張海馨+李曉奇+劉喆

摘 要：本文主要介紹了齒輪齒圈徑向跳動智能同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理和設(shè)計制作過程，實(shí)踐證明，該裝置可大幅度提高實(shí)驗(yàn)效率并能一定程度的改善測量精度。取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。該裝置對實(shí)現(xiàn)齒輪測量儀器的自動化和機(jī)電設(shè)備的一體化有著重要的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：齒輪齒圈徑向跳動誤差；步進(jìn)電機(jī)；控制；同步機(jī)構(gòu)

齒輪齒圈徑向跳動誤差ΔFr是指在被測齒輪一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，測量儀的測頭在齒槽內(nèi)與齒高中部雙面接觸，測頭相對于齒輪基準(zhǔn)軸線的最大變動量。它是齒輪誤差測量中的一個重要誤差量，主要用來評定由齒輪幾何偏心所引起的徑向誤差。很顯然，齒輪齒圈徑向跳動誤差過大對于齒輪的工作平穩(wěn)性、運(yùn)動精度和工作時產(chǎn)生的噪聲都會有很大的影響。而只有精確地和高效地測量了齒輪齒圈徑向跳動誤差，才能判斷齒輪齒圈徑向跳動誤差是否在合理的誤差范圍內(nèi)，保證今后齒輪能夠在正常的、穩(wěn)定的情況下工作。

齒輪齒圈徑向跳動誤差的測量通常在齒輪跳動檢查儀上進(jìn)行。測量時，把被測齒輪用心軸安裝在兩頂尖架的頂尖之間（被測齒輪軸則直接安裝在兩頂尖間），用心軸軸線模擬體現(xiàn)該齒輪的基準(zhǔn)軸線，使測頭在齒槽內(nèi)于齒高中部雙面接觸。測頭有球形和錐形等幾種形式，其尺寸大小應(yīng)與被測齒輪的模數(shù)相協(xié)調(diào)，以保證測頭在齒高中部雙面接觸。球形或錐形測頭安裝在指示表的測桿上，用它逐齒測量它相對于齒輪基準(zhǔn)軸線的變動量，其中最大值與最小值之差即為齒圈徑向跳動ΔF。齒輪跳動檢查儀測量齒輪齒圈徑向跳動誤差ΔFr如圖所示。

雖然用以上這種測量方法來測量齒輪齒圈徑向跳動誤差△Fr是可行的和可靠的，但測量時與測量后的工作相當(dāng)繁瑣。而且，它對測量人員的專業(yè)技術(shù)知識要求很高，即使是由一名技術(shù)熟練的測量人員去逐齒測量，之后借助于計算機(jī)來分析處理這些測量數(shù)據(jù)，對于工作量也沒能有太大的改觀。

該種測量方法的主要缺點(diǎn)是均為手動測量。因而無論是基準(zhǔn)軸線的校準(zhǔn)過程，還是齒輪的測量過程以及測量數(shù)據(jù)的采集和分析，均采用手動，這會帶來兩個主要的問題。一個是測量效率低下，需要逐齒測量，測量數(shù)據(jù)需要一一記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這會大大增加測量的時間；再一個是測量精度低，由于整個測量過程均為手動操作，這樣會導(dǎo)致測量基準(zhǔn)、被測齒輪及測量儀表受到各自不同的外力作用，使得彼此間出現(xiàn)微小移動，這會導(dǎo)致測量精度下降。

1 智能改進(jìn)方案及原理

考慮到運(yùn)用齒輪跳動檢查儀測量齒輪齒圈徑向跳動誤差的缺陷，我們對原齒輪跳動檢查儀進(jìn)行了智能化改造， 設(shè)計并研制了齒圈徑向跳動測量智能同步機(jī)構(gòu)。

（1）智能改進(jìn)方案及原理

針對測量過程中的每次手動扳動測量頭扳手，每次轉(zhuǎn)動被測齒輪轉(zhuǎn)動一個齒這樣一個繁瑣過程，我們設(shè)計了兩套動力系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)分別控制扳手的抬起和降落及被測齒輪的逐齒轉(zhuǎn)動，并通過運(yùn)動面板控制器控制兩者的協(xié)調(diào)運(yùn)動。其中 由于測量頭部分是采用凸輪機(jī)構(gòu)控制的上下運(yùn)動，我們通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，而被測齒輪的逐齒轉(zhuǎn)動問題通過另外一個步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于步進(jìn)電機(jī)具有精確控制轉(zhuǎn)動和位移特性，因此，能夠通過反復(fù)調(diào)試程序以保證兩者的協(xié)調(diào)運(yùn)動。控制原理圖如下。

2 設(shè)計與制作

在設(shè)計過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要，我們選用了運(yùn)動面板控制器對兩套動力系統(tǒng)加以控制。選用了兩臺57步進(jìn)電機(jī)及減速箱，重新設(shè)計了凸輪軸和被測齒輪軸，以便使其按照預(yù)訂的方案實(shí)施協(xié)調(diào)運(yùn)動。

3 總體控制方案

在實(shí)施運(yùn)動控制上，我們要求運(yùn)動準(zhǔn)確、動力足夠、便于控制、成本合理。設(shè)計中主要考慮了兩種方案：單片機(jī)控制和運(yùn)動面板控制器控制。我們對此兩種方案做了比較，由于單片機(jī)控制需要通過電腦輸入程序調(diào)試過程繁瑣，因此我們最后確定選用了運(yùn)動面板控制器進(jìn)行控制。

4 運(yùn)動面板控制器

該運(yùn)動面板控制器具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用高性能32位CPU，配備液晶顯示器，全封閉觸摸式操作鍵盤。該系統(tǒng)具有可靠性高，精度高，噪音小，操作方便等特點(diǎn)。可同時控制1-3個電機(jī)運(yùn)動，操作簡單、清晰、方便、快捷。該控制器具有開機(jī)畫面可自行修改、控制器或上位計算機(jī)雙模式編程獨(dú)立、24V電源反接保護(hù)、IO光耦隔離、輸出短接保護(hù)手動正反轉(zhuǎn)可同步外部開關(guān)控制、簡易PLC邏輯、參數(shù)區(qū)密碼可設(shè)定等特點(diǎn)。

該控制器的系統(tǒng)主要參數(shù)：最小數(shù)據(jù)單位：0.001mm；最大數(shù)據(jù)尺寸：±99999.999mm；最高脈沖輸出頻率：150KHz；系統(tǒng)具有自動、手動、程序編輯、系統(tǒng)參數(shù)、自檢、設(shè)置等主要功能。

5 步進(jìn)減速電機(jī)及支撐座

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要，我們選用57步進(jìn)減速電機(jī)并自行設(shè)計了支撐座。

其主要性能特點(diǎn)是：垂直輸出、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、工作平穩(wěn)噪音低、壽命長。

扭矩和功率輸出完全能夠滿足使用要求。

新設(shè)計的支撐座可以實(shí)現(xiàn)隨動調(diào)節(jié)能滿足多種實(shí)驗(yàn)需求。

該協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：能夠自動控制測量頭和被測齒輪的協(xié)調(diào)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)一體化控制，大幅度提高測量效率及測量精度。操控簡便直觀，易于上手。

6 結(jié)語

通過對原有齒輪齒圈徑向跳動的測量儀器的一系列改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動化控制。實(shí)踐表明該方法是可行的。運(yùn)用該方法還可以同時智能化改造齒輪的其它誤差測量儀，平均費(fèi)用小、經(jīng)濟(jì)效益高。改造后的測量儀不但可大幅度提高實(shí)驗(yàn)效率并且對測量的精度也略有提高。且操作方便，造價低廉。對實(shí)現(xiàn)齒輪測量儀器的自動化和機(jī)電設(shè)備的一體化有著重要的實(shí)踐意義。

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基金項目：吉林省教育廳項目，高精度智能化齒輪齒圈徑向跳動測量儀的研制