大型齒輪在機測量控制系統(tǒng)研究

趙建

摘要：大齒輪作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的基礎(chǔ)元件，在實際生產(chǎn)中己經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，其制造技術(shù)及精度檢測技術(shù)也在不斷地更新和提高。文章力爭通過對控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計使大型齒輪在機測量系統(tǒng)具有容易調(diào)整、精度較高、適應(yīng)性強等優(yōu)勢，全面提升大型齒輪在機測量系統(tǒng)整體性能，進而促進大型齒輪在機測量技術(shù)的發(fā)展與完善，具體內(nèi)容供大家參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：大型齒輪；在機測量；控制系統(tǒng)

前言

大型齒輪在機測量儀按系統(tǒng)劃分包括機械傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)是在機測量儀的核心，也是在機測量儀能夠正常運轉(zhuǎn)和工作的“大腦”。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大型齒輪的精度要求越來越高，傳統(tǒng)的測量方法己經(jīng)不能滿足大型齒輪的測量要求。因此，需要技術(shù)人員加強對大型齒輪在機測量控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究，以期促進在機測量技術(shù)的發(fā)展。

1大型齒輪量儀概況及分類

目前大齒輪的檢測方法及理論隨著齒輪制造行業(yè)的發(fā)展而不斷變化，其革新檢測范圍也在不斷擴大。現(xiàn)階段，齒輪檢測行業(yè)較常用的測量手段是單項測量法，包括齒廓偏差、螺旋線偏差和齒距偏差的檢測，而基于直母線偏差的綜合測量法在業(yè)內(nèi)則使用較少。從量儀型式上看測量大齒輪的儀器基本可以分為以下三大類型：

第一，臺式量儀。臺式量儀在檢測大齒輪各項誤差時其指導(dǎo)思想和測量方法與檢測中、小型齒輪時相差無幾，比較突出的特點是量儀的結(jié)構(gòu)尺寸受被測齒輪直徑的影響變得較大；第二，上置式量儀。上置式量儀結(jié)構(gòu)一般都比較小、易于操作，測量時選取被測齒輪某一單側(cè)齒面作為定位基準面并將量儀裝夾在被測齒輪上，即可對齒輪進行各項誤差測量；第三，在機式量儀。在機式量儀通常安裝在加工機床上或者是機床旁邊，對被測齒輪進行測量。

2大型齒輪在機測量的難點與特點

2.1幾何尺寸較大、齒數(shù)較多

被測齒輪重量、體積、直徑都超出常規(guī)要求勢必帶來兩大不便：首先不利于大齒輪的安裝和拆卸；其次二次裝卡時難以保證精確對正與調(diào)整帶來不可預(yù)測的加工誤差與測量誤差。如果在計量室中對直徑為6-9m的大齒輪進行測量時，相應(yīng)的臺式量儀將增大到11m。另外，當大齒輪齒數(shù)大于42時，齒根圓大于基圓，實際測量時不易保證其調(diào)整精度。

2.2測量基準不易選擇

由于測量裝置的安裝、定位基準是加工機床機床自身的安裝和幾何誤差，因此其勢必會影響測量精度。特別是機床工作臺主軸的回轉(zhuǎn)誤差將復(fù)映于測量基準中較大時，就會影響齒形齒向和齒距的測量效果，使測量結(jié)果失真。另外，受定位基準和被測齒輪大小的影響，在測量時測量儀坐標系與工件坐標系之間的轉(zhuǎn)換誤差也很難確定。所以文章采用了變嚙合角法測量大齒輪將可有效提高了測量精度。

2.3測量環(huán)境影響測量效率

在對大齒輪進行測量之前，需要技術(shù)人員對測量儀的安裝位置和整個測量系統(tǒng)逐一進行調(diào)整和測試，這些人工過程將花費大量的時間和精力，降低了測量效率。實際測量中，車間內(nèi)的噪聲溫度及振動等不利因素同樣影響其測量結(jié)果和效率。所以行之有效地解決測量設(shè)備的安裝和調(diào)試問題，有效排除不利測量因素的影響，將成為提高測量效率的關(guān)鍵。

3大型齒輪在機測量控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

3.1大型齒輪在機測量系統(tǒng)的組成

大齒輪測量機主要由水平測量導(dǎo)軌、垂直測量導(dǎo)軌、重錘機構(gòu)、測量元件（齒條型刃邊測頭、長光柵、圓光柵）、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、工控機等部分組成。

測量系統(tǒng)分為三大部分：角位移測量裝置、線位移測量裝置和工控機及其接口電路。線位移裝置用來完成測量齒輪廓面上直母線偏差兩路位移信號的采樣，分為垂直方向上的位移信號拾取、水平方向上位移信號拾取，這兩路信號都是通過兩路長光柵實現(xiàn)的。其中，角位移裝置主要采集刃邊測頭的轉(zhuǎn)角信號。計算機是整個測量系統(tǒng)的“大腦”，通過測量軟件，控制直母線測量中各路信號的拾取及處理工作。

3.2大型齒輪在機測量控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

3.2.1工業(yè)控制計算機

工控機是整個控制系統(tǒng)的“大腦”，數(shù)據(jù)的存取與處理，測量軟件的安裝與調(diào)試，都依附于工控機。控制系統(tǒng)之所以選擇工控機是因為工控機支持長時間連續(xù)工作，系統(tǒng)較為穩(wěn)定，抗干擾能力強，比一般電腦更適用于惡劣的環(huán)境，比如溫度、灰塵等等。所以工控機適合于復(fù)雜環(huán)境下的測量工作。

3.2.2光柵尺

光柵尺的選擇需要根據(jù)其內(nèi)部傳感器的功能和性能來決定，一般情況下，設(shè)計人員會選擇采用密封式結(jié)構(gòu)的傳感器，這種傳感器具有較強的抗干擾能力、性能穩(wěn)定、易于安裝、采用特殊耐油技術(shù)處理抗老化、防塵、防水等的特點。此外，其使用壽命較長，可實現(xiàn)動態(tài)測量以及實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。

3.2.3光柵數(shù)據(jù)采集卡

測量系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為八光柵細分數(shù)據(jù)采集卡。該系列光柵細分數(shù)據(jù)采集卡是中科院自動化所研制的。該采集卡采用標準總線規(guī)范設(shè)計，適用于目前流行平臺，省去了令使用者不便的設(shè)置跳線以及避免了與計算機硬件資源沖突的問題，即插即用。此外，其還提供用戶使用動態(tài)連接庫和演示程序源代碼，方便用戶的二次開發(fā)。其不僅廣泛應(yīng)用測量控制領(lǐng)域，同時還可以成為測量儀器的核心部件。

3.3大型齒輪在機測量控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

3.3.1軟件總體結(jié)構(gòu)與要求

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可將整個控制系統(tǒng)分為兩部分，即運動控制部分和數(shù)據(jù)采集部分，二者結(jié)構(gòu)相似，但工作方式卻完全相反。運動控制部分通過計算機輸入具體的運動指令，驅(qū)動運動控制卡來控制量儀的運動部件按照預(yù)設(shè)的方案運動。而數(shù)據(jù)采集部分則是測量元件（光柵尺）在測量過程中，所產(chǎn)生的信號在經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡記錄和存儲后將結(jié)果反饋給數(shù)據(jù)采集程序，從而判斷是否進行下一次測量的過程。

3.3.2基于C++語言的直母線偏差測量程序設(shè)計

直母線偏差測量程序主要完成測量中軸向光柵的數(shù)據(jù)采樣（齒條測頭沿Z軸移動）、切向光柵數(shù)據(jù)采樣（Y軸靠齒面嚙合約束被動移動）、刃邊測頭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采樣工作以及伺服電動機的控制運動。也就是說，軟件在運行過程中，控制計算機的并行接口并協(xié)調(diào)處理好伺服驅(qū)動卡和光柵數(shù)據(jù)采集卡，以此實現(xiàn)直母線偏差的測量。實測過程中在被測輪齒廓面上將形成網(wǎng)格測量點，在軟件的數(shù)據(jù)處理中實現(xiàn)齒廓偏差、螺旋線偏差數(shù)據(jù)的分離。

進行直母線偏差測量時，技術(shù)人員在進入操作選擇主畫面后，第一步應(yīng)當對數(shù)據(jù)采集卡存儲單元進行清零設(shè)置，建立相對零點；第二步進行計數(shù)設(shè)置設(shè)定采樣點個數(shù)；第三步下達指令，開始運行伺服電機；第四步進行不間斷數(shù)據(jù)采樣，在采樣過程中首先要對各個接口卡的初始化設(shè)置，然后再進行采樣；第五步進行數(shù)據(jù)保存，測量后的數(shù)據(jù)一定要進行保存以備后續(xù)計算處理。然后進行下一次測量時退出結(jié)束。

結(jié)束語

21世紀是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力不斷創(chuàng)新和發(fā)展的時代，傳統(tǒng)制造業(yè)的振興與發(fā)展必然會對經(jīng)濟和社會產(chǎn)生深遠影響。近年來隨著自動化控制技術(shù)、微機技術(shù)和信息技術(shù)的綜合運用，齒輪制造業(yè)正處在一個充滿活力的發(fā)展時期，而齒輪的制造精度與其檢測技術(shù)又息息相關(guān)。因此，未來業(yè)內(nèi)將會有更多的相關(guān)人士關(guān)注和研究超大型齒輪加工誤差的檢測技術(shù)和理論，這將是在機式測量技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。

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