CN101701869B - 一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪，用于配合锥齿轮机械式滚动检查机分析锥齿轮的质量。本仪器包括安装在便携机箱中的主机以及噪声探头，其中，主机中设置有配合锥齿轮机械式滚动检查机分析锥齿轮质量的程序。主机部分由CPU中央处理器、滤波放大电路、模数转换(AD)电路、显示电路和键盘，时序控制电路，存储器电路，串行总线接口电路组成。可人机交互界面实现自动采集并分析机械式滚动检查机对锥齿轮啮合质量的检查结果，减少了因主观因素造成的测量误差，同时大大降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。并且本仪器便于携带可以为多台机械式滚动检查机分析测试结果，大大降低了结果分析的成本。

Description

一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪

技术领域

本发明涉及一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪，用于配合锥齿轮机械式滚动检查机分析锥齿轮的质量。

背景技术

为了控制锥齿轮啮合质量，目前国内锥齿轮制造业广泛采用的方法是，在机械式滚动检查机上进行配对检查，检验人员凭经验“听”或者采用声级计来对齿轮传动噪声进行评估，这种半自动化式测量方法过分依赖操作者经验，只能定性分析，很难精确判断锥齿轮的啮合质量。国外典型的数控锥齿轮滚动检查机如格利森凤凰500HCT，同时具备了滚动检验机和单面啮合检查仪的测量功能，既能测量锥齿轮的切向综合误差，又能数字化测量锥齿轮接触区、进行三维结构噪音分析。其三维结构噪音分析主要是通过加速度传感器和拾音器测量其振动和噪音，对齿频谐波进行检测，缺陷在于只能对齿频的谐波进行评价，而且不能对次品进行进一步的分析，且价格昂贵、不易搬运。

发明内容

本发明的目的在于：克服国内现有的机械式滚动检查机在控制锥齿轮啮合质量时精度低、半自动化、过分依赖工人经验等问题，提出一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪，包括安装在便携机箱中的主机以及通过导线与主机连接的噪声探头。其中主机中设置有配合锥齿轮机械式滚动检查机分析锥齿轮质量的程序，该程序采用下面方法实现：

1)利用公式 $U_i=\frac{2\×{\mathrm{data}}_i\×V_{\mathrm{in}}}{65536}$ 将采集信号的数字值转化为电压值，

其中，data_i是AD输出的16位转换结果，取值范围(-32768～32768)；V_in是模拟输入电压的最大值，V_in＝nV_REF，n＝1，2，由键盘控制，V_RLI＝2.5V为AD芯片内部参考电压；

2)将电压值进行FFT变换(即快速傅氏变换)，得到采集信号的频率谱；

3)根据FFT变换得到的频率谱判断锥齿轮是否质量有问题；

4)若锥齿轮有质量问题，将电压值进行HHT变换(即希尔伯特黄变换)，得该信号的希尔伯特谱、时频能量谱；

5)根据希尔伯特谱、时频能量谱判断锥齿轮质量的具体问题：

a)第一到第六次谐波振幅(相对于第一次谐波)都很高，则锥齿轮副共轭曲面的压力角或螺旋角不相适应；

b)第一次谐波声级高，则齿廓曲率过大；；

c)第二次谐波声级高，则齿廓曲率过小；；

d)第三次谐波声级高，则齿面粗糙度不合格。。

其中，FFT变换即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。可以将一个信号从时域变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。FFT中第一个点表示直流分量(即0Hz)，而最后一个点N则表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。例如某点n所表示的频率为：Fn＝(n-1)*Fs/N。由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。通过LCD显示的FFT分析结果，我们可以看到是哪些频率成分对应的噪声声级较大(横坐标是频率，纵坐标是该频率对应的噪声声压级值)

HHT变换即希尔伯特黄变换，先对信号进行经验模态分解(Empiricalmode decomposition-EMD)，得出本征模态函数(IMF intrinsic modefunction)，再对本征模态函数进行希尔伯特变换，从而过进一步得该信号的希尔伯特谱、时频能量谱等，以便对信号进行分析，因其对非线性及非平稳信号有较好的分析和处理效果，所以本仪器选择HHT算法处理噪声信号。HHT分析过程如下：对通过EMD方法将任意信号分解为n个内在经验模式分量IMF和一个剩余分量之和，各IMF分量突出了信号的局部特征，包含信号从高到低不同频段的成分，对各分量进行分析可以更加准确、有效地把握信号的特征信息，精确的描述了信号的幅值在整个时间频率段上随时间和频率的变化情况，能很好的反映出信号的内在时变特征。这对于目标定位，即找到影响噪声大小的主要频率成分效果显著，通过LCD显示的HHT分析结果，我们便可以知道具体是哪个谐波成分影响噪声大小，以便更加准确的判断工序误差，给次品分析提供依据。

本发明中噪声探头采用电容式传声器。

本发明的主机部分包括有CPU中央处理器，与噪声探头依次连接的前置放大电路、噪声信号调理电路、滤波电路、模数转换电路，与CPU中央处理器连接的显示电路和键盘，还设置有由现场可编程门阵列(FPGA)与CPU连接组成的时序控制电路、由通用的闪存FLASH ROM与CPU连接组成的存储器电路、由RS232C与TTL电平转换芯片与CPU连接组成的串行总线接口电路；其中，时序控制电路将模数转换电路的数据送至CPU中央处理器及将CPU中央处理器产生的显示信息送至显示电路，串行总线接口电路可通过电缆与外部的PC机连接。

利用本发明设计的一种适于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪在配合机械式滚动检查机进行测试锥齿轮时，采用如下测试方法：

1)用声校准器校准噪声探头的灵敏度；

2)将其中噪声探头布置在锥齿轮机械式滚动检查机上锥齿轮啮合点的上方50mm处；

3)通过仪器中键盘和液晶显示器组成的人机交互界面输入齿轮基本参数：齿数、模数、转速，完成初始设置；

4)锥齿轮机械式滚动检查机空载，即滚动检查机在不安装锥齿轮副的情况下工作，待滚动检查机转动稳定后，采集信号A_i并保存在存储器中，作为背景噪声；

5)锥齿轮机械式滚动检查机加载，即将待检测的锥齿轮安装在滚动检查机上，待滚动检查机转动稳定后，采集信号B_i并保存在存储器中，作为混有背景噪声的锥齿轮传动噪声；

6)采集完成后，通过人机交互界面进行频率计权声级计算，显示的结果是滤除背景噪声的锥齿轮传动噪声频率计权声级B′_i-A′_i；

7)通过比拟法观察测试结果(用FFT变换得到的频率谱)与标准齿轮是否有差别；

8)若被测锥齿轮与标准齿轮有差别，则通过人机交互界面调用希尔伯特黄算法对该锥齿轮噪声信号分析，找出加工流程中的问题所在，反馈到生产部门，修正相关参数。

本发明的有益效果为：具有人机交互界面，通过多级菜单设置，工作人员通过输入锥齿轮的基本参数，控制仪器的采集频率，与PC机的串口通信，减少了因工人主观因素造成的测量误差，同时大大降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。并且本仪器便于携带可以为多台机械式滚动检查机分析测试结果，大大降低了结果分析的成本。

附图说明

图1为本仪器的外形示意图；

图2为本仪器的组成原理框图；

图3为本仪器的信号采集通道及调理电路原理图；

图4为本仪器中滤波电路原理图；

图5为本仪器中模数转换电路原理图；

图6为本仪器的键盘和显示电路原理图；

图7为本仪器使用时整个程序流程图；

图8为本仪器判断锥齿轮质量的程序流程图。

图中：1、液晶显示器(LCD)，2、键盘，3、噪声探头插座，4、串口通信接口、5、电源指示灯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的优选实施例进行详细说明：

如图1所示，采用便携式机箱，在机箱安置本发明中的主机部分。配备有1只噪声探头，噪声探头工作时通过插座3与主机连接，携带时可收放于机箱内。机箱面板设置液晶显示器1和操作键盘2以及串口通信接口4、电源指示灯5。

本实施例中噪声探头采用电容式传声器。

本实施例中的主机部分由CPU中央处理器、噪声信号调理电路、滤波放大电路、模数转换(AD)电路、显示电路和键盘，时序控制电路，存储器电路，串行总线接口电路组成。

CPU中央处理器为TI公司TMS320C2000系列DSP，型号为TMS320LF2407A。CPU通过外加电源转换芯片、时钟芯片、SRAM存储器，以及复位电路组成DSP系统；通过其各端口的输入输出信号控制其它各电路工作。CPU的16位地址线引脚A0～A15和数据线引脚D0～D15分别作为整个系统的地址总线和数据总线，同时连接到FPGA的IO引脚上，读写数据、访问外部IO空间。外部数据空间选通引脚DS、外部程序空间选通引脚PS、外部I/O空间选通引脚IS均连接到FPGA得IO引脚上，控制数据的读写、寻址和外部IO空间访问。IOPB0～IOPB7连接至键盘端口。IOPC3连接到模数转换芯片U3，U3型号为AD7656，参考电压范围控制引脚(如图7)。IOPC2连接到LCD的指令数据控制端，IOPA7连接到LCD的字形选择控制端，IOPE7连接到LCD的数据写使能端，IOPE6连接到LCD的数据读使能端(如图8)。

采集电路：采用与噪声探头配合使用的前置放大器，接于探头后面，为现有产品，型号为AWA14604。

噪声信号调理电路：如图3所示，其中，BNC插座用于接入噪声探头，由于该噪声探头配置的前置放大器是将信号线和电源线合二为一，优选24v恒流源供电，所以设计中通过24v直流电压和3k电阻为前置放大器提供所需恒流源电流。其次，信号调理电路由R2、C3组成，图中噪声信号输入后，需要一个10uf的电容(C3)隔去直流成分，10k电阻(R2)接地是为了隔直效果更好。

滤波电路：如图4所示，采用滤波芯片MAX274B，通过设置其外围的电阻值就可以实现所需的中心频率值，由于齿轮噪声的频率范围为500～5khz，理论截止频率应为5khz，由于滤波电路在截止频率处有衰减，故本系统截止频率设置在6khz。

模数转换(AD)电路：如图5所示，通过FPGA逻辑控制AD时序。此种设计一是不占用DSP资源(IO口)，通过访问IO空间去启动AD转换；二是无需调用延时程序，直接利用FPGA控制，时序性好。如图5所示，AD选择AD7656，W/B置地，AD转换结果以16位二进制形式传输；H/S置地，控制AD启动转换由引脚CVTA，B，C决定；SER/PAR置地，以并行方式输出16位二进制；STBY置高，AD工作在非空闲模式，即正常模式；WR/REF置高，使能内部参考电压。时序控制：当DSP执行一条访问IO空间采集信号的指令，经过FPGA内部地址译码器(VHDL语言实现)，给CVT A，B，C引脚一个高电平启动AD转换，AD转换完成后，BUSY引脚自动由低至高，AD转换结果以16位数据并行方式保存到其内部数据寄存器中，同时FPGA内部读数据模块(VHDL语言实现)接收到BUSY引脚的上升沿后，将AD芯片的片选引脚CS和读数据引脚RD置低，若此时DSP执行一条访问IO空间读转换结果的指令，经过FPGA内部地址译码器，数据便从AD内部数据寄存器传输到DSP的数据总线上。

显示电路和键盘：如图8所示，由通过FPGA与CPU连接的液晶显示器和和CPU连接的键盘组成，液晶显示器采用由t6963c控制器驱动的240x128点阵式图形液晶显示器；键盘采用4X4非编码矩阵式键盘。

时寸序控制电路由现场可编程门阵列(FPGA)与CPU连接组成。可编程逻辑控制门阵列FPGA，型号为EP1C3T144C8。该芯片有2910LE逻辑资源，13条M4KRAM(共6.5KB)，另外还有一个数字锁相环。其时序控制电路均由VHDL语言实现。工作过程为，首先CPU设定AD启动转换信号电平由IO空间地址值决定，当程序访问IO空间地址对应的AD启动转换信号引脚时，引脚电平被置高，AD开始转换，转换完成后标志位置高。下一步，当标志位置高后，FPGA使能AD片选和读使能引脚，只有标志位为高电平，且片选和读使能引脚为低电平时才能读取噪声电压值，FPGA连续读取数据采集通道的电压值后保存在其FIFO模块中，至此AD一次转换结束。在完成CPU设定的转换次数后，定时器停止计数，CPU读取FPGA中FIFO缓存的噪声信号电压值。

存储器电路由一片EPROM与CPU连接组成。EPROM型号为Intel27C64，容量为64KBit，读取周期时间小到170ns。CPU计算出测量的声压级和频谱分析结果后，将测量值和频谱分析结果存储到存储器Intel27C64中。写选通WRITE与片选信号CS 1输出低电平选通存储器。存储器通过16位地址总线A0～A15寻址，再通过16位数据总线D0～D15将数据存储到相应的地址空间中。C4为电源的去耦电容。测量时CPU控制写选通信号WRITE将测量数据存入存储器中；当需要将测量数据上传到PC时，CPU控制读选通信号READ将测量数据从存储器中读出。

串行总线接口电路由RS232C与TTL电平转换芯片与CPU连接组成。TTL电平转换芯片采用MAX232。芯片的发送数据引脚和接收数据引脚分别与CPU的串行数据发送引脚和串行数据接收引脚相连，CPU控制将数据从存储器中读出，送入电平转换芯片，电平转换芯片将数据转换为RS-232C信号，上传给PC机。声级计算和频谱分析工作结束后，CPU控制下可把暂存于存储器中的数据由CPU取出送至串口，PC机接收后存储在PC机硬盘中，进行数据分析或者数据汇集纪录。

本实施例采用开关电源供电，经过两块DC-DC电源转化芯片降压和稳压后，给仪器供电。

下面介绍本实施例在配合机械式滚动检查机进行测试锥齿轮时的使用方法和测试方法。其整个流程如图7。

本仪器上电后，CPU处于循环扫描键盘状态，等待键盘有按键。当按键进入系统主菜单后，LCD将显示三个子菜单，包括：输入齿轮参数、启动AD采集及频谱分析、显示工艺分析结果。在测量开始前，需要输入齿轮的基本参数，包括齿数、模数、转速，其中转速决定AD的采集频率。当键盘控制启动AD采集后，CPU初始化定时器并启动定时器开始计数，当计数值与周期值匹配时，CPU进入中断启动AD转换，读取经过滤波后的噪声探头采集的信号电压值并将数据自动保存在存储器中，当信号采集数量达到预定个数时，定时器停止计数，CPU读取存储器中的信号电压值并计算出声级值，同时CPU通过FFT算法实现传动噪声信号的频谱分析，最后将声级值和频谱分析结果保存在存储器中。最终的噪声声级值和频谱分析结果可以由键盘控制显示在LCD上。

其具体测试过程如下(如图8)：

(1)通过声校准器校准待接入噪声探头的灵敏度。声校准器是校准声级计和其他声学测量仪器声压灵敏度的标准器具。将噪声探头侧头接至声校准器内，上电后通过按键选择校准选项，该仪器便能自动校准补偿灵敏度偏差；

(2)将其中噪声探头布置在滚动检查机上锥齿轮啮合点的上方50mm处，仪器由于是便携式，所以无需装夹，根据连接噪声探头的双绞线长度靠近滚动检查机就可；

(3)通过键盘和液晶显示器组成的人机交互界面输入齿轮基本参数和控制测量过程。测量前，先输入齿轮基本参数：齿数、模数、转速。齿数和转速决定齿频，齿频＝齿数×转速；噪声信号中齿频的第一次到第六次谐波幅值含有丰富的传动质量性能信息，例如齿距误差、齿形误差、齿圈跳动、表面粗糙度和侧隙变动量等误差。转速决定着仪器的采集频率，参数输入完，仪器自动读取信息，以便控制下一步操作，初始设置完成；

(4)滚动检查机空载，即滚动检查机在不安装锥齿轮副的情况下工作，噪声探头位置不变，待滚动检查机转动稳定后，按键启动噪声探头采集信号A_i并保存在存储器中，此采集的信号为背景噪声；

(5)滚动检查机负载，即将待检测的锥齿轮安装在滚动检查机上，噪声探头位置保持不变，待滚动检查机转动稳定后，按键控制噪声探头采集信号B_i并保存在存储器中，此采集的信号为混有背景噪声的锥齿轮传动噪声；

(6)采集完成后，按键盘选择显示频谱分析结果子菜单，仪器自动进行频率计权声级计算，显示的结果是滤除背景噪声的锥齿轮传动噪声频率计权声级B′_i-A′_i；

(7)通过比拟法观察显示结果和标准齿轮(一对标准的齿轮副也会存在第一到第六次啮合频率谐波振幅，但是除第一次谐波外其余谐波的振幅要低的多)的显示结果；

(8)若被测锥齿轮是次品，则需进一步通过细化谱分析找出加工工艺过程中的问题。按键盘选择显示工艺结果子菜单，仪器自动调用希尔伯特黄算法对该锥齿轮噪声信号分析，找出加工流程中的问题所在，反馈到生产部门，修正相关参数，减少次品的数量。

(9)该仪器在测量时，此时滚动检查机空载，即滚动检查机在不安装锥齿轮副的情况下工作，将噪声探头置于锥齿轮啮合处的正上方50mm处，噪声探头采集信号A_i，此采集的信号为背景噪声；滚动检查机负载，将噪声探头置于锥齿轮啮合处的正上方50mm处，噪声探头采集信号B_i，此采集的信号为混有背景噪声的锥齿轮传动噪声；将A_i和B_i分别通过FFT后计算得到的频率计权声压级分别为A′_i和B′_i，B′_i-A′_i即为锥齿轮传动噪声信号的频率计权值。通过观察液晶显示器中B′_i-A′_i的结果，可知此锥齿轮质量是否合格。判断标准如下：一对比较正常的齿轮副也会存在第一到第六次啮频谐波振幅，但是除第一次谐波外其余谐波的振幅要低的多。通过观察B′_i-A′_i结果中谐波振幅便可知该锥齿轮副是否是合格品。如需进一步分析次品原因，可以通过键盘选择工艺分析，该仪器便可以调用希尔伯特黄(HHT)算法分析信号频谱，通过HHT分析结果，可知道锥齿轮不合格的具体原因，反馈到加工环节，便可以及时修正加工误差，减少次品的生成。研究表明：第一到第六次谐波振幅(相对于第一次谐波)都很高，则锥齿轮副共轭曲面的压力角或螺旋角不相适应；第一次谐波声级高，则齿廓曲率过大；第二次谐波声级高，则齿廓曲率过小；第三次谐波声级高，则齿面粗糙度不合格。

Claims (4)

1.一种利用传动噪声控制锥齿轮啮合质量的方法，其特征在于：用噪声探头得到锥齿轮的传动噪声，并对此噪声做如下处理，

1)利用公式

将采集信号的数字值转化为电压值，

其中，data_i是AD输出的16位转换结果，取值范围-32768～32768；V_in是模拟输入电压的最大值，V_in＝nV_REF，n＝1，2，由键盘控制，V_REF＝2.5v为

AD芯片内部参考电压；

2)将电压值进行FFT变换即快速傅氏变换，得到采集信号的频率谱；

3)根据FFT变换得到的频率谱判断锥齿轮是否质量有问题；

4)若锥齿轮有质量问题，将电压值进行HHT变换即希尔伯特黄变换，得该信号的希尔伯特谱、时频能量谱；

5)根据希尔伯特谱、时频能量谱判断锥齿轮质量的具体问题：

a)第一到第六次谐波振幅相对于第一次谐波都很高，则锥齿轮副共轭曲面的压力角或螺旋角不相适应；

b)第一次谐波声级高，则齿廓曲率过大；

c)第二次谐波声级高，则齿廓曲率过小；

d)第三次谐波声级高，则齿面粗糙度不合格。

2.一种能够按照权利要求1所述方法控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪，包括安装在便携机箱中的主机以及通过导线与主机连接的噪声探头，其特征在于：所述主机部分包括有CPU中央处理器，与噪声探头依次连接的前置放大电路、噪声信号调理电路、滤波电路、模数转换电路，与CPU中央处理器连接的显示电路和键盘，还设置有由现场可编程门阵列(FPGA)与CPU连接组成的时序控制电路、由通用的闪存FLASHROM与CPU连接组成的存储器电路、由RS232C与TTL电平转换芯片与CPU连接组成的串行总线接口电路；其中，时序控制电路将模数转换电路的数据送至CPU中央处理器及将CPU中央处理器产生的显示信息送至显示电路，串行总线接口电路可通过电缆与外部的PC机连接。

3.如权利要求2所述的控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪，其特征在于：所述噪声探头采用电容式传声器。

4.采用如权利要求3所述的控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪在配合机械式滚动检查机进行测试锥齿轮时的测试方法，其特征在于：

1)用声校准器校准噪声探头的灵敏度；

2)将其中噪声探头布置在锥齿轮机械式滚动检查机上锥齿轮啮合点的上方50mm处；

3)通过仪器中键盘和液晶显示器组成的人机交互界面输入齿轮基本参数：齿数、模数、转速，完成初始设置；

4)锥齿轮机械式滚动检查机空载，即滚动检查机在不安装锥齿轮副的情况下工作，待滚动检查机转动稳定后，采集信号A_i并保存在存储器中，作为背景噪声；

5)锥齿轮机械式滚动检查机加载，即将待检测的锥齿轮安装在滚动检查机上，待滚动检查机转动稳定后，采集信号B_i并保存在存储器中，作为混有背景噪声的锥齿轮传动噪声；

6)采集完成后，通过人机交互界面进行频率计权声级计算，显示的结果是滤除背景噪声的锥齿轮传动噪声频率计权声级B_i′-A_i′；

7)通过比拟法观察测试结果与标准齿轮是否有差别，其中测试结果是用FFT变换得到的频率谱；

8)若被测锥齿轮与标准齿轮有差别，则通过人机交互界面调用希尔伯特黄算法对该锥齿轮噪声信号分析，找出加工流程中的问题所在，反馈到生产部门，修正相关参数。

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