CN102003934B - 非圆齿轮齿廓总偏差测量方法及实施装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪器仪表及自动化检测领域。一种非圆齿轮齿廓总偏差测量方法及实施装置，本发明采取的技术方案是，采用极坐标测量方法测量非圆齿轮齿廓总偏差，包括以下步骤：测量前，先根据非圆齿轮的齿廓曲线特征及采样方式按极坐标测量法计算出各个采样点的极角

和极径ρ_i值；然后将被测非圆齿轮安装在带有圆光栅的精密转台上，该转台由交流伺服电机通过传动机构带动旋转，通过对圆光栅计数来确定非圆齿轮实际旋转的角度量，球形测头及测微装置安装在直线电机的移动座上由直线电机控制测球运动到起始测量点的位置，测量过程中，转台连续转动，控制安装在直线电机移动座上的球形测头向采样点运动。本发明主要应用于非圆齿轮齿廓总偏差测量。

Description

非圆齿轮齿廓总偏差测量方法及实施装置

技术领域

本发明属于仪器仪表及自动化检测领域，具体讲，涉及非圆齿轮齿廓总偏差测量方法及实施装置。

背景技术

长期以来广泛应用于生产的是圆柱齿轮，即节曲线是圆形、传动比为定值的齿轮。然而非圆齿轮以其特有的非匀速比传动，满足了实际需求。各种机器及仪器仪表，如金属切削机床、重型机械、轻工机械、汽车及流量计等，在需要有非匀速比的运动时，都可以考虑使用非圆齿轮传动。近年来，国内外都十分重视对非圆齿轮传动的设计、加工和检测方法的研究。从总体水平上来看，随着CAD/CAM技术的不断发展，非圆齿轮在设计、加工中的问题得到较满意的解决，但检测技术的水平落后于设计和加工的水平，成为制约提高非圆齿轮加工精度的因素之一。在测量方法上，国内各生产厂家在生产中一般是进行尺寸检测，有的采用圆柱齿轮与非圆齿轮进行双面啮合测量及采用模板来检查非圆齿轮的齿形误差，此外，还采用非圆齿轮与测量元件进行单面啮合测量。

双面啮合测量能反应被测非圆齿轮径向综合偏差的影响；单面啮合测量能反映被测非圆齿轮单面啮合综合误差、单项几何偏差以及整体误差的影响。虽然双面啮合和单面啮合都有各自的优点，但啮合测量不仅仪器结构复杂且需要高精度的齿轮或专用测量元件。采用模板检查齿形误差的方法不仅需要制造很多高精度的模板而且测量精度不易保证。三坐标测量机作为一种高精度的通用测量仪器，由于其测量成本高且需要专门的数据处理软件，也未能获得应用。另外，非圆齿轮的齿廓方程比较复杂，其每个齿的齿形都不同。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种非圆齿轮齿廓总偏差测量方法及实施装置，本发明采取的技术方案是，一种非圆齿轮齿廓总偏差测量方法，包括以下步骤：

测量前，先根据非圆齿轮的齿廓曲线特征及采样方式按极坐标测量法计算出各个采样点的极角

和极径ρ_i值；

然后将被测非圆齿轮安装在带有圆光栅的精密转台上，该转台由交流伺服电机通过传动机构带动旋转，通过对圆光栅计数来确定非圆齿轮实际旋转的角度量，球形测头及测微装置安装在直线电机的移动座上由直线电机控制测球运动到起始测量点的位置，测量过程中，转台连续转动，控制安装在直线电机移动座上的球形测头向采样点运动；

为实现跟踪测量，将根据采样点的极角

和极径ρ_i值调整控制参数，使精密转台的旋转与直线电机的移动速度匹配，当被测齿轮旋转到采样角

发出采样信号时，测球已移动到ρ₁点，由于存在控制系统误差和齿形误差，球形测头移动后的实际位置偏离ρ₁点，球形测头上电感信号经电感测微仪读数包括控制系统误差和齿形误差，分离控制系统误差即可得到齿形误差；同理，当被测齿轮旋转到第二个采样极角

时，测球到达ρ₂点，测量出第二个采样点的ρ′₂值，以此类推，即可测量整个齿廓上各离散点对应的转角值

和偏离值Δρ_i＝ρ′_i-ρ_i，根据补偿控制系统误差得到的实际转角值偏离值Δρ_i及电感测微仪示值计算出齿廓总偏差值。

一种非圆齿轮齿廓总偏差测量装置，包括：由精密转台、测微机构、直线电机构成极坐标测量系统，测微机构由球形测头、双片簧式微动装置和电感测微仪组成，直线电机自身的长光栅和导轨作为极坐标测量系统的径向基准；角度基准为精密转台上的圆光栅，被测非圆齿轮安装在精密转台的回转轴上，球形测头由直线电机带动至起始测量点即齿根位置所对应的极径位置，然后系统控制球形测头由上往下运动，即球形测头由上往下插入齿槽中心；

还包括FPGA芯片，用于：接收长光栅、圆光栅信号，并对其进行细分、辩向、计数；接收球形测头的电感信号并存储在内置的FIFO中；PWM发生器模块产生控制直线电机驱动电路的信号；FPGA芯片通过数据、地址、控制总线与DSP芯片相连；

DSP芯片用于数据处理，实现跟踪测量，即将根据采样点的极角

和极径ρ_i值调整控制参数，使精密转台的旋转与直线电机的移动速度匹配，当被测齿轮旋转到采样角

发出采样信号时，测球已移动到ρ₁点，由于存在控制系统误差和齿形误差，球形测头移动后的实际位置偏离ρ₁点，球形测头上电感信号经电感测微仪读数包括控制系统误差和齿形误差，分离控制系统误差即可得到齿形误差，同理，当被测齿轮旋转到第二个采样极角时，测球到达ρ₂点，测量出第二个采样点的ρ′₂值，以此类推，即可测量整个齿廓上各离散点对应的转角值

和偏离值Δρ_i＝ρ′_i-ρ_i，根据补偿控制系统误差得到的实际转角值偏离值Δρ_i及电感测微仪示值就可以计算齿廓总偏差值。

本发明非圆齿轮极坐标跟踪测量方法和装置，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益的效果：

1.采用由转台、测微机构，直线电机等构成的极坐标测量系统，不仅结构简单而且由于系统的测量链短测量精度高。

2.采用基于DSP和FPGA的数据采集、控制系统的硬件电路和软件编程，实现了对非圆齿轮的连续跟踪测量方式，具有减小测球磨损等优点。

3.通过对圆光栅计数来确定非圆齿轮实际旋转的角度量，避免了转台中的涡轮蜗杆传动机构带来的误差。

4.从测量方法上，由于采用勾测头从齿轮的端面进入齿槽，避免了测球与齿轮干涉。

本测量系统可实现对非圆齿轮的齿廓总偏差检测，保证高质量的齿轮生产，有效解决国内在该领域遇到的问题。

附图说明

图1测量原理图。

图2数据采集、控制系统框图。

图3测球的测量位置图。

具体实施方式

由于非圆齿轮的节曲线是非圆形，各齿的齿形各不相同。本发明的目的是提供一种非圆齿轮的测量方法及装置，该方法根据极坐标测量原理，采用跟踪测量方式，在一次装卡的情况下，对非圆齿轮的齿廓总偏差实施测量。

本发明的测量装置由转台、测微机构、直线电机等构成极坐标测量系统。直线电机自身的长光栅和导轨作为极坐标测量系统的径向基准；角度基准为精密转台上的圆光栅。该极坐标测量系统能对各种类型的非圆齿轮的齿廓总偏差进行测量。

以计算机为核心并采用基于DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)和FPGA(Field Programmable Logic Array，现场可编程门阵列)的数据采集、控制系统，由转台1、直线电机5和由电感测微仪8组成的测微机构并结合长光栅3、圆光栅2测量装置构成的极坐标测量系统结构相对简单。采用极坐标测量系统测量时，将非圆齿轮的齿廓看成连续曲线，而其生成参数体现在数学模型中。在某一转角

下，直接测量在该转角下极径ρ_i的测量方法，将会使整个测量链缩短，测量精度易于保证。为了防止测头卡死和减小测球9的磨损，测量时，测球9不是沿被测非圆齿轮4的径向进入齿槽，而是从轴向(齿轮端面)进入齿槽并进行跟踪测量。

所谓跟踪测量，是指在测量过程中，由直线电机5控制测球9主动向采样点运动，并使直线电机5控制测球9移动到采样点的时间等于(或小于)转台1的转角时间。由于测球9与齿廓的接触力很小，可在很大程度上避免(或减小)测球9磨损，提高测量精度。采用极坐标法测量原理如图1所示。

测量前，先根据非圆齿轮(如，卵圆齿轮)的齿廓曲线特征及采样方式按极坐标测量法计算出各个采样点的极角

和极径ρ_i值(例如，采用极径等增量分布方式采样)。然后将被测非圆齿轮安装在带有圆光栅的精密转台上，该转台由交流伺服电机通过传动机构带动旋转。通过对圆光栅计数来确定非圆齿轮实际旋转的角度量。球形测头及测微装置安装在直线电机的移动座上由直线电机控制测球运动到起始测量点的位置。测量过程中，转台连续转动，系统控制安装在直线电机移动座上的测球向采样点运动。为实现跟踪测量，系统将根据采样点的极角

和极径ρ_i值调整控制参数，使转台的旋转与直线电机的移动速度匹配，当被测齿轮旋转到采样角

发出采样信号时，测球已移动到ρ₁点。由于存在控制系统误差和齿形误差，测球移动后的实际位置偏离ρ₁点，电感测微仪读数包括控制系统误差和齿形误差，分离控制系统误差即可得到齿形误差。同理，当被测齿轮旋转到第二个采样极角

时，测球到达ρ₂点，因此，可测量第二个采样点的ρ′₂值，以此类推，即可测量整个齿廓上各离散点对应的转角值和偏离值Δρ_i＝ρ′_i-ρ_i，根据补偿控制系统误差得到的实际转角值

偏离值Δρ_i及电感测微仪示值就可以计算齿廓总偏差值。

为满足跟踪测量的实时性和精确性，要求对控制转台的旋转电机和直线电机进行实时控制。DSP具有强大的运算、信号处理和通信能力，非常适合做非圆齿轮齿廓坐标点的计算和上位机通信，但DSP存在易受干扰的弱点，不适合做逻辑位控制和实时性很高的数据采集。现场可编程门阵列FPGA器件具有资源丰富、接口灵活、并行计算等特点，其中并行特点使其能够应用于高速场合，和外部AD(模数转换)结合能实现高速数据采集功能，但它不适合做复杂运算，采用DSP+FPGA的数字硬件系统正好把两者的优点结合到一起，兼顾了速度和灵活性，满足对非圆齿轮极坐标径向跟踪测量的要求，其数据采集、控制系统如图2所示。

当测量完成一个齿面转测下一个齿面时，为了避免测球与齿面发生干涉导致测球不能进入齿槽，控制系统控制测球沿被测非圆齿轮轴向移动，使测球在轴向的位置超过齿轮端面一段距离，即测球从齿轮的端面上方进入齿槽，测球的测量位置如图3所示。

一种非圆齿轮齿廓总偏差测量装置。该装置采用基于DSP和FPGA的数据采集、控制系统；由转台、测微机构、直线电机等构成极坐标测量系统。直线电机自身的长光栅和导轨作为极坐标测量系统的径向基准；角度基准为精密转台上的圆光栅。测量时，在控制系统的控制下，测球按被测非圆齿轮的齿形轨迹移动并依照采样点采样，实现对非圆齿轮的齿廓总偏差测量。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

1.由转台、测微机构，直线电机等构成极坐标测量系统，直线电机自身的长光栅和导轨作为极坐标测量系统的径向基准；角度基准为精密转台上的圆光栅，如图1所示。

2.采用以下步骤对非圆齿轮进行测量。

1)将被测非圆齿轮(图中为卵圆齿轮)安装在精密转台的回转轴上，将测球移动到非圆齿轮端面的上方5～10mm处。

2)控制齿轮转动至第一个齿的齿槽中心，同时控制直线电机带动测球运动至起始测量点(齿根部位)所对应的极径位置，然后垂直运动机构控制测球由上往下运动，即测球由上往下插入齿槽中心。

3)转台旋转带动齿轮慢速转动，当齿面与测球接触并压缩测球至电感测微仪读数为0点附近时，开始测量。

4)根据极坐标方程控制直线电机和旋转电机联动，实现测球在齿廓上采点，直到测球到达齿顶。

5)当测量完一个齿面需测下一个齿面时，转台继续转动至下一个齿的齿槽中心。直线电机控制测球快速后退一定距离(根据卵圆齿轮的长短轴之差确定后退距离)，并控制系统控制测球由下往上运动至齿轮端面上方5～10mm并快速前进至下一个齿起始测量点所对应的极径位置，然后系统控制测头由上往下运动插入齿槽中心。然后重复步骤3)、4)。

根据上述步骤，依次反复，可实现整个齿轮的测量。

Claims (2)

1.一种非圆齿轮齿廓总偏差测量方法，其特征是，包括以下步骤：

测量前，先根据非圆齿轮的齿廓曲线特征及采样方式按极坐标测量法计算出各个采样点的极角

和极径ρ_i值；

然后将被测非圆齿轮安装在带有圆光栅的精密转台上，该转台由交流伺服电机通过传动机构带动旋转，通过对圆光栅计数来确定非圆齿轮实际旋转的角度量，球形测头及测微装置安装在直线电机的移动座上由直线电机控制球形测头运动到起始测量点的位置，测量过程中，转台连续转动，控制安装在直线电机移动座上的球形测头向采样点运动；

为实现跟踪测量，将根据采样点的极角

和极径ρ_i值调整控制参数，使精密转台的旋转与直线电机的移动速度匹配，当被测齿轮旋转到采样角

发出采样信号时，球形测头已移动到ρ₁点，由于存在控制系统误差和齿形误差，球形测头移动后的实际位置偏离ρ₁点，球形测头上电感信号经电感测微仪读数包括控制系统误差和齿形误差，分离控制系统误差即可得到齿形误差；同理，当被测齿轮旋转到第二个采样极角

时，球形测头到达ρ₂点，测量出第二个采样点的ρ′₂值，以此类推，即可测量整个齿廓上各离散点对应的转角值

和偏离值Δρ_i＝ρ′_i-ρ_i，根据补偿控制系统误差得到的实际转角值

偏离值Δρ_i及电感测微仪示值计算出齿廓总偏差值。

2.一种非圆齿轮齿廓总偏差测量装置，其特征是，包括：由精密转台、测微机构、直线电机构成极坐标测量系统，测微机构由球形测头、双片簧式微动装置和电感测微仪组成，直线电机自身的长光栅和导轨作为极坐标测量系统的径向基准；角度基准为精密转台上的圆光栅，被测非圆齿轮安装在精密转台的回转轴上，球形测头由直线电机带动至起始测量点即齿根位置所对应的极径位置，然后系统控制球形测头由上往下运动，即球形测头由上往下插入齿槽中心；

还包括FPGA芯片，用于：接收长光栅、圆光栅信号，并对其进行细分、辩向、计数；接收球形测头的电感信号并存储在内置的FIFO中；PWM发生器模块产生控制直线电机驱动电路的信号；FPGA芯片通过数据、地址、控制总线与DSP芯片相连；

DSP芯片用于数据处理，实现跟踪测量，即将根据采样点的极角

和极径ρ_i值调整控制参数，使精密转台的旋转与直线电机的移动速度匹配，当被测齿轮旋转到采样角

发出采样信号时，测球已移动到ρ₁点，由于存在控制系统误差和齿形误差，球形测头移动后的实际位置偏离ρ₁点，球形测头上电感信号经电感测微仪读数包括控制系统误差和齿形误差，分离控制系统误差即可得到齿形误差，同理，当被测齿轮旋转到第二个采样极角

时，测球到达ρ₂点，测量出第二个采样点的ρ′₂值，以此类推，即可测量整个齿廓上各离散点对应的转角值

和偏离值Δρ_i＝ρ′_i-ρ_i，根据补偿控制系统误差得到的实际转角值

偏离值Δρ_i及电感测微仪示值就可以计算齿廓总偏差值。

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