CN102865807B - 一种齿轮齿距误差的快速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮齿距误差的快速测量方法，适用于齿轮出厂质量在线快速测量；本发明使用非接触式磁感应传感器测量齿轮齿距，使用编码器精确测量齿轮（联轴）转速，提出了一种在电机启动后近似匀加速阶段内即开始并完成全部齿距误差测量的方法，克服了目前广泛采用的等待电机和齿轮达到并稳定在设定转速后再开始测量所造成的测量速度慢的缺点，由此可大大缩短齿轮齿距误差的测量时间，提高测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种齿轮齿距误差的快速测量方法。
背景技术
影响齿轮传动稳定性及准确性的参数主要包括：齿形误差，齿距误差和齿向误差；其中齿距误差是一个重要参数。在传动过程中，齿距误差指标的超差，会引起明显杂音，增加齿轮磨损，降低寿命，为此，齿轮生产厂家必须确保齿距误差控制在一定范围内。
齿距误差指标包含单齿齿距偏差 和齿距累积误差。单齿齿距偏差指分度圆上（允许在齿高中部），实际齿距与公称齿距之差；齿距累积误差是指分度圆上（允许在齿高中部），任意两个同侧齿面的实际弧长与公称弧长的差值中的最大绝对值；k个齿距累积误差△F pk是k个齿距间的实际弧长与公称弧长的最大差值（此处定义参考《齿轮手册2000版下册》第27篇第16页）。针对针对单齿齿距偏差和齿距累积误差两项指标，一般公司要求抽检合格即可，但部分要求严格的国外厂商为保证其产品质量，需要此两项指标百分之百合格，所以齿轮生产公司需要在齿轮产品出厂时全部检测通过后方可交付客户。
一般测量齿轮齿距误差的仪器有万能测齿仪、三坐标测量仪、CNC齿轮测量中心等，其测量方法一般有机械测量法、激光法、电感式长度传感器法、非接触式磁感应传感器法。在需要出厂全检的情况下，齿距检测效率是影响产量的重要因素，为提高生产效率，必须采用快速测量的方式，最大程度的降低检测时间，而非接触式磁感应传感器可以很好地满足快速测量的要求。
目前使用非接触式磁感应传感器快速测量齿距误差的一般方法是：使用电机带动齿轮旋转，等待电机及齿轮转速达到并稳定在设定转速后才开始测量。传感器输出高低电平信号，测量信号的周期，并根据标准转速和标准齿距换算出时间值代表的齿距值，进而计算齿距误差。
这种测量方法一般包含3个步骤：
1. 电机启动，带动齿轮同轴旋转，电机开始加速；
2. 测量转速，直到转速达到允许误差范围，电机转速运行平稳；
3. 开始测量齿距。
上述测量齿轮齿距误差的方法存在如下不足：
齿轮出厂全检需要尽量短的测量时间，而上述方法中，电机及齿轮开始旋转后，都需要等待运行一段时间至电机转速稳定后才开始测量，这样每个工件的测量时间中都包含一段启动的时间，严重限制了测量的效率。
发明内容
本发明的目的是克服传统齿轮齿距误差测量方法中测量时间长，测量效率低下的缺点，提出了一种在电机启动后近似匀加速阶段内即开始并完成全部齿距误差测量的方法，缩短测量时间，提高齿轮检测效率。
为实现以上目的，本发明提供一种齿轮齿距误差的快速测量方法，包括编码器和非接触式磁感应传感器，使用非接触式磁感应传感器测量被测齿轮齿距，使用编码器精确测量被测齿轮转速。电机启动后驱动被测齿轮旋转，在近似均加速升速阶段内即开始连续采集齿轮磁感应传感器及编码器的输出信号；根据编码器信号计算出各时刻齿轮瞬时转速、根据非接触式磁感应传感器脉冲信号计算各齿距并进行变转速补偿，从而快速和淮确地计算出被测齿轮的全齿误差和单齿误差。
进一步的，本发明一种齿轮齿距误差的快速测量方法，近似匀加速升速阶段为启动瞬间转速不稳定过程到启动结束过冲振荡不稳定过程的中间一段测量时间段。
进一步的，本发明一种齿轮齿距误差的快速测量方法，根据测量到的近似匀加速升速阶段内各时刻齿轮瞬时转速，对齿距进行变转速补偿。
结合上述设计，本发明一种齿轮齿距误差的快速测量方法包括以下步骤：
步骤A，判断齿轮开始旋转并加速。齿轮开始旋转后，根据编码器的输出信号，连续采集并实时计算转速，当判断转速超过设定的最小转速后，就可以避开启动瞬间转速不稳定过程，开始测量非接触式磁感应传感器的输出信号；
步骤B，信号测量。非接触式磁感应传感器的输出为开关量信号，测量其信号周期，用于计算对应齿的齿距；同时测量编码器的输出，并记录下每个脉冲的时间点，用于计算瞬时转速；
步骤C，齿距计算。假设被测齿轮有N个齿，测量一圈后，得到N个非接触式磁感应传感器信号周期数据，此数据与每个齿一一对应；根据编码器脉冲信号，使用测周法计算每小段的平均转速；将离散的分段平均转速通过最小二乘法拟合出一圈的转速曲线；根据转速曲线和每个齿的时间值数据按照如下公式计算每个齿的长度：
其中为第i个齿的齿距弧长，为第i个齿的测量时间值，i为1到N的整数，是t时刻的瞬时转速，瞬时转速的单位是r/min，R为标准齿轮的半径。
步骤D，齿距误差计算。将Lk与标准齿数据比较并计算单齿齿距偏差和齿距累积误差。单齿齿距偏差为：
齿距累积误差为：
其中是标准齿距长度，N是齿数。
本发明采用以上技术方案的有益技术效果是：
本齿轮齿距误差的快速测量方法，在电机启动后近似匀加速升速阶段内即开始并完成全部齿距误差测量，克服了目前广泛采用的等待电机和齿轮达到并稳定在设定转速后再开始测量所造成的测量速度慢的缺点，由此可大大缩短齿轮齿距误差的测量时间，提高测量效率。
附图说明
图1 为本发明齿轮齿距误差示意图。
图2 为本发明实施例测量装置结构原理图。
图3 为本发明齿轮展开、磁通强度及传感器信号示意图。
图4 为本发明测量过程中的齿轮转速曲线示意图。
其中，1-编码器，2-电机，3-齿轮，4-传感器，5-联轴器。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例如图2所示是本发明的具体实施装置结构原理图，包括编码器1，电机2，被测齿轮3，传感器为开关式的非接触式磁感应传感器4，联轴器5。其中编码器、电机、联轴器和被测齿轮处于同一轴上，电机带动齿轮和编码器做同步旋转。非接触式磁感应传感器与齿轮相距适当的距离，使得磁通强度处于测量范围内。当齿顶对着传感器时，磁感应强度较大，齿底对着传感器时，磁感应强度较小，取中间某值为阈值，将磁感应信号转换成高低电平信号，再根据信号周期间接计算齿距值，进而计算齿距误差，齿轮齿距误差如图1所示，图1中△f pt为单齿齿距偏差，△F pk为k个齿距累积误差，虚线表示实际齿廓部分，实线表示理论齿廓部分。传感器短时间内磁通强度阈值保持一致，对应到齿轮上，此阈值的测量点保持在齿的相对固定点上，测量齿距误差过程与齿形无关，所以此方法可以测量任意齿形的齿轮。
实施例具体测量过程如下：
齿轮开始旋转后，信号测量模块根据编码器的输出信号实时测量转速。如图4所示，在t0-t1时间段，电机刚启动时克服静摩擦力瞬间会产生一个不稳定的振动过程，所以测量时需要避开这一阶段。本发明通过检测转速判断是否大于 来避开这一阶段；在电机启动快结束时会有一个转速过冲并振荡逐渐稳定的过程，测量时同样需要避免这段过程。当判断转速在合适转速范围[，]内，如图4中t1-t2段，测量模块开始测量非接触式磁感应传感器输出的信号；
开关式的非接触式磁感应传感器的输出为开关量信号，如图3所示，测量其信号周期，用于计算对应齿的齿距；同时测量编码器的输出，并记录下每个脉冲的时间点。图3中，从上至下依次为：齿形展开图，非接触式磁感应传感器输出信号波形，其中高电平部分代表齿顶部分，低电平代表齿底部分，编码器的脉冲信号波形。
假设N个齿的齿轮，那么测量完N个传感器信号周期后，则表示一圈已经测量结束，此时需要判断一圈结束时转速是否大于设定的，如是则表明测量了转速过冲阶段，如图4中段，此次测量不能用于计算，进入正常测量模式等待转速稳定后，如图4中段以后再次测量。
测量得到N个时间值数据，此值是以测量系统的最小时间基准为时间单位的，其值远远小于的值，所以此时间值得测量精度很高。编码器的脉冲时间点值也以测量系统的最小时间基准tref为时间单位，根据两脉冲间的时间计算每小段的平均转速，此值在曲线中是离散的点，如图4中所示为作图简单，仅画出10个点，实际点的数量等于编码器的线数。根据离散的分段平均转速值通过最小二乘法拟合出一圈的转速曲线。
上述曲线的拟合精度取决于编码器的分辨率，分辨率越高则拟合精度越高。以1000线的编码器为例，其转速测量拟合后的精度已经很高，误差可忽略不计；开关式磁感应传感器测量的精度也很高，其信号上升时间为1us，一个齿距周期的时间约为2.5ms，所以其时间测量精度可以达到0.04%。综上，最终测量精度即为磁感应传感器的测量精度0.04%。根据转速曲线和每个齿的时间值数据按照如下公式计算每个齿的长度：
其中为第i个齿的齿距弧长，为第i个齿的测量时间值，i为1到N的整数，是t时刻的瞬时转速，其单位是r/min，R为标准齿轮的半径。
最后将齿距值与标准齿数据比较并计算单齿齿距偏差和齿距累积误差。单齿齿距偏差为：
齿距累积误差为：
其中是标准齿距长度，N是齿数。
本实施例的有益效果是在电机启动后在近似匀加速升速阶段内即开始并完成全部齿距误差测量，克服了目前广泛采用的等待电机和齿轮达到并稳定在设定转速后再开始测量所造成的测量速度慢的缺点，由此可大大缩短齿轮齿距误差的测量时间，提高测量效率。
Claims (2)
1.一种齿轮齿距误差的快速测量方法，包括编码器和非接触式磁感应传感器，其特征在于：
使用非接触式磁感应传感器测量被测齿轮齿距，使用编码器精确测量被测齿轮转速，电机启动后驱动被测齿轮旋转，在近似匀加速升速阶段内即开始连续采集齿轮磁感应传感器及编码器的输出信号；根据编码器信号计算出各时刻齿轮瞬时转速、根据非接触式磁感应传感器脉冲信号计算各齿距并进行变转速补偿，从而快速和准确地计算出被测齿轮的全齿误差和单齿误差；近似匀加速升速阶段为启动瞬间转速不稳定过程到启动结束过冲振荡不稳定过程的中间一段测量时间段；
包含以下步骤:步骤A，判断齿轮开始旋转并加速，齿轮开始旋转后，根据编码器的输出信号，连续采集并实时计算转速ω，当判断转速超过设定的最小转速后，开始测量非接触式磁感应传感器的输出信号；
步骤B，信号测量，非接触式磁感应传感器的输出为开关量信号，测量其信号周期，用于计算对应齿的齿距；同时测量编码器的输出，并记录下每个脉冲的时间点，用于计算瞬时转速；
步骤C，齿距计算，假设被测齿轮有N个齿，测量一圈后，得到N个非接触式磁感应传感器信号周期数据，此数据与每个齿一一对应；根据编码器脉冲信号，使用测周法计算每小段的平均转速 ；将离散的分段平均转速通过最小二乘法拟合出一圈的转速曲线；根据转速曲线和每个齿的时间值数据按照如下公式计算每个齿的长度：
其中为第i个齿的齿距弧长，为第i个齿的测量时间值，i为1到N的整数， 是t时刻的瞬时转速，单位是r/min，R为标准齿轮的半径；
步骤D，齿距误差计算，将与标准齿数据比较并计算单齿齿距偏差和齿距累积误差，单齿齿距偏差为：
齿距累积误差为：
其中PO是标准齿距长度，N是齿数。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮齿距误差的快速测量方法，其特征在于：根据测量到的近似匀加速升速阶段内各时刻齿轮瞬时转速，对齿距进行变转速补偿。
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