CN109282986A - 塑料齿轮传动误差测试试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了塑料齿轮传动误差测试试验台，包括精密床身单元和精密轴系。精密床身单元分为床身单元、主动单元、被动单元三大部分。床身单元作为试验台的基础支撑起主动单元和被动单元，主被动单元均是通过带动板、导轨组件与床身单元相连接。精密轴系通过一组螺栓分别固定在主动单元、被动单元上。本发明集机、光、电、计算机于一体，自动化程度高、精度高，结构简单，安装方便。既可以测量空载情况下的静态误差，又可通过磁滞制动器对试验台加载，模拟齿轮啮合时实际工作状态，实现动态误差的测量，提高了齿轮传动误差测试结果的真实性。通过拆卸和更换少数零件，可安装测试不同参数的齿轮的传动误差，测量对象的通用性较强。

Description

塑料齿轮传动误差测试试验台

技术领域

本发明涉及一种塑料齿轮传动误差测试试验台，不仅适用于5级及以下精度的小模数塑料齿轮，还满足5级小模数金属齿轮的传动误差的测试，属于精密测试计量技术、精密仪器及机械传动领域。

背景技术

齿轮传动是机械传动应用中最为广泛的一种传动方式，而塑料齿轮作为齿轮产品中的一种，因其质量轻、传动噪音低、齿轮耐高温、承受高负载的能力越来越强的特点，在各领域中的应用越来越广泛。运动传动用塑料齿轮多为小模数圆柱齿轮，其齿廓采用渐开线齿形制，因塑料本身具有较高的热敏性、热膨胀性和较低的弹性模量，在热和力的作用下，塑料齿轮比金属齿轮更容易产生断齿和疲劳变形，所以目前塑料齿轮的应用多集中在轻载场合，广泛应用于电动玩具、家用电器、仪器仪表、办公文仪等传动功率较小的领域。

塑料齿轮的广泛应用，使得国内外学者对其研究越来越深入。对塑料齿轮的研究主要针对其成型过程的收缩、模具结构的设计、工艺参数的优化、使用过程中的磨损等方面。但是，关于塑料齿轮传动的性能如传动误差、传动效率等参数测试方面的研究仍处于空白。

传动误差是精密机械传动的精确度最重要的技术指标，齿轮传动误差的检测在齿轮质量控制中具有重要价值。

现阶段用于齿轮传动误差检测的设备都是针对金属齿轮的，对于尺寸较小、承载较小、容易变形的塑料齿轮无法检测。且现有检测设备只考虑了空载情况下的静态误差，忽略了负载条件下的动态误差，无法真实模拟齿轮间实际工作状态，导致齿轮传动误差测试的真实性降低。

为此有必要发明一种专门针对小模塑塑料齿轮的实验装置用于测量其传动误差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种塑料齿轮传动误差测试试验台，该试验台不仅适用于7级及以下精度的小模数塑料齿轮，还满足5级小模数金属齿轮的传动误差的测试。同时适用于不同几何参数的塑料齿轮的测试。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：塑料齿轮传动误差测试试验台包括精密床身单元和精密轴系。精密床身单元分为床身单元、主动单元、被动单元三大部分。床身单元作为试验台的基础支撑起主动单元和被动单元，主被动单元均是通过带动板、导轨组件与床身单元相连接。精密轴系通过一组螺栓分别固定在主动单元、被动单元上。

具体而言，精密床身单元包括底座(1)、Y方向导轨钳制器(2)、Y方向导轨副(3)、主动端手轮(4)、主动端带动板(5)、主动端驱动丝杠(6)、Y方向限位块(7)、主动端底板(8)、直线光栅(9)、从动端底板(10)、从动端限位块(11)、X方向导轨副(12)、X方向导轨钳制器(13)、从动端带动板(14)、从动端驱动丝杠(15)、从动端手轮(16)、电机(17)、电机支架(18)、联轴器a(19)、电机支架垫片(20)、主动端轴系(21)、从动端轴系(22)、联轴器b(23)、转矩转速传感器(24)、转矩转速传感器底座(25)、联轴器c(26)、磁滞制动器支架(27)、磁滞制动器支架垫片(28)、磁滞制动器(29)和制动器连接轴(30)。

底座(1)设置在精密床身单元的底部且为精密床身的支撑结构，主动单元、被动单元均安装在底座(1)上。主动单元、被动单元的结构相同，各个部件分别集成在主动单元的主动端底板(8)和被动单元的从动单元底板(10)上：电机(17)安装在电机支架(18)上，通过联轴器a(19)与主动端轴系(21)连接，电机支架(18)与主动端轴系(21)通过螺钉固定于主动端底板(8)上，主动端底板(8)通过主动端带动板(5)、主动端驱动丝杠(6)、Y方向导轨副(3)与底座(1)相连，Y方向导轨钳制器(2)安装在Y方向导轨副(3)上，主动端驱动丝杠(6)与主动端手轮(4)连接，通过旋转手轮直接带动主动单元进行移动；磁滞制动器(29)安装在磁滞制动器支架(27)上，通过制动器连接轴(30)、联轴器c(26)与转矩转速传感器(24)连接，转矩转速传感器(24)安装在转矩转速传感器底座(25)上，通过联轴器b(23)与从动端轴系(22)连接，磁滞制动器支架(27)、矩转速传感器底座(25)、从动端轴系(22)通过螺钉固定于从动端底板(10)上，从动端底板(10)通过从动端带动板(14)、从动端驱动丝杠(15)、X方向导轨副(12)与底座(1)相连，从动端驱动丝杠(15)与从动端手轮(16)连接，通过旋转手轮直接带动从动单元进行移动。Y方向限位块(7)安装在底座(1)并设置在Y方向导轨副(3)的末端，直线光栅(9)安装在主动单元与被动单元之间的底部，从动端限位块(11)设置在X方向导轨副(12)的端部，X方向导轨钳制器(13)设置在X方向导轨副(12)上。电机支架(18)的底部设有电机支架垫片(20)，磁滞制动器支架(27)的底部设有磁滞制动器支架垫片(28)。

主动端轴系(21)和从动端轴系(22)的结构组成相同，均包括拧紧螺母(31)、被测齿轮(32)、齿轮卡头(33)、防尘挡圈(34)、轴套(35)、轴承a(36)、外隔套(37)、内隔套(38)、主轴(39)、主轴箱体(40)、轴承b(41)、调整环(42)、压环(43)、过渡套环(44)、读数头支架(45)、过渡轴(46)、圆光栅(47)、读数头(48)、圆光栅转接盘(49)和精密锁紧螺母(50)。被测齿轮(32)通过拧紧螺母(31)压紧在齿轮卡头(33)上，齿轮卡头(33)通过螺钉固定在主轴(39)上，主轴(39)、防尘挡圈(34)、轴承a(36)、外隔套(37)、内隔套(38)、轴承b(41)、调整环(42)、压环(43)、过渡套环(44)组成一个整体固定在轴套(35)上，轴套(35)通过一组螺钉直接安装到主轴箱体(40)上，轴承(35)末端使用精密锁紧螺母(50)将轴承a(36)并紧，主轴(39)的中心为通孔，安装时插入标准检棒检测轴系回转精度，主轴(39)后端集成有圆光栅(47)，主轴(39)末端是与扭矩传感器(24)连接的法兰盘。过渡轴(46)周向端部设有圆光栅(47)；圆光栅(47)通过一组螺钉安装于圆光栅转接盘(49)上，圆光栅转接盘(49)通过紧定螺钉固定在精密轴系的主轴(39)上，完成圆光栅与主轴的相连。读数头(48)通过读数头支架(45)安装在主轴箱体(40)上。

本试验台采用卧式功率开放式的结构：主被动轴系采用水平平行布置的方式，提高了测量人员的操作方便性。其中左侧的轴系为主动轴，右侧轴系为被动轴。为了尽量简化试验机机械结构降低设备重量，试验台的电机(17)采用直驱技术与主轴轴系(21)通过联轴器(18)直接相连，磁滞制动器(29)放在从动单元末端为齿轮测试提供模拟负载。主被动轴系单元的前端都安装有圆光栅(47)，通过圆光栅采集主被动轴系的旋转角度，除了圆光栅轴系上还集成有转速转矩传感器(24)，为测试采集相应的数据。同时，主动轴系可以沿Y方向移动，使用“手轮(4)+直线导轨(3)+丝杠(6)”结构，调节中心距，使输入部分沿Y方向调节，外加锁死装置导轨钳制器(2)；被动轴系可以沿X方向移动，使用“手轮(16)+直线导轨(12)+丝杠(15)”结构，调节轴向距离，使输出部分沿X方向移动，外加锁死装置导轨钳制器(13)。

试验台导轨设计综合考虑了限位、锁紧、保护等功能。为了更加精确的控制齿轮啮合时的中心距，在中心距方向上设计有直线光栅(9)实时反馈中心距数值，直线光栅的位置设定可以减少阿贝误差。

本试验台适用于不同几何参数的塑料齿轮的测试，为了适应不同的齿轮试验台本身设计有调整机构，通过X方向的丝杠(6)带动主动单元调节中心距方向，通过Y方向的丝杠(15)带动被动单元调节齿宽方向。对于不同参数齿轮的测试，设计了不同规格的齿轮卡头(33)和拧紧螺母(31)。所以，对不同尺寸的齿轮，更换不同的齿轮卡头(33)和拧紧螺母(31)，提高了试验台测量对象的通用性。

本发明具有以下显著特点：

所述装置集机、光、电、计算机于一体，自动化程度高、精度高，结构简单，安装方便。

所述装置既可以测量空载情况下的静态误差，又可通过磁滞制动器对试验台加载，模拟齿轮啮合时实际工作状态，实现动态误差的测量，提高了齿轮传动误差测试结果的真实性。

通过拆卸和更换少数零件，可安装测试不同参数的齿轮的传动误差，测量对象的通用性较强。

附图说明

图1本发明装置结构示意图。

图2主轴单元结构示意图。

图3本发明装置测控示意图。

图4本发明装置实验流程图。

图中：1-底座、2-Y方向导轨钳制器、3-Y方向导轨副、4-主动端手轮、5-主动端带动板、6-主动端驱动丝杠、7-Y方向限位块、8-主动端底板、9-直线光栅、10-从动端底板、11-从动端限位块、12-X方向导轨副、13-X方向导轨钳制器、14-从动端带动板、15-从动端驱动丝杠、16-从动端手轮、17-电机、18-电机支架、19-联轴器a、20-电机支架垫片、21-主动端轴系、22-从动端轴系、23-联轴器b、24-转矩转速传感器、25-转矩转速传感器底座、26-联轴器c、27-磁滞制动器支架、28-磁滞制动器支架垫片、29-磁滞制动器、30-制动器连接轴、31-拧紧螺母、32-被测齿轮、33-齿轮卡头、34-防尘挡圈、35-轴套、36-轴承a、37-外隔套、38-内隔套、39-主轴、40-主轴箱体、41-轴承b、42-调整环、43-压环、44-过渡套环、45-读数头支架、46-过渡轴、47-圆光栅、48-读数头、49-圆光栅转接盘、50-精密锁紧螺母。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明：

本发明结构如图1所示，塑料齿轮传动误差测试试验台包括精密床身和精密主轴单元。

具体而言，精密床身包括底座(1)、Y方向导轨钳制器(2)、Y方向导轨副(3)、主动端手轮(4)、主动端带动板(5)、主动端驱动丝杠(6)、Y方向限位块(7)、主动端底板(8)、直线光栅(9)、从动端底板(10)、从动端限位块(11)、X方向导轨副(12)、X方向导轨钳制器(13)、从动端带动板(14)、从动端驱动丝杠(15)、从动端手轮(16)、电机(17)、电机支架(18)、联轴器a(19)、电机支架垫片(20)、主动端轴系(21)、从动端轴系(22)、联轴器b(23)、转矩转速传感器(24)、转矩转速传感器底座(25)、联轴器c(26)、磁滞制动器支架(27)、磁滞制动器支架垫片(28)、磁滞制动器(29)、制动器连接轴(30)。

主动端轴系(21)和从动端轴系(22)采用相同的机构，包括拧紧螺母(31)、被测齿轮(32)、齿轮卡头(33)、防尘挡圈(34)、轴套(35)、轴承(36)、外隔套(37)、内隔套(38)、主轴(39)、主轴箱体(40)、轴承(41)、调整环(42)、压环(43)、过渡套环(44)、读数头支架(45)、过渡轴(46)、圆光栅(47)、读数头(48)、圆光栅转接盘(49)、精密锁紧螺母(50)。本试验台适用于平行轴塑料齿轮的传动误差的测量，其中左侧为主动单元，右侧为被动单元，下侧为床身单元。床身单元作为试验台的基础支撑起主动单元和被动单元，主动单元和被动单元采用相似的结构，将部件分别集成在精密平台主动端底座(8)和被动端底座(10)上，都是通过丝杠进行位置调节。电机(17)安装在主动单元末端，电机轴和主轴之间使用双膜片弹性联轴器(19)连接，在电机支架(18)下端有一个垫层，安装调试时可以通过磨削垫层调整轴心高度差，保证同轴度。在主动端底座前端安装了导轨钳制器(2)，当主动单元调节到合适位置就拧紧导轨钳制器的螺母，将主动单元固定，避免测试时箱体移动影响测试结果。被动单元同主动单元一样，都是将从动端轴系(22)、转速转矩传感器(24)和磁滞制动器(29)集成在被被动端底座(10)上，使其作为一个整体在丝杠(15)的作用下共同调节。从动端轴系(22)同转速转矩传感器(24)、转速转矩传感器(24)与磁滞制动器连接轴(30)的连接都和主动单元一样，分别采用双膜片联轴器(23)、(26)连接。本试验台选择的磁滞制动器是空心轴结构，设计了一个连接轴(30)，轴的一端通过螺钉和制动器(29)固定，另一端与联轴器(26)连接。为了保证整个中心高度一致，为转速转矩传感器(24)、磁滞制动器(29)各设计了支座，分别将传感器和制动器固定在底座上。为了方便装配时的操作，在磁滞制动器支架(27)下端设计有一个垫层，安装时首先安装主轴部分，然后安装传感器和制动器部分，以主轴中心高为基准，当传感器、制动器和主动轴轴心高度偏差超过允许范围，在安装调试时可以通过磨削传感器支架表面、磨削垫层调整轴心高度差，使其保持一致。被动单元前端也安装有导轨钳制器(13)固定，当被动单元调节到指定位置时固箱体避免移动。

试验台测控系统如图3所示，测控系统由信号采集系统、伺服控制系统和负载控制系统三部分组成。其中信号采集系统包括圆光栅编码器、转速转矩传感器、细分器、DSI卡、数据采集卡和工控机，伺服控制系统包括电机、驱动器、控制器、工控机，负载控制系统包括磁滞制动器、控制器、工控机。

在主动轴和被动轴的主轴单元里面集成了圆光栅角度编码器(47)，每个光栅编码器都配有双读数头(48)，双读数头可以消除主轴偏心误差。试验机的运动系统和数据采集系统都是通过工控机控制。圆光栅、读数头采集得到的信号经过细分之后进入DSI卡，信号从DSI卡出来进入数据采集卡。转速转矩传感器和与圆光栅实现同步采集，采集信号由控制器发出，信号进入工控机之后由试验台软件处理最后得出实验数据。电机由驱动器控制，磁滞制动器由程控电源控制，所有控制器都可由软件单独控制，既可联机工作也可脱机工作。

试验台的实验流程如图4所示。塑料齿轮传动误差测试试验台的具体实施步骤如下：

S1进行齿轮实验时，启动该试验台进行系统自我检査确认无故障，直线光栅和圆光栅编码器自动寻找零点。

S2在主动端、从动端的齿轮夹具上分别安装被测齿轮，选择相应齿轮参数，如果没有需要在齿轮试验台软件上添加齿轮参数。

S3确认齿轮安装无误之后，松开导轨钳制器，分别通过手轮转动丝杠调节主动单元沿齿轮的中心距方向的导轨移动，被动单元沿齿轮的齿宽方向的导轨移动，移动到齿轮正确啮合位置，通过调节齿轮齿宽和中心距保证齿轮正常啮合后，分别拧紧导轨钳制器固定住主动单元和被动单元，避免移动。

S4设置齿轮试验时需要的转速和扭矩以及试验时间并开启相应的传感器，完成之后按下启动按键开始试验。

S5电机开始旋转提供动力，磁滞制动器施加载荷，相应的传感器进行数据采集，经过预定时间后发出试验停止指令电机停止运动，磁滞制动器停止加载，将采集得到的数据进行分析，得出试验结论。

S6打印实验报表，松开导轨钳制器，调节主动端和负载端位置并停机，之后可以取下齿轮，整个实验过程结束。

Claims (5)

1.塑料齿轮传动误差测试试验台，其特征在于：塑料齿轮传动误差测试试验台包括精密床身单元和精密轴系；精密床身单元分为床身单元、主动单元、被动单元三大部分；床身单元作为试验台的基础支撑起主动单元和被动单元，主被动单元均是通过带动板、导轨组件与床身单元相连接；精密轴系通过一组螺栓分别固定在主动单元、被动单元上；

具体而言，精密床身单元包括底座(1)、Y方向导轨钳制器(2)、Y方向导轨副(3)、主动端手轮(4)、主动端带动板(5)、主动端驱动丝杠(6)、Y方向限位块(7)、主动端底板(8)、直线光栅(9)、从动端底板(10)、从动端限位块(11)、X方向导轨副(12)、X方向导轨钳制器(13)、从动端带动板(14)、从动端驱动丝杠(15)、从动端手轮(16)、电机(17)、电机支架(18)、联轴器a(19)、电机支架垫片(20)、主动端轴系(21)、从动端轴系(22)、联轴器b(23)、转矩转速传感器(24)、转矩转速传感器底座(25)、联轴器c(26)、磁滞制动器支架(27)、磁滞制动器支架垫片(28)、磁滞制动器(29)和制动器连接轴(30)；

底座(1)设置在精密床身单元的底部且为精密床身的支撑结构，主动单元、被动单元均安装在底座(1)上；主动单元、被动单元的结构相同，各个部件分别集成在主动单元的主动端底板(8)和被动单元的从动单元底板(10)上：电机(17)安装在电机支架(18)上，通过联轴器a(19)与主动端轴系(21)连接，电机支架(18)与主动端轴系(21)通过螺钉固定于主动端底板(8)上，主动端底板(8)通过主动端带动板(5)、主动端驱动丝杠(6)、Y方向导轨副(3)与底座(1)相连，Y方向导轨钳制器(2)安装在Y方向导轨副(3)上，主动端驱动丝杠(6)与主动端手轮(4)连接，通过旋转手轮直接带动主动单元进行移动；磁滞制动器(29)安装在磁滞制动器支架(27)上，通过制动器连接轴(30)、联轴器c(26)与转矩转速传感器(24)连接，转矩转速传感器(24)安装在转矩转速传感器底座(25)上，通过联轴器b(23)与从动端轴系(22)连接，磁滞制动器支架(27)、矩转速传感器底座(25)、从动端轴系(22)通过螺钉固定于从动端底板(10)上，从动端底板(10)通过从动端带动板(14)、从动端驱动丝杠(15)、X方向导轨副(12)与底座(1)相连，从动端驱动丝杠(15)与从动端手轮(16)连接，通过旋转手轮直接带动从动单元进行移动；Y方向限位块(7)安装在底座(1)并设置在Y方向导轨副(3)的末端，直线光栅(9)安装在主动单元与被动单元之间的底部，从动端限位块(11)设置在X方向导轨副(12)的端部，X方向导轨钳制器(13)设置在X方向导轨副(12)上；电机支架(18)的底部设有电机支架垫片(20)，磁滞制动器支架(27)的底部设有磁滞制动器支架垫片(28)。

2.根据权利要求1所述的塑料齿轮传动误差测试试验台，其特征在于：主动端轴系(21)和从动端轴系(22)的结构组成相同，均包括拧紧螺母(31)、被测齿轮(32)、齿轮卡头(33)、防尘挡圈(34)、轴套(35)、轴承a(36)、外隔套(37)、内隔套(38)、主轴(39)、主轴箱体(40)、轴承b(41)、调整环(42)、压环(43)、过渡套环(44)、读数头支架(45)、过渡轴(46)、圆光栅(47)、读数头(48)、圆光栅转接盘(49)和精密锁紧螺母(50)；被测齿轮(32)通过拧紧螺母(31)压紧在齿轮卡头(33)上，齿轮卡头(33)通过螺钉固定在主轴(39)上，主轴(39)、防尘挡圈(34)、轴承a(36)、外隔套(37)、内隔套(38)、轴承b(41)、调整环(42)、压环(43)、过渡套环(44)组成一个整体固定在轴套(35)上，轴套(35)通过一组螺钉直接安装到主轴箱体(40)上，轴承(35)末端使用精密锁紧螺母(50)将轴承a(36)并紧，主轴(39)的中心为通孔，安装时插入标准检棒检测轴系回转精度，主轴(39)后端集成有圆光栅(47)，主轴(39)末端是与扭矩传感器(24)连接的法兰盘；过渡轴(46)周向端部设有圆光栅(47)；圆光栅(47)通过一组螺钉安装于圆光栅转接盘(49)上，圆光栅转接盘(49)通过紧定螺钉固定在精密轴系的主轴(39)上，完成圆光栅与主轴的相连；读数头(48)通过读数头支架(45)安装在主轴箱体(40)上。

3.根据权利要求1所述的塑料齿轮传动误差测试试验台，其特征在于：本试验台采用卧式功率开放式的结构：主被动轴系采用水平平行布置的方式，提高了测量人员的操作方便性；其中左侧的轴系为主动轴，右侧轴系为被动轴。

4.根据权利要求1所述的塑料齿轮传动误差测试试验台，其特征在于：试验台的电机(17)采用直驱技术与主轴轴系(21)通过联轴器(18)直接相连，磁滞制动器(29)放在从动单元末端为齿轮测试提供模拟负载；主被动轴系单元的前端都安装有圆光栅(47)，通过圆光栅采集主被动轴系的旋转角度，除了圆光栅轴系上还集成有转速转矩传感器(24)，为测试采集相应的数据；同时，主动轴系可以沿Y方向移动，使用“手轮(4)+直线导轨(3)+丝杠(6)”结构，调节中心距，使输入部分沿Y方向调节，外加锁死装置导轨钳制器(2)；被动轴系沿X方向移动，使用“手轮(16)+直线导轨(12)+丝杠(15)”结构，调节轴向距离，使输出部分沿X方向移动，外加锁死装置导轨钳制器(13)。

5.根据权利要求1所述的塑料齿轮传动误差测试试验台，其特征在于：塑料齿轮传动误差测试试验台的具体实施步骤如下：

S1进行齿轮实验时，启动该试验台进行系统自我检査确认无故障，直线光栅和圆光栅编码器自动寻找零点；

S2在主动端、从动端的齿轮夹具上分别安装被测齿轮，选择相应齿轮参数，如果没有需要在齿轮试验台软件上添加齿轮参数；

S3确认齿轮安装无误之后，松开导轨钳制器，分别通过手轮转动丝杠调节主动单元沿齿轮的中心距方向的导轨移动，被动单元沿齿轮的齿宽方向的导轨移动，移动到齿轮正确啮合位置，通过调节齿轮齿宽和中心距保证齿轮正常啮合后，分别拧紧导轨钳制器固定住主动单元和被动单元，避免移动；

S4设置齿轮试验时需要的转速和扭矩以及试验时间并开启相应的传感器，完成之后按下启动按键开始试验；

S5电机开始旋转提供动力，磁滞制动器施加载荷，相应的传感器进行数据采集，经过预定时间后发出试验停止指令电机停止运动，磁滞制动器停止加载，将采集得到的数据进行分析，得出试验结论；

S6打印实验报表，松开导轨钳制器，调节主动端和负载端位置并停机，之后可以取下齿轮，整个实验过程结束。