齒圈徑向跳動測量智能同步機構的設計與研制

楊有松+劉志超+孫琪+張海馨+李曉奇+劉喆

摘 要：本文主要介紹了齒輪齒圈徑向跳動智能同步機構的設計原理和設計制作過程，實踐證明，該裝置可大幅度提高實驗效率并能一定程度的改善測量精度。取得了較好的實驗效果。該裝置對實現齒輪測量儀器的自動化和機電設備的一體化有著重要的實踐意義。

關鍵詞：齒輪齒圈徑向跳動誤差；步進電機；控制；同步機構

齒輪齒圈徑向跳動誤差ΔFr是指在被測齒輪一轉范圍內，測量儀的測頭在齒槽內與齒高中部雙面接觸，測頭相對于齒輪基準軸線的最大變動量。它是齒輪誤差測量中的一個重要誤差量，主要用來評定由齒輪幾何偏心所引起的徑向誤差。很顯然，齒輪齒圈徑向跳動誤差過大對于齒輪的工作平穩性、運動精度和工作時產生的噪聲都會有很大的影響。而只有精確地和高效地測量了齒輪齒圈徑向跳動誤差，才能判斷齒輪齒圈徑向跳動誤差是否在合理的誤差范圍內，保證今后齒輪能夠在正常的、穩定的情況下工作。

齒輪齒圈徑向跳動誤差的測量通常在齒輪跳動檢查儀上進行。測量時，把被測齒輪用心軸安裝在兩頂尖架的頂尖之間（被測齒輪軸則直接安裝在兩頂尖間），用心軸軸線模擬體現該齒輪的基準軸線，使測頭在齒槽內于齒高中部雙面接觸。測頭有球形和錐形等幾種形式，其尺寸大小應與被測齒輪的模數相協調，以保證測頭在齒高中部雙面接觸。球形或錐形測頭安裝在指示表的測桿上，用它逐齒測量它相對于齒輪基準軸線的變動量，其中最大值與最小值之差即為齒圈徑向跳動ΔF。齒輪跳動檢查儀測量齒輪齒圈徑向跳動誤差ΔFr如圖所示。

雖然用以上這種測量方法來測量齒輪齒圈徑向跳動誤差△Fr是可行的和可靠的，但測量時與測量后的工作相當繁瑣。而且，它對測量人員的專業技術知識要求很高，即使是由一名技術熟練的測量人員去逐齒測量，之后借助于計算機來分析處理這些測量數據，對于工作量也沒能有太大的改觀。

該種測量方法的主要缺點是均為手動測量。因而無論是基準軸線的校準過程，還是齒輪的測量過程以及測量數據的采集和分析，均采用手動，這會帶來兩個主要的問題。一個是測量效率低下，需要逐齒測量，測量數據需要一一記錄并進行數據分析。這會大大增加測量的時間；再一個是測量精度低，由于整個測量過程均為手動操作，這樣會導致測量基準、被測齒輪及測量儀表受到各自不同的外力作用，使得彼此間出現微小移動，這會導致測量精度下降。

1 智能改進方案及原理

考慮到運用齒輪跳動檢查儀測量齒輪齒圈徑向跳動誤差的缺陷，我們對原齒輪跳動檢查儀進行了智能化改造， 設計并研制了齒圈徑向跳動測量智能同步機構。

（1）智能改進方案及原理

針對測量過程中的每次手動扳動測量頭扳手，每次轉動被測齒輪轉動一個齒這樣一個繁瑣過程，我們設計了兩套動力系統，采用步進電機分別控制扳手的抬起和降落及被測齒輪的逐齒轉動，并通過運動面板控制器控制兩者的協調運動。其中 由于測量頭部分是采用凸輪機構控制的上下運動，我們通過控制步進電機的正反轉運動來實現，而被測齒輪的逐齒轉動問題通過另外一個步進電機來實現。由于步進電機具有精確控制轉動和位移特性，因此，能夠通過反復調試程序以保證兩者的協調運動?？刂圃韴D如下。

2 設計與制作

在設計過程中，根據實驗的實際需要，我們選用了運動面板控制器對兩套動力系統加以控制。選用了兩臺57步進電機及減速箱，重新設計了凸輪軸和被測齒輪軸，以便使其按照預訂的方案實施協調運動。

3 總體控制方案

在實施運動控制上，我們要求運動準確、動力足夠、便于控制、成本合理。設計中主要考慮了兩種方案：單片機控制和運動面板控制器控制。我們對此兩種方案做了比較，由于單片機控制需要通過電腦輸入程序調試過程繁瑣，因此我們最后確定選用了運動面板控制器進行控制。

4 運動面板控制器

該運動面板控制器具有如下優點：采用高性能32位CPU，配備液晶顯示器，全封閉觸摸式操作鍵盤。該系統具有可靠性高，精度高，噪音小，操作方便等特點。可同時控制1-3個電機運動，操作簡單、清晰、方便、快捷。該控制器具有開機畫面可自行修改、控制器或上位計算機雙模式編程獨立、24V電源反接保護、IO光耦隔離、輸出短接保護手動正反轉可同步外部開關控制、簡易PLC邏輯、參數區密碼可設定等特點。

該控制器的系統主要參數：最小數據單位：0.001mm；最大數據尺寸：±99999.999mm；最高脈沖輸出頻率：150KHz；系統具有自動、手動、程序編輯、系統參數、自檢、設置等主要功能。

5 步進減速電機及支撐座

根據實驗的實際需要，我們選用57步進減速電機并自行設計了支撐座。

其主要性能特點是：垂直輸出、結構緊湊、精度高、工作平穩噪音低、壽命長。

扭矩和功率輸出完全能夠滿足使用要求。

新設計的支撐座可以實現隨動調節能滿足多種實驗需求。

該協調機構的主要特點是：能夠自動控制測量頭和被測齒輪的協調運動實現一體化控制，大幅度提高測量效率及測量精度。操控簡便直觀，易于上手。

6 結語

通過對原有齒輪齒圈徑向跳動的測量儀器的一系列改進，實現了校準系統的自動化控制。實踐表明該方法是可行的。運用該方法還可以同時智能化改造齒輪的其它誤差測量儀，平均費用小、經濟效益高。改造后的測量儀不但可大幅度提高實驗效率并且對測量的精度也略有提高。且操作方便，造價低廉。對實現齒輪測量儀器的自動化和機電設備的一體化有著重要的實踐意義。

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基金項目：吉林省教育廳項目，高精度智能化齒輪齒圈徑向跳動測量儀的研制