傳動系統誤差測量裝置設計

尹相昶

（河源技師學院，廣東河源 517000）

0 引言

在生產和科學實驗過程中，精密儀器設備越來越廣泛應用在工業、農業、國防和科學技術現代化建設的各個領域中，成為具有信息采集處理、傳遞、轉換、存儲、顯示和控制等各種功能的高級工具。隨著科學技術的飛速發展，純機械儀器設備雖然已經不能適應高技術發展的需要，但是精密機械系統與結構依然是現代精密儀器設備發展的基礎和不可缺少的重要組成部分。

1 齒輪誤差檢測系統

1.1 齒輪傳動系統精度指標

傳動誤差是指傳動鏈的輸入軸的驅動完全準確且為剛性的條件下，其輸出軸的實際角位移量與理論位移量之間的差值。設?1，?2分別為輸入軸和輸出軸的角位移，假設以輸入軸為基準，則輸出軸的誤差為TE(?1)＝?2-?1／i，其中i為傳動比，顯然TE的測量過程是“理論位移與實際位移量”的連續比較過程，如圖1所示：

圖1 傳動誤差曲線

精度是反映測量結果與真值接近程度的量，它與誤差的大小相對應。TE越大，傳動精度就越低，表明傳遞的運動越不準確。影響傳動鏈運動精度的因素很多，主要因素是單個齒輪本身的制造誤差，其次是裝配偏心等造成的誤差。實踐證明，在裝配合理的情況下，后者的影響可以忽略不計。

1.2 檢測系統設計方案選擇

（1）總體要求

本設計主要是測量減速機的系統精度，即測量減速機在空載情況下的誤差。對本裝置的基本要求是：

1）機械方面：測試的是減速機的轉動精度，不同型號的減速機它的外型尺寸是不一樣的，因此要求用同一個裝置要盡可能的測量更多的減速機，并且要保證安裝和拆卸的方便以及對測試不同的減速機時盡量更換更少的零部件。

2）精度方面：減速機本來就是精度很高的機器，要測試它的精度是很困難的，在本次課題研究中要求很高，能夠達到角秒級。因此要保證減速機的輸入軸、輸出軸和圓光柵軸的同軸度。

（2）測試方案

經對幾種常用測量齒輪傳動性能的方法比較分析，行星輪系式試驗臺的測量方法。主要用來測量動態下齒輪傳動的回轉誤差，測量儀器簡單易獲，但機械結構較為復雜，測量精度較低；相位差檢測裝置(GPG05)，其檢測原理是利用兩個光柵頭分別裝于傳動鏈的首尾端以檢測其相位差，從而據以確定其傳動鏈誤差。這種裝置的測量精度取決于光柵條紋的密度，一般精度較高，但比較昂貴。

光柵編碼器具有精度高，抗干擾能力強的優點，被廣泛應用到高精度的位移測量中。光柵編碼器的輸入量是機械位移，輸出量一般是與莫而信號周期對應的脈沖信號。

將光柵作為計量儀器因光柵具有作測量精度高；讀數速度高；分辨率高；讀數易實現數字化、自動化，莫爾條紋信號接近正弦，比較適合于電路處理，故其測量位移的莫爾條紋可用光電轉化以數字形式顯示或輸入計算機，實現自動化，且穩定可靠。

常用的光源有硅光電池，光電二級管和光電三極管。我們采用的圓光柵編碼器是西班牙FAGOR公司生產的旋轉編碼器，是一種增量式的編碼器。編碼器中的光源選用的是紅外線發光二級管（IRED），它的優點是安全、可靠、壽命長。紅外線光束在被光電二級管接受前通過刻度軌跡間的光柵格，光柵格和刻度軌跡間的相對運動產生正弦形式的廣波，被光電二級管接受，并轉化成電流正弦波電信號。

在裝置中連接光柵和減速機的聯軸器的精度要求也很高。聯軸器是機械傳動中常用的部件。它的作用是用來聯結軸與軸、軸與其它回轉件，傳遞運動和轉矩，有時也可當作安全裝置。因此聯軸器需要滿足以下幾點要求：

（1）聯軸器必須適應被聯接間相互位置的變化。

（2）聯軸器上應該采用具有吸振的彈性元件，使其具有吸收振動，緩和沖擊的能力。

（3）聯軸器具有較大的傳遞扭矩的能力。

在裝置中為更好地達到補償偏移和緩沖減振的目的，與能傳遞較大的扭矩出發，綜合考慮選用高精度彈性聯軸器，即網狀金屬材料彈性聯軸器。

基于以上的分析我們采用了減速機——圓光柵——帶有FAGOR數顯反饋板的PC機的總體方案。而且該方案在數據采集方面應用的是數字直接計數法，不同于模擬比相法需要大量復雜的電路，并且在數據采集、分析、處理和顯示上需要多次的D／A、A／D轉換。

2 檢測裝置的結構設計

2.1 檢測系統簡介

測試裝置的最終要求是能夠概念清楚并且直觀的給出各種誤差曲線，能夠通過誤差曲線分析出齒輪傳動系統的問題所在，便于分析影響傳動鏈精度的因素，同時要能適應不同傳動比系統的測量，測量精度達到角秒級。采用了減速機——圓光柵——帶有FAGOR數顯反饋板PC機控制的總體方案。系統組成如圖2所示，傳動誤差指的是減速機輸出軸的實際角位移相對于理論角位移的差值，而輸出軸的理論角位移等于輸入軸實際角位移除以理論傳動比。

當減速機在電動機的帶動下轉動時，通過彈性聯軸器帶動光柵旋轉，由光柵里面的旋轉光柵（主光柵）與固定光柵（指示光柵）之間產生明暗變化的條紋，經過光電池將條紋的光強度變化轉變成電訊號，再由FAGOR數顯反饋板采集處理數據送入計算機即可計數測量。

圖2 測試系統原理圖

2.2 檢測裝置結構設計

（1）檢測裝置結構設計方案的制定

由總體方案，可以初步確定機械結構的設計，結構設計是關鍵，結構設計的質量對實現產品的功能，保證產品的質量和可靠性，降低產品成本均有重要作用。根據整個檢測系統的大體情況。本方案的實現要有一定的硬件來保證，這就要有—組好的檢測裝置，在它的結構設計方面考慮多方面的因素，比如：各個零件和數據采集儀器安裝是否方便，是否能夠一臺設備實現多種用途等等。

1）支架，這是整個檢測裝置的根本基礎，對它的要求就是剛性、穩定性好，而且能夠實現—個支架可以多種用途，就是能安裝多個減速機，并且要保證它的安裝可靠。

2）數據采集儀器(圓光柵編碼器)精度很高，而且要避免碰撞，盡可能的減少裝卸次數。并且要使兩個光柵分別安裝在減速機的輸入輸出端，減速機的輸入、輸出軸都是剛性的，他們通過彈性聯軸器與光柵連接。我們針對這些特點把光柵分別安裝在支架的兩端。

3）光柵的固定，首先它的作用是把光柵固定的可靠，而且還要使光柵軸與減速機的軸連接方便，這里的方便主要指的是在安裝聯軸器的時候不會受到干涉，還要在檢測不同的減速機時，不再拆卸光柵；另外一點就是如何保證光柵軸與減速機軸的同軸，并且在檢測不同的減速機時，對同軸度的調試盡可能的方便，這樣既提高工作效率又能得到很好的檢測結果。

4）減速機的固定，檢測的減速機有很多的型號，不同的型號它的外型尺寸不一樣，為了以后的方便，就要求只是更換減速機而無須更換別的零件，目的是既能充分利用現有的設備又不會帶來不必要的裝配誤差。

5）減速機動力的軸入、輸出，首先是要保證動力和信息的正確，這樣才不會把沒有必要的誤差引入。其次是合理的工藝特性，不能只是為了結構的簡潔和美觀，而以損失它的剛性和穩定性。

從檢測目的的要求出發，制定了兩種方案：第—種采用的是從下而上的安裝；第二種采用的是從上而下的安裝。

這兩種方案的根本區別主要有以下幾點。

（1）整個裝置的布局：第—種方案，就是說減速機和光柵都是安裝在同一個工作臺上，然后調試它們的高度來保證同軸度，同時調整光柵和減速機的距離來適應輸入、輸出軸的長短，這樣做的好處是更換減速機的時候比較方便，同時帶來的麻煩就是每更換一次減速機就要重新調整同軸度。每—次調整都會得到不同的結果，這既不符合目前的發展趨勢，又降低了檢測結果的信服程度，這都是我們不想見到的結果。另外對于不同的減速機還是要更換輸入、輸出軸。第二種方案，把光柵和減邊機固定在同一個支架上面，在加工零件的時候就要保證光柵支架和減速機支架的同軸度，這樣在更換了減速機以后就不必在調試它們的同軸度了，對檢測來說就更方便快捷了。同時帶來問題是，不同的減速機它的外型尺寸不一樣，輸入、輸出軸的長度也就不一樣了。為了解決這個問題，光柵和減速機的距離是按照目前最大型號尺寸來加工制作的，這樣對于不同的減速機只是更換輸入、輸出軸就可以了，省略了同軸度的調試，從而避免了第—種方案的問題。

（2）工作環境：第一種方案中的零部件是分散的。不便于搬動，因為另外換—個地方就要重新調整一次，它的工作環境局限性很大。而第二種結構是連為一體的，就很好的避免了這種問題。

鑒于以上的要求制定了一個相對比較合理的檢測裝置方案，選擇了第二種方案。每一個工件的功能、結構分析在后面會逐—的分析介紹。

零件的功能就是如何保證安裝方便及多個型號的減速機通用一套測試裝置，另外，在精度方面要如何保證。機械結構總體示意圖如圖3所示。由圖可以看出，該結構很簡捷。它由一個剛性較好的彎板做支架，減速機通過法蘭盤固定在支架上，目前這個法蘭盤和支架可以安裝三種型號的減速機，分別是FT-35、RV6A-II、RV250A-II；它的實用性還是很強的。減速機的輸入、輸出軸通過彈性聯軸器與光柵連接。光柵的安裝位置也是很重要的，因為圓光柵的精度很高，所以盡量避免振動、碰撞以及盡可能的減少裝卸次數。由此設計了一個懸梁和兩個光柵支架的組合結構，固定在彎板的上面，光柵安裝在光柵支架上，同時保證光柵軸與減速機的輸入、輸出軸同軸。

圖3 機械總體結構示意圖

2.3 各部件設計

（1）支架設計

在設計時考慮到結構簡單又能滿足要求的前提下，采用了“L”形彎板結構，該結構包括底座和豎板。為了剛性和穩定性要求，選用了厚度為40 mm的45＃鋼，并且在加工前可以將毛坯在戶外放置一段時間消除材料的殘余應力，底座和彎板采用焊接，并且在底座和彎板的一側加加強筋，這樣就可以達到整體穩定的要求。

支架底座要安裝在工作臺上，豎板上要安裝法蘭盤，因此在加工時要保證支架底座于安裝法蘭盤的側面的表面粗糙度和兩個面的垂直度。這樣在將來安裝減速機后才有可能保證減速機和圓光柵同軸。

豎板上要安裝法蘭盤，因為減速機在裝在法蘭盤上固定，因此豎板上除了要有安裝電機的孔，還要有要有固定法蘭盤的銷釘孔。考慮到安裝盡可能多型號的減速機，在設計時把大孔的尺寸設計為RV250A—II減速機的尺寸?284 mm，這樣該孔既可以安裝法蘭盤，也可以在安裝該型號的減速機時就可以直接裝在豎板上，用螺栓固定。在大孔周圍有8個按照RV250A—II減速機設計的?10 mm的光孔，該尺寸和分布圓半徑是按減速機定的。考慮到加工時保證同軸，在豎板上設計了兩個?100 mm的定位孔。

圖4 支架

豎板的頂部設計了一個槽，上面有兩個圓柱銷孔和四個螺釘孔，該槽是為固定后面的懸梁準備的。

該支架在焊接后可用立式數控銑床加工，加工時可以用壓板固定，并且用墊鐵支撐。支架豎板的平面及中間?284 mm的大孔是一次裝夾加工出來的，因而也保證了孔的軸線與底面的垂直度。

（2）法蘭盤設計

本測試裝置的一大特點是一個測試框架可以測試多個型號的減速機系統誤差，這就是通過法蘭盤來實現的如圖5所示。為滿足這個功能在設計中采用臺階端面結構，根據減速機在確定臺階的直徑，這樣根據減速機的型號可以設計不同的外圓，理論上可以設計多個，但實際中不可能由一個法蘭盤實現所有的減速機的測試，那樣裝置既笨重又不經濟。因此設計的這個法蘭盤可以測試兩種型號的減速機，分別是RV6A-II和FT-35。

圖5 法蘭盤

因為減速機的輸入軸要安裝軸承，輸入軸通過帶輪由電動機帶動，因此在法蘭盤上設計了一個凸臺用來安裝軸承，法蘭盤上的軸承孔與臺階端面要同軸，這樣就能保證軸承孔與光柵支架上的孔同軸，從而保證光柵和減速機同軸，但加工時軸承孔和法蘭盤的臺階端面不能一次加工完成，要留下余量，最后在架子整體安裝在一起后，在加工完成。同軸度問題是關系到整個裝置是否合格的重要指標，再有裝配圖中采用的彈性高精度聯軸器也是為了調整到減速機軸和光柵軸的同軸。

在安裝支撐軸承的地方，設計了兩個孔用彈性擋圈來定位，而沒有按照慣例在一端用凸臺定位，目的是為了輸入軸的裝卸方便。

（3）輸入、輸出軸設計

輸入軸就是減速機的動力傳遞者。該測試裝置可以測試多個減速機，而且光柵又不方便裝卸，這樣兩個光柵的距離基本上是不變的，光柵之間的距離是為最大型號的減速機準備的。在測試不同的減速機的時候，主要是改變輸入、輸出軸的長短，目前設計的是測試減速機小的一種型號，這樣輸入、輸出軸的長度會很長，同時又要保證軸端是?10 mm。所以在兩個軸的設計時，就要考慮軸的剛性又不妨礙裝配如圖6所示。

圖6 輸入、輸出軸

減速機本身有一個輸入齒輪軸，尺寸較短，如果我們要把動力傳遞到減速機，方法有兩種：其—是另外裝一個軸，它通過鍵或者是圓柱銷和減速機連接，再通過帶輪把動力傳遞到減速機里面；其二是不用減速機原來的齒輪軸，另外做一個整體的軸，就是把第—種方法中的兩個軸做成整體的，這樣就可以避免了各個零件的加工誤差和裝配誤差，因此選擇了后者。

而對于輸出軸也存在同樣的問題，解決的辦法是一樣的。針對我們研究的減速機的結構，它的輸出軸是一個盤狀的，因此輸出軸首先要有一個相應的盤狀零件，上面有定位止口同時要與軸連接為一體。

輸入軸和輸出軸通過彈性聯軸器與光柵軸連接在—起，而彈性聯軸器的軸孔是?10 mm，因此輸入、輸出軸與聯軸器連接的—端必須是?10 mm，這樣就要采用了階梯軸，從而來實現減速機與聯軸器和光柵的連接。

另外一個問題就是精度，要保證兩個軸與光柵軸的同軸度。在設計的時候考慮軸與軸承、減速機的配合和圓柱度，配合方面都是選用的優先過渡配合，公差等級選的相對比較高，—般是IT6級。

（4）懸梁和光柵架設計

懸梁是用來保證光柵支架和支架的平行度和垂直度的，因此采用了剛性好的槽鋼，在光柵架和懸梁上設計了三組螺釘孔和圓柱銷孔，中間的用來固定懸梁和支架豎板，兩端的用來固定懸梁和光柵架，并且在銜接懸梁和光柵支架處加了四方墊塊，這樣可以保證兩個支架和懸梁底面垂直，最終保證光柵軸與減速機輸入、輸出軸同軸。整個的組合結構安裝在彎板支架的頂部，即彎板的頂部設計的槽，在這里槽的底面和懸梁與槽接觸的部分精度要求很高，必須保證安裝上后光柵軸和減速機同心。

圖7 光柵架

光柵支架上設計了兩個孔用來安裝光柵，并且在安裝光柵的位置設計了一個深l mm、?110 mm的止口，這樣做的目的有兩個：其一，光柵的端面有調動公差，如果把光柵支架整個面都加工即不經濟又不現實，所以只是加工一個小的區域，能保證光柵的安裝就可以了；其二，通過止口定位光柵，在裝配和保證精度方面起到了很好的作用。

在加工時光柵孔和前面的法蘭盤安裝軸承的孔要在留有余量的前提下，安裝好后一起加工，這樣才能保證很好的加工精度。

測試裝置的所有進行機加工的零件就這么多，雖然零件不多而且也不是特別的復雜，但是要讓它們在本裝置中發揮更好的作用，在設計的時候就要考慮很多的因素，只要有一點考慮不周全，就會對以后的裝配帶來很多的麻煩。

（5）檢測裝置裝配

裝配就是把所有的零件組裝在—起，讓它發揮設計前工作人員理想中的作用，達到一定的效果。本測試裝置的裝配很簡單，但是困難的是如何保證裝配后的精度以及裝配的調試過程。因此，我們配備了很多測量調試儀器，關于它們的可靠度還是完全可以信任的．裝配后的效果滿意。

3 結束語

本系統采用的光柵編碼器為FAGOR公司的產品S-90000-1024-D-90-CC型光柵編碼器，9000線每轉，精度為i 2″每脈沖，有一個定位止口，以保證機架盡可能少的引進系統誤差，光柵與輸入、輸出軸間均用彈性聯軸器連接，防止光柵受到沖擊，這兩個精密的聯軸器也是由FAGOR公司生產的。它們的軸向允許移動量為i 0.1 mm，允許徑向移動量為i 0.2 mm，允許的角度誤差為i 0.5h，最大扭轉剛度為1 000 N·m/rad，允許的扭矩為0.1 N·m：它的極限轉速也和圓光柵一樣只能為6 000 r/min。如此以來，就可以在一定精度要求的情況下，盡量提高整個系統的經濟性了。從兩光柵編碼器輸出的脈沖信號由數顯反饋板計數，也是FAGOR的配套產品，可對這類編碼器或其它傳感器相連．數顯反饋板可直接插在PC機的ISA總線插槽里，軟件系統則只需按設定的地址向ISA讀取即可。

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