謝啟河，彭東林，陳錫侯，蒲紅吉，王　朝

(重慶理工大學(xué)，機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶　400054)

0　引言

航空航天工業(yè)的崛起、造船業(yè)的興盛、機械裝備制造業(yè)的復(fù)蘇，都對齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，也提供了前所未有的機遇。而國內(nèi)缺少齒輪測試儀器和設(shè)備，由此造成全國年產(chǎn)上千萬臺齒輪箱的質(zhì)量缺乏可靠的測試數(shù)據(jù)，齒輪行業(yè)測試儀器和設(shè)備亟待開發(fā)[1]。目前國內(nèi)外齒輪測量儀器主要有CNC齒輪測量中心、齒輪嚙合檢查儀、激光齒輪測量儀和齒輪在線測量分選機等[2]，采用捆綁集成對齒輪整體或者單項幾何參數(shù)進行測試檢測。齒輪單項幾何參數(shù)檢測儀，如圓柱度儀、周節(jié)儀限制了對齒輪多幾何參數(shù)的檢測，同時增加重復(fù)開發(fā)成本和開發(fā)周期。而齒輪測量中心對四維坐標(biāo)軸和多功能模塊的集成捆綁提高了產(chǎn)品的成本，對齒輪單項幾何參數(shù)檢測缺少自由靈活性，限制了用戶的單一需求。

該設(shè)計基于模塊化思想，采用坐標(biāo)幾何解析測量法、矩陣矢量運算和虛擬儀器等技術(shù)方法，對機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件算法進行模塊化設(shè)計。針對用戶齒輪單幾何參數(shù)或者多幾何參數(shù)測量，按設(shè)計結(jié)構(gòu)將不同的模塊合理組合。最終減少設(shè)計工作量，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)和控制器軟硬件的重用性、通用性以及設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化。

1　齒輪幾何精度檢測的原理

模型化坐標(biāo)測量突破了傳統(tǒng)量儀設(shè)計中“測頭相對于工件展成運動軌跡的精度必須遠遠高于待測廓形精度”的設(shè)計思想[3]。模型化坐標(biāo)測量原理的實質(zhì)是將被測零件作為一個純幾何體，通過測量實際零件的坐標(biāo)值，并與理論上的數(shù)學(xué)模型比較，從而確定相應(yīng)的誤差。計算機實時采集數(shù)控系統(tǒng)測頭相對工作件得到的測頭示值和位置反饋元件光柵尺的數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形成被測工件的實測廓形曲線，再將實測曲線與理論曲線進行比較，最后得到被測工件廓形的誤差曲線。

其中齒輪幾何精度檢測過程計算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是矩陣矢量運算和計算機圖形學(xué)的圖形變換理論[4]。下面進行簡要的介紹：

三維圖形的幾何變換矩陣可用T表示，表達式為：

從變換功能上T可分為4個子矩陣，其中

(1)平移變換

[x*y*z*1]=[xyz1]

(2)繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換：以繞X軸旋轉(zhuǎn)為例

[x*y*z*1]=[xyz1]

在齒輪幾何精度檢測調(diào)整過程中有一系列的組合變換，需對三維計算進行若干次有序變換實現(xiàn)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時的空間坐標(biāo)運算。

2　總體設(shè)計

齒輪幾何精度檢測的頂層設(shè)計采用模塊思想，分為信息輸入模塊、精度信息檢索模塊和輸出信息模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。底層功能實現(xiàn)同樣采用模塊化的思想，包括機械模塊、硬件電路模塊和控制算法模塊。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2．1機械結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計

針對目前機械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計，可以歸納為兩大類：一是側(cè)重功能劃分的模塊化設(shè)計方法，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將整個產(chǎn)品系統(tǒng)劃分為各個相對獨立的功能單元，通過對模塊的不同選擇和組合來構(gòu)成滿足不同用戶的需求。另外一種方法側(cè)重于產(chǎn)品或零部件的形狀結(jié)構(gòu)的分類。主要側(cè)重零部件形狀結(jié)構(gòu)的分析，適用于結(jié)構(gòu)簡單但某個零部件形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的單件、小批量的產(chǎn)品[5]。該設(shè)計采用側(cè)重功能模塊劃分的模塊化設(shè)計方法。

該設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)主要分為一維平臺(由步進電機、絲桿、導(dǎo)軌、光柵尺構(gòu)成)搭建的定位和位置反饋功能模塊，一維平臺系統(tǒng)簡圖如圖2所示，時柵轉(zhuǎn)臺[6]構(gòu)成的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)功能模塊，電感測微頭的裝夾模塊，尺寸可調(diào)整的被測工件裝夾模塊，手動控制模塊。各個模塊功能相對獨立，通過不同的成組組合可以滿足圓柱度儀、周節(jié)儀等量儀同樣的功能。標(biāo)準(zhǔn)模塊間互換性強，便于拆卸維修更換，同時可以滿足快速升級換代。

圖2　一維平臺系統(tǒng)簡圖

2．2硬件電路模塊化設(shè)計

根據(jù)電器的工作要求，在控制器中設(shè)計一個或多個執(zhí)行模塊，同時根據(jù)不同的要求選擇性的使用相應(yīng)的模塊。控制器的硬件電路模塊包括通用電路模塊和執(zhí)行模塊，通用模塊實現(xiàn)控制器的供電及供電保護、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)計算處理。執(zhí)行模塊包括電機驅(qū)動模塊、光柵數(shù)據(jù)讀取處理模塊、時柵數(shù)據(jù)讀取處理模塊、霍爾信號處理模塊和手動控制面板模塊。電路模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　硬件電路模塊框圖

2．3指令化控制算法的模塊化設(shè)計

控制算法要實現(xiàn)模塊化就必須實現(xiàn)軟件的編碼模塊化和設(shè)計模塊化，而其核心是在開發(fā)方法中加入模塊化思想[7]。在齒輪幾何精度檢測系統(tǒng)中，指令化控制體系結(jié)構(gòu)分為規(guī)劃層和行為層。規(guī)劃層功能在于對全局情況進行監(jiān)控計算判斷，設(shè)計指令集集中協(xié)調(diào)各個模塊之間的控制和約束關(guān)系。行為層根據(jù)規(guī)劃層傳遞的指令代碼完成底層的步進電機控制以及信號采集功能，獨立的模塊只需執(zhí)行針對它本身的控制指令，無需對其他模塊的指令進行接收和判斷。最終將處理狀態(tài)和結(jié)果反饋給規(guī)劃層，以供用戶進行狀態(tài)的判定。

該設(shè)計主要將模塊化方法引入面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑瑧?yīng)用模塊化功能強大的LabVIEW軟件作為上位機開發(fā)工具進行人機交互[8]。LabVIEW是專門用于虛擬儀器開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)編程平臺。在這個平臺上，該設(shè)計定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)方便迅速的建立模塊化應(yīng)用程序。同時該設(shè)計利用該平臺的波形顯示和信號分析處理功能建立了良好的人機交互界面。齒輪幾何精度檢測通用平臺的主界面如圖4所示。

圖4　人機交互的主界面

不同齒輪幾何精度的檢測都必須通過調(diào)平、測高、測徑、定位、測量等步驟對測量坐標(biāo)系進行校準(zhǔn)，同時保證被測量齒輪工件位于所設(shè)定的測量坐 標(biāo)系內(nèi)。不同被測齒輪工件參數(shù)信息通過“設(shè)置”子Vi來獲得，最后點擊“測量”控件開始對工件幾何精度檢測并同時自動繪制誤差曲線[9]?！霸O(shè)置”子Vi界面如圖5所示。

圖5　“設(shè)置”子Vi界面

控制算法的模塊化設(shè)計減少了重復(fù)編碼，提升了開發(fā)效率。同時在標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化框架下，在進行調(diào)試和維護時，只要對獨立模塊單獨修改調(diào)整，從而減低了維護成本。

3　實例驗證

3．1環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測

齒輪幾何精度檢測系統(tǒng)已成功用于環(huán)面蝸桿螺旋線誤差的檢測，原理樣機圖如圖6所示。用于環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測時，機械結(jié)構(gòu)包括三維精密工作臺、時柵轉(zhuǎn)臺、感應(yīng)測頭等模塊，硬件電路包括3組光柵尺信號的轉(zhuǎn)換讀取模塊、時柵信號讀取模塊、步進電機驅(qū)動模塊、測微頭信息讀取模塊等。相對于其他幾何參數(shù)環(huán)面蝸桿螺旋線誤差的檢測相對較難，基本包括了所有功能模塊。

圖6　環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測樣機

3．2誤差分析

齒輪幾何精度檢測系統(tǒng)以環(huán)面蝸桿為檢測對象，利用環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測原理樣機進行檢測，其中環(huán)面蝸桿頭數(shù)為2，配對蝸輪齒數(shù)51，中心距200 mm，主基圓130 mm．利用建模分析和誤差補償技術(shù)[10]將測得的數(shù)據(jù)和給定的理論進行處理得出環(huán)面蝸桿的螺旋線誤差曲線如圖7所示。

圖7　環(huán)面蝸桿螺旋線曲線誤差

4　結(jié)束語

文中提出了一中基于模塊化思想的齒輪幾何精度檢測系統(tǒng)設(shè)計方法?；趯Σ煌瑴y量對象的分析，將機械結(jié)構(gòu)和控制器的硬件和軟件分解為標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成不同功能模塊的具體設(shè)計。依據(jù)不同用戶的需求，將這些模塊進行合理的成組組合，實現(xiàn)所要求的測量效果。經(jīng)樣機檢測該設(shè)計有效可行，模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，提高了設(shè)計開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期并具有良好的擴展性。

參考文獻：

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