基于模塊化思想的齒輪幾何精度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝啟河，彭東林，陳錫侯，蒲紅吉，王　朝

(重慶理工大學(xué)，機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(jī)等[2]，采用捆綁集成對齒輪整體或者單項(xiàng)幾何參數(shù)進(jìn)行測試檢測。齒輪單項(xiàng)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(shí)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(xiàng)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(jì)基于模塊化思想，采用坐標(biāo)幾何解析測量法、矩陣矢量運(yùn)算和虛擬儀器等技術(shù)方法，對機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件算法進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。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(jì)結(jié)構(gòu)將不同的模塊合理組合。最終減少設(shè)計(jì)工作量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制器軟硬件的重用性、通用性以及設(shè)計(jì)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(jì)中“測頭相對于工件展成運(yùn)動軌跡的精度必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于待測廓形精度”的設(shè)計(jì)思想[3]。模型化坐標(biāo)測量原理的實(shí)質(zhì)是將被測零件作為一個純幾何體，通過測量實(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)測廓形曲線，再將實(shí)測曲線與理論曲線進(jìn)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(jì)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是矩陣矢量運(yùn)算和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的圖形變換理論[4]。下面進(jìn)行簡要的介紹：

三維圖形的幾何變換矩陣可用T表示，表達(dá)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(jì)算進(jìn)行若干次有序變換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的空間坐標(biāo)運(yùn)算。

2　總體設(shè)計(jì)

齒輪幾何精度檢測的頂層設(shè)計(jì)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(jì)框圖如圖1所示。底層功能實(shí)現(xiàn)同樣采用模塊化的思想，包括機(jī)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(jì)框圖

2．1機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

針對目前機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，可以歸納為兩大類：一是側(cè)重功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將整個產(chǎn)品系統(tǒng)劃分為各個相對獨(dú)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(jì)采用側(cè)重功能模塊劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法。

該設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為一維平臺(由步進(jìn)電機(jī)、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(shí)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(dú)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(qiáng)，便于拆卸維修更換，同時(shí)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(jì)

根據(jù)電器的工作要求，在控制器中設(shè)計(jì)一個或多個執(zhí)行模塊，同時(shí)根據(jù)不同的要求選擇性的使用相應(yīng)的模塊?？刂破鞯挠布娐纺K包括通用電路模塊和執(zhí)行模塊，通用模塊實(shí)現(xiàn)控制器的供電及供電保護(hù)、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)計(jì)算處理。執(zhí)行模塊包括電機(jī)驅(qū)動模塊、光柵數(shù)據(jù)讀取處理模塊、時(shí)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(jì)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(jì)

控制算法要實(shí)現(xiàn)模塊化就必須實(shí)現(xiàn)軟件的編碼模塊化和設(shè)計(jì)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(jìn)行監(jiān)控計(jì)算判斷，設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)控制以及信號采集功能，獨(dú)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(jìn)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(jìn)行狀態(tài)的判定。

該設(shè)計(jì)主要將模塊化方法引入面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，?yīng)用模塊化功能強(qiáng)大的LabVIEW軟件作為上位機(jī)開發(fā)工具進(jìn)行人機(jī)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(jì)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(shí)該設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)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(diǎn)擊“測量”控件開始對工件幾何精度檢測并同時(shí)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(jì)減少了重復(fù)編碼，提升了開發(fā)效率。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化框架下，在進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)時(shí)，只要對獨(dú)立模塊單獨(dú)修改調(diào)整，從而減低了維護(hù)成本。

3　實(shí)例驗(yàn)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(jī)圖如圖6所示。用于環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括三維精密工作臺、時(shí)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(shí)柵信號讀取模塊、步進(jìn)電機(jī)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(jī)

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(jī)進(jìn)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(bǔ)償技術(shù)[10]將測得的數(shù)據(jù)和給定的理論進(jìn)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(jì)方法?；趯Σ煌瑴y量對象的分析，將機(jī)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(jì)。依據(jù)不同用戶的需求，將這些模塊進(jìn)行合理的成組組合，實(shí)現(xiàn)所要求的測量效果。經(jīng)樣機(jī)檢測該設(shè)計(jì)有效可行，模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，提高了設(shè)計(jì)開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期并具有良好的擴(kuò)展性。

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