齿圈径向跳动测量智能同步机构的设计与研制

杨有松+刘志超+孙琪+張海馨+李晓奇+刘喆

摘 要：本文主要介绍了齿轮齿圈径向跳动智能同步机构的设计原理和设计制作过程，实践证明，该装置可大幅度提高实验效率并能一定程度的改善测量精度。取得了较好的实验效果。该装置对实现齿轮测量仪器的自动化和机电设备的一体化有着重要的实践意义。

关键词：齿轮齿圈径向跳动误差；步进电机；控制；同步机构

齿轮齿圈径向跳动误差ΔFr是指在被测齿轮一转范围内，测量仪的测头在齿槽内与齿高中部双面接触，测头相对于齿轮基准轴线的最大变动量。它是齿轮误差测量中的一个重要误差量，主要用来评定由齿轮几何偏心所引起的径向误差。很显然，齿轮齿圈径向跳动误差过大对于齿轮的工作平稳性、运动精度和工作时产生的噪声都会有很大的影响。而只有精确地和高效地测量了齿轮齿圈径向跳动误差，才能判断齿轮齿圈径向跳动误差是否在合理的误差范围内，保证今后齿轮能够在正常的、稳定的情况下工作。

齿轮齿圈径向跳动误差的测量通常在齿轮跳动检查仪上进行。测量时，把被测齿轮用心轴安装在两顶尖架的顶尖之间（被测齿轮轴则直接安装在两顶尖间），用心轴轴线模拟体现该齿轮的基准轴线，使测头在齿槽内于齿高中部双面接触。测头有球形和锥形等几种形式，其尺寸大小应与被测齿轮的模数相协调，以保证测头在齿高中部双面接触。球形或锥形测头安装在指示表的测杆上，用它逐齿测量它相对于齿轮基准轴线的变动量，其中最大值与最小值之差即为齿圈径向跳动ΔF。齿轮跳动检查仪测量齿轮齿圈径向跳动误差ΔFr如图所示。

虽然用以上这种测量方法来测量齿轮齿圈径向跳动误差△Fr是可行的和可靠的，但测量时与测量后的工作相当繁琐。而且，它对测量人员的专业技术知识要求很高，即使是由一名技术熟练的测量人员去逐齿测量，之后借助于计算机来分析处理这些测量数据，对于工作量也没能有太大的改观。

该种测量方法的主要缺点是均为手动测量。因而无论是基准轴线的校准过程，还是齿轮的测量过程以及测量数据的采集和分析，均采用手动，这会带来两个主要的问题。一个是测量效率低下，需要逐齿测量，测量数据需要一一记录并进行数据分析。这会大大增加测量的时间；再一个是测量精度低，由于整个测量过程均为手动操作，这样会导致测量基准、被测齿轮及测量仪表受到各自不同的外力作用，使得彼此间出现微小移动，这会导致测量精度下降。

1 智能改进方案及原理

考虑到运用齿轮跳动检查仪测量齿轮齿圈径向跳动误差的缺陷，我们对原齿轮跳动检查仪进行了智能化改造， 设计并研制了齿圈径向跳动测量智能同步机构。

（1）智能改进方案及原理

针对测量过程中的每次手动扳动测量头扳手，每次转动被测齿轮转动一个齿这样一个繁琐过程，我们设计了两套动力系统，采用步进电机分别控制扳手的抬起和降落及被测齿轮的逐齿转动，并通过运动面板控制器控制两者的协调运动。其中 由于测量头部分是采用凸轮机构控制的上下运动，我们通过控制步进电机的正反转运动来实现，而被测齿轮的逐齿转动问题通过另外一个步进电机来实现。由于步进电机具有精确控制转动和位移特性，因此，能够通过反复调试程序以保证两者的协调运动。控制原理图如下。

2 设计与制作

在设计过程中，根据实验的实际需要，我们选用了运动面板控制器对两套动力系统加以控制。选用了两台57步进电机及减速箱，重新设计了凸轮轴和被测齿轮轴，以便使其按照预订的方案实施协调运动。

3 总体控制方案

在实施运动控制上，我们要求运动准确、动力足够、便于控制、成本合理。设计中主要考虑了两种方案：单片机控制和运动面板控制器控制。我们对此两种方案做了比较，由于单片机控制需要通过电脑输入程序调试过程繁琐，因此我们最后确定选用了运动面板控制器进行控制。

4 运动面板控制器

该运动面板控制器具有如下优点：采用高性能32位CPU，配备液晶显示器，全封闭触摸式操作键盘。该系统具有可靠性高，精度高，噪音小，操作方便等特点。可同时控制1-3个电机运动，操作简单、清晰、方便、快捷。该控制器具有开机画面可自行修改、控制器或上位计算机双模式编程独立、24V电源反接保护、IO光耦隔离、输出短接保护手动正反转可同步外部开关控制、简易PLC逻辑、参数区密码可设定等特点。

该控制器的系统主要参数：最小数据单位：0.001mm；最大数据尺寸：±99999.999mm；最高脉冲输出频率：150KHz；系统具有自动、手动、程序编辑、系统参数、自检、设置等主要功能。

5 步进减速电机及支撑座

根据实验的实际需要，我们选用57步进减速电机并自行设计了支撑座。

其主要性能特点是：垂直输出、结构紧凑、精度高、工作平稳噪音低、寿命长。

扭矩和功率输出完全能够满足使用要求。

新设计的支撑座可以实现随动调节能满足多种实验需求。

该协调机构的主要特点是：能够自动控制测量头和被测齿轮的协调运动实现一体化控制，大幅度提高测量效率及测量精度。操控简便直观，易于上手。

6 结语

通过对原有齿轮齿圈径向跳动的测量仪器的一系列改进，实现了校准系统的自动化控制。实践表明该方法是可行的。运用该方法还可以同时智能化改造齿轮的其它误差测量仪，平均费用小、经济效益高。改造后的测量仪不但可大幅度提高实验效率并且对测量的精度也略有提高。且操作方便，造价低廉。对实现齿轮测量仪器的自动化和机电设备的一体化有着重要的实践意义。

参考文献：

[1]甘永立.几何量公差与检测实验指导书[M].上海：上海科学技术出版社，1995.

[2]田野.互换性与测量技术基础[M].化学工业出版社，1990.

[3]王钧，李红玲.Tc55型运动面板控制器说明书[M].北京：科学出版社，2003.

基金项目：吉林省教育厅项目，高精度智能化齿轮齿圈径向跳动测量仪的研制