專利名稱：齒輪副傳動精度測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的齒輪副傳動精度測量裝置和方法，屬于齒輪副傳動精度測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前使用的齒輪副傳動精度測量往往采用人工判讀的方法，如將兩個碼盤分 別安裝在被測齒輪副的輸入軸和輸出軸上，校零后，再旋轉(zhuǎn)輸入軸，觀察輸出軸 在設(shè)定的幾個角度上的偏差和回差的大小是否落在規(guī)定的范圍內(nèi)，判斷產(chǎn)品是否 合格。為了提高分辨率，便于觀察，還采用攝像頭來放大碼盤的刻度。這種測量 方式利用人工進行判讀，精度較低，操作比較復雜，檢測一次時間比較長。如"傳 動裝置回差的測量與數(shù)據(jù)處理"(高建軍，冷巖，機電技術(shù)，2007. 3 ) —文中 所介紹，該方法需要多次測量，亦存在測量繁瑣的問題，精度也不能滿足需要。也有單位研究出光學的裝置來測量齒輪副的傳動誤差。這種裝置的價格高， 測量的范圍小。發(fā)明內(nèi)容針對目前齒輪副傳動精度測量中測量非自動化，效率低，測量精度不高，測 量裝置成本高等問題。本發(fā)明目的在于提供一種可靠性好、測量速度快、測量 精度高、測量范圍寬、并且實現(xiàn)了自動測量的齒輪副傳動精度測量裝置。一種齒輪副傳動精度測量裝置，其特征在于-.包括轉(zhuǎn)角輸入部分、轉(zhuǎn)角輸出測量部分、計算機數(shù)據(jù)釆集分析處理部分； 其中轉(zhuǎn)角輸入部分包括同步皮帶輪、連接同步皮帶輪主動輪的伺服電機、 通過輸入傳感器聯(lián)軸器連接于同步皮帶輪從動輪一端的輸入角度傳感器，同步皮帶輪從動輪的另一端通過輸入端傳感器同步輪軸與需測量的齒輪副的主動輪相連；其中轉(zhuǎn)角輸出測量部分依次包括與需測量的齒輪副的從動輪相連的輸出端 傳感器同步輪軸、輸出傳感器聯(lián)軸器、輸出端角度傳感器；上述齒輪副傳動精度測量裝置測量齒輪副傳動精度的方法，其特征在于(a) 、計算機根據(jù)齒輪副的速比控制伺服電機轉(zhuǎn)動的角度和速度，同步采集 輸入角度傳感器與輸出角度傳感器兩個傳感器數(shù)據(jù)；(b) 、計算機完成傳感器數(shù)據(jù)的去尖峰、數(shù)值濾波、誤差曲線輪廓提取工作， 并采用直角坐標和極坐標顯示齒輪副每一點的傳動誤差、回差和偏差趨勢。第(a)步驟中所述兩個傳感器數(shù)據(jù)同步采集是可以按如下方式實現(xiàn)的感器的輸出采用串行口發(fā)送，為保證串行口得到的兩個傳感器的數(shù)據(jù)同步，為每一 個串行口設(shè)計數(shù)據(jù)采集處理線程，每一個線程中采用一個同步計數(shù)器記錄獲得的傳感器數(shù)據(jù)并暫存在緩存區(qū)中；系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時檢查兩個同步計數(shù)器的計數(shù) 值，如果發(fā)現(xiàn)兩個同步計數(shù)器的計數(shù)值不相同，則以最小的計數(shù)值讀取數(shù)據(jù)，對 多余的數(shù)據(jù)，剔出偏差過小或者過大的，直至兩個數(shù)據(jù)區(qū)緩存區(qū)保留相同數(shù)據(jù)量 的數(shù)據(jù)后將它們移入最終結(jié)果數(shù)據(jù)區(qū)。該裝置有如下特點1、 裝夾方便。只要放在平整的工作臺上，調(diào)整支架螺釘就可以將裝置的軸 調(diào)整到不同高度，調(diào)整角度也很方便；2、 測量精度好，分辨率高。角度檢測精度可達到30〃以內(nèi)，360°內(nèi)累積 誤差〈2';3、 測量速度快。配上計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以在5分鐘內(nèi)完成正反行程 的多角度點齒輪間隙、回差等參數(shù)的測量；4、 測量結(jié)果豐富，直觀。采用直角坐標顯示傳感器的輸入/輸出角度，齒輪 副的傳動誤差。也可以釆用極坐標顯示齒輪副的傳動誤差；5、 可以實現(xiàn)模數(shù)0. 5-4之間的各種齒輪副傳動精度測量；6、 成本低。平臺支架材料加工費不到6000元，傳感器的造價取決于所要求 的精度， 一般每套不到l萬元，電機控制系統(tǒng)造價2000元左右；整套精密測量 裝置成本不到3萬元人民幣。


圖l轉(zhuǎn)角輸入平臺；圖2轉(zhuǎn)角輸出測量平臺；圖中標號名稱1.輸入角度傳感器,2.伺服電機，3.同步皮帶輪,4.輸入平臺 底板，5.輸入平臺前支架板，6.動力支架板，7.輸入傳感器支架板,8.輸入傳感器 同步輪軸，9.軸承-1， 10.輸入平臺支架螺釘和緊固螺栓，ll.輸入傳感器聯(lián)軸 器，12.輸入平臺三角支撐，13.輸入平臺水平儀，14.電機屏蔽罩，15.輸出角度傳 感器，16.輸出平臺底板，17.輸出平臺前支架板，18.輸出傳感器支架板，19.輸出 傳感器軸，20.軸承-2，21.輸出平臺支架蟝釘和緊固螺栓，22.輸出傳感器聯(lián)軸 器,23.輸出平臺三角支撐，24.輸出平臺水平儀。
具體實施方式
齒輪副傳動精度測量裝置由轉(zhuǎn)角輸入平臺和轉(zhuǎn)角輸出測量平臺合計算機測 試系統(tǒng)三部分組成，其中轉(zhuǎn)角輸入平臺是由輸入角度傳感器l 、伺服電機2、同 步皮帶輪3及輸入平臺前支架板5、動力支架板6和輸入平臺三角支撐12等組 成。轉(zhuǎn)角輸出測量平臺是由輸出角度傳感器15及輸出平臺前支架板17、輸出傳 感器支架板18和輸出平臺三角支撐23和屏蔽罩等組成。齒輪副傳動精度測量裝置采用了高分辨率角度傳感器，該傳感器采用旋轉(zhuǎn)變 壓器的工作原理，可以達到相當于19位的絕對編碼器測量精度，其性價比遠高 于編碼器測量方式，并且傳感器本身沒有遲滯誤差。在轉(zhuǎn)角輸入平臺，"輸入角度傳感器l"通過"輸入傳感器支架板7"固定在 "輸入平臺底板4"上，"輸入傳感器同步輪軸8"將由伺服電機2產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角變 化輸出到齒輪副輸入軸上，該軸的另一端，經(jīng)過"輸入傳感器聯(lián)軸器ll"和"輸 出傳感器軸19"相連。"輸入傳感器同步輪軸8"通過兩端的軸承固定在"輸入 平臺前支架板5"和"動力支架板6"上。這樣的結(jié)構(gòu)可以保證在裝夾待測量的 齒輪副產(chǎn)品時不會對傳感器精密的輸出軸帶來沖擊和扭曲，起到保護傳感器的作 用，同時又不會對測量精度帶來影響。為了實現(xiàn)自動測量、確保輸出轉(zhuǎn)角的均勾 性，"轉(zhuǎn)角輸入平臺"上安裝了一臺400W的2.伺服電機，通過價格低廉的同步 皮帶輪3，將伺服電機2的輸出轉(zhuǎn)角傳送到"輸入傳感器同步輪軸8"上，由該 軸將角位移輸出。為了防止皮帶輪的切向力對"輸入傳感器同步輪軸8"帶來影 響，破壞該軸和傳感器的同軸性，要求支撐的兩個軸承要采用C級的。為了方便在裝夾產(chǎn)品時調(diào)整輸出轉(zhuǎn)角的"輸入傳感器同步輪軸8"的高度， 采用了三顆支架螺釘，通過調(diào)節(jié)這三顆支架螺釘可以方便地調(diào)整平臺的高度和角 度，為了方便調(diào)整水平，平臺上安裝了 "輸入平臺水平儀13"。調(diào)節(jié)完成后可用 緊固螺栓將三顆支架螺釘固定牢。由于伺服電機2有電磁干擾會對傳感器的輸出帶來影響，裝置設(shè)計了電機屏 蔽罩14和"輸入傳感器屏蔽罩"。屏蔽罩的接縫處要焊接不能有縫隙，這樣可以 很好的消除伺服電機2工作時對傳感器的電磁干擾。在轉(zhuǎn)角輸出測量平臺，傳感器通過"輸出傳感器支架板18"固定在"輸出平 臺底板15"上，并用"輸出平臺三角支撐23"固聯(lián)；被測齒輪副產(chǎn)品的"輸出 傳感器軸19"通過"輸出傳感器聯(lián)軸器22"和"輸出傳感器軸19"相連，該軸 的另一端通過"輸出傳感器聯(lián)軸器22"和傳感器輸出軸相連。被測齒輪副產(chǎn)品 的角位移變化通過這個連接送到傳感器中被檢測出來。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以保證在 裝夾待測量的齒輪副產(chǎn)品時不會對傳感器精密的輸出軸帶來沖擊和扭曲，起到保 護傳感器的作用，同時也不會對測量精度帶來影響。為了方便在裝夾產(chǎn)品時調(diào)整輸出轉(zhuǎn)角的"輸出傳感器軸19"的高度，采用了 三顆支架螺釘，通過調(diào)節(jié)這三顆支架螺釘可以方便地調(diào)整平臺的高度和角度，為 了方便調(diào)整水平，平臺上安裝了 "輸出平臺水平儀儀24"。調(diào)節(jié)完成后可用緊固 螺栓將三顆支架螺釘固定牢。為了消除電磁干擾對傳感器的輸出帶來影響，裝置設(shè)計了 "輸出傳感器屏蔽 罩"。要求屏蔽罩的接縫處要焊接不能有縫隙，這樣可以很好的消除伺服電機工 作時對傳感器的電磁干擾。本裝置所釆用的傳感器為角位移傳感器(圖1: 1,圖2: 1),測量的角度范 圍應該在0-360° 。本裝置所釆用的2.伺服電機功率為400W,扭矩3.8NM。要求電機在lr/min —2r/min時仍然能輸出均勻的轉(zhuǎn)送；電機的角度控制精確； 輸入和輸出兩套平臺(圖1所示)底板材料為45#鋼；輸入平臺前支架板5、輸出平臺前支架板17、動力支架板6、輸入傳感器支 架板7、輸出傳感器支架板18、輸入平臺三角支撐12、輸出平臺三角支撐23均 采用鋁合金；同步皮帶輪3模數(shù)為5左右，減速方式，也可以采用齒輪傳遞角位移；輸入平臺支架螺釘和緊固螺栓10、輸出平臺支架螺釘和緊固螺栓21采用45# 鋼，采用M10細牙羅紋；輸入傳感器同步輪軸8、輸出傳感器軸19采用不銹鋼17-化H，淬火處理加 強硬度。這兩個軸的同軸度要高，滾動一圈，徑向跳動<0. 02mm。各支架板可以通過螺釘固定在底板上，再通過三角支撐保持各支架板和底板 呈直角。齒輪副傳動精度自動測量的完成由上位計算機實現(xiàn)。上位計算機對測量 過程進行控制。首先根據(jù)齒輪副的速比控制伺服電機轉(zhuǎn)動的角度和速度，同步釆 集輸入/輸出兩個傳感器數(shù)據(jù)，并完成傳感器數(shù)據(jù)的去尖峰、數(shù)值濾波、誤差曲線輪廓提取工作，并采用直角坐標和極坐標顯示齒輪副每一點的傳動誤差、回差 和偏差趨勢。對傳感器數(shù)據(jù)進行同步釆樣，并進行處理和顯示。為了防止傳輸中的干擾，傳感器的輸出通過變送器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，再經(jīng)過串行口發(fā)送到上位計算機上。為了得到較快的測量速度，應將傳感 器的波特率設(shè)置到38400或更高。保證測量精度的關(guān)鍵技術(shù)之一是兩個傳感器的 數(shù)據(jù)必須同步采集。由于串行口發(fā)送的傳感器測量數(shù)據(jù)不是定長的，因此計算機 即使讀到了兩個傳感器發(fā)送過來的相同字節(jié)的數(shù)據(jù)，拼出來的數(shù)據(jù)個數(shù)也不一定 相同。.如果不實時處理，就不能保證輸入和輸出傳感器的數(shù)據(jù)一一對應。從而帶 來很大的誤差。為保證串行口得到的兩個傳感器的數(shù)據(jù)同步，設(shè)計了兩個線程， 每一個線程都有一個數(shù)據(jù)緩存區(qū)，并有一個同步計數(shù)器記錄讀取到的傳感器的數(shù) 據(jù)個數(shù)。線程每讀到8個字節(jié)的數(shù)據(jù)處理一次，將結(jié)果轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。系統(tǒng)在 線程數(shù)據(jù)達到1—3個后處理數(shù)據(jù)，其過程是檢查兩個同步計數(shù)器的計數(shù)值，如 發(fā)現(xiàn)計數(shù)值相同，則直接將數(shù)據(jù)移入傳感器數(shù)據(jù)區(qū)。如果發(fā)現(xiàn)兩個同步計數(shù)器的 計數(shù)值不相同，則以最小的計數(shù)值讀取數(shù)據(jù)，對于多出來的數(shù)據(jù)，有兩個處理措 施l.設(shè)定閾值，如果單一數(shù)據(jù)跳變超過閾值則舍棄該數(shù)據(jù)；2.如果沒有突變則 舍棄相鄰兩個數(shù)據(jù)差最小的數(shù)據(jù)。在兩個線程的數(shù)據(jù)相同后再移入傳感器數(shù)據(jù) 區(qū)。要求每次對線程數(shù)據(jù)處理的時間間隔小于10ms,這時線程中待處理的數(shù)據(jù) 個數(shù)在3個以內(nèi)，傳感器的數(shù)據(jù)同步性比較好，沒有積累誤差，計算機也能及時 響應和處理。兩組傳感器的數(shù)據(jù)釆集后還要采用消尖峰程序，對由于干擾造成的突跳點， 根據(jù)前后點的變化趨勢，予以消除。由于測量數(shù)據(jù)的分辨率較高，數(shù)據(jù)的微小波 動會形成毛刺，為了保證精度，采用多次加權(quán)濾波平滑程序，使處理后的曲線輪 廓線能夠很好的反映齒輪副傳動誤差的變化趨勢，在保證測量精度的同時，消除 測量的毛刺和誤差數(shù)據(jù)。釆用直角坐標顯示傳感器的輸入/輸出角度，齒輪副的傳動誤差。也可以采用極坐標顯示齒輪副的傳動誤差。利用光標的拖動方式顯示齒輪副每一個測量點的傳動誤差。整個測量范圍的 最大誤差，最大誤差的所在的角度。上位計算機程序自動控制伺服電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)的角度范圍，這些參數(shù)是由 傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送速率、測量點的分辨率和齒輪副的速比由計算機程序自動確定 的。
權(quán)利要求
1、一種齒輪副傳動精度測量裝置，其特征在于包括轉(zhuǎn)角輸入部分、轉(zhuǎn)角輸出測量部分、計算機數(shù)據(jù)采集分析處理部分；其中轉(zhuǎn)角輸入部分包括同步皮帶輪(3)、連接同步皮帶輪主動輪的伺服電機(2)、通過輸入傳感器聯(lián)軸器(11)連接于同步皮帶輪從動輪一端的輸入角度傳感器(1)，同步皮帶輪從動輪的另一端通過輸入端傳感器同步輪軸(8)與需測量的齒輪副的主動輪相連；其中轉(zhuǎn)角輸出測量部分依次包括與需測量的齒輪副的從動輪相連的輸出端傳感器同步輪軸(19)、輸出傳感器聯(lián)軸器(22)、輸出端角度傳感器(15)；
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪副傳動精度測量裝置，其特征在于轉(zhuǎn)角輸 入部分安裝于轉(zhuǎn)角輸入平臺，轉(zhuǎn)角輸出測量部安裝于轉(zhuǎn)角輸出測量平臺，轉(zhuǎn)角輸 入平臺和轉(zhuǎn)角輸出測量平臺均安裝有水平裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪副傳動精度測量裝置，其特征在于所述的 伺服電機(2)、輸入角度傳感器(l)、輸出角度傳感器(15)均設(shè)置有電磁屏蔽 罩。
4、 利用權(quán)利要求1所述齒輪副傳動精度測量裝置測量齒輪副傳動精度的方 法，其特征在于(a) 、計算機根據(jù)齒輪副的速比控制伺服電機(2)轉(zhuǎn)動的角度和速度，同 步采集輸入角度傳感器(1)與輸出角度傳感器(15)兩個傳感器數(shù)據(jù)；(b) 、計算機完成傳感器數(shù)據(jù)的去尖峰、數(shù)值濾波、誤差曲線輪廓提取工作， 并采用直角坐標和極坐標顯示齒輪副每一點的傳動誤差、回差和偏差趨勢。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的齒輪副傳動精度測量方法，其特征在于第(a)步驟中所述兩個傳感器數(shù)據(jù)同步采集是按如下方式實現(xiàn)的感器的輸出采用串行口發(fā)送，為保證串行口得到的兩個傳感器的數(shù)據(jù)同步，為每一個串 行口設(shè)計數(shù)據(jù)采集處理線程，每一個線程中采用一個同步計數(shù)器記錄獲得的傳感器數(shù)據(jù)并暫存在緩存區(qū)中；系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時檢查兩個同步計數(shù)器的計數(shù)值，如果發(fā)現(xiàn)兩個同步計數(shù)器的計數(shù)值不相同，則以最小的計數(shù)值讀取數(shù)據(jù)，對多余的 數(shù)據(jù)，剔出偏差過小或者過大的，直至兩個數(shù)據(jù)區(qū)緩存區(qū)保留相同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù) 后將它們移入最終結(jié)果數(shù)據(jù)區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種齒輪副傳動精度測量裝置和方法，屬于齒輪副傳動精度測量技術(shù)領(lǐng)域。該裝置主要包括轉(zhuǎn)角輸入部分、轉(zhuǎn)角輸出測量部分、計算機數(shù)據(jù)采集分析處理部分。其中轉(zhuǎn)角輸入部分和轉(zhuǎn)角輸出測量部分分別包括一角度傳感器。該方法包括以下步驟(a)計算機根據(jù)齒輪副的速比控制伺服電機(2)轉(zhuǎn)動的角度和速度，同步采集輸入角度傳感器(1)與輸出角度傳感器(15)兩個傳感器數(shù)據(jù)；(b)計算機完成傳感器數(shù)據(jù)的去尖峰、數(shù)值濾波、誤差曲線輪廓提取工作，并采用直角坐標和極坐標顯示齒輪副每一點的傳動誤差、回差和偏差趨勢。本裝置和方法可靠性好、測量速度快、測量精度高、測量范圍寬。
文檔編號G01M13/02GK101271038SQ20081009888
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者敏 姚, 敏 趙, 偉 顧 申請人:南京航空航天大學