一种圆柱齿轮测量控制系统研究与设计

摘要：该文设计了一种圆柱形型齿轮测量测控系统。该系统由底层接口软件和上层应用软件两大模块组成，可控制齿轮测量仪完成齿轮齿廓、齿距、螺旋线等的测量，并可以对测量后产生的数据进行分析、评定，生成测量报告。

关键词：齿轮测量；测控系统

中图分类号：TG86 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3879-03

随着科学技术的不断发展，对机电产品性能的要求也不断提高，对产品中使用的齿轮精度的要求越来越高，齿轮测量仪器的市场需求也越来越大[1]。齿轮测量仪产品中，测量与控制系统已经成齿轮测量仪的核心部分，齿轮量仪的竞争也由电气部分的竞争转向了测控系统的竞争[2]。圆柱齿轮是一种基础元件，广泛应用在机械传动领域。圆柱形型齿轮测量测控系统可完成齿轮齿廓、螺旋线、齿距的测量，对结果进行自动评定，并打印测量报告，有着很强的推广和实用价值。

1 圆柱形齿轮测量与控制系统的构成

本测量与控制系统包括底层的接口软件模块和上层的应用软件模块，两大部分组成。

底层的接口软件部分是通过一个动态链接库来实现其功能的。其中包括的那些函数可通过对PCI总线的读写，来完成对齿轮测量仪硬件部分的控制和对数据的读取操作。主要包括：1）伺服运动轴的数据以及状态的读入、输出；2）输入/输出状态的读写；3）测头电感数据的获取以及四轴光栅的同步采集。

上层应用软件是通过调用底层接口动态库中的接口函数来完成测量控制功能的。包括齿轮齿廓测量、螺旋线测量和齿距测量三个主要功能模块。

2 系统共用头文件

三个共用头文件分别存放底层接口软件与上层应用软件共用的状态位枚举变量、常量、结构变量以及系统异常处理类等。包括：

1）头文件Devstate.h：其中包括底层和上层软件共用的常量和枚举变量的定义；

2）头文件Point.h：其中包括共用数据结构的定义，该数据结构中定义了该系统用到的全部传感器数据变量，其中包括一路电感、四路光栅以及偏差数据的存储变量。

3）头文件CDevException.h：在该文件中设计了系统异常处理类。通过对底层软件各函数的调用，作出异常函数对系统硬件故障和底层软件出现的异常诊断，再通过CDevException类对象向上层软件显示异常，上层的应用软件再根据实际情况进行判断、处理。

3 底层的接口软件

底层的接口软件是用来完成测控系统中控制功能的。由MFC建立一个DLL工程，最终生成一个动态链接库。将运动控制器和A/D数据采集卡提供的动态链接库中及头文件链接到所建立的工程中，该工程再通过调用运动控制器，利用A/D转换板提供的相应函数完成对齿轮测量仪硬件部分的控制，以达到完成所需运动和相关数据采集的目的。在该工程中包括如下几类函数：

1）开关接口设备的函数：在上层软件开启和关闭时调用这类函数，以确保下层硬件设备受上层软件控制的确定性；

2）用来进行数据采集的函数：任务是采集四路光栅和电感的数据，再交由上层软件完成相关的数据处理工作；

3）进行运动控制的函数：包括一些控制电机运动的函数、进行速度设置的函数、加速度设置的函数，还有控制各轴电机运动、停止的止函数和体现电机状态的返回函数等；

4）输入/输出函数：用来获得各输入口状态、设置各输出口状态；

5）手、自动转换函数：该函数可完成手动、自动转换的功能。手动时，可由手动操作面板对仪器进行控制，而处于自动状态时，手动面板操作无权限；

6）光栅清零函数：可将各轴光栅置零，建立系统绝对坐标系时将用到该函数。

4 测量控制系统设计

圆柱形齿轮测量控制系统可按齿轮测量原理完成齿轮齿廓、齿距以及螺旋线的测量，并将所得数据按相应的偏差计算公式进行各项偏差数据的计算，将所获结果与国际标准的偏差数据比较，判断出测量齿轮的等级。

4.1 坐标系的建立

自动测量、建立坐标系是自动完成齿轮的齿廓、螺旋线、齿距测量的前提。建立了正确的坐标系后，被测齿轮和测头间位置关系才能确定，系统才能准确地控制各轴的运动。圆柱形齿轮测量仪中包括回转轴（主轴、M轴）、切向轴（X轴）、径向轴（R轴）、垂向轴（Z轴）等坐标轴。进行测量的时候，坐标原点位于M轴的中线上，即被测齿轮基圆的圆心。切向和径向以M轴中线作为坐标原点，用绝对坐标。而M轴和Z轴则用相对坐标。X轴和R轴方向坐标，可通过系统程序获得的X轴方向和R轴方向的光栅尺的零位信号来完成。光栅尺的零位信号是通过光栅读数头移经零位块时获得的数据产生的。零位块是一个参考机械零件，它被固定在光栅尺上，当光栅读数头移经该零位块时，光栅读数头的C相信号就会发出一个脉冲信号，运动控器中的函数即可获得该零点信号。该功能模块可控制T轴（切向滑板垂直齿面的轴）和R轴，确定这两个轴的绝对坐标零点；在M轴和Z轴建立起相对坐标。

4.3 齿廓测量

该测量控制系统依据齿廓测量原理对齿廓进行测量，测量步骤如下：

1）分别控制R轴和T轴运动，运动到齿顶圆外坐标位置；

2）再控制R轴，将R轴定位到被测量齿轮的基圆长度上，控制T轴，使测头接触到被测齿的齿面；

3）控制M轴和T轴联动，到分度圆位置，并通过调用靠测头函数，使测头和齿面保证能分度圆位置完好地接触；再向齿根联动，运动到起测位置；将起测点坐标进行存储；再通过M轴、T轴向齿顶联动，进行数据的测量；

4）同时，系统可利用电机状态函数查询控制器的状态，进行“是否已到终测点”的判断，达到则停止运动；否则，每隔一个采样间隔，采集一个测量点数据，进行偏差值计算；

4.4 螺旋线测量

4.5 齿距测量

在设计过程中，因考虑到成本问题，R轴长光栅传感器只采用了分辨率为1μm、价格较低的国产光栅尺。R轴也只用来进行基圆位置的确定，而不参与测量过程。

在系统控制下，首先，将R轴定位到被测量齿轮的基圆长度上，T轴定位到被测齿轮分度圆长度上；然后，控制T轴、M轴联动，从分度圆处开始向齿顶做渐开线运动；同时，在分度圆位置获得光栅和电感的数据，进行齿距偏差的计算，获得该齿的偏差数据。然后，再继续T轴和M轴的运动，当测头达到齿顶圆外后，旋转M轴电机，越过一个齿，再重复上述操作，即可获得下一个齿的偏差数据；这样累计测量Z+1个齿，即可得到齿距累积偏差数据。这种方式效率虽不高，但测量精度却比较高。

5 结论

通过对各模块功能的测试，结果显示，该系统能够准确高效地对仪器进行控制，数据采集与处理结果已达到设计要求的精度水平，满足用户需求。

参考文献：

[1] 张树坤.3002型齿轮测量仪螺旋线测量的实现[J].计量技术，2008（6）.

[2] 谢华锟.近年来齿轮测量技术与仪器的发展[J].工具技术，2004（38）：27-30.