基于模块化思想的齿轮几何精度检测系统设计

谢启河，彭东林，陈锡侯，蒲红吉，王　朝

(重庆理工大学，机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆　400054)

0　引言

航空航天工业的崛起、造船业的兴盛、机械装备制造业的复苏，都对齿轮制造业提出了更高的要求，也提供了前所未有的机遇。而国内缺少齿轮测试仪器和设备，由此造成全国年产上千万台齿轮箱的质量缺乏可靠的测试数据，齿轮行业测试仪器和设备亟待开发[1]。目前国内外齿轮测量仪器主要有CNC齿轮测量中心、齿轮啮合检查仪、激光齿轮测量仪和齿轮在线测量分选机等[2]，采用捆绑集成对齿轮整体或者单项几何参数进行测试检测。齿轮单项几何参数检测仪，如圆柱度仪、周节仪限制了对齿轮多几何参数的检测，同时增加重复开发成本和开发周期。而齿轮测量中心对四维坐标轴和多功能模块的集成捆绑提高了产品的成本，对齿轮单项几何参数检测缺少自由灵活性，限制了用户的单一需求。

该设计基于模块化思想，采用坐标几何解析测量法、矩阵矢量运算和虚拟仪器等技术方法，对机械结构、硬件电路和软件算法进行模块化设计。针对用户齿轮单几何参数或者多几何参数测量，按设计结构将不同的模块合理组合。最终减少设计工作量，实现机械结构和控制器软硬件的重用性、通用性以及设计的标准化。

1　齿轮几何精度检测的原理

模型化坐标测量突破了传统量仪设计中“测头相对于工件展成运动轨迹的精度必须远远高于待测廓形精度”的设计思想[3]。模型化坐标测量原理的实质是将被测零件作为一个纯几何体，通过测量实际零件的坐标值，并与理论上的数学模型比较，从而确定相应的误差。计算机实时采集数控系统测头相对工作件得到的测头示值和位置反馈元件光栅尺的数据，经坐标转换形成被测工件的实测廓形曲线，再将实测曲线与理论曲线进行比较，最后得到被测工件廓形的误差曲线。

其中齿轮几何精度检测过程计算的数学基础是矩阵矢量运算和计算机图形学的图形变换理论[4]。下面进行简要的介绍：

三维图形的几何变换矩阵可用T表示，表达式为：

从变换功能上T可分为4个子矩阵，其中

(1)平移变换

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

(2)绕坐标轴的旋转变换：以绕X轴旋转为例

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

在齿轮几何精度检测调整过程中有一系列的组合变换，需对三维计算进行若干次有序变换实现坐标轴旋转时的空间坐标运算。

2　总体设计

齿轮几何精度检测的顶层设计采用模块思想，分为信息输入模块、精度信息检索模块和输出信息模块。系统总体设计框图如图1所示。底层功能实现同样采用模块化的思想，包括机械模块、硬件电路模块和控制算法模块。

图1　系统总体设计框图

2．1机械结构模块化设计

针对目前机械产品的模块化设计，可以归纳为两大类：一是侧重功能划分的模块化设计方法，从系统的观点出发，将整个产品系统划分为各个相对独立的功能单元，通过对模块的不同选择和组合来构成满足不同用户的需求。另外一种方法侧重于产品或零部件的形状结构的分类。主要侧重零部件形状结构的分析，适用于结构简单但某个零部件形状结构较复杂的单件、小批量的产品[5]。该设计采用侧重功能模块划分的模块化设计方法。

该设计的机械结构主要分为一维平台(由步进电机、丝杆、导轨、光栅尺构成)搭建的定位和位置反馈功能模块，一维平台系统简图如图2所示，时栅转台[6]构成的坐标系旋转功能模块，电感测微头的装夹模块，尺寸可调整的被测工件装夹模块，手动控制模块。各个模块功能相对独立，通过不同的成组组合可以满足圆柱度仪、周节仪等量仪同样的功能。标准模块间互换性强，便于拆卸维修更换，同时可以满足快速升级换代。

图2　一维平台系统简图

2．2硬件电路模块化设计

根据电器的工作要求，在控制器中设计一个或多个执行模块，同时根据不同的要求选择性的使用相应的模块。控制器的硬件电路模块包括通用电路模块和执行模块，通用模块实现控制器的供电及供电保护、数据通信和数据计算处理。执行模块包括电机驱动模块、光栅数据读取处理模块、时栅数据读取处理模块、霍尔信号处理模块和手动控制面板模块。电路模块设计结构图如图3所示。

图3　硬件电路模块框图

2．3指令化控制算法的模块化设计

控制算法要实现模块化就必须实现软件的编码模块化和设计模块化，而其核心是在开发方法中加入模块化思想[7]。在齿轮几何精度检测系统中，指令化控制体系结构分为规划层和行为层。规划层功能在于对全局情况进行监控计算判断，设计指令集集中协调各个模块之间的控制和约束关系。行为层根据规划层传递的指令代码完成底层的步进电机控制以及信号采集功能，独立的模块只需执行针对它本身的控制指令，无需对其他模块的指令进行接收和判断。最终将处理状态和结果反馈给规划层，以供用户进行状态的判定。

该设计主要将模块化方法引入面向对象的编程方式，应用模块化功能强大的LabVIEW软件作为上位机开发工具进行人机交互[8]。LabVIEW是专门用于虚拟仪器开发的图形化软件开发编程平台。在这个平台上，该设计定义和连接代表各种功能模块的图标方便迅速的建立模块化应用程序。同时该设计利用该平台的波形显示和信号分析处理功能建立了良好的人机交互界面。齿轮几何精度检测通用平台的主界面如图4所示。

图4　人机交互的主界面

不同齿轮几何精度的检测都必须通过调平、测高、测径、定位、测量等步骤对测量坐标系进行校准，同时保证被测量齿轮工件位于所设定的测量坐 标系内。不同被测齿轮工件参数信息通过“设置”子Vi来获得，最后点击“测量”控件开始对工件几何精度检测并同时自动绘制误差曲线[9]。“设置”子Vi界面如图5所示。

图5　“设置”子Vi界面

控制算法的模块化设计减少了重复编码，提升了开发效率。同时在标准化的模块化框架下，在进行调试和维护时，只要对独立模块单独修改调整，从而减低了维护成本。

3　实例验证

3．1环面蜗杆螺旋线误差检测

齿轮几何精度检测系统已成功用于环面蜗杆螺旋线误差的检测，原理样机图如图6所示。用于环面蜗杆螺旋线误差检测时，机械结构包括三维精密工作台、时栅转台、感应测头等模块，硬件电路包括3组光栅尺信号的转换读取模块、时栅信号读取模块、步进电机驱动模块、测微头信息读取模块等。相对于其他几何参数环面蜗杆螺旋线误差的检测相对较难，基本包括了所有功能模块。

图6　环面蜗杆螺旋线误差检测样机

3．2误差分析

齿轮几何精度检测系统以环面蜗杆为检测对象，利用环面蜗杆螺旋线误差检测原理样机进行检测，其中环面蜗杆头数为2，配对蜗轮齿数51，中心距200 mm，主基圆130 mm．利用建模分析和误差补偿技术[10]将测得的数据和给定的理论进行处理得出环面蜗杆的螺旋线误差曲线如图7所示。

图7　环面蜗杆螺旋线曲线误差

4　结束语

文中提出了一中基于模块化思想的齿轮几何精度检测系统设计方法。基于对不同测量对象的分析，将机械结构和控制器的硬件和软件分解为标准模块，完成不同功能模块的具体设计。依据不同用户的需求，将这些模块进行合理的成组组合，实现所要求的测量效果。经样机检测该设计有效可行，模块化结构的设计思想，提高了设计开发效率，缩短了开发周期并具有良好的扩展性。

参考文献：

[1]提高产品质量和竞争力是齿轮行业发展关键．机械工业标准化和质量，2011，12：6．

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[3]孙玉玖，崔岩梅，李涛，等．齿轮测量中心的设计与精度分析．计测技术，2009，29(6)：24-26；40．

[4]李继芳，王仁芳，柴本成，等．实用计算机图形学．北京：清华大学出版社，2012．

[5]祁卓娅，韩新民．机械产品模块化集成设计方法研究．成组技术与生产现代化，2006，4：67-74．

[6]彭东林，郑永，陈自然，等．基于时栅传感器的传动误差动态测试系统研制．中国机械工程，2011，22(10)：1138-1142．

[7]万雪飞，朱有为．模块化软件开发的标准化内涵和优势分析．信息技术与标准化，2006，3：38-41．

[8]何春华，崔健，闫俊杰，等．基于LabVIEW的微机械陀螺自动测试系统开发．传感技术学报，2011，24(2)：170-174．

[9]YEH T J，WU F K．Modeling and robust control of worm-gear driven systems．Simulation Modelling Practice and Theory，2009，17：767-777．

[10]HE GY，YANG B L，DING B H，et al．Modeling and Comрensation Technology for the Comрrehensive Errors of Fixture System．CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING，2012，25(2)：385-391．