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基於機電係統的錐齒輪在機測量係（xì）統研究

2016-10-28 來源：天津大學南車青島四方機車車輛股份有限作（zuò）者：萬國強劉瓊宋（sòng）德剛（gāng）宋龍龍（lóng）1

摘要：機（jī）電一體化係統中的機械裝置包括（kuò）傳動、支撐和導軌。錐（zhuī）齒輪傳動是機電一體（tǐ）化係統中常用（yòng）的傳動裝置，它在伺服運動中的主要作用是實現伺服電機與執行機構間的力矩匹配和速度匹配，還可（kě）以實現直線運動（dòng）和旋轉（zhuǎn）運動的轉換。傳動效率與齒輪參數、齒麵的相對滑動速度、加工精度、齒麵粗（cū）糙（cāo）度、材（cái）料和（hé）熱處（chù）理、潤滑狀況有關。錐齒輪為複雜曲（qǔ）麵零件，傳統的錐齒輪的測量（liàng）方法是通過三（sān）坐標測量儀來進行相關參數的測量，存在重新裝卡和檢測成本高（gāo）以及精度不夠（gòu）、齧（niè）合性能低等（děng）問題（tí）。提出基於機電一體化係統，開發錐齒輪在機測量係（xì）統，以便在同一台機床上完成錐齒（chǐ）輪的加（jiā）工和測量。主要分析了錐齒（chǐ）輪的齒距偏差和齒麵（miàn）誤差測量的方法，進行了在機測（cè）量係統的（de）結構和功能研究，采（cǎi）用MATLAB與Vc++混合編程的方法開發（fā）了（le）錐齒輪在機（jī）測量體係。

關鍵詞：機電係統（tǒng）；錐齒輪；在機測量；齒麵誤差；齒距偏差

0.引言

齒輪傳動的精度越低，噪聲越（yuè）大。在機測量是指利用數控機床的坐標係和運動控製來對工件空間坐標（biāo）進行測量，以達到提高加工質量和傳動效率，節省檢測時間和測量成本的目的。為了切削高精度、齧合性能優異的錐齒輪，需要采用精密的（de）測量（liàng）儀器對（duì）齒輪的齒距（jù）偏差和齒麵誤差進行測量。本文將基於機電一（yī）體化係（xì）統，依據錐齒輪的齒距偏差和齒麵誤差的誤差評定方法，進行錐齒輪的測量（liàng）點路徑規（guī）劃，自（zì）動生成測量程序，滿足齒輪傳動的（de）精度需求（qiú），提高傳動效率。

1.錐齒輪在機測量係統

基於機電一體化傳動係統，錐齒輪在機測量係統（tǒng）采（cǎi）用數字控製（zhì）嵌入個人（rén）計算（suàn）機的模（mó）式，將運動控製卡PMAC與PC進行組合。這種（zhǒng）組合能夠充分地保證數控係統的性能，而（ér）且軟件的通用性強，編程處理靈活。工業PC作為主（zhǔ）控計算機，承擔人機交互的工作，可以做數據處理，實現圖像化交互，以便給下位機發送控製（zhì）指（zhǐ）令。上位機軟件采用（yòng）VC++6．0開發，可操作性強。本論文開發錐（zhuī）齒輪（lún）在機測量係統模塊。在機測量係統的框架（jià）如圖1所示。

錐齒輪在（zài）機測量係統包含硬件（jiàn）部分和軟件部分。

圖l錐鹵輪在機測量係（xì）統

測頭和接收器是硬件部（bù）分的（de）主要部件。本文采用通用五軸加工中心的OMP400三維觸發式測頭，0MP400測頭的直徑為40mm，長度為50mm，可（kě）以選配不同（tóng）長度（dù）的（de）測針，以測量不同大（dà）小規格的齒輪精度。OMP400測頭沿單（dān）一方向的重複定位精度（dù）為0．25um，該精度可以滿足國（guó）標（biāo）所規定的齒輪精度的測量，另外測量速度範圍在10mIIl，min～l州min，在z軸（zhóu）方向（xiàng）上允許6mm的超程。該測頭（tóu）采用360。紅外線傳輸方式，最大傳輸距離可達4m。選（xuǎn）用OMI．2接收器來接收測（cè）頭所發出的紅外線，一旦接收器接收到信號，就會觸發係統（tǒng）的繼（jì）電器，係統將識別獲取該信號，並將x軸，Y軸，z軸編碼（mǎ）器的值記（jì）錄在一個數據（jù）庫中，這些值即為測量的實際坐標值。

圖二oMP4()(J=維觸發式刪頭

軟件部分：通過係統界麵輸入錐（zhuī）齒輪的齒坯參（cān）數，結合錐齒（chǐ）輪齒麵數（shù）學模型，根據誤差評定（dìng）方法，進行齒距偏差和齒麵誤差（chà）測量（liàng）點規（guī）劃，並（bìng）自動生成（chéng）測量NC程序，將刀盤換上測頭，即可開始錐齒輪的在（zài）線測量（liàng）。圖3為在機測量（liàng）結構。

圖3在機測量結構

2.錐齒輪齒距偏差和齒麵誤差

與標準漸開線圓柱齒輪不同，錐齒輪（lún）的齒麵目前世界上並無標準（zhǔn）的齒形可供參（cān）考，因此測量時需要（yào）提供的理論齒麵量測數據（jù）包含齒麵點位置Rlo舯（zhōng）和法向量N。o枷，其中(i，j)代表空間位置點列和行的序號。這（zhè）兩個參數可由齒麵數學模型獲得，其中齒麵空間位（wèi）置點誤差（chà）為實際（jì）齒麵R。o∞與理論齒麵RIom的空間位（wèi）置點位置的差值；實際（jì）空間位置點位置R。“∞通過數控係統讀取x軸（zhóu），Y軸，z軸的編碼器或（huò）者光柵尺的數據得到。實際齒麵點位置向量減去理論齒麵（miàn）點位置向量就是齒麵位置誤（wù）差（chà）。表達式如式(1)：

將上式與齒麵位置誤差法向量內積，就能得到齒麵空間位置法向誤差（chà）：

一般以（yǐ）該齒麵空間位置法向誤差作為評判齒麵誤差的評定標準。

本文采用（yòng）端麵滾切法加工出來的錐齒輪的理論（lùn）齒麵位置和理（lǐ）論齒麵法向量。測量離散點（diǎn）的理論空間坐標，本文將（jiāng）齒麵劃分（fèn）為5x7的網格，然後將齒麵沿著（zhe）軸截麵進行投影，齒麵網格點（diǎn）的坐標與（yǔ）實際齒輪齒麵的坐標點滿足坐標旋轉（zhuǎn）投影變（biàn）換公（gōng）式(3)：

為了求得網格節點的坐標值（zhí），得（dé）先求（qiú）出四個頂點A(ZA，UA)，B(ZB，UB)，C(ZC，UC)，D(ZD，UD)的值。A，B，C，D四個頂點為錐齒輪背錐，前（qián）錐，麵錐，根錐（zhuī）的頂點。根據初始搖台（tái）角和終止（zhǐ）搖台角的設定，可以求得A，B，C，D四點滿足的邊界條（tiáo）件，然後根據錐齒輪的節錐角，麵錐角，根錐角求得四個（gè）頂點的坐標。根據（jù）這四個頂點的坐標利用網格平行等分關係，進行編程處理（lǐ），可求得其他網格節點的坐標值(Z，U)。將網格節點的坐標（biāo）值代入公式(4)中，構成非線性方程組，將這些公式通過MATLAB軟件來進行（háng）計算，利用fSolve函數，x=fSolve(@fsolvefunl，x0，options)求解（jiě）非線性方程組，可以求得所要測量的理論齒麵離（lí）散點的空間坐標值(X，Y，z)。通過這些坐標點來進行錐齒輪齒麵誤差的測量。

3.開發（fā）測量係統

采用Vc++6．0軟件，基於開放（fàng）式機電一體化係統，開發錐齒輪在機測量模塊。程（chéng）序設計包含了（le）以下（xià）模塊：

圖4在機測量模塊

1)數據存儲和輸入模塊，該模塊包含（hán）：開發輸入參數的界麵（miàn），加工錐齒輪需要輸入齒輪形狀基本參數、齒坯（pī）參數、VC++程（chéng）序、測量程序以（yǐ）及實際坐標（biāo）值。通過在數控係統中建立（lì）一個VC++數據類Cdata—Stock來處理。

2)數值計算處理模塊。本文（wén）使用MATLAB軟件來完成錐齒輪端麵滾切法加工的數學計算。將通用五（wǔ）軸加工中心x軸、Y軸、z軸、A軸、C軸的數學（xué）表達式和齒麵測（cè）量點（diǎn）規劃的數學（xué）表達式編（biān）寫成．m文（wén）件，並．m文件導入到MATCOM軟件中，將由MATLAB生成的．m文件轉換為能由visual C++能識（shí）別的．h和．cpp格式文件。並將生（shēng）成好的．h和．cpp格式文件放入到錐（zhuī）齒輪數控加工係統的vC++程序文件（jiàn）夾中，從而（ér）在Visual C++的環境（jìng）下調用（yòng）數學公式。

3)測（cè）量Nc程序生成模塊。根據數值計算處理模塊獲（huò）得的齒麵誤差（chà）測量的坐標值和（hé）齒距偏差測量的坐標值，按x坐標值，Y坐標值，Z坐標值的格式將（jiāng）坐標值（zhí）存儲到．txt文件中，然後係統通過讀取．txt中的坐標值（zhí），按照G31 X_Y_z-F-G01 z_的格式生成（chéng）Nc測（cè）量程序。4)誤差分析模塊。由測頭碰觸將測得的錐齒輪的實際坐標值保留到．txt文件中，並將（jiāng）齒距偏差和齒麵誤差評定的（de）數學公式（shì）寫入（rù）到（dào）係統模塊中（zhōng），通（tōng）過讀（dú）取理論坐標值，實際坐標值，齒麵（miàn）法向量進行計算，最終通過畫圖以及文字的（de）形式生成齒輪誤差分析的報告（gào）。下麵的程（chéng）序為獲得齒輪齒麵檢測點數的（de）VC++程序：bool CBmsDlg：：GetTotalPoint()，，獲取齒輪齒麵檢測點總數

{CStmoFile InyFile；

i f(!(m y F i l e．O p e n(s t r A d d P a t h，CFile：：modeRead，NULL)))

{myFile．C10se()；，，獲取程（chéng）序的總段數，提示準備好

sc鋤f(ShIle，”；％d，％dfI，＆i，&j)；

m—MeasSigll．iMeasTo拓IlPoin仁i；

stri．Fomat(”％d1．，i)；}

retIlnltrtle；}

經測量完的齒輪精度分析報告的界麵顯示如圖6所示。

圖5錐齒輪在機測量界麵

4.結束語

機電一體化（huà）係統將機械、電子與信息技術有機結合，以實現產品運行和生產過程整體最優化，如：機（jī）器人、數控機床和電（diàn）子技（jì）術裝備的結合。本文通過（guò）研究錐齒輪的（de）齒距偏差和（hé）齒麵（miàn）誤差的評（píng）定方法，規劃測量點路（lù）徑（jìng），並開發錐齒輪在機測量係統模塊，有效地解決了錐齒（chǐ）輪加工複雜、難以達到（dào）高精度的問題，基（jī）本滿足機械傳（chuán）動裝置中高精度、低摩擦、極小回程（chéng）誤差等要求。

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