謝啟河，彭東林，陳錫侯，蒲紅吉，王　朝

(重慶理工大學(xué)，機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400054)

0　引言

航空航天工業(yè)的崛起、造船業(yè)的興盛、機(jī)械裝備制造業(yè)的復(fù)蘇，都對(duì)齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，也提供了前所未有的機(jī)遇。而國(guó)內(nèi)缺少齒輪測(cè)試儀器和設(shè)備，由此造成全國(guó)年產(chǎn)上千萬臺(tái)齒輪箱的質(zhì)量缺乏可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，齒輪行業(yè)測(cè)試儀器和設(shè)備亟待開發(fā)[1]。目前國(guó)內(nèi)外齒輪測(cè)量?jī)x器主要有CNC齒輪測(cè)量中心、齒輪嚙合檢查儀、激光齒輪測(cè)量?jī)x和齒輪在線測(cè)量分選機(jī)等[2]，采用捆綁集成對(duì)齒輪整體或者單項(xiàng)幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)試檢測(cè)。齒輪單項(xiàng)幾何參數(shù)檢測(cè)儀，如圓柱度儀、周節(jié)儀限制了對(duì)齒輪多幾何參數(shù)的檢測(cè)，同時(shí)增加重復(fù)開發(fā)成本和開發(fā)周期。而齒輪測(cè)量中心對(duì)四維坐標(biāo)軸和多功能模塊的集成捆綁提高了產(chǎn)品的成本，對(duì)齒輪單項(xiàng)幾何參數(shù)檢測(cè)缺少自由靈活性，限制了用戶的單一需求。

該設(shè)計(jì)基于模塊化思想，采用坐標(biāo)幾何解析測(cè)量法、矩陣矢量運(yùn)算和虛擬儀器等技術(shù)方法，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件算法進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。針對(duì)用戶齒輪單幾何參數(shù)或者多幾何參數(shù)測(cè)量，按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將不同的模塊合理組合。最終減少設(shè)計(jì)工作量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制器軟硬件的重用性、通用性以及設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。

1　齒輪幾何精度檢測(cè)的原理

模型化坐標(biāo)測(cè)量突破了傳統(tǒng)量?jī)x設(shè)計(jì)中“測(cè)頭相對(duì)于工件展成運(yùn)動(dòng)軌跡的精度必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于待測(cè)廓形精度”的設(shè)計(jì)思想[3]。模型化坐標(biāo)測(cè)量原理的實(shí)質(zhì)是將被測(cè)零件作為一個(gè)純幾何體，通過測(cè)量實(shí)際零件的坐標(biāo)值，并與理論上的數(shù)學(xué)模型比較，從而確定相應(yīng)的誤差。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)控系統(tǒng)測(cè)頭相對(duì)工作件得到的測(cè)頭示值和位置反饋元件光柵尺的數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形成被測(cè)工件的實(shí)測(cè)廓形曲線，再將實(shí)測(cè)曲線與理論曲線進(jìn)行比較，最后得到被測(cè)工件廓形的誤差曲線。

其中齒輪幾何精度檢測(cè)過程計(jì)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是矩陣矢量運(yùn)算和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的圖形變換理論[4]。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：

三維圖形的幾何變換矩陣可用T表示，表達(dá)式為：

從變換功能上T可分為4個(gè)子矩陣，其中

(1)平移變換

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

(2)繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換：以繞X軸旋轉(zhuǎn)為例

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

在齒輪幾何精度檢測(cè)調(diào)整過程中有一系列的組合變換，需對(duì)三維計(jì)算進(jìn)行若干次有序變換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的空間坐標(biāo)運(yùn)算。

2　總體設(shè)計(jì)

齒輪幾何精度檢測(cè)的頂層設(shè)計(jì)采用模塊思想，分為信息輸入模塊、精度信息檢索模塊和輸出信息模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。底層功能實(shí)現(xiàn)同樣采用模塊化的思想，包括機(jī)械模塊、硬件電路模塊和控制算法模塊。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2．1機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

針對(duì)目前機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，可以歸納為兩大類：一是側(cè)重功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)劃分為各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能單元，通過對(duì)模塊的不同選擇和組合來構(gòu)成滿足不同用戶的需求。另外一種方法側(cè)重于產(chǎn)品或零部件的形狀結(jié)構(gòu)的分類。主要側(cè)重零部件形狀結(jié)構(gòu)的分析，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但某個(gè)零部件形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的單件、小批量的產(chǎn)品[5]。該設(shè)計(jì)采用側(cè)重功能模塊劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法。

該設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為一維平臺(tái)(由步進(jìn)電機(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、光柵尺構(gòu)成)搭建的定位和位置反饋功能模塊，一維平臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)[6]構(gòu)成的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)功能模塊，電感測(cè)微頭的裝夾模塊，尺寸可調(diào)整的被測(cè)工件裝夾模塊，手動(dòng)控制模塊。各個(gè)模塊功能相對(duì)獨(dú)立，通過不同的成組組合可以滿足圓柱度儀、周節(jié)儀等量?jī)x同樣的功能。標(biāo)準(zhǔn)模塊間互換性強(qiáng)，便于拆卸維修更換，同時(shí)可以滿足快速升級(jí)換代。

圖2　一維平臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2．2硬件電路模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)電器的工作要求，在控制器中設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行模塊，同時(shí)根據(jù)不同的要求選擇性的使用相應(yīng)的模塊?？刂破鞯挠布娐纺K包括通用電路模塊和執(zhí)行模塊，通用模塊實(shí)現(xiàn)控制器的供電及供電保護(hù)、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)計(jì)算處理。執(zhí)行模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光柵數(shù)據(jù)讀取處理模塊、時(shí)柵數(shù)據(jù)讀取處理模塊、霍爾信號(hào)處理模塊和手動(dòng)控制面板模塊。電路模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　硬件電路模塊框圖

2．3指令化控制算法的模塊化設(shè)計(jì)

控制算法要實(shí)現(xiàn)模塊化就必須實(shí)現(xiàn)軟件的編碼模塊化和設(shè)計(jì)模塊化，而其核心是在開發(fā)方法中加入模塊化思想[7]。在齒輪幾何精度檢測(cè)系統(tǒng)中，指令化控制體系結(jié)構(gòu)分為規(guī)劃層和行為層。規(guī)劃層功能在于對(duì)全局情況進(jìn)行監(jiān)控計(jì)算判斷，設(shè)計(jì)指令集集中協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的控制和約束關(guān)系。行為層根據(jù)規(guī)劃層傳遞的指令代碼完成底層的步進(jìn)電機(jī)控制以及信號(hào)采集功能，獨(dú)立的模塊只需執(zhí)行針對(duì)它本身的控制指令，無需對(duì)其他模塊的指令進(jìn)行接收和判斷。最終將處理狀態(tài)和結(jié)果反饋給規(guī)劃層，以供用戶進(jìn)行狀態(tài)的判定。

該設(shè)計(jì)主要將模塊化方法引入面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑瑧?yīng)用模塊化功能強(qiáng)大的LabVIEW軟件作為上位機(jī)開發(fā)工具進(jìn)行人機(jī)交互[8]。LabVIEW是專門用于虛擬儀器開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)編程平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，該設(shè)計(jì)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)方便迅速的建立模塊化應(yīng)用程序。同時(shí)該設(shè)計(jì)利用該平臺(tái)的波形顯示和信號(hào)分析處理功能建立了良好的人機(jī)交互界面。齒輪幾何精度檢測(cè)通用平臺(tái)的主界面如圖4所示。

圖4　人機(jī)交互的主界面

不同齒輪幾何精度的檢測(cè)都必須通過調(diào)平、測(cè)高、測(cè)徑、定位、測(cè)量等步驟對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)保證被測(cè)量齒輪工件位于所設(shè)定的測(cè)量坐 標(biāo)系內(nèi)。不同被測(cè)齒輪工件參數(shù)信息通過“設(shè)置”子Vi來獲得，最后點(diǎn)擊“測(cè)量”控件開始對(duì)工件幾何精度檢測(cè)并同時(shí)自動(dòng)繪制誤差曲線[9]?！霸O(shè)置”子Vi界面如圖5所示。

圖5　“設(shè)置”子Vi界面

控制算法的模塊化設(shè)計(jì)減少了重復(fù)編碼，提升了開發(fā)效率。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化框架下，在進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)時(shí)，只要對(duì)獨(dú)立模塊單獨(dú)修改調(diào)整，從而減低了維護(hù)成本。

3　實(shí)例驗(yàn)證

3．1環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測(cè)

齒輪幾何精度檢測(cè)系統(tǒng)已成功用于環(huán)面蝸桿螺旋線誤差的檢測(cè)，原理樣機(jī)圖如圖6所示。用于環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測(cè)時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括三維精密工作臺(tái)、時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)、感應(yīng)測(cè)頭等模塊，硬件電路包括3組光柵尺信號(hào)的轉(zhuǎn)換讀取模塊、時(shí)柵信號(hào)讀取模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)微頭信息讀取模塊等。相對(duì)于其他幾何參數(shù)環(huán)面蝸桿螺旋線誤差的檢測(cè)相對(duì)較難，基本包括了所有功能模塊。

圖6　環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測(cè)樣機(jī)

3．2誤差分析

齒輪幾何精度檢測(cè)系統(tǒng)以環(huán)面蝸桿為檢測(cè)對(duì)象，利用環(huán)面蝸桿螺旋線誤差檢測(cè)原理樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，其中環(huán)面蝸桿頭數(shù)為2，配對(duì)蝸輪齒數(shù)51，中心距200 mm，主基圓130 mm．利用建模分析和誤差補(bǔ)償技術(shù)[10]將測(cè)得的數(shù)據(jù)和給定的理論進(jìn)行處理得出環(huán)面蝸桿的螺旋線誤差曲線如圖7所示。

圖7　環(huán)面蝸桿螺旋線曲線誤差

4　結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一中基于模塊化思想的齒輪幾何精度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法?；趯?duì)不同測(cè)量對(duì)象的分析，將機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制器的硬件和軟件分解為標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成不同功能模塊的具體設(shè)計(jì)。依據(jù)不同用戶的需求，將這些模塊進(jìn)行合理的成組組合，實(shí)現(xiàn)所要求的測(cè)量效果。經(jīng)樣機(jī)檢測(cè)該設(shè)計(jì)有效可行，模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，提高了設(shè)計(jì)開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期并具有良好的擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)：

[1]提高產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力是齒輪行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵．機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量，2011，12：6．

[2]謝華錕．近年來齒輪測(cè)量技術(shù)與儀器的發(fā)展．工具技術(shù)，2004，38(9)：27-33．

[3]孫玉玖，崔巖梅，李濤，等．齒輪測(cè)量中心的設(shè)計(jì)與精度分析．計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29(6)：24-26；40．

[4]李繼芳，王仁芳，柴本成，等．實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)．北京：清華大學(xué)出版社，2012．

[5]祁卓婭，韓新民．機(jī)械產(chǎn)品模塊化集成設(shè)計(jì)方法研究．成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2006，4：67-74．

[6]彭東林，鄭永，陳自然，等．基于時(shí)柵傳感器的傳動(dòng)誤差動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)研制．中國(guó)機(jī)械工程，2011，22(10)：1138-1142．

[7]萬雪飛，朱有為．模塊化軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)涵和優(yōu)勢(shì)分析．信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2006，3：38-41．

[8]何春華，崔健，閆俊杰，等．基于LabVIEW的微機(jī)械陀螺自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，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．