尹相昶

（河源技師學(xué)院，廣東河源 517000）

0 引言

在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，精密儀器設(shè)備越來越廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中，成為具有信息采集處理、傳遞、轉(zhuǎn)換、存儲、顯示和控制等各種功能的高級工具。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，純機(jī)械儀器設(shè)備雖然已經(jīng)不能適應(yīng)高技術(shù)發(fā)展的需要，但是精密機(jī)械系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)依然是現(xiàn)代精密儀器設(shè)備發(fā)展的基礎(chǔ)和不可缺少的重要組成部分。

1 齒輪誤差檢測系統(tǒng)

1.1 齒輪傳動系統(tǒng)精度指標(biāo)

傳動誤差是指傳動鏈的輸入軸的驅(qū)動完全準(zhǔn)確且為剛性的條件下，其輸出軸的實(shí)際角位移量與理論位移量之間的差值。設(shè)?1，?2分別為輸入軸和輸出軸的角位移，假設(shè)以輸入軸為基準(zhǔn)，則輸出軸的誤差為TE(?1)＝?2-?1／i，其中i為傳動比，顯然TE的測量過程是“理論位移與實(shí)際位移量”的連續(xù)比較過程，如圖1所示：

圖1 傳動誤差曲線

精度是反映測量結(jié)果與真值接近程度的量，它與誤差的大小相對應(yīng)。TE越大，傳動精度就越低，表明傳遞的運(yùn)動越不準(zhǔn)確。影響傳動鏈運(yùn)動精度的因素很多，主要因素是單個(gè)齒輪本身的制造誤差，其次是裝配偏心等造成的誤差。實(shí)踐證明，在裝配合理的情況下，后者的影響可以忽略不計(jì)。

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇

（1）總體要求

本設(shè)計(jì)主要是測量減速機(jī)的系統(tǒng)精度，即測量減速機(jī)在空載情況下的誤差。對本裝置的基本要求是：

1）機(jī)械方面：測試的是減速機(jī)的轉(zhuǎn)動精度，不同型號的減速機(jī)它的外型尺寸是不一樣的，因此要求用同一個(gè)裝置要盡可能的測量更多的減速機(jī)，并且要保證安裝和拆卸的方便以及對測試不同的減速機(jī)時(shí)盡量更換更少的零部件。

2）精度方面：減速機(jī)本來就是精度很高的機(jī)器，要測試它的精度是很困難的，在本次課題研究中要求很高，能夠達(dá)到角秒級。因此要保證減速機(jī)的輸入軸、輸出軸和圓光柵軸的同軸度。

（2）測試方案

經(jīng)對幾種常用測量齒輪傳動性能的方法比較分析，行星輪系式試驗(yàn)臺的測量方法。主要用來測量動態(tài)下齒輪傳動的回轉(zhuǎn)誤差，測量儀器簡單易獲，但機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，測量精度較低；相位差檢測裝置(GPG05)，其檢測原理是利用兩個(gè)光柵頭分別裝于傳動鏈的首尾端以檢測其相位差，從而據(jù)以確定其傳動鏈誤差。這種裝置的測量精度取決于光柵條紋的密度，一般精度較高，但比較昂貴。

光柵編碼器具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到高精度的位移測量中。光柵編碼器的輸入量是機(jī)械位移，輸出量一般是與莫而信號周期對應(yīng)的脈沖信號。

將光柵作為計(jì)量儀器因光柵具有作測量精度高；讀數(shù)速度高；分辨率高；讀數(shù)易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動化，莫爾條紋信號接近正弦，比較適合于電路處理，故其測量位移的莫爾條紋可用光電轉(zhuǎn)化以數(shù)字形式顯示或輸入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動化，且穩(wěn)定可靠。

常用的光源有硅光電池，光電二級管和光電三極管。我們采用的圓光柵編碼器是西班牙FAGOR公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器，是一種增量式的編碼器。編碼器中的光源選用的是紅外線發(fā)光二級管（IRED），它的優(yōu)點(diǎn)是安全、可靠、壽命長。紅外線光束在被光電二級管接受前通過刻度軌跡間的光柵格，光柵格和刻度軌跡間的相對運(yùn)動產(chǎn)生正弦形式的廣波，被光電二級管接受，并轉(zhuǎn)化成電流正弦波電信號。

在裝置中連接光柵和減速機(jī)的聯(lián)軸器的精度要求也很高。聯(lián)軸器是機(jī)械傳動中常用的部件。它的作用是用來聯(lián)結(jié)軸與軸、軸與其它回轉(zhuǎn)件，傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩，有時(shí)也可當(dāng)作安全裝置。因此聯(lián)軸器需要滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）聯(lián)軸器必須適應(yīng)被聯(lián)接間相互位置的變化。

（2）聯(lián)軸器上應(yīng)該采用具有吸振的彈性元件，使其具有吸收振動，緩和沖擊的能力。

（3）聯(lián)軸器具有較大的傳遞扭矩的能力。

在裝置中為更好地達(dá)到補(bǔ)償偏移和緩沖減振的目的，與能傳遞較大的扭矩出發(fā)，綜合考慮選用高精度彈性聯(lián)軸器，即網(wǎng)狀金屬材料彈性聯(lián)軸器。

基于以上的分析我們采用了減速機(jī)——圓光柵——帶有FAGOR數(shù)顯反饋板的PC機(jī)的總體方案。而且該方案在數(shù)據(jù)采集方面應(yīng)用的是數(shù)字直接計(jì)數(shù)法，不同于模擬比相法需要大量復(fù)雜的電路，并且在數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示上需要多次的D／A、A／D轉(zhuǎn)換。

2 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 檢測系統(tǒng)簡介

測試裝置的最終要求是能夠概念清楚并且直觀的給出各種誤差曲線，能夠通過誤差曲線分析出齒輪傳動系統(tǒng)的問題所在，便于分析影響傳動鏈精度的因素，同時(shí)要能適應(yīng)不同傳動比系統(tǒng)的測量，測量精度達(dá)到角秒級。采用了減速機(jī)——圓光柵——帶有FAGOR數(shù)顯反饋板PC機(jī)控制的總體方案。系統(tǒng)組成如圖2所示，傳動誤差指的是減速機(jī)輸出軸的實(shí)際角位移相對于理論角位移的差值，而輸出軸的理論角位移等于輸入軸實(shí)際角位移除以理論傳動比。

當(dāng)減速機(jī)在電動機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動時(shí)，通過彈性聯(lián)軸器帶動光柵旋轉(zhuǎn)，由光柵里面的旋轉(zhuǎn)光柵（主光柵）與固定光柵（指示光柵）之間產(chǎn)生明暗變化的條紋，經(jīng)過光電池將條紋的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變成電訊號，再由FAGOR數(shù)顯反饋板采集處理數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)即可計(jì)數(shù)測量。

圖2 測試系統(tǒng)原理圖

2.2 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的制定

由總體方案，可以初步確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量對實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本均有重要作用。根據(jù)整個(gè)檢測系統(tǒng)的大體情況。本方案的實(shí)現(xiàn)要有一定的硬件來保證，這就要有—組好的檢測裝置，在它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮多方面的因素，比如：各個(gè)零件和數(shù)據(jù)采集儀器安裝是否方便，是否能夠一臺設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種用途等等。

1）支架，這是整個(gè)檢測裝置的根本基礎(chǔ)，對它的要求就是剛性、穩(wěn)定性好，而且能夠?qū)崿F(xiàn)—個(gè)支架可以多種用途，就是能安裝多個(gè)減速機(jī)，并且要保證它的安裝可靠。

2）數(shù)據(jù)采集儀器(圓光柵編碼器)精度很高，而且要避免碰撞，盡可能的減少裝卸次數(shù)。并且要使兩個(gè)光柵分別安裝在減速機(jī)的輸入輸出端，減速機(jī)的輸入、輸出軸都是剛性的，他們通過彈性聯(lián)軸器與光柵連接。我們針對這些特點(diǎn)把光柵分別安裝在支架的兩端。

3）光柵的固定，首先它的作用是把光柵固定的可靠，而且還要使光柵軸與減速機(jī)的軸連接方便，這里的方便主要指的是在安裝聯(lián)軸器的時(shí)候不會受到干涉，還要在檢測不同的減速機(jī)時(shí)，不再拆卸光柵；另外一點(diǎn)就是如何保證光柵軸與減速機(jī)軸的同軸，并且在檢測不同的減速機(jī)時(shí)，對同軸度的調(diào)試盡可能的方便，這樣既提高工作效率又能得到很好的檢測結(jié)果。

4）減速機(jī)的固定，檢測的減速機(jī)有很多的型號，不同的型號它的外型尺寸不一樣，為了以后的方便，就要求只是更換減速機(jī)而無須更換別的零件，目的是既能充分利用現(xiàn)有的設(shè)備又不會帶來不必要的裝配誤差。

5）減速機(jī)動力的軸入、輸出，首先是要保證動力和信息的正確，這樣才不會把沒有必要的誤差引入。其次是合理的工藝特性，不能只是為了結(jié)構(gòu)的簡潔和美觀，而以損失它的剛性和穩(wěn)定性。

從檢測目的的要求出發(fā)，制定了兩種方案：第—種采用的是從下而上的安裝；第二種采用的是從上而下的安裝。

這兩種方案的根本區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)。

（1）整個(gè)裝置的布局：第—種方案，就是說減速機(jī)和光柵都是安裝在同一個(gè)工作臺上，然后調(diào)試它們的高度來保證同軸度，同時(shí)調(diào)整光柵和減速機(jī)的距離來適應(yīng)輸入、輸出軸的長短，這樣做的好處是更換減速機(jī)的時(shí)候比較方便，同時(shí)帶來的麻煩就是每更換一次減速機(jī)就要重新調(diào)整同軸度。每—次調(diào)整都會得到不同的結(jié)果，這既不符合目前的發(fā)展趨勢，又降低了檢測結(jié)果的信服程度，這都是我們不想見到的結(jié)果。另外對于不同的減速機(jī)還是要更換輸入、輸出軸。第二種方案，把光柵和減邊機(jī)固定在同一個(gè)支架上面，在加工零件的時(shí)候就要保證光柵支架和減速機(jī)支架的同軸度，這樣在更換了減速機(jī)以后就不必在調(diào)試它們的同軸度了，對檢測來說就更方便快捷了。同時(shí)帶來問題是，不同的減速機(jī)它的外型尺寸不一樣，輸入、輸出軸的長度也就不一樣了。為了解決這個(gè)問題，光柵和減速機(jī)的距離是按照目前最大型號尺寸來加工制作的，這樣對于不同的減速機(jī)只是更換輸入、輸出軸就可以了，省略了同軸度的調(diào)試，從而避免了第—種方案的問題。

（2）工作環(huán)境：第一種方案中的零部件是分散的。不便于搬動，因?yàn)榱硗鈸Q—個(gè)地方就要重新調(diào)整一次，它的工作環(huán)境局限性很大。而第二種結(jié)構(gòu)是連為一體的，就很好的避免了這種問題。

鑒于以上的要求制定了一個(gè)相對比較合理的檢測裝置方案，選擇了第二種方案。每一個(gè)工件的功能、結(jié)構(gòu)分析在后面會逐—的分析介紹。

零件的功能就是如何保證安裝方便及多個(gè)型號的減速機(jī)通用一套測試裝置，另外，在精度方面要如何保證。機(jī)械結(jié)構(gòu)總體示意圖如圖3所示。由圖可以看出，該結(jié)構(gòu)很簡捷。它由一個(gè)剛性較好的彎板做支架，減速機(jī)通過法蘭盤固定在支架上，目前這個(gè)法蘭盤和支架可以安裝三種型號的減速機(jī)，分別是FT-35、RV6A-II、RV250A-II；它的實(shí)用性還是很強(qiáng)的。減速機(jī)的輸入、輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與光柵連接。光柵的安裝位置也是很重要的，因?yàn)閳A光柵的精度很高，所以盡量避免振動、碰撞以及盡可能的減少裝卸次數(shù)。由此設(shè)計(jì)了一個(gè)懸梁和兩個(gè)光柵支架的組合結(jié)構(gòu)，固定在彎板的上面，光柵安裝在光柵支架上，同時(shí)保證光柵軸與減速機(jī)的輸入、輸出軸同軸。

圖3 機(jī)械總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 各部件設(shè)計(jì)

（1）支架設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)簡單又能滿足要求的前提下，采用了“L”形彎板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括底座和豎板。為了剛性和穩(wěn)定性要求，選用了厚度為40 mm的45＃鋼，并且在加工前可以將毛坯在戶外放置一段時(shí)間消除材料的殘余應(yīng)力，底座和彎板采用焊接，并且在底座和彎板的一側(cè)加加強(qiáng)筋，這樣就可以達(dá)到整體穩(wěn)定的要求。

支架底座要安裝在工作臺上，豎板上要安裝法蘭盤，因此在加工時(shí)要保證支架底座于安裝法蘭盤的側(cè)面的表面粗糙度和兩個(gè)面的垂直度。這樣在將來安裝減速機(jī)后才有可能保證減速機(jī)和圓光柵同軸。

豎板上要安裝法蘭盤，因?yàn)闇p速機(jī)在裝在法蘭盤上固定，因此豎板上除了要有安裝電機(jī)的孔，還要有要有固定法蘭盤的銷釘孔?？紤]到安裝盡可能多型號的減速機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)把大孔的尺寸設(shè)計(jì)為RV250A—II減速機(jī)的尺寸?284 mm，這樣該孔既可以安裝法蘭盤，也可以在安裝該型號的減速機(jī)時(shí)就可以直接裝在豎板上，用螺栓固定。在大孔周圍有8個(gè)按照RV250A—II減速機(jī)設(shè)計(jì)的?10 mm的光孔，該尺寸和分布圓半徑是按減速機(jī)定的?？紤]到加工時(shí)保證同軸，在豎板上設(shè)計(jì)了兩個(gè)?100 mm的定位孔。

圖4 支架

豎板的頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)槽，上面有兩個(gè)圓柱銷孔和四個(gè)螺釘孔，該槽是為固定后面的懸梁準(zhǔn)備的。

該支架在焊接后可用立式數(shù)控銑床加工，加工時(shí)可以用壓板固定，并且用墊鐵支撐。支架豎板的平面及中間?284 mm的大孔是一次裝夾加工出來的，因而也保證了孔的軸線與底面的垂直度。

（2）法蘭盤設(shè)計(jì)

本測試裝置的一大特點(diǎn)是一個(gè)測試框架可以測試多個(gè)型號的減速機(jī)系統(tǒng)誤差，這就是通過法蘭盤來實(shí)現(xiàn)的如圖5所示。為滿足這個(gè)功能在設(shè)計(jì)中采用臺階端面結(jié)構(gòu)，根據(jù)減速機(jī)在確定臺階的直徑，這樣根據(jù)減速機(jī)的型號可以設(shè)計(jì)不同的外圓，理論上可以設(shè)計(jì)多個(gè)，但實(shí)際中不可能由一個(gè)法蘭盤實(shí)現(xiàn)所有的減速機(jī)的測試，那樣裝置既笨重又不經(jīng)濟(jì)。因此設(shè)計(jì)的這個(gè)法蘭盤可以測試兩種型號的減速機(jī)，分別是RV6A-II和FT-35。

圖5 法蘭盤

因?yàn)闇p速機(jī)的輸入軸要安裝軸承，輸入軸通過帶輪由電動機(jī)帶動，因此在法蘭盤上設(shè)計(jì)了一個(gè)凸臺用來安裝軸承，法蘭盤上的軸承孔與臺階端面要同軸，這樣就能保證軸承孔與光柵支架上的孔同軸，從而保證光柵和減速機(jī)同軸，但加工時(shí)軸承孔和法蘭盤的臺階端面不能一次加工完成，要留下余量，最后在架子整體安裝在一起后，在加工完成。同軸度問題是關(guān)系到整個(gè)裝置是否合格的重要指標(biāo)，再有裝配圖中采用的彈性高精度聯(lián)軸器也是為了調(diào)整到減速機(jī)軸和光柵軸的同軸。

在安裝支撐軸承的地方，設(shè)計(jì)了兩個(gè)孔用彈性擋圈來定位，而沒有按照慣例在一端用凸臺定位，目的是為了輸入軸的裝卸方便。

（3）輸入、輸出軸設(shè)計(jì)

輸入軸就是減速機(jī)的動力傳遞者。該測試裝置可以測試多個(gè)減速機(jī)，而且光柵又不方便裝卸，這樣兩個(gè)光柵的距離基本上是不變的，光柵之間的距離是為最大型號的減速機(jī)準(zhǔn)備的。在測試不同的減速機(jī)的時(shí)候，主要是改變輸入、輸出軸的長短，目前設(shè)計(jì)的是測試減速機(jī)小的一種型號，這樣輸入、輸出軸的長度會很長，同時(shí)又要保證軸端是?10 mm。所以在兩個(gè)軸的設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮軸的剛性又不妨礙裝配如圖6所示。

圖6 輸入、輸出軸

減速機(jī)本身有一個(gè)輸入齒輪軸，尺寸較短，如果我們要把動力傳遞到減速機(jī)，方法有兩種：其—是另外裝一個(gè)軸，它通過鍵或者是圓柱銷和減速機(jī)連接，再通過帶輪把動力傳遞到減速機(jī)里面；其二是不用減速機(jī)原來的齒輪軸，另外做一個(gè)整體的軸，就是把第—種方法中的兩個(gè)軸做成整體的，這樣就可以避免了各個(gè)零件的加工誤差和裝配誤差，因此選擇了后者。

而對于輸出軸也存在同樣的問題，解決的辦法是一樣的。針對我們研究的減速機(jī)的結(jié)構(gòu)，它的輸出軸是一個(gè)盤狀的，因此輸出軸首先要有一個(gè)相應(yīng)的盤狀零件，上面有定位止口同時(shí)要與軸連接為一體。

輸入軸和輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與光柵軸連接在—起，而彈性聯(lián)軸器的軸孔是?10 mm，因此輸入、輸出軸與聯(lián)軸器連接的—端必須是?10 mm，這樣就要采用了階梯軸，從而來實(shí)現(xiàn)減速機(jī)與聯(lián)軸器和光柵的連接。

另外一個(gè)問題就是精度，要保證兩個(gè)軸與光柵軸的同軸度。在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮軸與軸承、減速機(jī)的配合和圓柱度，配合方面都是選用的優(yōu)先過渡配合，公差等級選的相對比較高，—般是IT6級。

（4）懸梁和光柵架設(shè)計(jì)

懸梁是用來保證光柵支架和支架的平行度和垂直度的，因此采用了剛性好的槽鋼，在光柵架和懸梁上設(shè)計(jì)了三組螺釘孔和圓柱銷孔，中間的用來固定懸梁和支架豎板，兩端的用來固定懸梁和光柵架，并且在銜接懸梁和光柵支架處加了四方墊塊，這樣可以保證兩個(gè)支架和懸梁底面垂直，最終保證光柵軸與減速機(jī)輸入、輸出軸同軸。整個(gè)的組合結(jié)構(gòu)安裝在彎板支架的頂部，即彎板的頂部設(shè)計(jì)的槽，在這里槽的底面和懸梁與槽接觸的部分精度要求很高，必須保證安裝上后光柵軸和減速機(jī)同心。

圖7 光柵架

光柵支架上設(shè)計(jì)了兩個(gè)孔用來安裝光柵，并且在安裝光柵的位置設(shè)計(jì)了一個(gè)深l mm、?110 mm的止口，這樣做的目的有兩個(gè)：其一，光柵的端面有調(diào)動公差，如果把光柵支架整個(gè)面都加工即不經(jīng)濟(jì)又不現(xiàn)實(shí)，所以只是加工一個(gè)小的區(qū)域，能保證光柵的安裝就可以了；其二，通過止口定位光柵，在裝配和保證精度方面起到了很好的作用。

在加工時(shí)光柵孔和前面的法蘭盤安裝軸承的孔要在留有余量的前提下，安裝好后一起加工，這樣才能保證很好的加工精度。

測試裝置的所有進(jìn)行機(jī)加工的零件就這么多，雖然零件不多而且也不是特別的復(fù)雜，但是要讓它們在本裝置中發(fā)揮更好的作用，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮很多的因素，只要有一點(diǎn)考慮不周全，就會對以后的裝配帶來很多的麻煩。

（5）檢測裝置裝配

裝配就是把所有的零件組裝在—起，讓它發(fā)揮設(shè)計(jì)前工作人員理想中的作用，達(dá)到一定的效果。本測試裝置的裝配很簡單，但是困難的是如何保證裝配后的精度以及裝配的調(diào)試過程。因此，我們配備了很多測量調(diào)試儀器，關(guān)于它們的可靠度還是完全可以信任的．裝配后的效果滿意。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用的光柵編碼器為FAGOR公司的產(chǎn)品S-90000-1024-D-90-CC型光柵編碼器，9000線每轉(zhuǎn)，精度為i 2″每脈沖，有一個(gè)定位止口，以保證機(jī)架盡可能少的引進(jìn)系統(tǒng)誤差，光柵與輸入、輸出軸間均用彈性聯(lián)軸器連接，防止光柵受到?jīng)_擊，這兩個(gè)精密的聯(lián)軸器也是由FAGOR公司生產(chǎn)的。它們的軸向允許移動量為i 0.1 mm，允許徑向移動量為i 0.2 mm，允許的角度誤差為i 0.5h，最大扭轉(zhuǎn)剛度為1 000 N·m/rad，允許的扭矩為0.1 N·m：它的極限轉(zhuǎn)速也和圓光柵一樣只能為6 000 r/min。如此以來，就可以在一定精度要求的情況下，盡量提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性了。從兩光柵編碼器輸出的脈沖信號由數(shù)顯反饋板計(jì)數(shù)，也是FAGOR的配套產(chǎn)品，可對這類編碼器或其它傳感器相連．?dāng)?shù)顯反饋板可直接插在PC機(jī)的ISA總線插槽里，軟件系統(tǒng)則只需按設(shè)定的地址向ISA讀取即可。

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