专利名称：齿轮副传动精度测量装置和方法
技术领域：
本发明的齿轮副传动精度测量装置和方法，属于齿轮副传动精度测量技术领域。
背景技术：
目前使用的齿轮副传动精度测量往往采用人工判读的方法，如将两个码盘分 别安装在被测齿轮副的输入轴和输出轴上，校零后，再旋转输入轴，观察输出轴 在设定的几个角度上的偏差和回差的大小是否落在规定的范围内，判断产品是否 合格。为了提高分辨率，便于观察，还采用摄像头来放大码盘的刻度。这种测量 方式利用人工进行判读，精度较低，操作比较复杂，检测一次时间比较长。如"传 动装置回差的测量与数据处理"(高建军，冷岩，机电技术，2007. 3 ) —文中 所介绍，该方法需要多次测量，亦存在测量繁瑣的问题，精度也不能满足需要。也有单位研究出光学的装置来测量齿轮副的传动误差。这种装置的价格高， 测量的范围小。发明内容针对目前齿轮副传动精度测量中测量非自动化，效率低，测量精度不高，测 量装置成本高等问题。本发明目的在于提供一种可靠性好、测量速度快、测量 精度高、测量范围宽、并且实现了自动测量的齿轮副传动精度测量装置。一种齿轮副传动精度测量装置，其特征在于-.包括转角输入部分、转角输出测量部分、计算机数据釆集分析处理部分； 其中转角输入部分包括同步皮带轮、连接同步皮带轮主动轮的伺服电机、 通过输入传感器联轴器连接于同步皮带轮从动轮一端的输入角度传感器，同步皮带轮从动轮的另一端通过输入端传感器同步轮轴与需测量的齿轮副的主动轮相连；其中转角输出测量部分依次包括与需测量的齿轮副的从动轮相连的输出端 传感器同步轮轴、输出传感器联轴器、输出端角度传感器；上述齿轮副传动精度测量装置测量齿轮副传动精度的方法，其特征在于(a) 、计算机根据齿轮副的速比控制伺服电机转动的角度和速度，同步采集 输入角度传感器与输出角度传感器两个传感器数据；(b) 、计算机完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作， 并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差和偏差趋势。第(a)步骤中所述两个传感器数据同步采集是可以按如下方式实现的感器的输出采用串行口发送，为保证串行口得到的两个传感器的数据同步，为每一 个串行口设计数据采集处理线程，每一个线程中采用一个同步计数器记录获得的传感器数据并暂存在缓存区中；系统在处理数据时检查两个同步计数器的计数 值，如果发现两个同步计数器的计数值不相同，则以最小的计数值读取数据，对 多余的数据，剔出偏差过小或者过大的，直至两个数据区缓存区保留相同数据量 的数据后将它们移入最终结果数据区。该装置有如下特点1、 装夹方便。只要放在平整的工作台上，调整支架螺钉就可以将装置的轴 调整到不同高度，调整角度也很方便；2、 测量精度好，分辨率高。角度检测精度可达到30〃以内，360°内累积 误差〈2';3、 测量速度快。配上计算机数据采集系统，可以在5分钟内完成正反行程 的多角度点齿轮间隙、回差等参数的测量；4、 测量结果丰富，直观。采用直角坐标显示传感器的输入/输出角度，齿轮 副的传动误差。也可以釆用极坐标显示齿轮副的传动误差；5、 可以实现模数0. 5-4之间的各种齿轮副传动精度测量；6、 成本低。平台支架材料加工费不到6000元，传感器的造价取决于所要求 的精度， 一般每套不到l万元，电机控制系统造价2000元左右；整套精密测量 装置成本不到3万元人民币。
图l转角输入平台；图2转角输出测量平台；图中标号名称1.输入角度传感器,2.伺服电机，3.同步皮带轮,4.输入平台 底板，5.输入平台前支架板，6.动力支架板，7.输入传感器支架板,8.输入传感器 同步轮轴，9.轴承-1， 10.输入平台支架螺钉和紧固螺栓，ll.输入传感器联轴 器，12.输入平台三角支撑，13.输入平台水平仪，14.电机屏蔽罩，15.输出角度传 感器，16.输出平台底板，17.输出平台前支架板，18.输出传感器支架板，19.输出 传感器轴，20.轴承-2，21.输出平台支架蟝钉和紧固螺栓，22.输出传感器联轴 器,23.输出平台三角支撑，24.输出平台水平仪。
具体实施方式
齿轮副传动精度测量装置由转角输入平台和转角输出测量平台合计算机测 试系统三部分组成，其中转角输入平台是由输入角度传感器l 、伺服电机2、同 步皮带轮3及输入平台前支架板5、动力支架板6和输入平台三角支撑12等组 成。转角输出测量平台是由输出角度传感器15及输出平台前支架板17、输出传 感器支架板18和输出平台三角支撑23和屏蔽罩等组成。齿轮副传动精度测量装置采用了高分辨率角度传感器，该传感器采用旋转变 压器的工作原理，可以达到相当于19位的绝对编码器测量精度，其性价比远高 于编码器测量方式，并且传感器本身没有迟滞误差。在转角输入平台，"输入角度传感器l"通过"输入传感器支架板7"固定在 "输入平台底板4"上，"输入传感器同步轮轴8"将由伺服电机2产生的转角变 化输出到齿轮副输入轴上，该轴的另一端，经过"输入传感器联轴器ll"和"输 出传感器轴19"相连。"输入传感器同步轮轴8"通过两端的轴承固定在"输入 平台前支架板5"和"动力支架板6"上。这样的结构可以保证在装夹待测量的 齿轮副产品时不会对传感器精密的输出轴带来冲击和扭曲，起到保护传感器的作 用，同时又不会对测量精度带来影响。为了实现自动测量、确保输出转角的均勾 性，"转角输入平台"上安装了一台400W的2.伺服电机，通过价格低廉的同步 皮带轮3，将伺服电机2的输出转角传送到"输入传感器同步轮轴8"上，由该 轴将角位移输出。为了防止皮带轮的切向力对"输入传感器同步轮轴8"带来影 响，破坏该轴和传感器的同轴性，要求支撑的两个轴承要采用C级的。为了方便在装夹产品时调整输出转角的"输入传感器同步轮轴8"的高度， 采用了三颗支架螺钉，通过调节这三颗支架螺钉可以方便地调整平台的高度和角 度，为了方便调整水平，平台上安装了 "输入平台水平仪13"。调节完成后可用 紧固螺栓将三颗支架螺钉固定牢。由于伺服电机2有电磁干扰会对传感器的输出带来影响，装置设计了电机屏 蔽罩14和"输入传感器屏蔽罩"。屏蔽罩的接缝处要焊接不能有缝隙，这样可以 很好的消除伺服电机2工作时对传感器的电磁干扰。在转角输出测量平台，传感器通过"输出传感器支架板18"固定在"输出平 台底板15"上，并用"输出平台三角支撑23"固联；被测齿轮副产品的"输出 传感器轴19"通过"输出传感器联轴器22"和"输出传感器轴19"相连，该轴 的另一端通过"输出传感器联轴器22"和传感器输出轴相连。被测齿轮副产品 的角位移变化通过这个连接送到传感器中被检测出来。该结构的设计可以保证在 装夹待测量的齿轮副产品时不会对传感器精密的输出轴带来冲击和扭曲，起到保 护传感器的作用，同时也不会对测量精度带来影响。为了方便在装夹产品时调整输出转角的"输出传感器轴19"的高度，采用了 三颗支架螺钉，通过调节这三颗支架螺钉可以方便地调整平台的高度和角度，为 了方便调整水平，平台上安装了 "输出平台水平仪仪24"。调节完成后可用紧固 螺栓将三颗支架螺钉固定牢。为了消除电磁干扰对传感器的输出带来影响，装置设计了 "输出传感器屏蔽 罩"。要求屏蔽罩的接缝处要焊接不能有缝隙，这样可以很好的消除伺服电机工 作时对传感器的电磁干扰。本装置所釆用的传感器为角位移传感器(图1: 1,图2: 1),测量的角度范 围应该在0-360° 。本装置所釆用的2.伺服电机功率为400W,扭矩3.8NM。要求电机在lr/min —2r/min时仍然能输出均匀的转送；电机的角度控制精确； 输入和输出两套平台(图1所示)底板材料为45#钢；输入平台前支架板5、输出平台前支架板17、动力支架板6、输入传感器支 架板7、输出传感器支架板18、输入平台三角支撑12、输出平台三角支撑23均 采用铝合金；同步皮带轮3模数为5左右，减速方式，也可以采用齿轮传递角位移；输入平台支架螺钉和紧固螺栓10、输出平台支架螺钉和紧固螺栓21采用45# 钢，采用M10细牙罗紋；输入传感器同步轮轴8、输出传感器轴19采用不锈钢17-化H，淬火处理加 强硬度。这两个轴的同轴度要高，滚动一圈，径向跳动<0. 02mm。各支架板可以通过螺钉固定在底板上，再通过三角支撑保持各支架板和底板 呈直角。齿轮副传动精度自动测量的完成由上位计算机实现。上位计算机对测量 过程进行控制。首先根据齿轮副的速比控制伺服电机转动的角度和速度，同步釆 集输入/输出两个传感器数据，并完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作，并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差 和偏差趋势。对传感器数据进行同步釆样，并进行处理和显示。为了防止传输中的干扰，传感器的输出通过变送器，将模拟信号转换成数字 信号，再经过串行口发送到上位计算机上。为了得到较快的测量速度，应将传感 器的波特率设置到38400或更高。保证测量精度的关键技术之一是两个传感器的 数据必须同步采集。由于串行口发送的传感器测量数据不是定长的，因此计算机 即使读到了两个传感器发送过来的相同字节的数据，拼出来的数据个数也不一定 相同。.如果不实时处理，就不能保证输入和输出传感器的数据一一对应。从而带 来很大的误差。为保证串行口得到的两个传感器的数据同步，设计了两个线程， 每一个线程都有一个数据缓存区，并有一个同步计数器记录读取到的传感器的数 据个数。线程每读到8个字节的数据处理一次，将结果转换成二进制数。系统在 线程数据达到1—3个后处理数据，其过程是检查两个同步计数器的计数值，如 发现计数值相同，则直接将数据移入传感器数据区。如果发现两个同步计数器的 计数值不相同，则以最小的计数值读取数据，对于多出来的数据，有两个处理措 施l.设定阈值，如果单一数据跳变超过阈值则舍弃该数据；2.如果没有突变则 舍弃相邻两个数据差最小的数据。在两个线程的数据相同后再移入传感器数据 区。要求每次对线程数据处理的时间间隔小于10ms,这时线程中待处理的数据 个数在3个以内，传感器的数据同步性比较好，没有积累误差，计算机也能及时 响应和处理。两组传感器的数据釆集后还要采用消尖峰程序，对由于干扰造成的突跳点， 根据前后点的变化趋势，予以消除。由于测量数据的分辨率较高，数据的微小波 动会形成毛刺，为了保证精度，采用多次加权滤波平滑程序，使处理后的曲线轮 廓线能够很好的反映齿轮副传动误差的变化趋势，在保证测量精度的同时，消除 测量的毛刺和误差数据。釆用直角坐标显示传感器的输入/输出角度，齿轮副的传动误差。也可以采用极坐标显示齿轮副的传动误差。利用光标的拖动方式显示齿轮副每一个测量点的传动误差。整个测量范围的 最大误差，最大误差的所在的角度。上位计算机程序自动控制伺服电机的转速、旋转的角度范围，这些参数是由 传感器的数据发送速率、测量点的分辨率和齿轮副的速比由计算机程序自动确定 的。
权利要求
1、一种齿轮副传动精度测量装置，其特征在于包括转角输入部分、转角输出测量部分、计算机数据采集分析处理部分；其中转角输入部分包括同步皮带轮(3)、连接同步皮带轮主动轮的伺服电机(2)、通过输入传感器联轴器(11)连接于同步皮带轮从动轮一端的输入角度传感器(1)，同步皮带轮从动轮的另一端通过输入端传感器同步轮轴(8)与需测量的齿轮副的主动轮相连；其中转角输出测量部分依次包括与需测量的齿轮副的从动轮相连的输出端传感器同步轮轴(19)、输出传感器联轴器(22)、输出端角度传感器(15)；
2、 根据权利要求1所述的齿轮副传动精度测量装置，其特征在于转角输 入部分安装于转角输入平台，转角输出测量部安装于转角输出测量平台，转角输 入平台和转角输出测量平台均安装有水平装置。
3、 根据权利要求1所述的齿轮副传动精度测量装置，其特征在于所述的 伺服电机(2)、输入角度传感器(l)、输出角度传感器(15)均设置有电磁屏蔽 罩。
4、 利用权利要求1所述齿轮副传动精度测量装置测量齿轮副传动精度的方 法，其特征在于(a) 、计算机根据齿轮副的速比控制伺服电机(2)转动的角度和速度，同 步采集输入角度传感器(1)与输出角度传感器(15)两个传感器数据；(b) 、计算机完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作， 并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差和偏差趋势。
5、 根据权利要求4所述的齿轮副传动精度测量方法，其特征在于第(a)步骤中所述两个传感器数据同步采集是按如下方式实现的感器的输出采用串行口发送，为保证串行口得到的两个传感器的数据同步，为每一个串 行口设计数据采集处理线程，每一个线程中采用一个同步计数器记录获得的传感器数据并暂存在缓存区中；系统在处理数据时检查两个同步计数器的计数值，如果发现两个同步计数器的计数值不相同，则以最小的计数值读取数据，对多余的 数据，剔出偏差过小或者过大的，直至两个数据区缓存区保留相同数据量的数据 后将它们移入最终结果数据区。
全文摘要
本发明涉及一种齿轮副传动精度测量装置和方法，属于齿轮副传动精度测量技术领域。该装置主要包括转角输入部分、转角输出测量部分、计算机数据采集分析处理部分。其中转角输入部分和转角输出测量部分分别包括一角度传感器。该方法包括以下步骤(a)计算机根据齿轮副的速比控制伺服电机(2)转动的角度和速度，同步采集输入角度传感器(1)与输出角度传感器(15)两个传感器数据；(b)计算机完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作，并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差和偏差趋势。本装置和方法可靠性好、测量速度快、测量精度高、测量范围宽。
文档编号G01M13/02GK101271038SQ20081009888
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者敏 姚, 敏 赵, 伟 顾 申请人:南京航空航天大学