EVTM型齒距測量儀智能化改造案例

1、EVTM型齒距測量儀智能化改造案例劉聰智 劉聰智(1973-)，男，湖南邵陽人，博士生，主要研究方向：計量測試技術(shù)、視覺檢測技術(shù) 趙輝 趙輝(1965-)，男，上海交通大學(xué)教授，博士，籍貫遼寧，研究方向：現(xiàn)代傳感器、視覺檢測技術(shù)、計量測試技術(shù)。上海交通大學(xué)信息檢測技術(shù)及儀器系，上海 200030摘要：為解決傳統(tǒng)齒輪齒距測量方法存在的同步困難、穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，提出一種基于凌華公司的RACK610工控機(jī)和PCI91111HG多功能數(shù)據(jù)采集卡的齒距測量方法，采用自適應(yīng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測量時間間隔與齒輪轉(zhuǎn)動速度的智能化同步。該方法成功地應(yīng)用于EVTM齒輪齒距測量儀升級改造，大大提高了測量精度和

2、抗干擾能力。關(guān)鍵詞：齒輪 齒距 測量 同步1 引言影響齒輪傳動精度和平穩(wěn)性的主要因素是齒距均勻性，齒輪齒距誤差是衡量齒輪準(zhǔn)確度的主要參數(shù)之一。因此，在齒輪生產(chǎn)過程中，必須對此參數(shù)進(jìn)行精密測量1。國內(nèi)使用的半自動齒距檢查儀大多數(shù)是我國六、七十年代從原西德進(jìn)口的EVTM型齒輪檢查儀，該檢查儀可以用來檢測齒輪齒距、齒輪徑向跳動等參數(shù)?，F(xiàn)在大部分都不能使用，處于停機(jī)狀態(tài)，不能發(fā)揮作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，此類儀器早已不適應(yīng)現(xiàn)階段齒距的測量要求，主要存在操作復(fù)雜、系統(tǒng)可靠差、測量誤差大和測量參數(shù)少等問題，因此我們對該儀器進(jìn)行了智能化改造，除保留原機(jī)械系統(tǒng)和傳感器外，重新設(shè)計了控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。2 測量

3、原理該儀器應(yīng)用相對測量法原理進(jìn)行齒距偏差和齒距累積誤差測量，以齒輪上任一個齒距或相鄰齒距之和（實(shí)質(zhì)上是齒距所對應(yīng)的弦長）作為相對基準(zhǔn)，依次測出其他齒距相對于作為基準(zhǔn)的齒距之間的差值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理求出第i齒齒距偏差fpti,進(jìn)而計算出齒距偏差fpt、齒距積累誤差Fp。其測量的實(shí)質(zhì)是比較弦長的不均勻性，這種方法又被稱為線性測量法。 測量臺上裝有左右兩個傳感器，其中一個作為定位用，另一個作測量用，根據(jù)被測齒輪所需測量齒面的不同，兩個傳感器的作用可以互換。測量前首先選定一個基準(zhǔn)齒距值，該值即為兩傳感器都指零時兩測量頭間的距離。在連續(xù)測量時，主軸帶動被測齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電感式左右傳感器在驅(qū)動電路的控制下，

4、在測量臺上做周期性的往返運(yùn)動。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，儀器的測量臺的運(yùn)動必須與被測齒輪的旋轉(zhuǎn)同步，即每當(dāng)齒間對準(zhǔn)測量頭時，測量臺帶動傳感器前進(jìn)，使測量頭停留在齒間的分度圓附近等待測量，當(dāng)定位傳感器指零時，發(fā)出采樣信號，采樣結(jié)束后測量頭自動退出齒間，在測頭端停頓t時間后測頭再次進(jìn)入齒間。時間t按被測齒輪旋轉(zhuǎn)速度和齒輪參數(shù)調(diào)定，使在該時間內(nèi)，被測齒輪的下一齒間恰好對準(zhǔn)測量頭。3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮了原操作習(xí)慣，最大限度地運(yùn)用“硬件軟化、軟件硬化”的思想，同時也采用了高集成度傳感器信號處理芯片、固態(tài)繼電器、光電隔離等器件，從而大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。圖1為系統(tǒng)框圖，圖2為現(xiàn)場圖

5、。左傳感器右傳感器傳感器信號處理電路數(shù)據(jù)采集卡PCI9111A/DD/ ADIDO光電隔離位置開關(guān)面板按鈕測頭保護(hù)開關(guān)測頭保護(hù)電路主軸轉(zhuǎn)速傳感器固態(tài)繼電器測頭退位電磁鐵打印機(jī)顯示器面板模擬表顯示主軸電機(jī)測頭驅(qū)動電機(jī)直流穩(wěn)壓電源光電隔離RACK610圖1 系統(tǒng)框圖圖2 EVTM型齒距測量儀智能化改造4 信號處理單元原儀器測量頭傳感器為差動電感傳感器，經(jīng)驗(yàn)證其線性和精度能夠滿足測量要求。為提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，在傳感器信號處理部分我們采用了高集成度AD598芯片。圖3 為AD598功能框圖，AD598是一種完整的單片式線位移差動變壓器(LVDT)信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598與LVDT配合，能夠?qū)?/p>

6、LVDT的機(jī)械位置轉(zhuǎn)換成具有高精度和高可重復(fù)性的單極性或雙極性直流電壓。AD598將所有的電路功能都集中在一塊芯片上，只要增加幾個外接無源元件，就能確定激磁頻率和輸出電壓的幅值。在芯片內(nèi)部，AD598將LVDT處理的次級輸出信號按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號。只要將AD598的信號輸出直接于多功能數(shù)據(jù)采集卡A/D輸入端相連，經(jīng)過一定的比例因子換算就可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械位移。圖3 AD598功能框圖5 輸入輸出接口 計算機(jī)接口電路采用了ADLINK的PCI9111HG多功能數(shù)據(jù)采集卡，其包含了16位A/D、D/A、16位DI和16位DO，本系統(tǒng)的設(shè)計充分發(fā)揮該采集卡的大部分功能。DI和DO與采集卡之間都使用了

7、光電隔離器件，電機(jī)驅(qū)動全部采用固態(tài)繼電器，避免了傳統(tǒng)機(jī)械繼電器的觸點(diǎn)可靠性差的缺點(diǎn)，且反應(yīng)速度快，易于控制。固態(tài)繼電器的控制電壓為3V，光電隔離器件完全可以直接驅(qū)動。整個測量系統(tǒng)只有傳感器信號處理電路輸出信號與計算機(jī)直接相連，因此大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。6 主軸和測量頭的同步同步時間t的確定是原儀器最難控制的，靠人眼觀測，誤差很大，熟練操作人員也需要多次調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)被測齒輪旋轉(zhuǎn)和測量頭進(jìn)給的同步。由于直接測量主軸轉(zhuǎn)動速度比較麻煩，測量主軸的周期就相對比較簡單，所以本系統(tǒng)的速度傳感器采用一個非接觸型的霍爾接近開關(guān)。暫停時間t是由計算機(jī)自動確定，在主軸旁邊安裝一個非接觸的接近開關(guān)支架，利用

8、主軸法蘭盤的T型槽固定一小塊突出金屬，原來設(shè)備不需要作任何改動就能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)同步。在開始測量前，讓被測齒輪空轉(zhuǎn)一圈，計算機(jī)測量出轉(zhuǎn)一圈的時間，然后除以齒數(shù)就可以得到每齒測量時間，然后減去測量頭運(yùn)動時間就可得到暫停時間。測量過程中，計算機(jī)自動測量測頭在每個齒隙的停留時間，并與標(biāo)準(zhǔn)停留時間進(jìn)行比較，差值用來控制下一個齒的暫停時間t。本測量系統(tǒng)的軟件是用采樣VB語言編制的，其中每齒測量時間確定子程序如下：Public Sub Pause_Time()Result = DI_ReadLine(card, P9111_CHANNEL_DI, 14, DI) '14為速度傳感器輸入通道，此語句讀入

9、速度傳感器的狀態(tài)，1表示金屬塊未與傳感器接近，0則反之；Do Until DI = 1 Result = DI_ReadLine(card, P9111_CHANNEL_DI, 14, DI)LoopDo Until DI = 0 Result = DI_ReadLine(card, P9111_CHANNEL_DI, 14, DI) LoopStartTime = timeGettime '下降沿為計時起點(diǎn)timeGettime 為Windows API 函數(shù)，返回自從Windows啟動到現(xiàn)在所經(jīng)歷的毫秒數(shù)Do Until DI = 1 Result = DI_ReadLine(ca

10、rd, P9111_CHANNEL_DI, 14, DI)LoopDo Until DI = 0 Result = DI_ReadLine(card, P9111_CHANNEL_DI, 14, DI)LoopEndTime = timeGettime '第二個下降沿為齒輪旋轉(zhuǎn)一圈的計時終點(diǎn)CircleTime = EndTime - StartTimePauseTime = SircleTime / Z 'PauseTime 為測量每個齒所需的時間，Z為齒數(shù)End Sub7 數(shù)據(jù)處理計算機(jī)在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢是勿庸置疑的，在一次安裝測量之后，可將任意參數(shù)的誤差值和誤差曲線數(shù)字顯示和打印出來。這里僅說明一下在數(shù)據(jù)采集過程中對傳感器信號的處理。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率是100KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過測量系統(tǒng)的頻率。為了消除外界干擾信號對測量結(jié)果的影響，我們對每個齒的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑平均處理，從而提高了測量系統(tǒng)的精度、抗干擾能力和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。采樣信號左右傳感器交替連續(xù)采樣14個點(diǎn)求兩個傳感器的差（7點(diǎn)）排序求中間三點(diǎn)的均值測量結(jié)果圖4 采樣數(shù)據(jù)處理框圖8 測試結(jié)果與分析我們采用以上方案對上海某機(jī)床廠的一臺EVTM型齒輪測量儀進(jìn)行了改造，各種技術(shù)指標(biāo)都大大超過了原測量系統(tǒng)，其中重復(fù)性誤差不超過0.3m，得到了廠方的