大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪课程设计设计说明.doc

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1、测控技术及仪器专业 专业综合课程设计成绩专业综合课程设计设计说明书设计题目：大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪 姓 名： （机械） （电气） （软件） 专 业：测控技术与仪器三班 年 级： 指导教师： 辅导教师： 起止时间： 重庆大学光电工程学院专业综合课程设计设计说明书撰写要求1. 整理提纲，与指导教师讨论设计说明书的撰写内容；2. 设计说明书应在设计工作的基础上独立完成，严禁抄袭，以便培养良好的学术道德；3. 设计说明书内容包括：摘要、目录（标题及页次）、设计任务书、总体设计（设计任务分析与创新点的构思、测控仪器若干设计原则的考虑、测控仪器若干设计原理的讨论、测控仪器工作原理的选择和系统设计

2、、测控系统主要结构参数与技术指标的确定、测控仪器造型设计）、精度设计、机械系统设计、光电系统设计、软件系统设计、精度分析、设计小结及参考文献；4. 设计说明书应按教师推荐的格式书写，要求文字简明、通顺，尽量使用专业术语；5. 说明书的内容应以计算内容为基础，参数的最后选择应符合相关国家标准；6. 设计说明书中的相关计算内容应列出计算公式，标注出处、单位，写出简短的分析结论；7. 为了清楚说明计算内容，应附必要的插图和简图。在简图中对主要零件应统一编号、以便在计算中和分析中引用；8. 全部设计中所使用的参量符号和标注，必须前后一致，各参量的数值应标注单位（采用国际单位）；9. 设计说明书文中和文

3、后要标注和著录参考文献，标注和著录参考文献的方法参考中华人民共和国国家标准GB 771487文后参考文献著录规则。2003年12月第一稿2004年12月修改2005年12月第二次修改2007年1月第三次修改2009年1月第四次修改摘 要齿轮检测技术在齿轮制造中占有重要地位，没有先进的检测技术和仪器，不可能制造出性能优良、高质量、高精度的齿轮。伴随着齿轮制造技术的提高和对其传动性能、精度、寿命等方面的要求越来越高，齿轮检测技术一直在不断的研究和提高。本文介绍一种基于采用测量头直线运动轨迹做基准在位测量大齿轮渐开线齿形误差方法，采用机械、光电、计算机一体化设计的一种仪器。简要叙述了测量系统的原理、

4、各部分组件结构、特点以及精度分析。设计过程包含测量仪的机械系统、电路系统以及软件系统三部分的设计。在关键的机械装置的设计中提出了坐标统一的思想，提高了测量系统的精度，通过建立定位球的直径与定位球同齿廓在切点的端面压力角之间的公式，得到定位球直径与齿轮轴心之间的位置关系和定位球精确的定位关系，大大提高了仪器的定位精度；通过步进电机驱动测量头沿齿面运动，电路系统对电感传感器所采集的齿形误差信号进行采样和处理，通过PCI总线接口芯片把信号送入计算机；软件子系统的设计是基于Visual C+，构建了测控系统人机交互平台，实现对齿形误差信号的自动采集、处理、存储、显示、打印。关键词 大型齿轮 齿形误差

5、直线基准 在位检测 计算机辅助设计目 录设计说明书1摘 要3目 录4组员分工和完成情况51 设计任务书12 总体设计22.1 总体说明22.2 基本概念22.3 齿形误差的测量方法的确定42.4 直线基准法的测量原理62.5 测控仪器设计原则的考虑112.6 测控仪器系统的设计122.7 测控系统主要结构参数与技术指标的确定162.8 造型设计172.9 总结173 精度设计与误差分配183.1 精度设计183.2 误差分配184 机械子系统的设计194.1 总体说明194.2 误差传递机构的设计194.3 定位机构的设计294.4 导轨的设计314.5 驱动丝杆的设计374.6 电机的选择4

6、54.7 联轴器的选择454.8 箱体的设计465 光电系统设计495.1 引言495.2 电路系统性能要求分析495.3 总体设计505.4 光电系统原理实现515.5 电感传感器及其信号处理电路515.6 光栅位移传感器585.7 信号处理615.8 控制及驱动电路665.9 PCI总线及接口技术746 软件系统设计866.1 前言866.2 软件系统的设计原理866.3 系统初始化886.4 实验数据的生成916.5 齿形误差的计算936.6 硬件接口946.7 软件界面及相关人机界面的设计977 精度分析1017.1 机械系统1017.2 电气系统1037.3 软件系统1047.4 系

7、统的误差综合104心得体会105附录一：系统的部分机械图107附录二：系统的部分电路图112附录三：程序源代码113组员分工和完成情况1 总体设计：全体组员2 精度设计和误差分配精度设计：全体组员误差分配：谭艾英3 机械子系统设计：机械小组完成 3.1 机械零件设计的分工： 谭艾英：误差传递机构的设计、定位机构的设计、燕尾槽及丝杆的设计 王语诗：双v型导轨及丝杆的设计、箱体的设计徐文韬：机座的设计、电机的选择、联轴器的选择 3.2 机械绘图的分工： 谭艾英:误差传递机构和定位机构的绘制. 包含测杆、杠杆、十字片簧、片簧、柱销、凸轮、支撑台、弹簧、紧固螺钉、两个定位球、锁紧螺母等零件 王语诗:导

8、轨、箱体、机座以及电感传感器固定装置的绘制. 包含双V型动导轨、尾槽、两个定导轨、紧固螺钉、平镶条等零件。 徐文韬:两个丝杆的零件、光栅传感器、电机的绘制. 包含微分筒、滑动丝杆、滚动丝杆、丝杆螺母、螺母固定装置、丝杆支架等 装配图:谭艾英、王语诗、徐文韬。 3.3 机械精度分析：谭艾英、王语诗、徐文韬。4 电气子系统设计：电气小组完成蒋 波：总体设计模块流程图，光栅位移传感器原理及选择、信号处理电路设计、细分判向、采样及正反计数电路设计、总电路原理图绘制、PCB板制作、精度分析、编写报告。周海洋：电感传感器工作原理、电感测头功能与选择、信号放大电路设计、电平平移电路设计、限幅电路设计、A/D

9、转换芯片选择和设计、总电路原理图绘制、精度分析、编写报告。李腾飞：步进电机原理及选择、控制电路与驱动电路设计、PCI总线的设计、PCI总线驱动设计、电路图原理图相应模块设计、编写报告。邹 晨：地址译码芯片选择、地址译码电路设计、PCI总线的设计、PCI总线驱动设计、总线整体设计、电路图原理图相应模块设计、编写报告。5、软件子系统设计：软件小组完成吴卫馨：设计软件结构框图、软件系统功能框图、测量系统软总体流程、系统主软件编写、各子系统模块框图、完成软件界面及相关人机界面的设计、精度分析、编写报告。丰雯瑞:系统子程序源代码编写，包括 :初始化对话框程序流程图、计算被测齿轮的测量范围、定位球直径的计

10、算、测量次数的计算、采样次数的计算、计算采样点的XY坐标、计算定位球球心位置、测量头坐标,迭代方法的程序.、精度分析、编写报告。向 征：查阅资料、被测齿轮齿形偏差信息采集、 齿形误差值的算法、 生成模拟数据的算法、精度分析、编写报告。6 完成情况 根据分工的项目，组员均顺利完成相应的设计，符合设计要求。1391 设计任务书设计题目：large-scale gearsinvolute profile error measuring machine with a straight line basis(大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪)设计要求： 设计大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪器，结构简单，

11、重量轻，体积小，测量链短； 被测齿轮参数：模数 ,齿数,精度4级及其以下； 实现误差数据的自动采集、处理、存储、显示、打印输出专业综合课程设计检测参数； 齿形误差。2 总体设计2.1 总体说明随着大齿轮在船舶、冶金、采矿、发电等设备以及在宇宙探索、空间追踪、火箭及导弹发射等方面的广泛应用，对大齿轮的精度要求越来越高。迫切需要开发一些结构简单、造价低廉、使用方便、精度稳定可靠且能在车间使用的大齿轮在位检测仪器。我们查阅及阅读资料，大齿轮齿形误差在位检测的主要原理有：直角坐标法原理、圆弧基准法原理、标准渐开线法原理、直线基准法原理。在仪器设计中必须考虑得原则有：阿贝原则、最小变形原则、测量链最短原

12、则、坐标基准统一原则、精度匹配原则、经济原则、造型原则。我们对总个系统必须实现的功能进行了分析，机械部分实现对误差的传递和测量，电路部分处理测量信号和控制信号，使计算机能识别测量的信号，通过软件部分实现控制以及一些参数的计算。然后我们集体讨论各子系统出现误差的大体情况，衡量各子系统所占的权重后，我们得出了按加权平均原则进行的误差分配。2.2 基本概念2.2.1 渐开线的形成及其性质 如图2.1所示，当一直线沿一圆周作纯滚动，则直线上任一点K的轨迹AK称为该圆的渐开线。该圆称为渐开线的基圆，其半径用表示；直线称为渐开线的发生线，角称为渐开线AK段的展角。图2.1 渐开线的形成渐开线的形状取决于基

13、圆的大小。因渐开线是从基圆开始向外展开，故基圆以内无渐开线。由于选用的坐标不同，渐开线齿形方程可写出以下几种形式。1 极坐标参数方程 由图2.1可见，当发生线转过角，K点与中心O点的距离OK称为K点的极半径，所对应的展角为，则 （2-1）为渐开线极坐标参数方程，以角为参变量。称展角为压力角的渐开线函数， 工程上常用表示,且。2 直角坐标参数方程 如图2-2，渐开线上任一点K的、坐标为: （2-2）在直线BK上另一点所展开的渐开线，其方程为： （2-3）图2.2 坐标示意图3 矢量参数方程 如图2.2中直线OK为渐开线的矢径，渐开线的矢量参数方程为： （2-4）4 法线极坐标方程 渐开线上各点曲

14、率半径的计算式为：，K为渐开线上各点的曲率，习惯上又称为渐开线上各点的长度。展开长度常用L表示，则 （2-5）2.2.2 齿形误差的定义根据部颁标准JB179-83规定，齿形误差的定义是：在端截面上，齿形工作部分内（齿顶倒棱部分除外）包容实际齿形的两条最近的设计齿形间的法向距离。齿形误差和齿形公差的示意图，如图2.3和图2.4。设计齿形可以是修正的理论渐开线，包括修缘齿形、凸齿形等。 齿顶和齿根处的齿形误差只允许偏向齿体内。图2.3 齿形误差图2.4 齿形公差2.3 齿形误差的测量方法的确定根据渐开线齿形的形成、齿形误差的定义，用于齿形误差的测量主要有以下几种方法：标准曲线法、坐标法和标准轨迹

15、法。根据以下所述齿形误差的集中测量方法，综合考虑各方面的影响因素：大型齿轮渐开线轮廓接近直线，在测量范围内原理误差不大，有利于实现测量原理；随着齿数和模数增大，其原理误差变化不大，故该测量原理适用范围广，具有现实意义；运用该方法易于实现在线测量，最终采用直线基准法作为本次设计仪器的工作原理。2.3.1 直角坐标法 直角坐标法以一基圆中心为坐标原点，测头位于被测齿形的基圆处。测量时，被测齿轮不动，测头在垂直网转轴线的平面内对齿廓作直角坐标测量，将测得值与理论值按坐标位置进行比较。将各点的差值进行分析比较或绘出齿廓偏差曲线，按齿廓总偏差定义评定齿廓总偏差。由图2.5可得出齿轮渐开线的直角坐标方程为

16、： (2-6)图2.5 直角坐标法xkRbykxy 如图2.5所示，对于理论渐开线，每设定一个，就可以计算出相对应的理论坐标值,。按测量点的理论确定测端的位置，将测得的实际值与理论值相比，则该点的齿形误差公式为： (2-7)采用这类测量原理的量仪，在测量大齿轮时，用此方法必须确定坐标机的坐标系和齿轮轴线之间的相对位置用齿轮齿槽定位，由于该定位.受其被测齿轮误差的影响，测量基准不符合齿轮检测规范的要求，很难达到较高的测量精度。2.3.2 圆弧基准法 圆弧基准法，是借助测量头的圆弧运动轨迹来代替理论渐开线进行测量，圆弧中心一般选为齿面节点的曲率中心，圆弧半径为节点处的曲率半径。图2.6 圆弧基准法

17、 （2-7）式中为被测齿轮分度圆上齿面的曲率半径。当给定一个时，圆弧的水平坐标为： （2-8）为测量数据的原理误差，被测齿廓的齿形误差测量步骤如下： 计算出理论齿形上的各点对圆弧的理论偏差值测出实际齿形上各点对圆弧的偏差将便可求得齿面上各点的齿形误差。由于计算值比较复杂，大齿轮的齿顶从加工难度和经济性考虑，其精度不高。靠齿顶圆定位来确定测量坐标系的位置，将会产生较大的定位误差。2.3.3 标准渐开线法将被测齿形与仪器产生的理论渐开线轨迹进行比较，进而求出齿形误差的方法称为标准渐开线法。用一直尺与基圆相切，当基圆盘旋转，直尺沿切线方向做无滑动的移动时，直尺与基圆盘的切点相应移动，使直尺上的点A相

18、对于基圆盘上的点形成理论渐开线轨迹。若测微仪的测端相对于切点，当被测齿形与测端接触时，就可以使实际齿形与理论渐开线轨迹进行比较，从而测得误差。在大齿轮的测量中，理论渐开线轨迹不容易复现，这给测量带来很大的不确定性。2.3.4 直线基准法直线基准法，是先计算出理论渐开线齿形相对于基准直线的理论差值，然后测出实际齿形上各点对基准直线的差值，两者之差即为齿形误差。由于这种方法原理误差较大，因此必须对测量结果进行原理误差补偿。对于大型齿轮，由于基圆很大，其渐开线齿廓已很接近直线，只是在渐开线的两端误差较大，因此在实际的检测中，该方法具有一定的精度。2.4 直线基准法的测量原理基本原理是利用测量头的直线

19、运动轨迹去逼近齿形渐开线，图2-7所示为测量原理图。测量头A只能沿y轴方向作直线运动，而且始终保持与齿面接触，当测量头A沿y轴方向作直线运动时，x方向上的变化可由电感传感器反映出来。假设在齿形工作范围内齿面上任意一点处的采样值为，则既包括了齿形误差信息量，又包含了测量头的直线运动轨迹与渐开线之间的原理误差，即 （2-9）图2.7 测量原理图2.4.1 坐标系的建立为了研究问题方便，建立了图2.8所示的3个坐标系：图2.8 三个坐标系：其原点为被测齿轮的轴心，其轴为点与渐开线发生点的连线；：其原点为齿廓上的某点（此点由优化得到，暂定为分度圆上的点），其轴为在该点处齿廓的切线；：其原点为通过测量头

20、球心A（A点位于x2轴上）同轴平行的直线与被测齿中线的交点，显然轴平行轴。2.4.2 理论渐开线数学模型如图2.8所示，在坐标系中的理论渐开线为齿轮端截面内的渐开线，虚线表示测量头球心的A的轨迹，这是理论渐开线齿形的等距渐开线，故 （2-10）式中D为测量头直径，为基圆螺旋角。在 中，渐开线任意一点的失径为： （2-11）式中：为基圆半径，为齿廓上处的端面齿形展开角。由到的变换关系为： （2-12）由图2.8可知，故变换矩阵为： （2-13）式中，为分度圆上的端面齿形展开角， （2-14）式中：R为分度圆直径，为分度圆的端面压力角。将式（2-12）、（2-13）代入式（2-11），得： （2-

21、15）由到的变换关系为： （2-16）显然，故变换矩阵为： （2-17） 由图2-8中几何关系得： （2-18）式中，Z为齿轮齿数。令： （2-19） （2-20）将式（2-17）、（2-16）代入（2-15），得： （2-21） 由式（2-18）可得出中的理论渐开线数学模型为： （2-22）2.4.3 定位球心相对于齿轮轴心位置如图2.8所示，为定位球球心，可得如下的超越方程（推导过程略）： （2-23） 式中：为端面分度圆上的齿厚，为定位球直径。图2.9 定位位置示意图方程（2-23）中、均未知，当已知时，通过迭代可解出定位球与齿廓在切点K、T处的端面分度圆压力角，再将它代入下式即可求得定

22、位球球心位置。 （2-24）2.4.4 测量头坐标计算的数学模型如图2.10所示，、分别为两定位球球心，测量头在坐标系（Ox, y）中的位置可由下式表示： （2-25）在图2.10中有： （2-26） （2-27）（2-28） 式中：为测量时两定位球间的跨齿数。L、A由制造保证。将式（2-26）、（2-27）、（2-28）代入（2-25），即可得到测量头的坐标计算数学模型。图2.10 测量头的坐标系2.4.5 渐开线齿形误差的转换前面建立了理论渐开线数学模型及测量头坐标计算的数学模型。当时，将与代入式（2-9），即可得到点的齿形误差信息。依据齿形误差的定义，渐开线齿形误差应在齿轮端截面内齿廓法

23、线方向进行测量，因此应对包含齿形误差信息的量进行转换。如图（2.8）所示，齿形误差为： （2-29）2.5 测控仪器设计原则的考虑2.5.1 阿贝原则对于线值尺寸测量仪器的设计，1890年阿贝提出了一条指导性原则，其指出，为使测量仪能给出正确测量结果，必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上，遵守阿贝原则，则可消除一次误差。但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝原则的实施。一是遵守阿贝原则会造成仪器外廓尺寸过大；二是对于多自由度测量系统的仪器，很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向的各个平面内均能遵守阿贝原则。因此扩展的阿贝原则包含三重意思：标尺与被测量一条线；若做不到，则应使导轨没

24、有角运动；应跟踪测量算出偏移加以补偿。遵守其中的一条，即遵守了阿贝原则。从本仪器来看，测头在X方向上由于采用了误差传递机构，不符合阿贝原则，通过跟踪补偿可使其满足阿贝原则。在Y方向上标尺光栅和测量线在一条直线上，运动导轨为双V形滚珠导轨，运动的灵敏度较高，导轨的角运动极小，可以认为是符合阿贝原则的。而指示光栅和标尺光栅的距离又很接近，其误差可以忽略不计。所以从总体上看，该仪器是符合阿贝原则的。2.5.2 变形最小原则变形最小原则是指尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。在本仪器设计中，为减小力变形的影响，对仪器布

25、局设计作了如下考虑：采用了工作台、床身、基座三层结构的形式。2.5.3 测量链最小原则测量链最短原则指的是，构成仪器测量链环节的构件数目应最小。在精密测量仪器的整体结构中，凡是直接与感应标准量和被测量信息的有关元件均属于测量链。本仪器通过测量头感应X轴信号变量，利用十字片簧和杠杆机构进行传递，测量链短，符合要求。2.5.4 坐标基准统一原则坐标系基准统一对仪器群体之间位置相互依赖关系来说，是所设计仪器的子坐标系在主坐标系统中的转换关系与实现转换的方法，即坐标系基准统一。在本仪器中，建立了三个坐标系，通过标准渐开线的数学模型、测量头的移动、定位球的定位精度等相关计算最后将坐标统一到XOY中，从而

26、避免了附加误差。2.5.5 精度匹配原则精度匹配原则是在对仪器精度分析的基础上，根据仪器中各部分环节对仪器精度的影响程度不同，分别对各部分环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配。本次设计中机械子系统部分误差权重较大，光电子系统次之，软件子系统误差权重最小。2.5.6 经济原则经济原则是一切工作都需要遵守的一条基本而重要的原则。经济原则反映到测控仪器的设计之中，我们从以下几个方面考虑：1、选择适合的加工工艺和装配工艺，从而达到省时节约的目的。2、合理的精度要求，对测量链中的各环节尽量分配较高的精度，在其他精度要求不高的环节采用经济公差。3、合理选材，应考虑对磨损、受力不同的环节选用不同的材料，并

27、且考虑材料的成本。4、合理的调整环节，降低仪器零部件的精度要求，达到降低仪器成本的目的，提高仪器的使用寿命，主要从机械零部件中易损系统采用更合理的结构型式和对电气元件进行老化筛选。5、使用标准件和标准化模块。2.6 测控仪器系统的设计大型齿轮渐开线齿形误差在位测量仪设计，是光、机、电、算一体化的有机结合。该测量系统包括测量数据的自动采集、处理、存储、显示、结果分析及打印输出。机械子系统通过传感器实现自动测量，将位移量转换为电学量送入光电子系统，光电子系统将转换过来的电学量进行信号处理、分析，并实现对机械系统动力的自动驱动控制，同时将信号送入计算机，软件系统通过人机界面将信号获取，并经最终的数据

28、处理、误差分析等处理。2.6.1 机械子系统的设计机械子系统用于实现仪器的精确定位，测头的运动，误差的传递等功能。1 仪器的整体外形图2.11 仪器的整体外形2 测量系统的定位测量系统靠两个定位球与来实现高精度的定位。定位球的移动靠微分筒的丝杆驱动并带有锁紧机构，定位球为浮动。定位时先调整的位置并锁紧，会自动深入另一个齿槽，完成定位功能。为测量不同模数和不同直径的齿轮，要求定位球易安装及更换，且定位精度高，重复性好。定位球安装调整机械机构，如图2.12所示。图2.12定位球安装调整机械机构3 位移的测量X方向即齿形误差信号由测量头测量，经杠杆机构将齿形误差信号放大，由电感传感器进行测量。在杠杆

29、机构中，利用十字片簧机构可使测量头与实际齿形机密贴合。片簧与柱销构成换向机构，用于测量左右齿面。误差传递机构，如图2.13所示。图2.13误差信号传递机构考虑测量头的应力变形，分析时，先将测量头测量的偏移量通过测杆传递到片簧，计算出弹力的大小，再将弹力折算到测头的受力，计算出应力变形的大小并给予适当的补偿。在Y方向上，主要通过光电子系统对光栅位移传感器的条纹计数来控制Y方向上恒定的位移，从而实现等距离的数据采集。每次移动的距离决定了数据采集的精度。在该方向上的运动靠步进电机控制丝杆导轨，因此涉及到步进电机的选择和导轨的选择。步进电机主要考虑到步进角和转矩，丝杆导轨考虑与步进电机的选择匹配。采用

30、双V型密珠滚动导轨，其运动灵敏度较高，并具有较高的导向精度。数据采集机构安装在双V型密珠导轨副的动导轨上，导轨的运动采用滚珠丝杆副驱动，并利用长光栅位移传感器检测其运动量。由于该导轨采用单层导轨，避免采用复合导轨引起的仪器误差，易于保证精度。Y方向导轨如图2.14所示。图2.14 Y方向导轨截面图2.6.2 电气子系统的设计测控系统硬件电路原理如图2.15所示，由电感传感器将测量头传递过来的齿形误差信息转换成模拟信号，并经过模数转换器转换成数字信号，通过I/O端口送入计算机。通过光栅位移传感器获取直线位移导轨的位移量，其作用有两方面：一方面通过采用信号发生器产生采样信号，采集齿形误差信息；另一

31、方面通过莫尔条纹的计数单元获得导轨的准确位置，再通过计算获得齿形误差。图2.15测控系统硬件电路原理框图2.6.3 软件子系统的设计系统软件是系统可靠工作的关键，采用模块化结构，首先通过参数初始化及计算求出定位球直径的范围，再经过定位球直径的选择，通过I/O端口采集数据，并将数据进行处理，最终将齿轮齿形误差显示在窗口上。软件系统主模块框图如图2.16所示：主菜单初始参数输入及计算定位球直径计算及选择计算原理误差及调整测量范围与采样次数数据采集与处理返回主菜单步进电机控制图形绘制及结果显示图2.16 软件系统主模块框图2.7 测控系统主要结构参数与技术指标的确定2.7.1被测齿轮参数表1.1渐开

32、线圆柱齿轮特性表序号名称代号数值1齿数z902模数83螺旋角04齿形角5齿顶高=86齿根高7全齿高8顶隙CC=0.25 8=29分度圆直径10齿顶圆直径11齿根圆直径12基圆直径13齿距14齿厚15齿间宽2.7.2 测头在x方向的行程根据被测齿轮参数 精度8级，查机械手册得到该齿轮的齿形误差:2.7.3测头在Y方向的行程 由公式 （2-29） （2-30）当z=90，m=8时，S=22.4074mm2.8 造型设计 造型设计是测控仪器总体设计中一个重要的问题，造型设计是与设备的功能、结构、材料、工艺、视觉感受与市场关系紧密相关的重要设计工作。造型设计也是具有使用功能的设计，造型中所采用结构、材

33、料和工艺要符合经济原则。造型设计还要使产品的外形、色彩和表面特征符合美学原则，以适应人们的时尚要求，并从样式、形态、风格、气氛上体现时代的特点。2.9 总结通过测量头的直线运动轨迹做基准来在位检测大齿轮渐开线齿形误差，不仅提高了在位测量的精度，还大大降低了测量费用。仪器在使用时，机械子系统通过定位球高精度定位，并使测量头与齿形相接触，由步进电机驱动滚珠导轨，带动测量头微动，微小的测量头在齿轮渐开线上摆动，其摆动量通过一个杠杆机构传递给电感传感器，将齿形误差位移量转换为电信号，电信号输入到光电子系统中，光电子系统承载着信号的采集和转换，并将信号通过端口送入软件子系统，软件子系统采用人机交互的可视

34、化界面，将标准齿轮渐开线和实际测量的齿轮渐开线相比，并将齿轮齿形误差输出在显示屏幕上。用户操作简单，并实现了高精度的测量。3 精度设计与误差分配3.1 精度设计合理的精度设计必须对仪器各组成部分源误差对仪器总精度影响程度的正确估计，对于一些对仪器精度影响较大的环节给予较严的精度指标；对于那些对仪器精度影响较小的环节给予较宽松的精度指标，在满足仪器总精度要求的前提下使成本降至最低。根据设计任务书要求，被测齿轮参数：模数，齿数，精度4级及其以下。因此，针对模数，齿数，精度8级的齿轮，查国家标准GB 10095-88得其齿形误差，根据微小误差原则，所设计仪器的总误差与被测参数的公差值之比应保证在1/

35、31/10以内，即仪器总精度。3.2 误差分配3.2.1 误差分析机械子系统方面主要有：设计原理误差，测头因压力产生的变形误差，误差传递机构的制造误差，定位球定位及磨损误差，导轨直线运动产生的偏移误差，测头传递机构误差，光栅传感器安装误差，电机和电感传感器的安装误差。电气子系统方面主要有：传感器测量误差，模/数转换通道的误差和采样控制信号的误差，A/D转换通道的误差，信号处理及放大单元的信号漂移导致的误差。软件子系统方面主要有量化误差、数据迭代误差。3.2.2 误差分配仪器总误差是仪器总系统误差与总随机误差之和，由于其性质不同其分配方法也不同。对于系统误差要进行补偿，余下的随机误差按加权作用原

36、则进行分配。综合考虑各个误差对仪器精度的影响程度以及误差控制的难易程度，机械子系统部分误差权重较大，光电子系统次之，软件子系统误差权重最小。各子系统权重：机械子系统：0.75；光电子系统：0.20；软件子系统：0.05。由各环节误差的公式：得各子系统的误差分配结果： 机械子系统：电气子系统：软件子系统：4 机械子系统的设计4.1 总体说明机械一般认为它是“机器” 和“机构”的总称，是用来传递运动和力的可动装置。各种不同类型的机器，具有不同的形式、构造和用途，就其组成而言，都是由各种机构组合而成，而机构是由构件组成的。机构中的构件可以是单一的零件，也可以是几个零件的组合体称为部件。设计机械时应满

37、足的要求是功能要求、可靠性要求、精度要求、经济性要求和外观要求。机械子系统是整个系统的基础，是实际运动的直接体现，将机械系统所测得的实际量转换为电信号，进行光电子系统的分析，通过软件的控制，从而来实现所需要的测量要求。因此机械子系统是基础，也是很关键的一步，它的精度直接影响着整个系统的精度范围。本设计选用直线基准法，其测量的基本原理是利用测量头的直线运动轨迹去逼近齿轮渐开线。测量头沿Y轴方向作直线运动，并始终与齿面接触。当测量头沿Y方向做直线运动时，它在X轴方向的变化量可以由数据采集机构反映出来。机械子系统的设计分为几个大的部分:误差传递机构的设计，导轨和丝杆的设计，基座和箱体的设计，步进电机

38、和光栅、电感传感器的固定装置的设计。4.2 误差传递机构的设计 误差传递机构就是把测球测得的微小力放大，使电感传感器能测量到放大后的力。通过计算机进行数据处理，最终得到齿轮的齿形误差。误差传递机构由杠杆、限位装置、片簧、十字片簧、预紧弹簧、柱销等部分组成。4.2.1杠杆的设计 由于齿形误差较小，找到微小的力传感器较难且价格敖贵，又加上直接测量产生的误差很大，影响测量精度，所以通过杠杆把齿形误差放大，然后再由传感器测量。1 杠杆的尺寸计算 杠杆的结构简图如图4.1所示。图4.1 杠杆结构简图取=90，=110，=30，则有： （4-1） （4-2）由图4.1所示： （4-3） 由此可知杠杆的放大

39、比： （4-4）考虑装配和美观，将取。2 材料选择考虑到本次设计中杠杆传递的是微小位移，其受力很小，因此材料可选择铸铁。其成本低，铸造性好，可制成形状较复杂的零件，但不宜承受较大冲击的载荷。本次设计杠杆选择HT200，其机械性能如表4.1所示：表4.1 厚度在68mm的HT200铸件物理机械性能材料性质符号单位数值抗拉强度32抗弯强度53硬度HB187255弹性模量E115160密度7.93 杠杆的结构图图4.2 杠杆结构图4 杠杆的限位装置由于齿轮渐开线齿型误差很小和差动电感传感器总行程也很小，所以杠杆转动幅度不能过大。为了保护差动电感传感器不因行程过大而损坏，故要加一个保护装置。因齿轮渐开

40、线齿型误差很小，将测头位移限定在上下各1mm以内，所以取限位槽宽A=h+ 2=6+2=8mm，限位槽长取B=15mm。位槽与保持架用两颗开槽圆柱头螺钉紧固。表4.2 GB/T67 M3尺寸d螺距LABkntxrM30.5812.55.520.80.610.15 杠杆的预紧弹簧的选用杠杆的预紧材料选用直径为0.4mm的65Mn钢丝，其材料强度高，性能好，适用于小弹簧。弹簧中径设定为4mm，其参数见表4.3，固定螺钉选用开槽圆柱头螺钉。其参数见表4.2表4.3 小弹簧尺寸dDn0.443.575.59134.2.2 片簧的设计1 总体说明片簧通常是一种矩形截面的金属薄片，在位移上具有较小的尺寸。仪器和仪表中采用的片簧，通常是在载荷及位移不大的情况下使用。最常见的工作方式有单端固定和两端固定两种形式，本设计中的片簧属于单端固定，其一端用螺钉固定在电感测头部位的杠杆上，另一端靠销连接固定在固件上。在力的作用下，片簧产生弯曲变形，可近似认为是纯弯曲。2 材料的选择片簧材料选择锡磷青铜，其物理机械性能如下表4.4：表4.4 锡磷青铜物理机械性能材料性质符号单位数值抗拉强度7080屈服极限5965硬度HB160200比例极限45延伸率（%）1020弹性模量E11200许用弯曲应力216线膨胀系数（）171E-6密度870089003 片簧设计片簧厚度和宽度的特性公式为： 式中，P：片簧的