螺旋锥齿轮数控检验机检测系统的设计与实现

1、分类号密级编号十轫大学硕士学位论文论文题目学科、专业研究生姓名导师姓名及专业技术职称婴原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：孓丑皿日期：兰型年上月监日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校丁以公布

2、学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：撒导师签红尘扩、。摘要传动误差和结构噪声是检测螺旋锥齿轮的重要指标。传动误差和结构噪声反应齿轮传动的平稳性，减小这两项误差可以有效地降低齿轮的噪声。根据这两项检测结果可以分析齿轮产生噪声的根源，通过调整设计和制造参数，可以实现高精度齿轮的闭环加工。目前，检测这两项误差的设备大部依赖从国外进口，生产具有自主知识产权的螺旋锥齿轮数控检验机已迫在眉捷。本文首先分析了传动误差和结构噪声的产生机理，根据它们的产生机理提出了

3、单面啮合检测和结构噪声检测的实现方法。在检验机总体机械结构上，完成了检测系统的硬件结构设计，并根据设计的要求和精确的计算选择性价比高、使用方便并且适合该系统的相关硬件。对检测系统的检测精度进行了深入分析，从硬件选择上保证该系统的检测精度。完成了检测系统的软件设计：以模块化的方法设计了检测系统数控部分和检测部分的软件，分析了各模块之间的关系；对各模块的流程进行的全面分析和合理设计，尽可能地提高检测系统的效率，优化系统的人机界面，使操作更简便、接口更友好；解决了各模块所面临的关键问题：采样频率和点数确定和通信协议等。最后，选择一对螺旋锥齿轮进行单面啮合检测，得到传动误差曲线、传动误差长波分量曲线、

4、传动误差短波分量曲线以及快速傅里叶变换的频谱等检测结果。并且对检测结果进行分析，从中找出各误差产生的根本原因，为设计和制造传动平稳、噪声低的齿轮提供依据。本文提供了螺旋锥齿轮数控检验机检测系统的整套设计方案，对检测系统的硬件与软件进行了详细的设计，能够检测螺旋锥齿轮的传动误差和结构噪声，基本上满足设计的要求。关键词螺旋锥齿轮，检验机，单面啮合检测，结构噪声检测，：，；，；：，仔，目录摘雪手。第一章绪论课题来源螺旋锥齿轮检测技术的国内外研究现状螺旋锥齿轮检测技术。螺旋锥齿轮检测机床的现状课题研究意义与主要工作内容课题研究意义。课题主要工作内容第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究螺旋锥齿轮数控检验机

5、的功能。基本功能扩展功能。传动误差相关理论传动误差的定义检测传动误差的意义。传动误差的检测方法结构噪声检测相关理论一结构噪声产生原理结构噪声检测方法信号采集与信号处理理论连续时间信号的采样与采样定理傅里叶变换与数字滤波器傅里叶变换的泄漏和加窗本章小结第三章系统硬件的结构设计检测系统硬件结构一模块硬件设计角度编码器设计计数细分卡设计角度编码器与计数细分卡的安装设计模块硬件设计加速度传感器设计数据采集卡设计加速度传感器和数据采集卡的安装设计本章小结第四章系统的软件设计与实现软件系统总体设计系统流程设计检测整体流程设计参数设置流程设计数据采集流程设计数据处理流程设计通信流程设计本章小结第五章实验结果

6、及分析实验结果及分析本章小结第六章总结与展望论文及研究工作总结。后续工作展望参考文献。致谢攻读硕士学位期间主要成果硕士学位论文第一章绪论第一章绪论螺旋锥齿轮比圆柱齿轮承载能力更大、传动平稳性更好、噪声更小、结构更简单等优点，广泛应用于汽车后轿、拖拉机、飞机以及工程机械等设备中【】【。随着科技的进步和工业要求的提高，人们对机械的运转性能提出了更高的要求，噪声更低、传动更平稳的机械设备大受欢迎。螺旋锥齿轮作为主要的传动部件，其传动平稳性和结构噪声是影响系统整体性能的重要因素之一。如何有效地控制和降低螺旋锥齿轮的振动和噪声，是国内外螺旋锥齿轮行业和专家急需解决的技术难题【】【。由于螺旋锥齿轮的不完全

7、共扼性、在传动中的变形以及安装和制造误差等因素，会导致传动误差的产生。而传动误差是螺旋锥齿轮振动和噪声产生的最根本因素之一，因此，对于一对螺旋锥齿轮而言，检测其传动误差以及由此而产生的结构噪声就成为检验其质量的一个重要指标，也为进一步改善它们的设计和加工参数提供依据【】【。齿轮振动会激励齿轮箱体的振动，会产生所谓的结构噪声，它是齿轮传动平稳性的外部表现。所以螺旋锥齿轮传动误差和结构噪声的检测在实际生产中有非常重要的意义。课题来源近年来，我国汽车工业的飞速发展，用于汽车的齿轮需求量也随着剧增，在这样的社会背景与自身具备的研发与生产水平下，湖南某数控装备有限公司研制的全数控螺旋锥齿轮铣齿机、磨齿机

8、、研齿机、检验机等螺旋锥齿轮制造装备在国内外同行间引起极大反响。为了适应行业的发展和满足国内相关行业对齿轮的需求，该公司制定了研发与生产用于汽车齿轮生产的螺旋锥齿轮生产线系列螺旋锥齿轮铣齿机、磨齿机、研齿机以及检验机的战略目标。该项目已经获得国家科技部国家科技支撑计划资金支持，编号为：。本课题来自于该战略目标，即研究和开发螺旋锥齿轮数控检验机。螺旋锥齿轮检测技术的国内外研究现状自从美国格里森（）等人推导出准双术就在不断发展。同样，硕士学位论文第一章绪论螺旋锥齿轮检测技术螺旋锥齿轮检测技术的发展已有近百年的历史，根据检测所依据的原理不同可将其检测技术化分为如下三类【】：单项几何形状误差检测技术此

9、方法采用坐标式几何检测法，将螺旋锥齿轮齿面作为一个具有复杂形状的几何曲面，在建立的坐标系上，按照齿轮设计的几何参数对实际齿轮齿面的几何位置相对于理论位置的偏差进行测型。测量方式主要有两种：离散点测量方式和连续轨迹点测量方式。所测得的齿轮误差是被测齿轮齿面上点的实际位置坐标和按设计参数所建立的理想齿轮齿面上相应点的理论位置坐标之间的差值。测量的是齿轮的单项几何偏差，以齿廓、齿向以及齿距三项基本偏差为主。近年来由于坐标测量技术、传感器技术和计算机技术的发展，尤其是数据处理软件功能的增强，导致三维齿面偏差、分解齿轮单项几何偏差和频谱分析等测量技术得到了广泛应用，使这种检测技术得到全面的发展。单项几何

10、偏差测量的优点是便于对齿轮加工质量进行直接分析和诊断、对机床加工工艺参数进行调整【。综合误差检测技术【】这种检测技术采用啮合滚动式测量法，把螺旋锥齿轮作为一个回转运动的传动元件，在理论的安装中心距下，和标准的测量齿轮进行啮合滚动，测量齿轮的各项综合偏差。综合测量又分为齿轮单面啮合检测，用以检测齿轮的整体和单齿的切向综合偏差；以及齿轮双面啮合检测，用以检测齿轮整体的和单齿的径向综合偏差。为了使单面啮合检测和双面啮合检测更有效，对检测结果进行频谱分析以求得到更多的误差信息。近年来从径向综合偏差中分解出径向综合螺旋角度偏差和径向综合齿向角度偏差，这是齿轮径向综合测量技术中的一个新方向。综合误差检测的

11、优点是测量效率高，适合批量产品的质量检测，便于对齿轮加工工艺进行及时监控。齿轮整体误差检测技术【】这种检测方法是基于齿轮的整体误差理论，是由我国机床工具行业和成都工具研究所的科研技术人员共同努力创建的一种新型齿轮测量理论。把齿轮看作一个用于实现传动功能的传动元件，并按齿轮啮合顺序和位置，形成为一条齿轮整体误差曲线；或按单面啮合综合检测方式，使成对的齿轮采用滚动点扫描测量法对其进行测量，得到齿轮整体误差曲纠】。上述两种齿轮整体误差曲线，经过数据分析和处理，都可以得到齿轮综合运动偏差、各单项几何偏差，从而能更全面、更准确的评定齿轮质量和对齿轮加工工艺进行分析和诊断。齿轮整体误差测量技术是对传统齿轮

12、测量技术的发展和继承。尤其是采用单面啮硕士学位论文第一章绪论合、滚动点扫描的齿轮整体误差测量技术具有测量信息丰富、测量速度快、测量精度更接近使用状态的优点，特别适合批量产品精度的检测与质量的控制。在汽车齿轮要求全部检测的大趋势下，这种齿轮整体误差测量技术得到了重视和发展，并且已经广泛应用于实际生产中，其中成都工具研究所开发的锥齿轮整体误差测量技术曾于上世纪年代转让给德国等齿轮机床制造公司。德国公司近年推向市场的齿轮单面啮合滚动点扫描测量仪，也是采用了完全类似的技术【】。螺旋锥齿轮检测机床的现状螺旋锥齿轮检测理论的进步极大地推动了检测设备的发展，从最初机械式的滚动检查机、单啮仪和双啮仪，到现在全

13、自动的三坐标测量中心、数控检验机，螺旋锥齿轮检测机床正向着功能更齐全、检测精度更高、检测效率更高的目标迈进【】。本文所做的研究是开发全数控检验机，下面介绍此类机床的几种代表性产品：格里森（）格里森螺旋锥齿轮滚动检验机，能够检验轴交角为度的螺旋锥齿轮。它有如下特点：在被测齿轮副单面啮合的情况下，模拟其工作状况，建立客观的检验标准；其检验工件的最大小轮外径，最大大轮外径，除具有普通滚动检验机的功能外，它的小轮主轴可以在范围内变速；检测齿轮两个不同的齿面时主轴不需要反向，只需在大轮主轴上施加一定的扭矩；它的测量系统可以检测齿轮的啮合频率，能读出一次、二次和三次齿频谐波的幅值，另外作图仪可以把一到六次

14、谐波记录下来。机床运转时，小轮安装距离可自动调整，寻找最佳的运转位置，可以由绘图仪绘出小轮安装距变化曲线，结合加速度传感器、麦克风测量其振动和噪音。格里森（）格里森公司的型数控螺旋锥齿轮检验机是格里森公司凤凰系列数控铣齿机的配套产品。该机具有三个直线运动轴、和三个回转轴轴、大轮、小轮主轴，和风凰系列的铣齿机床机械结构完全相同。这样设计可以使检验机上各参数与铣齿机床各参数一一对应，因此可准确方便地根据测试和检测结果指导铣齿机床的参数调整。凤凰数控螺旋锥齿轮检验机，具有测量功能强大，性能优越等特点。它的载荷能在内变化，小轮速度最高可达；能对弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮及圆柱齿轮在使用状态下的传动性能进

15、行模拟检测；并可对齿轮幅的齿面接触斑点进行成像、接触斑点识别与分析；能够自动调节并确定齿轮副最佳安装距离；能够在高速和加载状态下精确地检测齿轮幅的切硕士学位论文第一章绪论向综合误差，并进行频谱分析；采用加速度传感器对齿轮幅进行结构噪声检测与分析。格里森（）格里森公司的螺旋锥齿轮检测机可以用来检测弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮副，因为它没有轴，所以只限于检验轴交角为度的螺旋锥齿轮，除了具有基本的接触区检验功能外，机床还提供了基于角度编码器的单面啮合检测和基于加速度传感器的结构噪声检测两项检测能力。的机械结构采用凤凰二代立柱式纠】，机床整体结构刚度有很大提高。采用数控系统；大轮主轴扭矩通过交流伺服电机来

16、施加；数控系统和检测系统分别具有独立的人机交互界面，它们之间通过以太网络连接；机床轴上安装的直线光栅和柔性啮合装置能够对齿轮副进行双面啮合检测，用来检测跳动、齿面的缺口和毛刺；其它轴的位置控制使用光栅尺或角度编码器实现，可以满足精度要求。奥里康（）瑞士奥里康公司生产的数控锥齿轮检验机，能检测锥齿轮单面啮合误差、检测锥齿轮噪声而且还能检查接触斑点的功能。通过刻线数为线的角度编码器、高精度加速度传感器、伺服调速系统、频谱分析处理，既可以在低转速下检测单侧齿面误差也可以在高转速下检测振动信号并进行频谱分析。奥里康（）、奥立康（）公司生产的、螺旋锥齿轮检验机具备的功能与格里森公司的、相似的功能，能够用

17、于检验轴交角为度的各种螺旋锥齿轮。机床主轴转速可达，扭矩可到。可以对齿轮进行齿面接触区的形状、位置和大小检测、传统的检验、评价齿轮副运转平稳性和噪音、并且可以选配接触区图像自动识别系统。可以客观地评价和检测双面啮合误差、检测分析单面啮合传动误差和分析结构噪声】。课题研究意义与主要工作内容课题研究意义根据市场调研，此设备全部依赖进口，国外也只有和公司生产数控检验机，并且价格昂贵，采购周期长。机床出现问题不能及时解决，从而对影响客户的生产和使用。所以该机床研制成功可以打破国外企业对数控检验机对中国市场的垄断，降低齿轮制造商的运营成本。由于此设备进口价格昂贵，并且国内生产的检验机都不具备单面啮合检测

18、和硕士学位论文第章绪论结构噪声分析功能，国内锥齿轮生产厂家能够配备数控螺旋锥齿轮检验机床的极少。这就必然导致大部分齿轮生产厂家无法客观评价其生产的锥齿轮的质量，仅能在滚动检查机上进行齿轮齿面接触区检查、使用分贝计测量运转噪声，而对于测量结果的评价只能凭测试人员的经验。然而对齿轮平稳性人为定性评估的准确度不高，从而造成产品废品率增加和生产成本的提高。更为遗憾的是，当发生质量问题时，难于准确分析诊断出其产生的原因，从而导致难以提高产品质量，此类问题在新产品试制中尤为突出。当前齿轮制造业的一个发展趋势是：将齿轮测量技术和齿轮设计、加工制造进行集成，实现齿轮制造信息的融合及的集成，从而构建一个先进的齿

19、轮闭环制造系统，由于通常由数字化来实现，可称为数字化闭环制造系统，也称作齿轮制造专家系统。美国和德国开发的锥齿轮闭环制造技术和系统是个典型实例。专家系统是集齿轮粗加工、齿轮在线检测、齿轮加工参数调整以及齿轮精加工的闭环制造系统，中大创远在已有铣齿机和磨齿机的基础上开以检验机，向专家制造系统的研发又迈出了坚实的一步。本文在吸收优点的基础上，研究开发了一套螺旋锥齿轮传动误差和结构噪声的检测系统，对数据采集、数据分析以及齿轮质量的评定作了深入研究，能够在生产现场快速地对螺旋锥齿轮进行检测并对产品品质作出评判，并为诊断产品质量缺陷产生的根源提供有力的分析手断，再结合螺旋锥齿轮齿面接触区自动成像功能，开

20、发出具有自主知识产权的数控螺旋锥齿轮检验机，提高我国锥齿轮制造装备水平，并为制定数控检验机国家标准提供依据。所以，研究螺旋锥齿轮数控检验机不仅具有很高的学术意义，同时还具有非常高的实用价值。课题主要工作内容在对螺旋锥齿轮检验机功能有一定了解的基础上，深入研究单面啮合检测与结构噪声检测的原理与实现方法，并结合信号采集与分析理论，在检测系统的硬件结构的基础上，设计与开发检验机的软件系统，并对检测结果进行深入分析。预计论文的主要工作如下：相关理论研究：包括螺旋锥齿轮传动误差和结构噪声的产生机理、定义以及检测方法；数据采集与分析相关理论；传动误差与结构噪声的内在联系以及它们的评价标准。检测系统硬件结构

21、设计与硬件造型：根据传动误差和结构噪声的检测原理，设计检测系统的硬件结构；选择精度高、响应时间短的传感器、信号调理设，备以及数据采集卡；并对传感器的安装位置进行分析与实验。硕士学位论文第一章绪论检测系统软件设计与实现：在硬件结构的基础上设计界面有好、操作简单、功能全面的软件系统；使用语言实现数据采集、数据分析、检测自动化；使用数据库对检测参数、检测结果和检测公差进行存储。对检测结果进行分析与对比：对检测结果进行分行，验证检测系统硬件与软件设计的合理性与正确性；从检测结果中发现齿轮误差产生的根本原因，及时调整齿轮加工的参数，从根本上提高齿轮精度。本文将在第二章对传动误差和结构噪声检测原理以及相关

22、理论进行研究：根据原理在第三章和第四章设计螺旋锥齿轮数控检验机的软、硬件系统；在第五章中根据设计的实验测试，表明设计的可行性和实用性。硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究螺旋锥齿轮数控检验机的功能综合螺旋锥齿轮数控检验机的理论依据，并对国外机床的实地考察，总结出螺旋锥齿轮数控检验机是在传统半自动滚检机（也称检查机）基础上，对螺旋锥齿轮传动误差、结构噪声、接触区实现全自动检测的机床。数控检验机的机械结构和滚检机的机械结构相似，但是它的功能要比滚机机丰富得岁”】。基本功能既然数控检验机是在滚检机的基础上发展起来的，所以它一定具有传统滚检机的检验功能。、滚

23、检机用于提供模拟轻载操作条件下的齿轮副运转检查旧。齿轮幅安装在它们正确的相对位置上，加上轻的制动栽花后于动力作用下一起进行运转。齿轮副在滚检机上运转是用于确定：相对于相配轮的轮齿尺寸；正确安装距；轮齿接触位置；齿面光洁度；运转质量（即噪声）。除了具有滚检机的基本功能之外，数控检验机还需具备检测传动误差和结构噪声的功能【。这两个功能也属于数控检验机的基本功能。在螺旋锥齿轮实际应用当中，使用者已不再过多的关心单个齿轮的某项误差，比如：齿距误差、齿廓误差、周节误差等。越来越多的使用者把注意力转移到成对齿轮幅在实际使用中表现出来的综合误差，比如传动误差。传动误差是对齿轮幅在工况条件下综合误差的体现，传

24、动误差直接影响齿轮幅的振动和噪声。此外，传动误差还可以反应啮合信息，反应齿面是否光洁，并且可以在传动误差中提取螺旋锥齿轮的单项误差，比如：速度误差、加速度误差、大（小）轮跳动、轮齿误差等。所以传动误差的检测是螺旋锥齿轮数控检验机必不可少的功能。数控检验机的另一基本功能是：结构噪声检测。由于传动误差、安装误差、加工误差等因素的影响，齿轮幅在运转的时候会产生振动和噪声。传动的滚检机通过声级计来测量齿轮幅的噪声水平，这种方法受外界因素干扰大，测量数据不能真实反应齿轮幅振动所引起的噪声水平。数控检验机通过检测齿轮幅运转时的振动来检测结构噪声，具有如下优点：检测结果更真实、更准确；受外界因素影响较小；能

25、够检测出齿轮幅各个方向上的振动；并且结构噪声的检测对分析传动误差有帮助。所以规定结构噪声检测也是数控检验机的基本功能之硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究扩展功能螺旋锥齿轮数控检验机除了上述基本功能外，还可以扩展多点检测和接触区自动成像功能。多点检测是改变齿轮的安装距，使齿轮在不同的接触点啮合，分别检测在不同点啮合时的传动误差和结构噪声，寻找误差最小的那个点，从而确定最佳的安装距。这个功能在检验机上已经得到实现，通过调整安装距（一般为、两个值），检测软件最多可以实现齿面上个点各项误差自动检测，并且可以分析出在哪个接触点上齿轮幅的各项误差最小，传动平稳性最佳，为齿轮幅安装提供依据。齿轮

26、幅接触区自动成像也属于螺旋锥齿轮数控检验机的扩展功能，用户可以根据自己的需求选择此功能。接触区自动成像是利用图像传感器，获取齿轮幅接触区图像，并自动分析接触区位于齿面的位置，根据接触区位置计算出齿轮幅的最佳安装距。检验机和，都具有该功能。传动误差相关理论检测系统主要是对传动误差进行测量，传动误差是衡量传动平稳性最重要的指标，因此对于此概念的深入研究是一切工作的基础。传动误差的定义理想的齿轮副是共轭的，即小轮（主动轮）与大轮（被动轮）按固定传动比（）传动【】，齿面接触时是线接触。但实际上由于各种因素的影响，齿轮副不按这个规律传动，会出现所谓的传动误差。导致传动误差的因素有：螺旋锥齿轮设计上的的准

27、共扼性。理论上，螺旋锥齿轮是共轭的，即小轮（主动轮）与大轮（被动轮）按固定传动比（）连续平稳传动。完全共轭的齿轮副从理论上来讲具有最大的承载能力、传动平稳，但它没有任何的可调性。制造和安装误差、承载变形都会造成负荷过分集中而使轮齿破坏【】。螺旋锥齿轮的准共轭特性克服了以上不足，但齿面的失配产生了传动误差。实际上，螺旋锥齿轮齿面除参考点之外，其余啮合位置都是非共轭的（即存在失配量），也就都存在传动误差，即齿面几何传动误差。变形。在螺旋锥齿轮传动的过程中，齿轮本身及其支撑系统的变形也会使它偏离理论位置，产生传动误差。精确检测这部分传动误差，是传动误差设计硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研

28、究方法的基础和前提条件【。制造误差。加工过程中机床、夹具、轮坯等各方面产生的误差，必然反映到螺旋锥齿轮齿面上，产生传动误差。此部分误差一般在螺旋锥齿轮加工过程中产生，可通过提高加工精度来减小。传动误差（）的概念提出仅余年，最早出现于、和等人在上世纪年代后期的研究成果中。英国知名学者剑桥大学教授对传动误差的定义是：“当齿轮箱是完美的，无误差无挠曲时，它的输出轴位置与实际输出轴位置之差”。传动误差可以用偏离“理论”位置的角位移表示，也可以用节圆半径上的线位移表示。若用角位移表示的话，单位一般使用微弧度（）。根据传动误差的定义，可以用公式（）和（）表示传动误差：幺导毋（）硒幺一幺皖一等幺一争式中：鼠

29、易一小大轮实际转角；一小大轮齿数；反一大轮的理论转角；（）卜传动比；一传动误差。检测传动误差的意义图【为一对螺旋锥齿轮的传动误差曲线图，最上端是无载荷时的传动误差，由齿面几何特征决定，下部分别为由小到大三种载荷下的传动误差，图中横坐标表示小轮转角，纵坐标表示传动误差。从图中可以反映出传动误差所表达的信息有【】：实际重合度。实际重合度由载荷时传动误差的平均值决定，即在此位置空载下传动误差曲线宽度（与承载传动误差曲线两交点的长度）与啮合周期（相邻齿几何传动误差曲线的距离）之比。由图可知，三种载荷下的实际重合度分别为、和。当负载下的传动误差超出几何传动误差（无负载时）下端时，在啮合时会出现边缘接触，

30、即齿面与相啮合齿的齿顶刃接触，产生严重的振动与强度问题。实际重合度超出极限值对齿轮动态性能和强度都会产生不良影响。动态性能。主要由负载下的传动误差曲线波动幅值决定，波动幅值愈大，振动和噪音也就越大【。负载下的传动误差幅值与几何传动误差有关，当其设硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究计幅值较大时，轻载时传动误差波动大，而重载时的变形会在补偿作用下使波动减小；反之，当设计幅值较小时，轻载直传动误差波动小，重载时容易出现边缘接触使振动和噪音增大。齿面接触特性。传动误差曲线的形状、幅值和齿面接触特性以及接触区有密切的内在关系。当几何传动误差曲线向上弯曲或呈形时，齿面产生桥式接触，伴随严重的振

31、动；传动误差曲线不连续时，会产生边缘接触【。因此，理想的几何传动误差曲线应向下弯曲、齿对间连续且尽量对称，此时产生边缘接触的可能性相对较小。理想的几何传动误差曲线呈抛物线形状，如图中最上端的曲线。载荷分配。图中，几何传动误差两条相邻曲线上同一横坐标处的删和剃，反映了可能同时接触的两对齿的初始位置，由于删。删，因此第一对齿先接触，若载荷足够大，第一对齿的变形补偿了第二对齿的侧隙，则第二对开始接触，但载荷在两对齿间的分配既取决于齿的刚度，也取决于初始间距她。载荷分配对强度性能有重要作用，也影响到瞬时啮合刚度的变化，即齿轮的动态性能【。小轮聋霄角咖啐鼍、心荆燃瘠如图一传动误差曲线图所以，检测齿轮幅的

32、传动误差可以分析齿轮的动态特性、实际重合度、载荷分配以及齿面接触特性，对齿轮的设计、试制以及实际生产都具有非常重要的意义。传动误差的检测方法通过上面的分析我们知道在设计时，使螺旋锥齿轮具有良好的传动误差曲线，可以有效降低锥齿轮传动振动与噪声，又可以比较方便地调整齿轮的各项接触参数。然而，由于制造误差的存在和啮合过程中的变形，齿轮实际运转过程中产生的传动误差曲线与理论设计的传动误差曲线有较大差别，因此检测齿硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究螺旋锥轮在实际运转状态下的传动误差曲线并进行分析，根据分析结果调整切齿或磨齿参数，才能够真正生产出低噪声、传动平稳的齿轮。根据中对传动误差的定义以

33、及公式（）可以得知，对于传动误差的检测归结于对小轮和大轮实际转动角度鼠和的测量。这种检测方法称为单面啮合检测【。据了解，人们在世纪初就开始对单面啮合检测进行研究，由于技术发展水平的限制，早期的单面啮合运动完全由机械装置来实现，如西德、瑞士、日本大阪精机的单啮仪等，这种设备本身存在精密度不稳定、结构复杂、通用性差等缺点，所以在生产中应用比较少。图单面啮合检测原理图从六十年代开始，随着光电技术的发展，促进了精密角度测量技术的飞速发展，给单面啮合技术检测的实现开拓了新的道路与途径。到了六十年代末，应用圆光栅测量角度的单啮仪已经投放市场。报有关资料显示，英国米克伦公司于年成功开发了光栅式单啮仪，该光栅

34、由当时英国工程实验室研发，精度可达±角秒。除此之外还有西德公司生产的单啮仪。该类单啮仪的出现，不公使精度得到了提高，而且能实现各种速比的齿轮传动误差测量，具有检测锥齿轮副、蜗轮蜗杆副传动误差等多种功能。六十年代，北京量具刃具厂等单位也开发量蜗轮蜗杆的单啮仪。硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究随着对单面啮合检测技术的深入研究，人们发现轻载下得到的检测结果并不能完全预测承载下的齿轮传动特性，因此提出了动力学单面啮合检测的方法。它是研究齿轮速度、载荷、静态误差、传动性能以及动态响应之间的关系。七十年代我国成都工具研究所都开发过类似的产品，并对齿轮振动做了深入的研究，获得了一些比

35、较重要的结论。目前，由于计算机技术的广泛应用，使得单面啮合检测功能更加丰富，可以方便地利用计算机技术对传动误差进行频谱分析，为准确分析传动误差与传动性能的关系提供了科学的方法。用单面啮合检测法测量螺旋锥齿轮传动误差的原理如图所示，在大轮和小轮主轴上各安装一个角度编码器（圆光栅），用来测量它们的实际转动角度值鼠和只。小轮由伺服电机驱动，大轮轴端也使用伺服电机施加载荷，从而使小轮和大轮呈单齿面接触状态，这样就可以模拟齿轮的实际工作情况，检验齿轮副在加载状态下的传动误差【，这样可以使检测结果更客观。角度编码器输出的是正弦信号，两路正弦信号进入数据采集卡得到我们所需的大、小轮转动角度，通过计算得到传动

36、误差，然后对传动误差进行频谱变换以及滤波分析【。这仅仅是单面啮合检测的原理，要想精确的检测工况下的传动误差，还需要确定检测的硬件系统。此问题涉及到硬件的选择、测量系统的通用性、稳定性和扩展性。随着计算机技术的高速发展，数字法检测系统已经取代了模拟法检测系统。数字检测法实现起来比较简单，产品可扩展性和稳定性都比较好，是目前检测仪器的主流。而数字检测法已由传统的传感器、上位机、下位机模式发展为传感器、采集卡、微机模式。所以在单面啮合检测中，选用目前比较流行的传感器、采集卡、微机模式的数字法检测系绀】。确定使用数字法检测系统方案后，接下来需要解决的问题是检测精度和检测结果分辨率。该系统检测结果的精度

37、由机床精度和检测系统精度决定。机床精度主要由主轴精度决定；检测系统精度主要由角度编码器的精度决定。主轴刚度是影响主轴精度的最主要因素；该系统采用刚度为的主轴。主轴精度非常高，对检测结果精度影响非常小，可以忽略不计。在检测系统中，由于选用的角度编码器系统精度为±角秒，并且该系统使用两个角度编码器（大、小轮各一个），就有可能造成的检测结果误差（角秒），这个误差可以通过对角度编码器进行精度补偿来减小。具体方法是：每一个角度编码器出厂时都有一个检定记录图，该图给出了编码器一转内的位置误差。根据这个记录图，在某些特定的点补偿一个与误差大小相等、方向相反的数，以提高编码器的系统精度。可以根据自己

38、的需要，选择需硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究要补偿的点数与位置。通过误差补偿，编码器的系统精度可提高到±角秒内。所以传动误差的检测精度可控制在角秒内，即。目前市场上的主流角度编码器的线数都比较高，有的可达。如果我们选用线的角度编码器，其分辨率为度（度），即。而我们的检测结果要求是级的，所以这种分辨率无法满足我们的需求。为了解决这个问题我们使用脉冲细分计数法。角度编码器的原理是：每转过一线能够产生、两相相位差为。的正弦信号，在检测系统中，此模拟信号须转换为数字信号才可以被计算机识别，因此我们可以在信号转换和脉冲计数中着手提高信号的分辨率。通过使用光栅信号细分技术，可以极

39、大地提高检测结果的分辨率。使用这种方法检测传动误差时，假设数据采集卡信号倍频数为，如果某一时刻小轮编码器的线数计数值为，那么其转运的角度值鼠（，）；相应的大轮计数器值为，其转过的角度为惕万（峨），此时传动误差为：，、阿：旭一鼠：丝堕一旦（）。式中和分别表示大、小轮角度编码器的线数结构噪声检测相关理论结构噪声是传动误差的外在表面，对结构噪声的检测有利于直接对螺旋锥齿轮的传动性能进行评价，对传动误差的检测结果也可以起到一定的验证作用。结构噪声产生原理在螺旋锥齿轮啮合过程中，由于制造和安装误差的存在、轮齿啮合对数和啮合点位置以及传动比不断的变化，使得轮齿在啮合过程中不断互相撞击，从而激发齿轮振动，从

40、而产生噪声。同时由于支承系统的刚度不足、外载荷的变动这些外在因素，也会导致噪声产生。由此可知噪声是由激励和振动引起的，它们两者之间有着本质的联系。实验表明，噪声与振动两者关系密切。因而，二者对于齿轮副传动质量的评价是等效的。齿轮系统的激励分为内部激励和外部激励两大类。外部激励是指系统外部对系统的激励，主要指主动力矩和负载的阻力矩。内部激励是轮齿啮合过程中在齿轮系统内部产生的激励，包括刚度激励、误差激励和啮合冲击激励【。刚度激励是因为啮合齿数变化导致综合刚度随时间周期性变化从而引起轮齿啮合力周期性变化。这样，即使外部载荷为零或者为常数时，系统也会因刚度激励而产生振动【。由于齿轮加工、安装误差引起

41、的齿廓表面相对于理想齿廓硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究的偏移是齿轮的误差激励，它也是一种周期性的激励。由于受载变形、加工误差和设计的非共轭性，轮齿在进入和退出啮合时，啮入和啮出点的位置会偏离理论啮合位置，使啮合齿面之间产生冲击引起啮合冲击激励【】【引。通过对齿轮激励的分析，可以看出齿轮的设计误差、制造误差、安装误差以及弹性变形是导致螺旋锥齿轮噪声和振动的主要原斟】。人耳对于频率为左右的噪声最为敏感，一般的齿轮的啮合频率（齿频）都小于。可以看出，让人最敏感的噪声并非是轮齿的啮合而产生的噪声【¨。齿轮副在激励的作用下产生振动，齿轮的啮合激励齿轮以及箱体的某些固有频率，使齿

42、轮以及箱体产生振动，从而产生噪纠】【。由此可见，箱体振动与齿轮噪声产生的本质是一致的，利用箱体的振动信号来评价齿轮副传动的噪声理论上是可行的。结构噪声检测方法根据中对螺旋锥齿轮结构噪声产生机理的分析，得出的结论是：可以用箱体的振动来评价齿轮副的噪声【】。使用三轴加速度传感器检测齿轮主轴箱的轴向和径向振动，可得到与振动幅度成正比的电信号，电信号可反映齿轮的振动，这就是结构噪声检测的主要原理，其原理如图所裂了。两个三轴加速度计分别安装在大轮和小轮主轴的前端，测量，和三个方向上的振动【】。当螺旋锥齿轮副在检验机上转动时，主轴会出现一些振动，这是由于齿轮副的各项误差造成的。传统的检测仪器分析结构噪声时

43、仅仅测量齿轮轴承附近的径向振动，但螺旋锥齿轮间有着较大的轴向力，在轴向同样会造成振动，因此使用三轴加速度计同时测量三个方向的振动信号，最大程度上使检测结果与实际情况相近。由于大轮和小轮都有可能导致并传递振动，因此在两个主轴上都安装有三轴加速度计。所以，小轮和大轮上的加速度传感器都可以获得三个独立信号。如图所示，小轮轴方向上测量的是小轮的轴向振动。把和轴方向上的振动信号做矢量加便可以得到径向振动分量，轮振动的径向分量可以用如下公式（）计算。厢。（）在螺旋锥齿轮传动的过程中，振动径向分量的方向会随着齿轮的转动而改变。单轴的加速度传感器只能对径向的一个方向上的振动分量进行检测，所以它的检测结果不能真

44、实地反应径向振动分量的实际值。但是，不管方向如何变化，螺旋锥齿轮传动过程中径向的振动分量都可以分解到、两个方向上，所以螺旋锥齿轮在传动过程中产生的径向分量可以用公式（）计算。同样对于大轮而言，方向上测量的是小轮的轴向振动，如图所示，在硕士学位论文第二章螺旋锥齿轮检验机相关理论研究和两个方向上的振动信号做矢量和以得到其径向振动分量，径向振动的计算公式如下：瑾丽（）图结构噪声检测原理图图展示了两个加速度计分别从小轮和大轮上三个方向上传出独立振动信号。使用快速傅立叶变换能够把这些振动信号从时域转换到频域，也可以对轴向振动或径向振动分量进行频谱分析，还也可以单独对某个方向上的信号进行变换，得到振动的各频率构成情况，以便查找出引起齿轮副振动的根源。信号采集与信号处理理论过去，信号处理一直是采用模拟设备来完成。近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，为信号采集与处理提供了强有力的手段。在电子技