EVTM型齿距测量仪智能化改造案例

1、EVTM型齿距测量仪智能化改造案例刘聪智 刘聪智(1973-)，男，湖南邵阳人，博士生，主要研究方向：计量测试技术、视觉检测技术 赵辉 赵辉(1965-)，男，上海交通大学教授，博士，籍贯辽宁，研究方向：现代传感器、视觉检测技术、计量测试技术。上海交通大学信息检测技术及仪器系，上海 200030摘要：为解决传统齿轮齿距测量方法存在的同步困难、稳定性差、操作复杂等缺点，提出一种基于凌华公司的RACK610工控机和PCI91111HG多功能数据采集卡的齿距测量方法，采用自适应控制技术实现了测量时间间隔与齿轮转动速度的智能化同步。该方法成功地应用于EVTM齿轮齿距测量仪升级改造，大大提高了测量精度和

2、抗干扰能力。关键词：齿轮 齿距 测量 同步1 引言影响齿轮传动精度和平稳性的主要因素是齿距均匀性，齿轮齿距误差是衡量齿轮准确度的主要参数之一。因此，在齿轮生产过程中，必须对此参数进行精密测量1。国内使用的半自动齿距检查仪大多数是我国六、七十年代从原西德进口的EVTM型齿轮检查仪，该检查仪可以用来检测齿轮齿距、齿轮径向跳动等参数。现在大部分都不能使用，处于停机状态，不能发挥作用。随着科学技术的发展，此类仪器早已不适应现阶段齿距的测量要求，主要存在操作复杂、系统可靠差、测量误差大和测量参数少等问题，因此我们对该仪器进行了智能化改造，除保留原机械系统和传感器外，重新设计了控制和数据处理系统。2 测量

3、原理该仪器应用相对测量法原理进行齿距偏差和齿距累积误差测量，以齿轮上任一个齿距或相邻齿距之和（实质上是齿距所对应的弦长）作为相对基准，依次测出其他齿距相对于作为基准的齿距之间的差值，经过数据处理求出第i齿齿距偏差fpti,进而计算出齿距偏差fpt、齿距积累误差Fp。其测量的实质是比较弦长的不均匀性，这种方法又被称为线性测量法。 测量台上装有左右两个传感器，其中一个作为定位用，另一个作测量用，根据被测齿轮所需测量齿面的不同，两个传感器的作用可以互换。测量前首先选定一个基准齿距值，该值即为两传感器都指零时两测量头间的距离。在连续测量时，主轴带动被测齿轮连续旋转，电感式左右传感器在驱动电路的控制下，

4、在测量台上做周期性的往返运动。为实现连续测量，仪器的测量台的运动必须与被测齿轮的旋转同步，即每当齿间对准测量头时，测量台带动传感器前进，使测量头停留在齿间的分度圆附近等待测量，当定位传感器指零时，发出采样信号，采样结束后测量头自动退出齿间，在测头端停顿t时间后测头再次进入齿间。时间t按被测齿轮旋转速度和齿轮参数调定，使在该时间内，被测齿轮的下一齿间恰好对准测量头。3 系统组成结构在进行系统设计时，充分考虑了原操作习惯，最大限度地运用“硬件软化、软件硬化”的思想，同时也采用了高集成度传感器信号处理芯片、固态继电器、光电隔离等器件，从而大大提高系统的稳定性和抗干扰能力。图1为系统框图，图2为现场图

5、。左传感器右传感器传感器信号处理电路数据采集卡PCI9111A/DD/ ADIDO光电隔离位置开关面板按钮测头保护开关测头保护电路主轴转速传感器固态继电器测头退位电磁铁打印机显示器面板模拟表显示主轴电机测头驱动电机直流稳压电源光电隔离RACK610图1 系统框图图2 EVTM型齿距测量仪智能化改造4 信号处理单元原仪器测量头传感器为差动电感传感器，经验证其线性和精度能够满足测量要求。为提高测量系统的稳定性和精度，在传感器信号处理部分我们采用了高集成度AD598芯片。图3 为AD598功能框图，AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够将

6、LVDT的机械位置转换成具有高精度和高可重复性的单极性或双极性直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，AD598将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。只要将AD598的信号输出直接于多功能数据采集卡A/D输入端相连，经过一定的比例因子换算就可以转变为机械位移。图3 AD598功能框图5 输入输出接口 计算机接口电路采用了ADLINK的PCI9111HG多功能数据采集卡，其包含了16位A/D、D/A、16位DI和16位DO，本系统的设计充分发挥该采集卡的大部分功能。DI和DO与采集卡之间都使用了

7、光电隔离器件，电机驱动全部采用固态继电器，避免了传统机械继电器的触点可靠性差的缺点，且反应速度快，易于控制。固态继电器的控制电压为3V，光电隔离器件完全可以直接驱动。整个测量系统只有传感器信号处理电路输出信号与计算机直接相连，因此大大提高了系统的可靠性和稳定性。6 主轴和测量头的同步同步时间t的确定是原仪器最难控制的，靠人眼观测，误差很大，熟练操作人员也需要多次调整才能实现被测齿轮旋转和测量头进给的同步。由于直接测量主轴转动速度比较麻烦，测量主轴的周期就相对比较简单，所以本系统的速度传感器采用一个非接触型的霍尔接近开关。暂停时间t是由计算机自动确定，在主轴旁边安装一个非接触的接近开关支架，利用

8、主轴法兰盘的T型槽固定一小块突出金属，原来设备不需要作任何改动就能实现自适应同步。在开始测量前，让被测齿轮空转一圈，计算机测量出转一圈的时间，然后除以齿数就可以得到每齿测量时间，然后减去测量头运动时间就可得到暂停时间。测量过程中，计算机自动测量测头在每个齿隙的停留时间，并与标准停留时间进行比较，差值用来控制下一个齿的暂停时间t。本测量系统的软件是用采样VB语言编制的，其中每齿测量时间确定子程序如下：Public Sub Pause_Time()Result = DI_ReadLine(card, P9111_CHANNEL_DI, 14, DI) '14为速度传感器输入通道，此语句读入

9、速度传感器的状态，1表示金属块未与传感器接近，0则反之；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 '下降沿为计时起点timeGettime 为Windows API 函数，返回自从Windows启动到现在所经历的毫秒数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 '第二个下降沿为齿轮旋转一圈的计时终点CircleTime = EndTime - StartTimePauseTime = SircleTime / Z 'PauseTime 为测量每个齿所需的时间，Z为齿数End Sub7 数据处理计算机在数据处理方面的优势是勿庸置疑的，在一次安装测量之后，可将任意参数的误差值和误差曲线数字显示和打印出来。这里仅说明一下在数据采集过程中对传感器信号的处理。数据采集卡的采样频率是100KHz，远远超过测量系统的频率。为了消除外界干扰信号对测量结果的影响，我们对每个齿的采样数据进行了平滑平均处理，从而提高了测量系统的精度、抗干扰能力和稳定性。数据处理流程图如图4所示。采样信号左右传感器交替连续采样14个点求两个传感器的差（7点）排序求中间三点的均值测量结果图4 采样数据处理框图8 测试结果与分析我们采用以上方案对上海某机床厂的一台EVTM型齿轮测量仪进行了改造，各种技术指标都大大超过了原测量系统，其中重复性误差不超过0.3m，得到了厂方的