摘要：該文設(shè)計了一種圓柱形型齒輪測量測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由底層接口軟件和上層應(yīng)用軟件兩大模塊組成，可控制齒輪測量儀完成齒輪齒廓、齒距、螺旋線等的測量，并可以對測量后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析、評定，生成測量報告。

關(guān)鍵詞：齒輪測量；測控系統(tǒng)

中圖分類號：TG86 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）16-3879-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對機電產(chǎn)品性能的要求也不斷提高，對產(chǎn)品中使用的齒輪精度的要求越來越高，齒輪測量儀器的市場需求也越來越大[1]。齒輪測量儀產(chǎn)品中，測量與控制系統(tǒng)已經(jīng)成齒輪測量儀的核心部分，齒輪量儀的競爭也由電氣部分的競爭轉(zhuǎn)向了測控系統(tǒng)的競爭[2]。圓柱齒輪是一種基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用在機械傳動領(lǐng)域。圓柱形型齒輪測量測控系統(tǒng)可完成齒輪齒廓、螺旋線、齒距的測量，對結(jié)果進行自動評定，并打印測量報告，有著很強的推廣和實用價值。

1 圓柱形齒輪測量與控制系統(tǒng)的構(gòu)成

本測量與控制系統(tǒng)包括底層的接口軟件模塊和上層的應(yīng)用軟件模塊，兩大部分組成。

底層的接口軟件部分是通過一個動態(tài)鏈接庫來實現(xiàn)其功能的。其中包括的那些函數(shù)可通過對PCI總線的讀寫，來完成對齒輪測量儀硬件部分的控制和對數(shù)據(jù)的讀取操作。主要包括：1）伺服運動軸的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)的讀入、輸出；2）輸入/輸出狀態(tài)的讀寫；3）測頭電感數(shù)據(jù)的獲取以及四軸光柵的同步采集。

上層應(yīng)用軟件是通過調(diào)用底層接口動態(tài)庫中的接口函數(shù)來完成測量控制功能的。包括齒輪齒廓測量、螺旋線測量和齒距測量三個主要功能模塊。

2 系統(tǒng)共用頭文件

三個共用頭文件分別存放底層接口軟件與上層應(yīng)用軟件共用的狀態(tài)位枚舉變量、常量、結(jié)構(gòu)變量以及系統(tǒng)異常處理類等。包括：

1）頭文件Devstate.h：其中包括底層和上層軟件共用的常量和枚舉變量的定義；

2）頭文件Point.h：其中包括共用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義了該系統(tǒng)用到的全部傳感器數(shù)據(jù)變量，其中包括一路電感、四路光柵以及偏差數(shù)據(jù)的存儲變量。

3）頭文件CDevException.h：在該文件中設(shè)計了系統(tǒng)異常處理類。通過對底層軟件各函數(shù)的調(diào)用，作出異常函數(shù)對系統(tǒng)硬件故障和底層軟件出現(xiàn)的異常診斷，再通過CDevException類對象向上層軟件顯示異常，上層的應(yīng)用軟件再根據(jù)實際情況進行判斷、處理。

3 底層的接口軟件

底層的接口軟件是用來完成測控系統(tǒng)中控制功能的。由MFC建立一個DLL工程，最終生成一個動態(tài)鏈接庫。將運動控制器和A/D數(shù)據(jù)采集卡提供的動態(tài)鏈接庫中及頭文件鏈接到所建立的工程中，該工程再通過調(diào)用運動控制器，利用A/D轉(zhuǎn)換板提供的相應(yīng)函數(shù)完成對齒輪測量儀硬件部分的控制，以達到完成所需運動和相關(guān)數(shù)據(jù)采集的目的。在該工程中包括如下幾類函數(shù)：

1）開關(guān)接口設(shè)備的函數(shù)：在上層軟件開啟和關(guān)閉時調(diào)用這類函數(shù)，以確保下層硬件設(shè)備受上層軟件控制的確定性；

2）用來進行數(shù)據(jù)采集的函數(shù)：任務(wù)是采集四路光柵和電感的數(shù)據(jù)，再交由上層軟件完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作；

3）進行運動控制的函數(shù)：包括一些控制電機運動的函數(shù)、進行速度設(shè)置的函數(shù)、加速度設(shè)置的函數(shù)，還有控制各軸電機運動、停止的止函數(shù)和體現(xiàn)電機狀態(tài)的返回函數(shù)等；

4）輸入/輸出函數(shù)：用來獲得各輸入口狀態(tài)、設(shè)置各輸出口狀態(tài)；

5）手、自動轉(zhuǎn)換函數(shù)：該函數(shù)可完成手動、自動轉(zhuǎn)換的功能。手動時，可由手動操作面板對儀器進行控制，而處于自動狀態(tài)時，手動面板操作無權(quán)限；

6）光柵清零函數(shù)：可將各軸光柵置零，建立系統(tǒng)絕對坐標系時將用到該函數(shù)。

4 測量控制系統(tǒng)設(shè)計

圓柱形齒輪測量控制系統(tǒng)可按齒輪測量原理完成齒輪齒廓、齒距以及螺旋線的測量，并將所得數(shù)據(jù)按相應(yīng)的偏差計算公式進行各項偏差數(shù)據(jù)的計算，將所獲結(jié)果與國際標準的偏差數(shù)據(jù)比較，判斷出測量齒輪的等級。

4.1 坐標系的建立

自動測量、建立坐標系是自動完成齒輪的齒廓、螺旋線、齒距測量的前提。建立了正確的坐標系后，被測齒輪和測頭間位置關(guān)系才能確定，系統(tǒng)才能準確地控制各軸的運動。圓柱形齒輪測量儀中包括回轉(zhuǎn)軸（主軸、M軸）、切向軸（X軸）、徑向軸（R軸）、垂向軸（Z軸）等坐標軸。進行測量的時候，坐標原點位于M軸的中線上，即被測齒輪基圓的圓心。切向和徑向以M軸中線作為坐標原點，用絕對坐標。而M軸和Z軸則用相對坐標。X軸和R軸方向坐標，可通過系統(tǒng)程序獲得的X軸方向和R軸方向的光柵尺的零位信號來完成。光柵尺的零位信號是通過光柵讀數(shù)頭移經(jīng)零位塊時獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。零位塊是一個參考機械零件，它被固定在光柵尺上，當光柵讀數(shù)頭移經(jīng)該零位塊時，光柵讀數(shù)頭的C相信號就會發(fā)出一個脈沖信號，運動控器中的函數(shù)即可獲得該零點信號。該功能模塊可控制T軸（切向滑板垂直齒面的軸）和R軸，確定這兩個軸的絕對坐標零點；在M軸和Z軸建立起相對坐標。

4.3 齒廓測量

該測量控制系統(tǒng)依據(jù)齒廓測量原理對齒廓進行測量，測量步驟如下：

1）分別控制R軸和T軸運動，運動到齒頂圓外坐標位置；

2）再控制R軸，將R軸定位到被測量齒輪的基圓長度上，控制T軸，使測頭接觸到被測齒的齒面；

3）控制M軸和T軸聯(lián)動，到分度圓位置，并通過調(diào)用靠測頭函數(shù)，使測頭和齒面保證能分度圓位置完好地接觸；再向齒根聯(lián)動，運動到起測位置；將起測點坐標進行存儲；再通過M軸、T軸向齒頂聯(lián)動，進行數(shù)據(jù)的測量；

4）同時，系統(tǒng)可利用電機狀態(tài)函數(shù)查詢控制器的狀態(tài)，進行“是否已到終測點”的判斷，達到則停止運動；否則，每隔一個采樣間隔，采集一個測量點數(shù)據(jù)，進行偏差值計算；

4.4 螺旋線測量

4.5 齒距測量

在設(shè)計過程中，因考慮到成本問題，R軸長光柵傳感器只采用了分辨率為1μm、價格較低的國產(chǎn)光柵尺。R軸也只用來進行基圓位置的確定，而不參與測量過程。

在系統(tǒng)控制下，首先，將R軸定位到被測量齒輪的基圓長度上，T軸定位到被測齒輪分度圓長度上；然后，控制T軸、M軸聯(lián)動，從分度圓處開始向齒頂做漸開線運動；同時，在分度圓位置獲得光柵和電感的數(shù)據(jù)，進行齒距偏差的計算，獲得該齒的偏差數(shù)據(jù)。然后，再繼續(xù)T軸和M軸的運動，當測頭達到齒頂圓外后，旋轉(zhuǎn)M軸電機，越過一個齒，再重復(fù)上述操作，即可獲得下一個齒的偏差數(shù)據(jù)；這樣累計測量Z+1個齒，即可得到齒距累積偏差數(shù)據(jù)。這種方式效率雖不高，但測量精度卻比較高。

5 結(jié)論

通過對各模塊功能的測試，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠準確高效地對儀器進行控制，數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果已達到設(shè)計要求的精度水平，滿足用戶需求。

參考文獻：

[1] 張樹坤.3002型齒輪測量儀螺旋線測量的實現(xiàn)[J].計量技術(shù)，2008（6）.

[2] 謝華錕.近年來齒輪測量技術(shù)與儀器的發(fā)展[J].工具技術(shù)，2004（38）：27-30.