齒輪作為重要的工業(yè)基礎(chǔ)部件，被廣泛應(yīng)用在各種傳動(dòng)系統(tǒng)中，其生產(chǎn)質(zhì)量直接影響機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性及使用壽命，因此齒輪的出廠檢測(cè)具有重要的意義。齒輪雙面嚙合儀能夠?qū)X輪各個(gè)單項(xiàng)誤差進(jìn)行綜合，得到齒輪的徑向綜合總偏差，反映出齒輪實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的傳動(dòng)狀況，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、檢測(cè)效率高、測(cè)量結(jié)果可以很好地反映齒輪工作的真實(shí)狀態(tài)，是齒輪質(zhì)量的主要檢測(cè)方法之一，廣泛應(yīng)用于齒輪的快速測(cè)量與分選工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。
傳統(tǒng)的機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀對(duì)齒輪進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要依靠操作者手動(dòng)驅(qū)動(dòng)或手輪驅(qū)動(dòng)使產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周，對(duì)檢測(cè)過(guò)程中千分表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并記錄，存在檢測(cè)速度慢，無(wú)法保持恒速恒載狀態(tài)等問(wèn)題，對(duì)檢測(cè)精度有一定的影響。為了提高檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)齒輪的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量，國(guó)內(nèi)外研制出多種型號(hào)的智能齒輪嚙合儀，如哈量智能齒輪雙面嚙合綜合測(cè)量?jī)x 3100A 型、德國(guó) FRENCO ZWP 06 齒輪雙面嚙合儀、大阪精密機(jī)械 GTR-4LS 小模數(shù)齒輪雙面嚙合 儀等均在市場(chǎng)中得到應(yīng)用，提高了齒輪的檢測(cè)效率，但受其成本限制，與傳統(tǒng)的機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀相比，使用率相對(duì)較低。因此在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)情況，研制出全自動(dòng)齒輪雙面嚙合儀，對(duì)于齒輪標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量和提高檢測(cè)效率具有重要的意義。
本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀進(jìn)行智能化改造并設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)齒輪的自動(dòng)化測(cè)量與結(jié)果分析，有效提高齒輪的檢測(cè)效率。
一、系統(tǒng)檢測(cè)原理
齒輪雙面嚙合儀測(cè)量原理
齒輪雙面嚙合測(cè)量技術(shù)是基于齒輪精度的誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，利用齒輪雙面嚙合綜合測(cè)量快速獲取齒輪的誤差信息。齒輪雙面嚙合測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，產(chǎn)品齒輪和測(cè)量齒輪分別安裝到左右平臺(tái)的固定軸上，在拉簧的作用力下，兩齒輪無(wú)側(cè)隙嚙合，通過(guò)固定在底座上的千分表測(cè)量滑動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)軌的位移信息間接測(cè)量齒輪中心距的變化。將千分表的測(cè)量數(shù)據(jù)和齒輪旋轉(zhuǎn)角度記錄下來(lái)繪制曲線，得到齒輪雙面嚙合徑向誤差曲線(見(jiàn)圖 2)。
齒輪雙面嚙合儀檢測(cè)參數(shù)
齒輪雙面嚙合測(cè)量項(xiàng)目主要包括徑向綜合總偏差 Fi″ 和一齒徑向綜合偏差 fi″。
(1) 徑向綜合總偏差 Fi″ 指的是在齒輪雙面嚙合檢測(cè)時(shí)，測(cè)量齒輪與產(chǎn)品齒輪兩齒輪之間無(wú)側(cè)隙嚙合，產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，兩齒輪中心距的最大值與最小值之差，是影響齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性的主要誤差項(xiàng)目之一。其計(jì)算如式(1) 所示。
式中: i = 1，2，3…，n; Y[i]為中心距數(shù)組。
(2) 一齒徑向綜合偏差 fi″ 指的是在產(chǎn)品齒輪與測(cè)量齒輪嚙合接觸旋轉(zhuǎn)一周后，在單個(gè)齒距角內(nèi)，兩齒輪中心距的最大值。fi″ 主要影響單個(gè)齒距角內(nèi)瞬時(shí)傳動(dòng)比的變化，是影響齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性的主要誤差項(xiàng)目之一，其計(jì)算如式(2) 所示。
式中 z2 為被測(cè)齒輪齒數(shù)。
二、測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
為了保證系統(tǒng)的可靠性和滿足系統(tǒng)的智能化測(cè)量需求，采用 PLC 為下位機(jī)、計(jì)算機(jī)為上位機(jī)的相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)齒輪雙面嚙合儀測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)交互功能，測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方案如圖 3 所示。
硬件部分主要由上位機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步帶、產(chǎn)品齒輪、測(cè)量齒輪、激光位移傳感器及 PLC 組成。上位機(jī)通過(guò) RS422 通信協(xié)議實(shí)時(shí)獲取和處理激光位移傳感器的數(shù)據(jù)信息，得到測(cè)量齒輪和產(chǎn)品齒輪中心距變化信息。PLC 通過(guò) RS232 通信協(xié)議接受來(lái)自上位機(jī)的報(bào)文指令，作用于伺服控制系統(tǒng)，控制電機(jī)精確運(yùn)動(dòng)。
在進(jìn)行齒輪測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)發(fā)送指令給 PLC，控制產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)處理和記錄測(cè)量過(guò)程中激光位移傳感器的數(shù)據(jù)，繪制出測(cè)量曲線。產(chǎn)品齒輪停止旋轉(zhuǎn)后，上位機(jī)對(duì)記錄的數(shù)據(jù)再次處理，評(píng)價(jià)齒輪是否滿足加工要求。
三、測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
齒輪嚙合儀驅(qū)動(dòng)改造
對(duì)某型齒輪雙面嚙合儀器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)改造如圖 4 所示，在測(cè)量齒輪側(cè)新增一個(gè)底座用于安裝減速器，減速比為 1∶10，伺服電機(jī)連接減速器，使得齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)單位脈沖對(duì)應(yīng)的相位角精度提升 10 倍，從而提高定位精度。減速器的輸出端和標(biāo)準(zhǔn)齒輪固定軸各安裝一個(gè)同步輪，用同步帶連接，標(biāo)準(zhǔn)齒輪軸上的同步輪打孔固定傳動(dòng)銷(xiāo)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪底端銑削出凹槽，當(dāng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)銷(xiāo)在周向上與標(biāo)準(zhǔn)齒輪凹槽產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。激光位移傳感器通過(guò)支架固定到底座的左側(cè)，激光直射到滑動(dòng)平臺(tái)的左側(cè)端面上，測(cè)量滑動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)軌的位移變化。改造后的齒輪雙面嚙合儀由手動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式升級(jí)為伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，增加齒輪測(cè)量過(guò)程的平穩(wěn)性，提高了檢測(cè)精度。
位移測(cè)量模塊
位移測(cè)量模塊測(cè)量齒輪的中心距變化，將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理。系統(tǒng)采用 HL-G103-S-J 型號(hào)的激光位移傳感器測(cè)量齒輪嚙合中心距的變化，原理是發(fā)射出一束激光射向物體表面，測(cè)量出往返時(shí)間，根據(jù)光速計(jì)算出往返距離。該傳感器有效測(cè)量范圍為 26.3 mm，分辨率為 0.5 μm，滿足測(cè)量任務(wù)的精度要求，并以 RS422 通訊協(xié)議將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。
控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊
控制模塊以 FX3U-64 PLC 為主控制器，F(xiàn)X3U 系列控制器具有價(jià)格低、響應(yīng)速度快，功能強(qiáng)大，使用靈活等特點(diǎn)。伺服控制器產(chǎn)生高速脈沖信號(hào)，作用于伺服驅(qū)動(dòng)器，精確控制測(cè)量過(guò)程中齒輪的旋轉(zhuǎn)位置。PLC 系統(tǒng)的 I/O 分配表如表 1 所示。
為保持測(cè)量過(guò)程中精確的位置控制，本文選用伺服 A5 系列 MHMF012LU2M 伺服電機(jī)及與之匹配的伺服控制驅(qū)動(dòng)器 MADLT05SF 作為測(cè)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元。
四、測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)的人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)和具有隨動(dòng)功能的 PLC 控制程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)人機(jī)交互界面用 LabVIEW 設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)記錄和綜合誤差曲線的顯示以及測(cè)量結(jié)果的分析，是操作者與設(shè)備測(cè)量信息交互的平臺(tái); PLC 則主要負(fù)責(zé)齒輪的旋轉(zhuǎn)定位和隨動(dòng)過(guò)程中的位置控制。
具有隨動(dòng)功能的 PLC 程序設(shè)計(jì)
PLC 執(zhí)行的主要功能分為測(cè)量功能和隨動(dòng)功能，如圖 5 所示。測(cè)控系統(tǒng)上電后，PLC 初始化運(yùn)行參數(shù)，定義默認(rèn)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求調(diào)節(jié)測(cè)量速度，實(shí)時(shí)記錄伺服電機(jī)的絕對(duì)位置。本文通過(guò)產(chǎn)品齒輪齒數(shù)和測(cè)量齒輪齒數(shù)計(jì)算出產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)，計(jì)算公式為
式中：Pul 為產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù); n 為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù); Z1 為產(chǎn)品齒輪齒數(shù); Z2 為測(cè)量齒輪齒數(shù)。
PLC 收到上位機(jī)的測(cè)量指令后，控制伺服電機(jī)以設(shè)定的速度驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品齒輪精確旋轉(zhuǎn)一周。
針對(duì)產(chǎn)品齒輪表面可能存在毛刺或附有異物的問(wèn)題，設(shè)計(jì)隨動(dòng)功能。從誤差曲線可以觀察到異常位置，移動(dòng)游標(biāo)至該位置后，上位機(jī)向 PLC 寫(xiě)入異常位置信息，PLC 比較該位置與測(cè)量時(shí)的初始位置，計(jì)算出異常位置相對(duì)于操作者的位置，隨后控制電機(jī)將產(chǎn)品齒輪的異常位置正對(duì)操作者。
上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
選用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的上位機(jī)程序，主要分為設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)交互模塊、測(cè)量分析模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊。
設(shè)置模塊建立起上位機(jī)與 PLC 和激光位移傳感器通信連接，是數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)條件; 數(shù)據(jù)交互模塊分為 2 個(gè)部分，一是根據(jù) PLC 數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則發(fā)送指令和讀取 PLC 寄存器信息，二是根據(jù)激光位移傳感器數(shù)據(jù)格式獲取測(cè)量的數(shù)據(jù)信息; 測(cè)量分析模塊對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制綜合誤差曲線，得到齒的誤差信息;歷史數(shù)據(jù)模塊用于讀取測(cè)量過(guò)的齒輪信息。
設(shè)置模塊：設(shè)置模塊是建立上位機(jī)和 PLC 通信以及獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，該模塊利用 VISA 工具包設(shè)置上位機(jī)與 PLC、上位機(jī)與激光位移傳感器的通信參數(shù)，建立起通信連接。在此模塊可以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)動(dòng)作以及觀察查激光位移傳感器的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息，用于判斷上位機(jī)與 PLC 和激光位移傳感器是否通信正常以及調(diào)節(jié)測(cè)量硬件，使測(cè)控系統(tǒng)達(dá)到良好的工作狀態(tài)。
數(shù)據(jù)交互模塊：數(shù)據(jù)的交互是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。上位機(jī)采用 FX 編程口通信協(xié)議協(xié)議直接發(fā)送報(bào)文指令給 PLC，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。創(chuàng)建一個(gè)報(bào)文生成模塊子 vi，輸入要寫(xiě)入的值和 PLC 相應(yīng)的寄存器地址，通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)計(jì)算出報(bào)文，以字符串的形式發(fā)送到 PLC，報(bào)文生成程序如圖 6 所示。
對(duì)來(lái)自激光位移傳感器的數(shù)據(jù)以截取字符串的形式得到十進(jìn)制數(shù)字符串，轉(zhuǎn)化為整數(shù)，處理得到實(shí)際數(shù)值; 針對(duì)字符串?dāng)?shù)據(jù)突變的現(xiàn)象，設(shè)定一個(gè)閾值，剔除超出閾值的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性; 激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集處理程序如圖 7 所示。
測(cè)量分析模塊：測(cè)量分析模塊是智能化齒輪雙面嚙合儀測(cè)控系統(tǒng)的核心，主要功能是實(shí)時(shí)繪制誤差曲線，分析測(cè)量結(jié)果。
在此模塊中需要輸入測(cè)量齒輪齒數(shù) Z1、產(chǎn)品齒輪齒數(shù) Z2、公差范圍和設(shè)置測(cè)量速度，從而建立一個(gè)測(cè)量方案。啟動(dòng)檢測(cè)流程后，上位機(jī)給 PLC 發(fā)送測(cè)量指令，同時(shí)采集傳感器位移數(shù)據(jù)，顯示測(cè)量齒輪和產(chǎn)品齒輪的實(shí)時(shí)嚙合曲線，并將原始數(shù)據(jù)以 txt 文件的形式保存到系統(tǒng)中。
采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法( EMD) 處理產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一圈后激光位移傳感器采集的原始數(shù)據(jù)( 如圖 8 所示) ，分離出測(cè)量齒輪與產(chǎn)品齒輪的中心距數(shù)據(jù)，確定嚙合誤差曲線中所有的極大值和極小值，獲得 fi″; 確定數(shù)據(jù)的最大值與最小值，計(jì)算 Fi″，從而判斷 齒輪是否滿足加工要求。若產(chǎn)品齒輪某個(gè)位置存在異常，操作者可移動(dòng)嚙合曲線的游標(biāo)，可將該位置正對(duì)操作者，方便觀察異常情況。
歷史數(shù)據(jù)模塊：歷史數(shù)據(jù)模塊可以還原出所有產(chǎn)品齒輪的測(cè)量結(jié)果信息，界面如圖 9 所示。操作者可以選擇數(shù)據(jù)所在的文件夾，選擇要讀取的數(shù)據(jù)，獲取測(cè)量時(shí)間。單擊“讀取”按鈕，可以獲得 Z1、Z2、設(shè)定的最大誤差范圍以及實(shí)際誤差，同時(shí)繪制出歷史嚙合誤差曲線圖; 若需要出具檢測(cè)報(bào)告，可通過(guò)“報(bào)表生成”按鈕一鍵生成。
五、系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證
齒輪雙面嚙合儀智能化改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電氣控制部分如圖 10 所示。為了驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定性和重復(fù)測(cè)量精度，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試，選取產(chǎn)品齒輪齒數(shù)為 36，測(cè)量齒輪齒數(shù)為 63 作為試驗(yàn)對(duì)象。
圖 10 齒輪雙面嚙合儀智能化改造機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電氣控制部分
智能化改造機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電氣控制部分
新建一個(gè)測(cè)量方案，在參數(shù)輸入部分輸入基本的測(cè)量參數(shù)，設(shè)定 Fi″ 和 fi″ 的最大誤差范圍。單擊“開(kāi)始測(cè)量”，上位機(jī)向 PLC 發(fā)送測(cè)量指令，精確控制產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)解析激光位移傳感器的數(shù)據(jù)，繪制綜合誤差曲線。測(cè)量結(jié)束后，得到 fi″ 和 Fi″。兩組數(shù)據(jù)都在設(shè)定的最大誤差范圍之內(nèi)，說(shuō)明產(chǎn)品齒輪符合加工要求。并在綜合誤差曲線中顯示最大值與最小值的位置，同時(shí)對(duì)反映一齒徑向綜合偏差的誤差曲線加粗顯示。測(cè)量結(jié)果如圖 11 所示。
移動(dòng) x 軸上綜合誤差曲線中的游標(biāo)到異常位置，單擊“隨動(dòng)”按鈕，控制伺服電機(jī)將產(chǎn)品齒輪該位置正對(duì)操作者，方便觀察該位置的情況，驗(yàn)證隨動(dòng)功能的完整性。
根據(jù)以上的試驗(yàn)方法，對(duì)產(chǎn)品齒輪齒數(shù)為 36，測(cè)量齒輪齒數(shù)為 63 的試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行多次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。
使用德國(guó) FRENCO ZWP 14 齒輪雙面嚙合儀測(cè)量的產(chǎn)品齒輪的結(jié)果為: Fi″ 為0.023 6 mm，fi″ 為0.010 7 mm。由表 2 可得，通過(guò) 7 組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)智能化改造后的齒輪雙面嚙合儀可以準(zhǔn)確的得到齒輪主要測(cè)量參數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差較小，滿足檢測(cè)要求。
六、結(jié)論
本文對(duì)機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了基于 FX3U-64 PLC 與 LabVIEW 的智能齒輪雙面嚙合儀測(cè)控系統(tǒng)，提出了總體方案、硬件和軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明該測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了齒輪的自動(dòng)化測(cè)量、對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理分析，能夠自動(dòng)判別 齒輪的加工質(zhì)量，操作者可根據(jù)波形圖定位到齒輪異常位置，滿足了工業(yè)的生產(chǎn)需求，有效提高了齒輪的檢測(cè)效率。
參考文獻(xiàn)略.