RV減速器擺線輪關(guān)鍵誤差軟件制作技術(shù)及數(shù)據(jù)處理

趙雅坤，上官林建

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450046）

引言

RV減速器是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅克服了一般針擺行星傳動(dòng)穩(wěn)定性不高的缺點(diǎn)，而且具有體積小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域中[1]。RV減速器在工作過程中由于齒輪之間的激振力而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，影響減速器的傳動(dòng)性能，其中，擺線輪是影響RV減速器傳動(dòng)特性的關(guān)鍵零件[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在減速器傳動(dòng)誤差分析方面做了大量的研究工作，但涉及RV減速器的誤差數(shù)據(jù)處理的研究還不多。肖定坤等[3]以 RV精密減速器為研究對(duì)象，分析了轉(zhuǎn)速、載荷對(duì)于傳動(dòng)誤差的影響。郭沛霖等[4-5]基于RV減速器傳動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)分析，仿真建模剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析了擺線輪齒廓修形、幾何誤差及載荷對(duì)動(dòng)態(tài)傳動(dòng)精度的影響。

本文主要研發(fā)制作了誤差處理軟件，并對(duì)RV減速器中擺線輪的關(guān)鍵誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為RV減速器的關(guān)鍵零件誤差分析提供方法。

1 軟件編程語言和開發(fā)平臺(tái)介紹

1.1 NET框架（.NET Framework）

1.2 C#（C Sharp）語言

C#是由微軟（Microsoft）公司開發(fā)，從 C語言和 C++語言衍生出來的一種安全穩(wěn)定、簡單優(yōu)雅的面向?qū)ο缶幊陶Z言（OOP：Object-Oriented Programming），廣泛運(yùn)行于.NET Framework和.NET Core平臺(tái)之上。C#幾乎集中了所有關(guān)于軟件開發(fā)和軟件工程研究的最新成果：面向?qū)ο蟆㈩愋桶踩?、組件技術(shù)、自動(dòng)內(nèi)存管理、跨平臺(tái)異常處理、版本控制、代碼安全管理等等。它在繼承C和C++語言強(qiáng)大功能的同時(shí)去掉了一些它們的復(fù)雜特性（例如沒有宏以及不允許多重繼承），綜合了Visual Basic簡單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言[7]。

1.3 Visual Studio 2019和Visual C#

如圖2所示，Visual Studio 2019是2019年4月2日微軟公司最新發(fā)布的開發(fā)工具包產(chǎn)品，內(nèi)部版本號(hào) 16.0，基于.NET Framework 4.7，集成了Visual C++ 2019、Visual C#2019、Visual Basic2019、Visual F# 2019等開發(fā)工具，是一個(gè)基本完整的開發(fā)工具集。它還包括了整個(gè)軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等等，是目前最流行的 Windows平臺(tái)應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境。以Visual Studio 2019作為開發(fā)平臺(tái)，利用其提供的可視化設(shè)計(jì)器、以及能夠加速開發(fā)和處理所有類型數(shù)據(jù)的語言增強(qiáng)功能，快速地進(jìn)行應(yīng)用程序的可視化開發(fā)[8]。

圖2 Visual Studio 2019

1.4 Steema Teechart圖表控件

圖3 TeeChart控件提供各種樣式的Chart圖表

2 軟件制作技術(shù)

2.1 軟件界面制作技術(shù)

首先新建“RVsimulator”解決方案和項(xiàng)目，為其添加窗體“FormMain”，編輯Program.cs設(shè)置“FormMain”窗體為程序的主入口點(diǎn)。在資源管理器的“FormMain”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“查看代碼”，打開“FormMain.cs”代碼編輯窗口。其次，對(duì)“FormMain”窗體進(jìn)行功能菜單設(shè)計(jì)，從“工具箱”中添加“MenuStrip”為主界面設(shè)置各個(gè)菜單項(xiàng)，最終主窗體如圖4所示。

圖4 RV減速器典型零件關(guān)鍵誤差測量軟件主界面

2.2 軟件框架制作技術(shù)

RV減速器典型零件關(guān)鍵誤差軟件針對(duì)其典型零件，主要包括前臺(tái)用戶界面設(shè)計(jì)和后臺(tái)誤差數(shù)據(jù)計(jì)算程序的運(yùn)行，完成的功能主要包括參數(shù)輸入、誤差計(jì)算和計(jì)算結(jié)果處理三個(gè)模塊。

如圖5所示，以擺線輪為例，根據(jù)功能模塊設(shè)計(jì)框圖設(shè)計(jì)出擺線輪的菜單項(xiàng)，分為擺線輪1和擺線輪2兩部分，每部分項(xiàng)目相同，包括參數(shù)輸入、誤差計(jì)算和誤差圖形分析，誤差圖形分析子菜單項(xiàng)包括理論和實(shí)際齒形合并圖、第 20個(gè)齒的理論和實(shí)際齒形合并圖、齒槽誤差和齒距累積偏差。

圖5 擺線輪菜單項(xiàng)

根據(jù)軟件整體框架、功能模塊和菜單欄目設(shè)置，制作各個(gè)菜單對(duì)應(yīng)的 Windows Form窗體。擺線輪窗體包括FormBxl.cs、Formbxl01pic01.cs、Formbxl01pic02.cs、Formbx l01pic03.cs、Formbxl01pic04.cs，F(xiàn)ormBxl2.cs、Formbxl02pic 01.cs、Formbxl02pic02.cs、Formbxl02pic03.cs、Formbxl02pic 04.cs。

3 擺線輪關(guān)鍵誤差的軟件制作技術(shù)及其誤差確定

擺線輪關(guān)鍵誤差的軟件制作主要包括前臺(tái)用戶界面設(shè)計(jì)和后臺(tái)誤差數(shù)據(jù)計(jì)算程序的運(yùn)行，完成的功能主要包括擺線輪參數(shù)輸入、輸出數(shù)據(jù)文件處理、誤差計(jì)算和誤差圖形分析三個(gè)模塊。

3.1 誤差計(jì)算時(shí)的輸入、輸出數(shù)據(jù)文件處理技術(shù)

以擺線輪1為例，如圖6 所示，在“解決方案資源管理器”RVsimulator上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“添加”——“窗體（Windows窗體）”，命名為“FormBxl.cs”，即擺線輪1參數(shù)輸入窗體。

圖6 添加“擺線輪1參數(shù)輸入”窗體

RV減速器典型零件中擺線輪數(shù)量有3個(gè)，每個(gè)擺線輪的參數(shù)輸入包括參數(shù)數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)文件的輸入。

（1）擺線輪1需要輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)如下：

①基本參數(shù)5個(gè)：

re——偏心距（mm）；

rz0——針齒半徑（mm）；

za——擺線輪齒數(shù)；

zb——針輪齒數(shù)；

rz——針齒分布圓的理論半徑（mm）；

②測點(diǎn)數(shù)5個(gè)：

m10——擺線輪中心孔測點(diǎn)數(shù)（≤600）；

m11——擺線輪曲柄軸孔1測點(diǎn)數(shù)（≤600）；

m12——擺線輪曲柄軸孔2測點(diǎn)數(shù)（≤600）；

m13——擺線輪曲柄軸孔3測點(diǎn)數(shù)（≤600）；

ms——擺線輪齒廓上的測點(diǎn)數(shù)（≤6000）。

圖7 “擺線輪1參數(shù)輸入”界面

如圖7所示，“擺線輪1參數(shù)輸入”界面由10個(gè)TextBox（輸入文本框）控件、其對(duì)應(yīng)的Label標(biāo)簽控件、“保存數(shù)據(jù)”和“退出”兩個(gè)按鈕控件組成，TextBox控件在C#中的表示為System.Windows.Forms.TextBox，10個(gè)TextBox的變量名為 textBox1～textBox10。

為了使誤差計(jì)算程序讀取參數(shù)方便，需將基本參數(shù)數(shù)據(jù)和被測點(diǎn)數(shù)據(jù)分開保存，用戶通過界面輸入數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，textBox1～textBox5控件的基本參數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)保存至jibencanshu.dat文件中。同時(shí)，textBox6～textBox10控件的被測點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)保存至ceshidianshu.dat文件中。

以上數(shù)據(jù)保存完畢后，軟件會(huì)彈出窗口，提示“數(shù)據(jù)已保存在bxl1文件夾下”。由于擺線輪數(shù)量有3個(gè)，特在程序目錄下建立了bxl1、bxl2和bxl3三個(gè)文件夾，保證程序運(yùn)行時(shí)所有的數(shù)據(jù)都會(huì)保存在各自的文件夾中。

（2）數(shù)據(jù)輸入文件如下：

b1k0.dat—擺線輪1中心孔上的測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

b1k1.dat—擺線輪1曲柄軸孔1上的測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

b1k2.dat—擺線輪1曲柄軸孔2上的測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

b1k3.dat—擺線輪1曲柄軸孔3上的測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

b1c.dat—擺線輪1齒廓上的測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

以上文件預(yù)先保存于各自文件夾中，供誤差計(jì)算時(shí)讀取。

3.2 FORTRAN語言編寫誤差計(jì)算程序的鏈接技術(shù)

本軟件基于Windows操作系統(tǒng)，Visual C#作為前臺(tái)開發(fā)工具，設(shè)計(jì)各個(gè)零件的參數(shù)和數(shù)據(jù)輸入界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、計(jì)算結(jié)果圖形顯示等交互功能，后臺(tái)進(jìn)行誤差計(jì)算需調(diào)用Fortran語言編寫的運(yùn)算程序。

圖8 Fortran PowerStation 4.0軟件

如圖 8所示，誤差計(jì)算程序開發(fā)工具使用的是 Fortran PowerStation 4.0（Microsoft Developer Studio），因此，能否將前臺(tái)界面用戶輸入的數(shù)據(jù)正確地傳遞給Fortran運(yùn)算程序，是誤差計(jì)算結(jié)果正確與否的關(guān)鍵因素；Fortran程序后臺(tái)運(yùn)算結(jié)束后，能否實(shí)時(shí)給前臺(tái)反饋信息是檢驗(yàn)軟件是否友好的一個(gè)重要指標(biāo)[10]。

3.3 測點(diǎn)圖形制作技術(shù)

擺線輪測點(diǎn)數(shù)據(jù)是以.DAT數(shù)據(jù)文件的形式保存于指定的文件夾中，測點(diǎn)圖形的繪制需要讀取這些數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)化成數(shù)組形式，通過 TeeChart Pro v8 ActiveX控件顯示不同的曲線，同時(shí)，調(diào)整X和Y軸的相關(guān)參數(shù)可以對(duì)測點(diǎn)圖形進(jìn)行任意比例縮放控制。

（1）前臺(tái)圖形顯示及控制

以擺線輪 1為例，在解決方案資源管理器里添加Windows窗體。如圖9所示，窗體分為左右兩部分，左邊用來繪制和顯示曲線，右邊的控件對(duì)曲線進(jìn)行縮放等控制。

圖9 “擺線輪j=1的理論和實(shí)際齒形合并圖”窗體界面

圖10 擺線輪j=1的理論和實(shí)際齒形合并圖

在窗體的右邊區(qū)域分別為 X軸和 Y軸調(diào)整添加 3個(gè)TextBox控件，用以調(diào)整X和Y軸的最大和最小值，以及各自刻度的增量。用戶輸入數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“確定”按鈕即可調(diào)整曲線的縮放比例，點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕，曲線縮放恢復(fù)正常，最終擺線輪1的理論和實(shí)際齒形測點(diǎn)合并圖如圖10所示。

利用 Bxl1Draw()函數(shù)讀取第 20個(gè)齒的理論和實(shí)際齒形的數(shù)據(jù)文件，即可得到擺線輪j=1第20個(gè)齒的理論和實(shí)際齒形放大圖，如圖11所示。

圖11 擺線輪j=1第20個(gè)齒的理論和實(shí)際齒形放大圖

3.4 誤差曲線圖形制作技術(shù)

擺線輪的誤差曲線圖形制作技術(shù)和3.3測點(diǎn)圖形制作技術(shù)相似：

利用 Bxl1Draw()函數(shù)讀取擺線輪 1的齒槽誤差數(shù)據(jù)文件，即可得到擺線輪j=1的齒槽偏差曲線圖，如圖12所示。

圖12 擺線輪j=1的齒槽偏差曲線

利用 Bxl1Draw()函數(shù)讀取擺線輪 1的齒槽誤差數(shù)據(jù)文件， 即可得到擺線輪 j=1的齒距累積偏差曲線圖，如圖13所示。

圖13 擺線輪j=1的齒距累積偏差曲線

3.5 擺線輪1的關(guān)鍵誤差確定

以擺線輪1為例，零件的基本參數(shù)數(shù)據(jù)和被測點(diǎn)數(shù)據(jù)分別保存至jibencanshu.dat和ceshidianshu.dat文件中，F(xiàn)ortran編寫的計(jì)算程序?yàn)?bxl1.exe，以上文件均存放于同一文件夾bxl1s下。在Fortran程序中添加以下語句即可完成對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)文件也即參數(shù)的讀取。

Fortran在進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí)還需要讀取數(shù)據(jù)文件，例如擺線輪 1 的 5 個(gè)數(shù)據(jù)文件 b1k0.dat、b1k1.dat、b1k2.dat、b1k3.dat和b1c.dat，由于這5個(gè)數(shù)據(jù)文件預(yù)先保存于同一文件夾bxl1s中，即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。

當(dāng)Fortran程序bxl1.exe運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行Proc.WaitForExit()進(jìn)行等待，直至程序執(zhí)行完畢，系統(tǒng)彈出“計(jì)算完畢！”提示窗口，并恢復(fù)程序根目錄為當(dāng)前目錄。

3.6 擺線輪2的關(guān)鍵誤差確定

圖14 擺線輪j=2的理論和實(shí)際齒形合并圖

圖15 擺線輪j=2第20個(gè)齒的理論和實(shí)際齒形放大圖

圖16 擺線輪j=2的齒槽偏差曲線

圖17 擺線輪j=2的齒距累積偏差曲線

擺線輪2的關(guān)鍵誤差確定與擺線輪1關(guān)鍵誤差確定方法相同，不再贅述。擺線輪2的理論和實(shí)際齒形合并圖如圖14所示，擺線輪 2的第 20個(gè)齒的理論和實(shí)際齒形放大圖如圖15所示。

擺線輪2的齒槽偏差曲線如圖16所示，擺線輪2的齒距累積偏差如圖17所示。

4 總結(jié)

本文根據(jù)軟件設(shè)計(jì)需求、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法和研究對(duì)象的特點(diǎn)等因素，設(shè)計(jì)出了軟件整體框架，并對(duì)軟件系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行了劃分。本文在基于.NET Framework框架的Visual Studio 2019作為開發(fā)平臺(tái)，用C#為編程語言，通過對(duì)RV減速器擺線輪的誤差參數(shù)進(jìn)行傳遞，并調(diào)用 Fortran語言進(jìn)行誤差計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過Steema Teechart圖表控件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和不同曲線輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)擺線輪誤差處理數(shù)據(jù)的可視化展示，對(duì)RV減速器的關(guān)鍵零件誤差提供了便捷可靠的方法。