智能化齒輪雙面嚙合儀測控系統(tǒng)研制

姜闊勝,陳 賽,任 杰

(1.安徽理工大學(xué),深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽淮南 232001)

0 引言

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具有重要的意義[1-2]。齒輪雙面嚙合儀能夠?qū)X輪各個單項誤差進(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)用場合的傳動狀況,其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、檢測效率高、測量結(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)量的主要檢測方法之一,廣泛應(yīng)用于齒輪的快速測量與分選工業(yè)現(xiàn)場中[3]。

傳統(tǒng)的機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀對齒輪進(jìn)行檢測時,需要依靠操作者手動驅(qū)動或手輪驅(qū)動使產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周,對檢測過程中千分表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并記錄,存在檢測速度慢,無法保持恒速恒載狀態(tài)等問題,對檢測精度有一定的影響。為了提高檢測效率,實(shí)現(xiàn)齒輪的標(biāo)準(zhǔn)化測量,國內(nèi)外研制出多種型號的智能齒輪嚙合儀,如哈量智能齒輪雙面嚙合綜合測量儀3100A型[4]、德國FRENCO ZWP 06齒輪雙面嚙合儀[5]、大阪精密機(jī)械GTR-4LS小模數(shù)齒輪雙面嚙合儀[6]等均在市場中得到應(yīng)用,提高了齒輪的檢測效率,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,使用率相對較低。因此在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,針對實(shí)際生產(chǎn)情況,研制出全自動齒輪雙面嚙合儀,對于齒輪標(biāo)準(zhǔn)化測量和提高檢測效率具有重要的意義。

本文通過對傳統(tǒng)的機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀進(jìn)行智能化改造并設(shè)計相應(yīng)的測控系統(tǒng),并對整個系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)齒輪的自動化測量與結(jié)果分析,有效提高齒輪的檢測效率。

1 系統(tǒng)檢測原理

1.1 齒輪雙面嚙合儀測量原理

齒輪雙面嚙合測量技術(shù)是基于齒輪精度的誤差運(yùn)動學(xué)理論[7],利用齒輪雙面嚙合綜合測量快速獲取齒輪的誤差信息[8]。齒輪雙面嚙合測量儀結(jié)構(gòu)如圖1所示,產(chǎn)品齒輪和測量齒輪分別安裝到左右平臺的固定軸上,在拉簧的作用力下,兩齒輪無側(cè)隙嚙合,通過固定在底座上的千分表測量滑動平臺沿導(dǎo)軌的位移信息間接測量齒輪中心距的變化。將千分表的測量數(shù)據(jù)和齒輪旋轉(zhuǎn)角度記錄下來繪制曲線,得到齒輪雙面嚙合徑向誤差曲線(見圖2)[9-10]。

1.2 齒輪雙面嚙合儀檢測參數(shù)

(1)

式中:i=1,2,3…,n;Y[i] 為中心距數(shù)組。

(2)

式中z2為被測齒輪齒數(shù)。

2 測控系統(tǒng)方案設(shè)計

為了保證系統(tǒng)的可靠性和滿足系統(tǒng)的智能化測量需求,采用PLC為下位機(jī)、計算機(jī)為上位機(jī)的相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)齒輪雙面嚙合儀測控系統(tǒng)人機(jī)交互功能,測控系統(tǒng)方案設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)方案設(shè)計

硬件部分主要由上位機(jī)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、同步帶、產(chǎn)品齒輪、測量齒輪、激光位移傳感器及PLC組成。上位機(jī)通過RS422通信協(xié)議實(shí)時獲取和處理激光位移傳感器的數(shù)據(jù)信息,得到測量齒輪和產(chǎn)品齒輪中心距變化信息。PLC通過RS232通信協(xié)議接受來自上位機(jī)的報文指令,作用于伺服控制系統(tǒng),控制電機(jī)精確運(yùn)動。

在進(jìn)行齒輪測量試驗(yàn)時,上位機(jī)發(fā)送指令給PLC,控制產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一圈,同時處理和記錄測量過程中激光位移傳感器的數(shù)據(jù),繪制出測量曲線。產(chǎn)品齒輪停止旋轉(zhuǎn)后,上位機(jī)對記錄的數(shù)據(jù)再次處理,評價齒輪是否滿足加工要求。

3 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 齒輪嚙合儀驅(qū)動改造

對某型齒輪雙面嚙合儀器進(jìn)行驅(qū)動改造如圖4所示,在測量齒輪側(cè)新增一個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)時單位脈沖對應(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銷,標(biāo)準(zhǔn)齒輪底端銑削出凹槽,當(dāng)同步輪轉(zhuǎn)動,傳動銷在周向上與標(biāo)準(zhǔn)齒輪凹槽產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,從而帶動標(biāo)準(zhǔn)齒輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。激光位移傳感器通過支架固定到底座的左側(cè),激光直射到滑動平臺的左側(cè)端面上,測量滑動平臺沿導(dǎo)軌的位移變化。改造后的齒輪雙面嚙合儀由手動驅(qū)動模式升級為伺服系統(tǒng)驅(qū)動模式,增加齒輪測量過程的平穩(wěn)性,提高了檢測精度。

3.2 位移測量模塊

位移測量模塊測量齒輪的中心距變化,將測量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理。系統(tǒng)采用HL-G103-S-J型號的激光位移傳感器測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,測量出往返時間,根據(jù)光速計算出往返距離[13]。該傳感器有效測量范圍為26.3 mm,分辨率為0.5 μm,滿足測量任務(wù)的精度要求,并以RS422通訊協(xié)議將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

3.3 控制模塊和驅(qū)動模塊

控制模塊以FX3U-64 PLC為主控制器,FX3U系列控制器具有價格低、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,作用于伺服驅(qū)動器,精確控制測量過程中齒輪的旋轉(zhuǎn)位置。PLC系統(tǒng)的I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

為保持測量過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)動器MADLT05SF作為測控系統(tǒng)的驅(qū)動單元。

4 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機(jī)的人機(jī)交互界面軟件設(shè)計和具有隨動功能的PLC控制程序設(shè)計。上位機(jī)人機(jī)交互界面用LabVIEW設(shè)計,主要負(fù)責(zé)測量過程數(shù)據(jù)記錄和綜合誤差曲線的顯示以及測量結(jié)果的分析,是操作者與設(shè)備測量信息交互的平臺;PLC則主要負(fù)責(zé)齒輪的旋轉(zhuǎn)定位和隨動過程中的位置控制。

4.1 具有隨動功能的PLC程序設(shè)計

PLC執(zhí)行的主要功能分為測量功能和隨動功能,如圖5所示。測控系統(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)際測量要求調(diào)節(jié)測量速度,實(shí)時記錄伺服電機(jī)的絕對位置。本文通過產(chǎn)品齒輪齒數(shù)和測量齒輪齒數(shù)計算出產(chǎn)品齒輪旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù),計算公式為

圖5 PLC軟件流程圖

(3)

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為測量齒輪齒數(shù)。

PLC收到上位機(jī)的測量指令后,控制伺服電機(jī)以設(shè)定的速度驅(qū)動產(chǎn)品齒輪精確旋轉(zhuǎn)一周。

針對產(chǎn)品齒輪表面可能存在毛刺或附有異物的問題,設(shè)計隨動功能。從誤差曲線可以觀察到異常位置,移動游標(biāo)至該位置后,上位機(jī)向PLC寫入異常位置信息,PLC比較該位置與測量時的初始位置,計算出異常位置相對于操作者的位置,隨后控制電機(jī)將產(chǎn)品齒輪的異常位置正對操作者。

4.2 上位機(jī)程序設(shè)計

選用LabVIEW開發(fā)測控系統(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)格式獲取測量的數(shù)據(jù)信息;測量分析模塊對測量數(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)模塊用于讀取測量過的齒輪信息。

4.2.1 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)測量硬件,使測控系統(tǒng)達(dá)到良好的工作狀態(tài)。

4.2.2 數(shù)據(jù)交互模塊

數(shù)據(jù)的交互是測控系統(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)送報文指令給PLC,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。創(chuàng)建一個報文生成模塊子vi,輸入要寫入的值和PLC相應(yīng)的寄存器地址,通過公式節(jié)點(diǎn)計算出報文,以字符串的形式發(fā)送到PLC,報文生成程序如圖6所示。

圖6 報文生成程序

對來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;針對字符串?dāng)?shù)據(jù)突變的現(xiàn)象,設(shè)定一個閾值,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。

圖7 激光位移傳感器字符采集處理程序

4.2.3 測量分析模塊

測量分析模塊是智能化齒輪雙面嚙合儀測控系統(tǒng)的核心,主要功能是實(shí)時繪制誤差曲線,分析測量結(jié)果。

在此模塊中需要輸入測量齒輪齒數(shù)Z1、產(chǎn)品齒輪齒數(shù)Z2、公差范圍和設(shè)置測量速度,從而建立一個測量方案。啟動檢測流程后,上位機(jī)給PLC發(fā)送測量指令,同時采集傳感器位移數(shù)據(jù),顯示測量齒輪和產(chǎn)品齒輪的實(shí)時嚙合曲線,并將原始數(shù)據(jù)以txt文件的形式保存到系統(tǒng)中。

圖8 EMD算法在LabVIEW的實(shí)現(xiàn)

4.2.4 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),獲取測量時間。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,同時繪制出歷史嚙合誤差曲線圖;若需要出具檢測報告,可通過“報表生成”按鈕一鍵生成。

圖9 歷史數(shù)據(jù)模塊界面

5 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)證測控系統(tǒng)在實(shí)際測量過程中的穩(wěn)定性和重復(fù)測量精度,對各個功能進(jìn)行測試,選取產(chǎn)品齒輪齒數(shù)為36,測量齒輪齒數(shù)為63作為試驗(yàn)對象。

(a)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

移動x軸上綜合誤差曲線中的游標(biāo)到異常位置,單擊“隨動”按鈕,控制伺服電機(jī)將產(chǎn)品齒輪該位置正對操作者,方便觀察該位置的情況,驗(yàn)證隨動功能的完整性。

根據(jù)以上的試驗(yàn)方法,對產(chǎn)品齒輪齒數(shù)為36,測量齒輪齒數(shù)為63的試驗(yàn)對象進(jìn)行多次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

使用德國FRENCO ZWP 14齒輪雙面嚙合儀測量的產(chǎn)品齒輪的結(jié)果為:為0.023 6 mm,為0.010 7 mm。由表2可得,通過7組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過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量參數(shù),測量數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差較小,滿足檢測要求。

6 結(jié)論

本文對機(jī)械式齒輪雙面嚙合儀進(jìn)行改造,設(shè)計了基于FX3U-64 PLC與LabVIEW的智能齒輪雙面嚙合儀測控系統(tǒng),提出了總體方案、硬件和軟件的設(shè)計。經(jīng)過實(shí)際測試,結(jié)果表明該測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了齒輪的自動化測量、對數(shù)據(jù)的采集和處理分析,能夠自動判別齒輪的加工質(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效率。