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摘要：针对当前蜗杆制造误差检测的实际情况，结合成都工具研究所研制的蜗杆误差检查仪，进一步深入讨论了一种改进性方案的原理及其电路的硬软件设计。该方案的下位机硬件系统主要是数据采集电路，应用重庆大学张光辉教授的发明专利“计算机对脉冲信号的细分与辨向新方法”，利用频率极高的外部插入脉冲，结合软件构成按时间均匀分度的辅助标尺，完成在动态测量过程中采样点实时细分任务，再将采样数据上传给上位PC 机进行数据处理，得出检测结果。该方案集成度高，并且大大简化了传统检测方法中繁琐复杂的硬件电路。
关键词：环面蜗杆；制造误差；实时细分
作为传递运动和动力的介质，蜗杆传动因其传动比大、承载能力强、传动平稳无噪声、具有自锁性等一系列优点得到了日益广泛的应用[1]。随着时代和科技的发展，对蜗杆传动系统的精度要求来越高。这就需要精确测出误差，正确评价误差指标，准确指出误差环节，因而对蜗杆制造误差的分析和检测受到了越来越多的关注。
环面蜗杆形面比较复杂，其齿形、齿距、齿厚各不相等，因而关于它的制造误差检测也比较复杂。目前，大多数厂家只能依靠观察齿面接触斑点来判别制造质量，无从检测其制造误差。80 年代，成都工具研究所研制出第一台蜗杆误差检查仪，对于蜗杆的实时检测具有重要意义。但其测头为一平面，故只能检测传动误差，不能检测其他几何误差。因而，蜗杆制造误差的检测一直没能真正解决。本文应用重庆大学张光辉教授的发明专利“计算机对脉冲信号的细分与辨向新方法”对蜗杆制造误差检测进行探讨。
1 蜗杆制造误差检测原理及数学模型建立
有鉴于成都工具研究所制造的检查仪存在测头为一平面无法测量几何误差的问题，笔者将测头做成一点，使之与被测蜗杆形成点接触，代表传动过程中标准蜗轮齿面上的一点(图1)。 （图片）
图1 检测系统原理示意图 测量时，被测蜗杆带动测头转动。被测蜗杆每转过一定角度，测头理论上也应转过相应的一定角度(由传动比确定)。但实际上由于误差的存在，测头的转角与理论值总有一定的差值。我们假定测头没有误差，故所有误差的产生都由蜗杆引起。蜗杆与测头触点的实际接触线也即为蜗杆齿面的一条螺旋线，它可由蜗杆转角φ1 与测头转角φ2 合成得到。具体说，就是可把测头测杆看作一向量，把它沿与φ2 相同方向转φ2角，再沿与φ1 相反方向转φ1 即得所求点。数学模型如图2 所示。测杆向量r 在XO Y 平面上旋转φ2 角后，再在r′OZ 面上旋转φ1 角即的所求向量r*。
记r 的坐标值( x ， y ， z) ， r*的坐标值( x*， y*， z*)（图片） （图片） 则
连续采样一系列的点经以上处理可得蜗杆齿面上的一条螺旋线，如图3 所示。
蜗杆的制造精度表现为多种误差[2]。螺旋线偏差能综合反映蜗杆的轴向齿距误差、齿形误差、齿槽径向跳动等，因此将实测螺旋线与标准螺旋线进行对比即可确定蜗杆的制造误差。
轴向齿距误差：在轴向剖面内，蜗杆两相邻同名齿形间的实际距离t2 与公称距离之差， △t = t2 -t1[3]。其在与轴心线平行的直线上度量，如图4 所示。（图片）
图4 轴向齿距误差 齿形误差：在螺牙工作部分内容纳实际齿形的两理论齿形间的法向距离△J。在规定的公称齿形剖面内测定，如图5 所示。（图片）
图5 齿形误差 齿槽径向跳动：蜗杆转动一转间，由蜗杆旋转轴心线至齿沟(或齿厚) 固定表面间距离的最大变动。多头蜗杆的螺牙径向跳动分别在每一条螺牙上测定。
由以上可以看出：只要测出实际螺旋线，然后再与理论螺旋线相比较，根据定义，就可以算出蜗杆的轴向齿距误差、齿形误差、齿槽径向跳动等各种误差，而这些误差是反映蜗杆制造误差的主要指标，从而可以知道蜗杆的整体制造误差。
调节变动测点位置可得该位置下的螺旋线，连续测量一系列的螺旋线就可大体反映出蜗杆齿面的概况，如图6 所示。（图片）
图6 蜗杆齿面图 接下来的主要问题是如何精确确定φ1 、φ2 角，即信号的细分。这就涉及到系统硬件电路的设计。
2 系统硬件电路设计
信号细分的主题思想是应用张光辉教授的“计算机对脉冲信号的细分与辨向新方法”，即在使用按空间均匀分度的测量标尺(磁栅、光栅等) 的同时，利用微机内部频率极高的时钟脉冲，以及内部芯片和相应的软件构成按时间均匀分度的时间尺，用软件完成在动态测量过程中采样点前后空间尺对时间尺的瞬时标定和采样时刻时时间尺对空间尺的实时细分[4 ，5]。
为此在蜗杆测头上各装一圆光栅进行空间均匀标定，并将蜗杆光栅发出的信号进行放大、整形等预处理转换成脉冲信号。采用两片MCU 对蜗杆测头、信号分别进行计数插入脉冲信号对测头信号进行时间细分，如图7。（图片）
图7 信号细分示意图 则（图片） 其中N1 、N2 分别表示蜗杆、测头的脉冲数，NN1 、NN2 分别表示蜗杆、测头信号的脉冲当量， ts 表示N1 时刻测头信号插入的时钟脉冲数， ts - 1表示上一个测头信号插入的时钟脉冲数。
问题转化为要实时测出N1 、N2 、ts 、ts - 1 ， 为此设
计电路如图8。（图片）
图8 检测系统的设计电路图 蜗杆每来一个信号1 # 8051 立刻溢出中断，记下此时N2 和插入时钟测头ts ，并通知2 # 8051 有效采样点到。2 # 8051 得知有效点到后立刻溢出中断， 并记下此时N1 ， 然后由1 # 8051 将测得的N1 、N2 、ts 、ts - 1依次传给上位PC 机进行数据处理并实时显示。
3 系统软件设计
初始化各个端口及各芯片， 并将1# 8051 、2# 8051 的T0 均设为工作方式2 ， 中断相应IN T0 设为边沿触发方式[6]。2 # 8051 用P2. 1 通知1 # 8051 有效点到。各程序框图如下：（图片） 实验结果：测出的误差曲线比理想的曲线有一定的误差，但比较稳定，基本能反映仪器的性能，原因在于外界干扰的影响。今后还要做进一步的研究。
4 结论
1) 硬件上，很大程度上摆脱了以往用硬件实现信号细分的繁琐，仅用软件和上位机就可实现采样、细分、数据处理等工作。
2) 软件上，采用美观的Windows 图形用户界面，应用VB 编程，让用户更易接受和使用。
3) 采用上、下位机分布式测试系统，外置单片机作为下位机，与计算机进行接口通讯，扩展了计算机的范围(台式机、笔记本均可) ，避免了不兼容性，可方便的纳入监控网络中。
4) 精度高、柔性好，便于解决高速、大传动比极低速和非整数传动比等测量难题，适应面更广。可实测实显，具有较高的实用性。
参考文献：
[1] 何小柏. 机械设计[M]. 重庆：重庆大学出版社，1996.
[2] 蔡春源. 机电液设计手册下[M]. 北京：机械工业出版社，1997.
[3] 国家机械工业委员会质量安全监督司编. 齿轮和蜗轮蜗杆的检查与测量[M \ 〗. 北京：机械工业出版社，1991.
[4] 和子康著. 机床传动精度测量和提高[M]. 北京：中国计量出版社，1987.
[5] 彭东林. 新型传动误差和运动特性监测分析系统的研究[D] . 重庆：重庆大学，1992.
[6] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M]. 北京：清华大学出版社，1996.
A Test and Analyzing System of Manufacture Errors on Plang2generated Hourglass Worm
SUN Shu2min , ZHANG Guang2hui
(State Key Laboratory of Mechanical Transmission ,Chongqing University , Chongqing 400044 ,China)
Abstract :Aiming at solving the matter of fact of manufacture errors on worm , the worm test apparatus is studied by the tool research department in Chengdu. A kind of improved principle ,hardware and software design of the project is discussed. The primary aim of the single chip microcomputer circuit of this project is data collecting , and the inven2 tion monopoly of professor Zhangguanghui of Chongqing university is applied. The high f requency inserted pulse is used , and the software is joined in constitute subsidiary calibration dist ributed on equal time. The task of online sub2 division in the dynamic measure process is completed. The data are passed to PC , PC handle them and examination result is gotten. The integration of the process is very high , and the tedious and complicated hardware circuit is sim2 plified like the t radition examination method.
Key words :plane2generated hourglass worm , manufacture errors , on2line subdivision
7/6/2005
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