автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Создание и исследование автоматизированного устройства для контроля параметров зубчатых колес

РГ6 од

2 О ШОП ЮЗЗ МОСКОВСКИЙ

срдена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знании государственный технический университет ни. Н. Э. Еауизяа

' На правах рукописи

Ь&рков Игорь Евгеньерич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТЖИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Специальность 05. 13. 07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Шскза - 1993

Работа выполнена в Цосковсксм государственном техническом университете им. Н. Э. Еаум&на и Московском автомобилестроительном институте (ВТУЗ-ЗИЛ)

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Енин Е Я

доктор технических наук, профессор Алексеев К. Б.

кандидат технических наук, ведудай научный сотрудник Староверов Г.

Ведуидя организация: НИИ "Полюс"

зг. в /У

Защита состоится " г. в ' ¥ ''часов на

заседании специализированного совета К 064.02.01 в Московском автомобилестроительном институте (ВТУЗ-ЗИЛ) по адресу: 109068, Москва, Автозаводская, 16

С диссертацией мо*мо ознакомиться в библиотеке Московского автомобилестроительного института (ВТУЗ-ЗИЛ)

Автореферат разослан "/'Л" ¿¿Л&ЛсС 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

О. О. /Трофимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Непреьшное развитие машиностроения требует увеличения скоростей и мощностей создаваемых машин при одновременном уменьшении их габаритов и массы. Зубчатые передачи является ответственными звеньями таких машин, определяющими качество, надежность и долговечность их работы, поэтому вопросы совершенствования средстЕ производства и контроля зубчатых колес выходят на передний план. Создание новых технологических процессов требует нетрадиционных методов решения, поскольку существующие не могут обеспечить качественного продвижения. Так например, устройства, основанные на контактных методах измерения, практически исчерпали свои резервы, поскольку имеют износ мбханического наконечника и отличаются низкой производительностью. Поэтому одним из перспективных направлений является разработка методов и устройств бесконтактного контроля параметров зубчатых колес, которьг могут быть реализованы, например, при создании зубообрабатквающего технологического модуля, включающего зубонареэной или зубообрабатываюций станок с ЧПУ, автоматический манипулятор, бесконтактное зуОоизмерительное устройство и управляющую ЭВМ. Изготовленное зубчатое колесо, посредством манипулятора, устанавливается' на зуОоизмерительное устройство. По результатам контроля ЗЕМ вносит коррективы в уп-ряв ля ¡сщу «с лрсгрсШ/иу ©у "Со С5рс*(3ЗТЬ1Ес1/31ДсГС СТс1Кгч^| уЧ^'ТЬсВсьЯ износ релущего инструмента, неточности базирования и т. д., то есть зуОоизмерительное устройство может управлять точностью изготовления зубчатых колес при их стопроцентном контроле. В настоящее время ни у нас в стране, ни за рубежом таких зубообрабатывающих модулей, работавших в реальном масштабе времени, не существует. Важнейшим элементом таких модулей, от которого зависит качество производимых изделий, является бесконтактное устройство для контроля параметров зубчатых колес. Однако, несмотря на многочисленные работы в этой области, в них недостаточно подробно рассмотрены вопросы теории построения таких устройств, теорж! погрешностей, перспектив совершенствования, кромэ того недостаточно информации сб экспериментальных исследованиях ч реально созданных устройствах. Несмотря на различие конструктивных особенностей описанных устройств для бесконтактного контроля, их объединяет одно обще условие: необходимо измерять угол между

3

фиксированными точками профилей двух соседних зубьев колеса. Таким образом, в устройстве дяя бесконтактного контроля зубчатых колес нужно решить две самостоятельные задачи. Первая состоит в том, чтобы вместо механического контакта с поверхностью профиля зуба на указанной поверхности создать световой упор. Другая задача - регистрация углового положения зубчатого колеса с высокой точностью. Решение поставленных задач должно обеспечить возможность повышения производительности контроля при сохранении достигнутых точностных характеристик или их увеличении в режиме непрерывного врашэния колеса.

Цель работы и задачи исследования. Цель» диссертационной работы является создание и исследование бесконтактного, высокопроизводительного, прецизионного устройства для контроля параметров зубчатых колес на основе кольцевого лазера (КЛ).

Исходя из сформулированной цели, в диссертации определен следующий круг подлежащих ре пению задач:

1. Разработка основ теории построения бесконтактного, измерительного устройства для контроля параметров губчатых колес ка основе KJL

2. Разработка теорий погрешностей бесконтактного устройства для контроля параметров зубчатых колес на основе KJL

3. Определение путей дальнейшего совершенствования зубоиз-мерительных устройств на основе KJL

4. Выработка технических предложений и рекомендаций по проектироганию устройства для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатьк колес на основе КЛ.

Методы исследований. Б диссертационной работе для решения поставленных задач использовались аналитические методы исследования, базирующиеся на аппарате теории вероятностей, математической статистики, теоргл рядов, теория случайных процессов и помехоустойчивости, численных методах. Проводились натурные эксперименты на макете устройства для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес на основе КЛ.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следух>-

щам:

1. Предложен способ бесконтактного контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес на основе КЛ, а так же устройство для его реализации и алгоритм расчета отклонения измеренного окружного сага от номинального. 4

2. Разработаны основы теории погрешностей высокопроизводительного прецизионного бесконтактного устройства для контроля жружного пага и накопленной погрешности зубчатых колос, даицей возможность оценить погрешность устройства в зависимости от различных факторов таких, как угловое вращение Земли, конечная пирина проектирующей диафрагмы оптико-электронного датчика, шероховатость поверхности зуба, предложены дифференциальная схема а схема с амплитудной модуляцией, позволяющие улучиить точностные характеристики схем фиксации углового положения опти-со-электронного датчика и отметчика одного оборота.

3. Установлено, что погрешность устройства для контроля экружногс иага и накопленной погрешности зубчатых колес на эснове КЛ определяется случайной погрешностью схем фиксации углового положения оптико-электронного датчика и отметчика одного зборота, а так же методической погрешностью за счет углового вращения Земли.

■1. Определены пути дальнейшего совершенствования бесконтактных зубоизмэрительных устройств на основе КЛ, улучшающие эксплуатационные характеристики и расширяющие функциональные возможности устройства за счет наращивания схеиы построения, юзволяющие контролировать профит зуба (поле погрешностей профиля) с определением прерывной кинематической погрешности и толщину зуба колеса.

Практическая ценность работы заключается в разработке технических предложений и рекомендаций для проектирования зубоиз-иерительного прибора на основе КЛ В результате теоретических и экспериментальных исследований определены перспективы дальнейшего совершенствования бесконтактных приборов для контроля зубчатых колес на основе КЛ

Реализация результатов работы. По результатам диссертационной работы были созданы две экспериментальные установки по контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес на Московском станкостроительном заводе (ОМ-50 и 051-60). Излученные результаты позволили обосновать схему построения зпь-гного образца, получить достоверные результаты на этапе обработки макета, дали возможность проверить новые технические решения по проектированию прецизионных высокопроизводительных :редств контроля параметров зубчатых колес. Пакет прибора 0М-50 демонстрировался на международной выставке в Еильбао (Испания).

5

в 1990 году, макет прибора ОЫ-60 демонстрировался на международной выставке ЕМО-9 в Париже (Франция) в 1992 году.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на двадцать седьмой научно-технической конференции молодых специалистов и творческой молодежи ЗИЛа (Москва,1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Зубчатые передачи: современность и прогресс" (Одесса, 1990 г.;, на второй Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов с международным участием "Контроль, управление и автоматизация в современном производстве" (Минск, 1030 г.), на Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991 г.).

Публикации. Основные, научные результаты диссертации нашли отражение в 10 печатных работах, в том числе в двух авторских свидетельствах и двух положительных решениях по заявкам.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 55 наименований и четырех приложений. Основной текст работы изложен на 104 страницах машинописного текста и содержит 46 рисунков и 14 таблиц.

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ бесконтактного контроля зубчатых колес, заключающийся в непрерывном вращении зубчатого колеса совместно с КЛ, бесконтактном формировании оптико-электронным способом (с геометрическим кодированием) импульсов, в момент пересечения поверхности зуба колеса с наперед заданной точкой пространства, подсчете числа импульсов КЛ в промежутках между опорными импульсами характеризующими соседние зубья и сравнении их с номинальным значением (абсо.-^ный метод), полученным в результате подсчета числа импульсов КЛ за один полный оборот в расчете на общее количество зубьев колеса, а так же устройство для его реализации и алгоритм расчета отклонения измеренного шага от номинального.

2. Случайные погрешности измерения устройством отклонения окружного шага и накопленной погрешности колеса носят нормальный характер распределения. Случайна? погрешность измерения увеличивается с увеличением шероховатости поверхности зуба колеса, причем при измерении шлифованных колес погрешность в 5-10 в

раз меньше, чем при измерении нешлифованных.

Количество импульсов КЛ, обуславливающее методическую погрешность измерения устройством за счет углового врашрпия Земли, прямо пропорциональное полуразности количества импульсов КЛ за оборот при "прямом" и "обратном" вращении за равные времена полных оборотоЕ, определяется и используется в вычислениях как известная константа.

3. Существенный вклад в случайную погрешность измерения вносит погрешность схемы фиксации углового положения. Эта погрешность определяется длительностью фиксирующего импульса и отношением сигнал/шум. Для известных схем фиксации среднеквадратичное отклонение срабатывания пороговых устройств лежит в пределах 2,3-3,3 угл. сек, что недостаточно для прецизионного измерения углевого положения с помоа&ю КЛ. Погрешность предложенной дифференциальной схемы фиксации составляет 1,27 угл.сек, погрешность предложенной схемы с амплитудной модуляцией, которая, креме длительности фиксирующего импульса и отношения сигнал/шум, зависит так же от числа импульссв в "пачке" (модулируемых импульсов), составляет 0,25 угл. сек.

Случайная погрешность схемы фиксации оптико-электронного датчика обратно пропорциональна коэффициенту отражения зуба колеса и имеет минимальное значение при условии, когда ширина проектирующей диафрагмы составляет 3,7 ширины площадки двухпло-щадочного фотоприемника.

Случайнее погрешности оптико-электронного датчика и отметчика одного оборота составляют 90-95£ случайной составляющей погрешности измерения.

4. Пути совершенствования бесконтактных зубоизмерительных устройств, за счет импульсного литания с частотой КЛ дзухпловд-дочного фотоприемника или электрического суммирования импульсов КЛ с импульсами на выходе двухплоцадочного фстоприемника, а так же позволявшие контролировать профиль и толщину зуба колеса с помошьв интерферометров линейных перемещений в сочетании с интерференционными нуль-индикаторами, дающие возможность не только улучшить точностные характеристики разработанного и исследованного устройства, но и расширить его функциональные возможности, в частности, определить поле погрешностей профиля в предполагаемом пятне контакта и прерывную кинематическую по -решность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны основные направления создания технических средств измерения зубчатых колес, ообосновывается актуальность разработки бесконтактных зубоизмерительных приборов и применения в них кольцевых лазеров в качестве датчиков углового положения, указана цель и задачи исследования, дано краткое содержание раДоты, сформулированы вопросы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ' традиционных устройств для контроля параметров губчатых колес. Рассмотрены устройства, использующие контактные методы измерения. Выявлено, что этим устройствам присуща серьезные недостатки, например, приборы контроля кинематической погрешности имеют сложную конструкцию, фрикционные диски проскальзывают друг относительно друга, появляется погрешность из-за нестабильности мгновенной и средней скоростей вращения механизма и т. д. Сувдзствуют устройства не имеющие измерительного элемента в виде колеса или рейки, однако они состоят из узлов эвольвентомера и шагомера, основанных на контактных методах измерения. Здесь основным источником погрешности является износ механического наконечника, креме того низка производительность измерения. Расширение функциональных возможностей таких приборов достигается в основном за счет агрегатирования, которое приводит к потере точности за счет погрешности переустановки. Уточнено, ото совершенствование устройств, основанных на контактных методах контроля, идет по пути автоматизации измерения, улучшения дизайна и не ведет к принципиальному увеличению точности, фоведэн анализ сувествуюцих бесконтактных устройств для контроля зубчатых колес. Определено - наиболее перспективными на сегодняшний день являются фотоэлектрические устройства. Они не имеют измерительного наконечника, отличатся высокой производительностью, однако так же имеют серьезные недостатки, а именно: влияние шероховатости губа, старения фотоэлемента на погрешность измерения. Кроме того в рассмотренном методе экстремального фотоэлектрического преобразования (ЭШ) дифференцирование входного сигнала приводит к ухудшению отношения сигнал/шуи, что вносит дополнительную погрешность.

Отмечено, что применяемые в эуСоизмерительныл приборах уг-

ловые преобразователи не могут ужэ в полной мере обеспечить возросших требований по увеличение точности контроля иэ-аа конструктивных, технологических сложностей и эта проблема требует нетрадиционного решения.

Во второй главе проведен анализ применения кольцевого лазера в углоизмерительных и, в частности, в зубоиэмерительных системах, рассмотрен его принцип работы. Акцентируется внимание на использовании КЛ не только в качестве датчика углового положения вращающегося объекта, но и в качестве датчика обратной связи в системе стабилизации скорости вращения, отметчика одного оборота. На основании проведенного анализа предложена функциональная схема и расмотрен принцип работы устройства для контроля параметров зубчатых колес на основе КЛ. Основными функциональными узлами такого устройства являются: КЛ, оптико-электронный датчик (ОЭД), вращающее устройство, электропривод, электронный блек, микро-ЭВМ. При вращении электроприводом вращающего устройства с постоянной угловой скоростью на поверхности зуба колеса, закрепленного жестко на этом устройстве, вместо механического контакта создается световой упор в виде зтрихз прямоугольной формы, который отражаясь от поверхности зуса попадает на светочувствительные площадки двухплощадочного фотоприемника и далее результирующий импульс подается в электронный блок. Таким образом фиксация углового положения профиля зуба осуществляется посредством геометрического кодирования, что обеспечивает более высокую точность измерения, например, по сравнению с методом экстремальных фстоприемников. Синусоидальные импульсы КЛ, так же жестко закрепленного на вращающем устройстве, преобразуются в импульсы прямоугольной формы и поступают з электронный блок. Интервалы между импульсами от зубьев колеса в электронном блоке заполняются импульсами КЛ и сравниваются с номинальным числом импульсов, которые фиксируются отметчиком оборота, отнесенным к числу зубьев колеса. Полученное число импульсов характеризует погрешность окружного шага. С учетом применения КЛ в качестве датчика углового положения разработан алгоритм опредс ;:ения погрешности окружного шага - Г^ , взятого по дуге делительной окружности:

г4 - к,-с- н"]/ г-н,"5 гмкш (1)

где к коэффициент, учитывающий геометрию колеса,

N„-0,.,) -число импульсов КЛ, соответствующее погреснооти округаого

9

шага, - число импульсов КЛ за полный оборот, m - модуль колеса, Z - число зуОьев.

Отмечено, что применение фотоэлектрического метода в сочетании с КЛ даст возможность с высокой точностью и производительностью контролировать зубчатые колеса, в первую очередь высших степеней точности. Необходимым узлом любой зубоизмерительной системы, испльгуюирй КЛ, ярляртся высокоточный отметчик одного оборота, формирующий метку начала и конца отсчета, а так же служащий для калибровки лазера.

Третья глава посвящена теоретическому анализу погрешностей устрэйства для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес. В ней рассмотрены составляющие обдай погрешности измерения. Отмечено, что погрешность измерения Д„ в общзм виде является функцией:

A„-F Д,.Д,.Д^. (2)

здесь Д4- погрешность базирования, Д? - погрешность из-за температурных флуктуация, погрешности ОЭД, Ды- погрешности JUL На основании проведенного анализа погрешностей КЛ выявлено, что основными источниками погрешности КЛ являются технические и естественные флуктуаии, которые приводят к дрейфу нуля, нестабильности масштабного коэффициента и нелинейности выходной характеристики. Отмечено так же, что существенный вклад в погрешность измерения вносит погрешность схемы фиксации углового положения. Например, если закон углового перемещения КЛ во времени известен, то погрешность фиксации угла однозначно определяется через дисперсии времени прихода фиксирующего импульса. Кроме того погрешности схгыы фиксации будут иметь место при оп-ределинии углового положения КЛ по отметчику оборота и при фиксации углового положения зуба колеса с помощью ОЭД. Показана малая эффективность порогового и экстремального метода фиксации углового положения в прецизионных измерениях. Так среднеквадратичное отклонение срабатывания компаратора при пороговом методе фиксации по Е И Тихонову:

S„- O.n./q (3)

где t„- длительность фиксирующего импульса, q - отношение сиг-нал/иут/. Для экстремального метода, описанного И. Е Харизомено-

ВШ£

S,» 0,261„ /q' (4)

где q* - отношение сигнал/шум на выходе дифференцирующего звена. 10

Экстремальный метод практически не имеет преимуществ перед пороговым, поскольку при дифференцировании отношение сигнал/шум уменьшается е 2-4 раза и Оолее. Были предложены схемы фиксации углового положения: дифференциальная, основанная на сравнивании выходных сигналов двухплощадочного фотоприемкика и с амплитудной модуляцией. Для дифференциальной схемы среднеквадратичное отклонение срабатывания компаратора составило:

2Д- 0,381и/ч (5)

Для схемы фиксации с амплитудной модуляцией, заключающийся в модуляции сигналов КЛ импульсами на выходе двухплощадочного фо-топриемкика с привязкой схемы фиксации к центру тямвсти второго импульса:

Б« » О^А^/ч-гР (6)

здесь п - число импульсов КЛ в "пачке". В результате отмечено, что наименьшую погрешность дает схема с амплитудной модуляцией, однако применение этой схемы для фиксации углового положения в ОЭД связано с существенными техническими трудностями.

Исходя из условия минимальной погрешности измерения получено выражение для определения оптимальной ширины проектируыцэй диафрагмы ОЭД в случае использования двухплощадочного фотоприемника:

Ц- 3,7Н (7)

где Ц- ширина шели проектирующей диафрагмы, Н - ширина плоивд-ки фотоприемника. Анализируя влияние шероховатости на точностные характеристики устройства, была получена формула определения погрешности схемы фиксации ОЗД, например, для дифференциальной схемы с учетом шероховатости зуба колеса:

г.ещА^дгГ/п'-^Ф.зт гагае( з, 7Н/ь,)гг.-г^р^-р^ (8) здесь А«-- площадь фотоприемника, ДГ - его полоса пропускания. И* - удельная обнаружительная способность приемника, V - скорость вращения, ц - к. п. д. приемника, Фд- поток излучения, падающий на приемник, !_к- расстояние от источника излучения до проектирующая диафрагмы, Т„ - козфф. пропускания конденсора, Т<£. - козфф. пропускания объектива, р*, - козфф. отражения зеркала, коэффициент отражения зуба колеса.

Отмечено, что в уравнении (С) все параметры, входящие а него, при условии у-=сспз1., являются постоянными величинами кроме коэффициента отражения зуба. Очевидно, что погрешность схемы фиксации ОЭД будет минимальна в тем случае, гсогда .зтот коэф,«'-

. 1

циент максимален, т.е. при контроле шлифованных колес. Кроме того контроль колеса должен проводиться с максимально возможной скоростью вращения.

Было определено выражение для определения методической погрешности, вносимой в измерения угловым вращением Земли. Для числа импульсов, характеризующих угол поворота КЛ в системе координат, связанной с Землей:

N = kjè„(t)dt + kjè.dt (9)

где к - масштабный коэффициент КЛ, 0«(tî- угловая скорость вращения КЛ, 8,- угловая скорость вращения Земли, t -время измерения, знаки + указывают на совпадение или несовпадение направлений вращения KJI и Земки. После преобразования (9) при условии постоянства угловой скорости КЛ в "прямом" (совпадавшем с направлением вращения Зе:.!ли) и "обратном" (несовпадающем с направлением вращения Земли) направлениях было получено следующее выражение:

N, = (ïV Nu)/2 (1С)

где Nj - число импульсов HJI за счет вращения Земли, N„- число импульсов ГЛ за полный оборот при совпадении направления вращения КЛ и Земли, N„ - число импульсов КЛ за полный оборот при несовпадении направления вращения КЛ и Земли. В то же время уравнение (1), с учетом методической погрешности из-за вращения Земли может быть записано:

- - I /t( + Ml fill

Ifti - К • L i-nftHO-tf '*KA J ' M "lut I 14J Uii

^определяется экспериментально один pas в месте установки устройства и закладывается в память микро-ЭВМ как константа.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям устройства для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес на основе кольцевого лазера. Приведен состав экспериментальной установки и ее основных узлов. Рассмотрена работа устройства, на котором проводились исследования, проведен анализ полученных данных для следующих прямозубых цилиндрических зубчатых колес: пн5, Z=26, изготовленного по 3 степени точности, m=l,75, Z=65, изготовленного по 4 степени точности, а=6, Z=15, изготовленного по 10 степени точности. По результатам обработки данных контроля шестерни с модулем т=5 и числом зубьев Z=2ô, изготовленной по Z степени точности (измерение проходило за един оборот, проведено 10 измерений при времени оборота 3 сей) было сделано предположение о нормальности за-

кона распределения полученных результатов по каждому зубу. Для подтвеждения этого предположения было проверено равенство нулю центральных моментов третьего и четвертого порядков, кроме того для проверки гипотезы была проведена оценка нормальности распределения для числа измерения < 40 с помощью статистической функции распределения. ГЬ результатам проверок было выявлено, что кривая распределения случайных погрешностей определения погрешности пага носит нормальный характер. Таким образом гипотеза была подтверждена качественными и количественными критериями. При проверке нормальности распределения рассматривалась обработка данных выборки, принадлеяаирй одной генеральной совокупности, в то время, как имеет место задача определения равно-точности серии измерений всех зубьев :<олеса. Для проверки гипотезы о равнорассеянности было использовано распределение йкю-ра На основании принятия гипотезы о равнорасс<?якности результаты из»«рения были объединены по всем зубьям. Среднеквадрати-ческая порешноегь измерения составила 0,4 шсм. Кфоме измерения зубчатого колеса (2=26) за один полный оборот были проведены измерения с усреднением показаний за 10 оборотов (Еремя контроля составило 30 сек) на предмет наличия систематической погрешности. Оценено различие групповых средних х^, полученных за один и десять оборотов на основании распределения Стыодента. Было установлено, что в эксперименте отсутствуют периодические систематические погрешности (пренебрежимо малы), вызванные колебаниями окружающей среды (помещение, в котором проводились эксперименты термостабилизировано с температурой I •» 20Ц* С), отсутствуют (пренебрежимо малы) прогрессирующие систематические погрешности, вызванные изменением геометрических рэзмеров ОЭД вспедствие нагрева осветителем корпуса ОЭД, т.к. время измерэ-ния много меньше времени прогрева. Погрепшость измерения колеса 7.=26 с осреднением га 10 оборотоЕ составила 0,1 мкм. Определена погрешность измерения погрешности г/|фужнсго пага цилиндрических зубчатых колес Ъ-65 и 2=15 с осреднением за !0 оборотов. Дтл колеса, изготовленного по 4 степени точности погрешность измерения составила 0,3 юсы, а для колеса, изготовленного по 1С степени- 0,7 мкм. Шреходя к анализу накопленной погрченгста колеса било отмечено, что она является косе.;-пне;: величиной, т. к. определяеея непосредственно погрешностью лага. В результате анализа было получено выражение для определения оценки пег-

13

решности накопленной погрешности:

Таким образом погрешность измерения накопленной погрешности для 7.-26 (без осреднения) составила 1,37 мкм, для 2=26 (с осреднением) - 0,37 мкм, для 2=65 (с осреднением) - 1,21 мкм, для 2=15 (с осреднением) - 1,58 мкм. На основании сравнения результатов вычисления накопленной погрешности отмечено так же, что в прецизионных измерениях существенный вклад в общую ошибку вносит погрешность базирования колеса, которая целиком переходит в накопленную погрепность колеса. В работе рассмотрены результаты экспериментов по определению точностных показателей КЛ, отметчика одного оборота и ОЭД. В результате анализа погрешностей КЛ и отметчика одного оборота установлено, что при условии применения стабилизированного привода (нестабильность 0,ЗХ) и малого времени оборота (1 = 3 сек) такими составляющими погрешности, как дрейф нуля, нелинейность выходной характеристик и нестабильность масштабного коэффициента можно пренебречь. Источниками погрешности в этом случае являются случайная погрешность схемы фиксации отметчика и методическая погрешность КЛ, обусловленная вращением Земли. По результатам эксперимента погрешность отметчика составила 0,902 ига. Погрешность ОЗД в эксперименте определялась аналогично погрешности отметчика оборота (заклеивались все зубья кроме одного у зубчатого колеса 2=26). Погрешность ОЭД в эксперименте составила 1,17 ими. В диссертации проведено сравнение теоретических и экспериментальных данных общей погрешности измерения исходя из того, что случайными погрешностями измерения являются погрешности схем фиксации отметчика и ОЗД. Расхождение теоретических к экспериментальных данных не превышало 14Х. Отмечено, что при контроле колес высших степеней точности погрешность измерения отметчиком и ОЭД являются величинами одного порядка, однако с переходом на низшие степени (увеличением шероховатости зуба) погрещность ОЭД за счет погрешности схемы фиксации Судет увеличиваться.

В пятой главе рассмотрены пути дальнейшего совершенствования зубоизмерительных приборов на основе КЛ. В работе акцентируется. вникание на том, что совершенствование зубоизнерительнъгх "•иберов на основе КЛ, очевидно, должно идти по двум, взаимно дополняющим друг друга направлениям: расширение функциональных возможностей и улучшение точностных характеристик. При рассмот-

рении дальнейшего улучшения точностных характеристик было отмечено, что снижение погрешности ОЭД, вносящей основной вклад в погрешность измерения, возможно за счет использования вместо лампового осветителя, имеющего высокие уровень шума и нагрез, лазерного источника света (например, лазерного диода, который используется в отметчике оборота). В работе рассмотрен, заслуживающий интерес по мнению автора, способ фиксации углового положения с помошью ОЭД, основанный на подаче прямоугольных импульсов КЛ на вход питания двухплоаадочного фотоприемника. 3 этом случае на выходе двухплошздочного фотоприемника будут иметь место амплитудно-модулированные сигналы, идентичнее сигналам отметчика оборота. Проведенные эксперименты показали работоспособность предложенной схемы, однако она имеет слабую помехозащищенность. Проанализирован так же другой способ фиксации е ОЭД, предполагающий аппаратное суммирование импульсов КЛ и ОЭД. Оценка дисперсии положения результирующего импульса здесь будет иметь следующий вид:

Зс- 0,741./0-Ш-Пи (13)

где ш - глубина модуляции. Очевидно при аппаратном суммировании нельзя достичь глубины модуляции т=1, поэтому использование данного способа возможно с КЛ, имеющим больший масштабный коэффициент. Было отмечено, что упрощгчие конструкции отмотчика * оборота возможно при использовании импульсного излучения сг^мого КЛ для формирования нуль-метки. Информация в этом случае может быть получена из "лепестков" основного излучения при условии высокой чувствительности и помехозащищенности схемы фиксации.

В диссертации сделан упор на преимущества бесконтактных зубоизмерительних приборов перед контактными с точки зрения расширения их функциональных возможностей, именно: измерение дополнительных параметров могут производиться за один устаноь зубчатого колеса без агрегатирования и переналадки, приводящих' к изменению поверхностей базирования, а следовательно и дополнительным погрешностям. Рассмотрен способ л бесконтактное устройство на основе КЛ, предложен алгоритм определения погрешности профиля. В общем случае:

т,г « + С(П1_, /Й.-Ц)+П,- Nj.l-R.-a 1мхмЗ (14)

здесь 1/г- погрешность профиля, п ■ номер измерения, Ь, - шаг "светового упора", И, - радиус основной скруяност^ аубчагсго колеса, количество импульсов КЛ, характеризующее расстоя.-и-з

15

меаду отметчиком оборота и начальной точкой эвольвенты, Ыу- количество импульсов ГЛ, характеризующее угловое расстояние между отметчиком и контролируемой точкой профиля зуба, Ц - цена импульса КЛ. Сделан акцент на возможность в этом устройстве одновременного контроля профиля и отклонения шага колеса, ведущей к определению прерывной кинематической погрешности. В работе указывается, что при определении поля погрешностей необходимо с высокой точностью осуществлять линейные перемещения (доли микрон) по трем координатам. Кроме того для формирования меток начгла отсчета необходимы высокоточные нуль-отметчик;; линейных перемещений. Для решения этих задач предложен интерферометр линейных перемещений с нуль-отметчиком, использующим собственное излучение с последующей амплитудной модуляцией, обработка информации нуль-отметчика аналогична обработке информации отметчика одного оборота КЛ Таким образом достигается высокая степень унификации узлов обработки отметчика оборота и нуль-отметчика линейных перемещений. В диссертации так же рассматривалась возможность бесконтактного контроля отклонения толщины зуба колеса от номинального значения. При условии использования двух ОЭД:

V 3,= 1 Гт(£ ) - Ц(Ыг, - N¡4 Гмкм] (15)

здесь -отклонение толщины, 5Т-расчетная толщина, 5,- реальная толщина зуба, р, - коэффициент изменения толщины, - число импульсов КЛ, определяемое угловым расстоянием между отметчиком и первым ОЭД, - число импульсов КЛ, определяемое углевым расстоянием между отметчиком и вторым ОЭД.

В приложении рассмотрены требования, предъявляемые к проектированию опытного образца и его основным узлам. В рекомендациях по проектированию ОЭД приведено обоснование использования двухплощадочного фотоприемника 921ПГ11, даны рекомендации по выбору апертурього угла приемного объектива, кроме того определена оптимальная ширина проектирующей диафрагмы для фотоприемника.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Обобщающим научным результатом диссертации является разработка основ теории построения и погрешностей устройства для кевтреля параметров зубчатых колес на основе КЛ.-16

Основные результаты в развернутой форме:

1. Предложена, обоснозана и исследована схема построения бесконтактного прецизионного, высокопроизводительного устройства для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес высоких степеней точности на основе кольцевого лазера, имеющая погрешность измерения окружного пата 1,5 -1,9 угл. сек при Бремени измерения < 3 сек.

2. Разработаны оснсзы теории погрешностей устройства и показало, что основной вклад в суммарную погрешность вносят случайные погрешности схем фиксации углового положения отметчика одного оборота и оптико-электронного датчика, которые составляют 90 - 95Х случайной погрешности измерения.

3. Созданы действующие образцы устройства для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес ОМ-50 и ОМ-60, проведены их экспериментальные исследования. Результаты исследования подтвердили основные теоретические • положения. Расхождение теоретических положений и экспериментальных данных при контроле шлифованных колес не превышает 14£.

4. Определены пути расширения функциональных возможностей устройства за счет наращивания схемы построения, позволяющие осуществлять контроль профиля и толщины зуба колеса, а так ж даны предложения по улучшению точностных характеристик оптико-электронного датчика и отметчика одного оборота. . Кроме того разработаны технические предложения и рекомендации для схемного и конструкторского проектирования опытного образца

5. Результаты диссертации внедрены в НИИ "Полюс" и на АЛ "Московский станкозавод" при разработке рабочей документации. Макеты устройства демонстрировались на международных выставках в Испании (1990 г. - Бильбао) и Франции (1991 г. - Париж).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скрибанов Е. В. , Енин EH., Марков U.E. Прецизионный контроль кинематических цепей зубообрабатывакдах станков и зубчатых передач //Зубчатые передачи: Тез. докл. Всесоюзной научн. -техн. конф. с международным участием. Одесса, lQ^Q. С. 100-101.

2. A.c. 1742619 (СССР). Устройство для контроля окружного ;пага зубчатых колес. / Е. а Скрибелсв, К Я Енин, Е. ¡1 Куригсь,

17

IIЕ. Марков и др. - Опубл. в БИ, 1992, N 23.

3. Скрибанов ' Е. Е , Енин Е Н. , Марков И. Е. Автоматический бесконтактный контроль на основе лазерного кольцевого генератора// Зубчатые передачи: Тез. докл. Всесоюзной на-учн. - техн. конф. с международным участием. Одесса, 1990. -С. 99-100.

4. Заявка N 4765067. Устройство для контроля кинематической точности механизмов. / Б.Н. Енин, Е. Е Скрибанов, ЕЕ Куря-тов, И. Е. Марков и др. Положительное решение от 06.12.1989.

5. Скрибанов Е. Е , Енин Е Н. , Марков II Е. Прецизионный контроль кинематических цепей зубообрабатывающих станков и зубчатых передач// Вестник машиностроения. - 1990. - N 9. С. 49-51.

6. А. с. 1719830 (СССГ). Устройство для контроля окружного шага и накопленной погрешности зубчатых колес/ ЕЕ Енин, Е. Е Скрибанов, И.Е. Марков. - Опубл. в БИ, 1992, N 10.

7. Заявка N 4902722. Отметчик одного оборота, врапщвдэгося кольцевого лазера. / Е. Е Скрибанов, ЕЕ Енин, Е Н, Куря-тов, НЕ. Марков и др. Положительное решение от 17.07.1991.

8. Скрибанов Е. Е , Енин Е Е , Марков И. Е. Автоматический бесконтактный контроль на основе лазерного кольцевого генератора // Вестник машиностроения. - 1990. N 12. С. 60-62.

9. Скрибанов Е. Е , Марков И. Е. , Соловьев С. Л. , Быковский С. Е Бесконтактный контроль зубчатых колес с использованием кольцевого лазера. // Межвузовский сборник научных трудов. -М.: МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ), 1932. С. 29-32.

10. Марков И. Е. Устройство для прецизионного измерения параметров зубчатых колес на основе кольцевого лазера// Контроль, управление и автоматика в современном производстве: Тез. докл. 2 научн. -техн. конф. с международным участием, иикск, 1990. - С. 23. . /

' ¿Г '

ое-?.?м 1<Л п.л. Тираж .10 экз. Ротапринт МАПИ (ВТУЗ-ЗИЛ), 109280,

Мос:<ва, Автозаводская, 16. ¿сче

1.-3