基于真实齿轮测量中心在虚拟仪器中的仿真毕业设计论文.docx
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基于真实齿轮测量中心在虚拟仪器中的仿真毕业设计论文
摘要
齿轮测量仪是对齿轮各项参数进行测量的仪器。
随着科学技术的发展，齿轮测量技术发展的也越来越快。
现代齿轮测量技术正向自动化方向转变。
计算机技术与测试仪器技术相结合，出现了一种新的测试仪器—虚拟仪器。
虚拟仪器是一种充分利用计算机资源，由用户设计的具有虚拟操作面板的计算机测试仪器系统。
虚拟仪器技术和网络通信技术相结合，使网络化虚拟仪器应运而生，集信号采集、传输和处理为一体，不受地域、环境的限制。
本文主要分为三大部分，第一部分介绍了本次设计的目的及意义、该课题国内外的发展现状以及虚拟仪器的概念、特点、组成并详细地介绍了LabVIEW开发环境；第二部分介绍了齿轮各项测量参数的基本原理和方法，并在虚拟仪器的基础上设计出齿轮测量仪；第三部分介绍了齿轮测量仪内部的程序及测量结果动态显示曲线。
本文所采用的虚拟仪器技术是以透明的方式把计算机的资源和仪器硬件的测控能力结合起来，其产生是计算机辅助测试技术发展的必然趋势，近年来国内外对虚拟仪器的研究开发以及虚拟仪器在各行各业的广泛应用表明了虚拟仪器的广阔前景。
本次设计采用的是LabVIEW８．０版本，它以其分布式智能极大的简化了分布式系统的开发，从而精简应用程序并提高系统管理效率。
关键词：
齿轮测量仪，LabVIEW，齿距偏差，齿廓偏差，螺旋线偏差
Abstract
Thegearmeasuringinstrumentistheinstrumentformeasuringtheparametersofthegears..Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thedevelopmentofgearmeasurementtechnologyisbecomingfasterandfaster..Moderngearmeasuringtechnologyischanginginthedirectionofautomation.Thecomputertechnologyandthetestinstrumenttechnology,thereisanewtestinstrument-virtualinstrument.Thevirtualinstrumentisakindofcomputertestinstrumentsystemwhichcanmakefulluseofcomputerresourcesandhavethevirtualoperationpaneldesignedbyusers..Virtualinstrumenttechnologyandnetworkcommunicationtechnology,thenetworkofvirtualinstrumentscameintobeing,setsignalacquisition,transmissionandprocessingasone,withoutgeographical,environmentalconstraints.
Thispaperisdividedintothreeparts,thefirstpartintroducesthepurposeandsignificanceofthisdesign,developmentstatusofthissubjectathomeandabroadandtheconceptofvirtualinstrument,characteristics,compositionandLabVIEWdevelopmentenvironmentareintroducedindetail;thesecondpartintroducesthebasicprincipleandthemethodofparameterforthemeasurementofgear,andonthebasisofvirtualinstrumentdesignofgearmeasuringmachine;thethirdpartintroducedgearmeasuringinstrumentforinternalproceduresandtheresultsofthemeasurementofdynamiccurvedisplay.
Thevirtualinstrumenttechnologyisinatransparentwaytocombinecomputerhardwareresourcesandequipmentmonitoringandcontrolcapabilities,whichisaninevitabletrendofthedevelopmentofthecomputeraidedtesttechnology,inrecentyearsthedomesticandforeignresearchdevelopmentofthevirtualinstrumentandvirtualinstrumentiswidelyusedinallwalksoflifeshowsthebroadprospectsofvirtualinstrument.
ThisdesignusestheLabVIEW8.0version,itsimplifiesthedevelopmentofthedistributedsystemgreatlywithitsdistributedintelligence,thussimplifyingtheapplicationandimprovingthesystemmanagementefficiency.
KEYWORDS：
Gearmeasuringinstrument，LabVIEW，Toothdeviation,toothprofiledeviation,helixdeviation
前言
社会在不断地发展，科技在不断地进步，机械行业也在蓬勃发展。
齿轮又在机械行业中占据重要位置。
老式的齿轮测量仪已经不能满足现代社会的需求，尤其是现代社会追求迅速，高效率，高精度的测量行业。
而虚拟仪器行业快速发展，虚拟仪器技术又可以与测量仪相结合，恰恰满足了现代社会的需求，基于Labview的齿轮测量仪也就应运而生。
本次设计研究的是基于真实齿轮测量中心在虚拟仪器中的仿真，关键研究的是对齿轮的齿距偏差、齿廓偏差和螺旋线偏差的测量和数据处理，并能够动态显示测量结果及误差曲线。
本文主要分为三大部分，第一部分介绍了本次设计的目的及意义、该课题国内外的发展现状以及虚拟仪器的概念、特点、组成并详细地介绍了LabVIEW开发环境；第二部分介绍了齿轮各项测量参数的基本原理和方法，并在虚拟仪器的基础上设计出齿轮测量仪；第三部分介绍了齿轮测量仪内部的程序及测量结果动态显示曲线。
第一章 绪论
1.1引言
基于虚拟仪器的齿轮测量仪集计算机技术等先进技术于一体，实现了齿轮误差检测的自动化、标准化、智能化，能够方便地集成各种现代信号处理技术，提高检测的可靠性。
齿轮测量仪可测量渐开线圆柱齿轮的齿廓偏差、螺旋线偏差、齿距偏差。
1.2概述
齿轮测量仪器通常应按照我国国家标准GB/T10095-2001（等同于ISO1328：
1996）的渐开线圆柱齿轮精度标准所规定的精度项目、精度评定方法以及规定的公差，对产品齿轮进行迅速、高效、准确的测量。
因为市场（如机械制造行业）对齿轮测量不断提出新的更高要求，所以齿轮测量精度项目也应不断有所发展，齿轮测量仪器也应有所创新，使测量功能不断增强，以满足新的市场需求。
1.3研究的意义和目的
本次设计研究的是基于真实齿轮测量中心在虚拟仪器中的仿真，关键研究的是对齿轮的齿距偏差、齿廓偏差和螺旋线偏差的测量和数据处理，并能够动态显示测量结果及误差曲线。
随着我国测量仪器行业不断的发展，在许多重大科技领域中取得了创造性进展，不断迅速的发展，使我国的测量仪器仪器的可靠性和稳定性有了长足的进步。
尤其最近几年，我国本土仪器取得了很大的进步，特别是在齿轮测量仪器和轴承的研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小。
数字化和虚拟技术的发展，为我国的测试测量仪器行业带来了新的发展机会。
1.4齿轮测量仪国内外发展状况
为了正确测量和检测产品质量，齿轮测量仪器通常应按照我国国家标准GB/T10095-2001（等同于ISO1328：
1997）的渐开线圆柱齿轮精度标准所规定的精度项目、精度评定方法以及规定的公差，对产品齿轮进行准确，迅速，可靠的测量。
因为市场（如制造行业）对齿轮测量精度要求更高，所以齿轮测量精度项目也应不断有所发展，齿轮测量仪器也应
有所创新，不断发展以适应市场需求。
齿轮测量仪器通常由计算机主机、三维坐标系或位移传感器、测动系统、测量系统电气装置与接口，以及计算机等主要部分组成。
随着齿轮零部件生产专业化、标准化、模块化，尤其是近年来虚拟仪器技术、计算机网络技术、精密机械制造技术以及精密测量技术的发展，推动了齿轮测量仪器的研制与开发。
1.5本次研究的主要任务
通过调查研究，查阅渐开线圆柱齿轮精度标准和相关资料，设计基于LabVIEW的能够实现对渐开线圆柱齿轮齿距偏差、齿廓偏差和径向综合偏差的测量和数据处理，并能够动态显示测量结果及误差曲线。
输出报告单信息全面，结果正确。
完成仪器的界面设计，要求界面友好，操作方便。
1.6本章小结
本章介绍了齿轮的作用及齿轮测量仪国内外的发展状况，并介绍了本次设计的齿轮测量仪能够实现的功能。
第二章虚拟仪器技术及齿轮测量仪设计总体方案
2.1虚拟仪器简介
虚拟技术、计算机通信技术与网络技术被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。
虚拟仪器（VirtualInstrument）在各项工程的不同领域和精密仪器行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。
虚拟仪器图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。
人们以前测量齿轮需要拿着测量仪器对其进行一项一项的测，非常的不方便。
虚拟仪器技术的出现将改变人们以前的工作方式，我们可以通过计算机软件来进行模拟仿真就可以测量出齿轮的各项参数，十分的快捷方便。
虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是一种全新的仪器形式。
它的出现使仪器与计算机之间的界限开始消失，是仪器发展史上的一场革命。
虚拟仪器是建立于计算机的仪器。
现如今虚拟仪器组成方式分为两大类，其中一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。
随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式虚拟仪器通过应用程序将计算机和功能模块硬件结合起来，用户通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像是在操作一台自己设计的测试仪器一样，从而完成测试任务。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现数据运算、分析和处理；利用I/0接口设备完成信号采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的“虚拟”包括以下两个方面的含义：
（1）虚拟仪器面板是虚拟的。
虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统面板上的各种器件所完成的功能是相同的，并由各种开关、按钮、显示器等实现仪器的功能操作。
传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行操作的。
而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，用户只需选用代表某种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标“键击”来对其进行操作。
因此，设计虚拟面板的过程就是在“前面板”设计窗口中从控制模板选取、摆放所需的图形“控件”。
尤其是LabVIEW图形化编程语言可在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计，整个设计过程轻松而有趣。
（2）虚拟仪器测量功能由软件编程实现。
在以计算机为核心的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器的功能，可以通过不同的测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能。
虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，充分利用计算机技术，用软件代替硬件设计自己的仪器系统，“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单最本质的含义。
LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
目前，虚拟仪器在发达国家已十分普及。
在国内也有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统。
2.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器技术由结构化的数据流程图和交互式面板组成。
任何测量系统都可分为数据采集、数据分析和处理、数据显示和输出三大模块，将这些模块分别用不同的硬件和软件实现，就可以构成不同的虚拟仪器系统。
虚拟仪器系统包括硬件和软件两要素。
硬件部分的功能是获取真实世界中的被测信号；软件部分的作用是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，软件通常用专用的虚拟仪器开发语言编写。
所以，虚拟仪器系统可以用一个简单的公式来表达：
虚拟仪器系统=计算机及其附件+开发虚拟仪器的软件+必要的硬件。
2.2.1虚拟仪器的硬件
通常虚拟仪器测试系统的硬件包括传感器、信号调理、信号采集等I/O接口设备和通用计算机。
计算机一般是PC机或工作站，是硬件平台的核心，是虚拟仪器系统的心脏和动力；传感器是测试系统获取信息的基础；I/O接口设备完成被测信号的采集、放大、A/D、D/A转换等。
虚拟仪器的形式取决于实际的物理系统和构成仪器的I/O接口的硬件类型，但都离不开计算机控制。
2.2.2虚拟仪器的软件
虚拟仪器系统的软件结构包含以下三部分：
应用程序开发环境、仪器驱动程序、输入输出（I/O）接口软件。
（1）I/0接口软件：
存在于硬件和驱动程序之间，是最接近硬件的软件层，完成对硬件内部寄存器单元进行直接存取数据操作，为硬件和驱动程序提供信息传递的低层软件层，是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础。
（2）驱动程序层：
是系统应用程序实现仪器控制的桥梁，一般以动态链接库或静态库形式供应用程序调用。
驱动程序的实质是为用户提供一个用于仪器操作的较为抽象的操作函数集。
对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。
（3）应用程序开发环境：
是完成测试系统数据的分析、计算、存储、显示、输出等任务，是虚拟仪器的核心和完成任务的关键。
应用程序开发环境是用于编写应用程序的编程工具，可由开发人员的喜好和测试需求进行选择。
2.3虚拟仪器的特点
虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点：
虚拟仪器将信号分析，处理，显示都通过计算机处理，充分发挥计算机的能力，使组建系统更加灵活简洁，可以创造出功能更强的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
虚拟仪器的主要特点有：
尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
2.4齿轮测量仪的概述
齿轮测量仪是对齿轮各项参数进行检测与测量的仪器，由于齿轮在安装和生产当中存在着误差，需要仪器对其进行检测，以保证误差在允许范围内。
2.4.1齿轮测量仪的基本原理和方法
齿轮测量归结为以下几个方法：
几何长度测量法，轮廓测量法，粗糙度测量法，传动噪音测量法及齿轮整体误差测量法。
齿轮测量的基本原理是根据齿轮的误差来源来利用仪器对其误差进行测量。
2.4.2齿距偏差的测量方法
齿距是指在一个齿轮的圆柱面上，一条给定的曲线被两个相邻的同侧齿面所截取的长度。
单个齿距偏差
是指在分度圆上，实际齿距与公称齿距之差（用相对法测量时，公称齿距是指所有实际齿距的平均值）。
齿距累积总偏差Fp是指在分度圆上，任意两个同侧齿面间的实际弧长与公称弧长之差的最大绝对值，即最大齿距累积偏差（
）与最小齿距累积偏差（
）之代数差。
在实际测量中，通常采用某一齿距作为基准齿距，测量其余的齿距对基准齿距的偏差。
然后，通过数据处理来求解单个齿距偏差
和齿距累积总偏差
，测量应在齿高中部同一圆周上进行，这就要求保证测量基准的精度。
而齿轮的测量基准可选用齿轮的内孔、齿顶圆和齿根圆。
为了使测量基准与装配基准一致，以内孔定位最好。
用齿顶圆定位时，必须控制齿顶圆对内孔的轴线的径向跳动。
在生产中，根据所用量具的结构来确定测量基准。
用作图法处理测量数据：
以横坐标代表齿序，纵坐标代表上例第三行内的相对齿距累积误差，绘出如图4所示的折线。
连接折线首末两点的直线作为相对齿距累积误差的坐标线。
然后，从折线的最高点与最低点分别作与上述坐标线平行的直线。
2.4.3齿廓偏差的测量方法
齿廓偏差是指实际齿廓偏离设计齿廓的量，在端面内且垂直于渐开线方向的计值。
齿廓偏差又可以分为齿廓形状偏差和齿廓倾斜偏差。
齿廓偏差的测量方法有展成法，啮合法和坐标法。
齿廓形状偏差指实际齿廓线的两条与平均齿廓迹线完全相同的曲线间的距离，且两条曲线与平均齿廓迹线的距离是常数。
齿廓倾斜偏差指在计值范围内的两端与平均齿廓迹线相交的两条设计齿廓迹线的距离。
本次齿廓偏差测量采用的是极坐标法，并用最小二乘圆法拟合出平均齿廓迹线。
最小二乘圆是一个理想的圆，它使从实际轮廓上各点到该圆距离的平方和最小的圆，即：
最小二乘圆圆心坐标和半径为：
为实际轮廓上第i点到最小二乘圆圆心距离
实际轮廓上各点至最小二乘圆的距离为
按下式计算：
=
求出各个测点据二乘圆的距离
（注意正负号），取最大的距离
与最小距离
之差作为齿廓偏差，即：
Ffa=
-
最小二乘圆编程方法
模拟数据经过初步处理调用快速Vi，通过快速Vi实现LabVIEW编程，由于程序框图过于复杂，这里仅对部分重要的框图加以说明。
最小二乘拟合圆子函数的设计：
如果最小二乘拟合圆按照最基本的算式进行编写的话过于繁琐，所以我引入了球面拟合快速Vi。
通过下列函数得到x0,y0,z0,和r
得到关于x0,y0,z0的简单线性方程，（xi,yi,zi）是给定的点，（x0,y0,z0）是未知的中点，r是未知的半径。
此快速Vi是三维球面拟合最小二乘球，为了得到平面最小二乘圆让所有的Zi=0，这样就得到了平面最小二乘圆。
2.4.4螺旋线偏差的测量方法
螺旋线偏差的定义是指在端面基圆切线方向上测得的实际螺旋线偏离设计螺旋线的值。
螺旋线偏差也可以分为螺旋线形状偏差和螺旋线倾斜偏差。
螺旋线形状偏差指实际螺旋线的两条与平均螺旋迹线完全相同的曲线间的距离，且两条曲线与平均螺旋迹线的距离是常数。
螺旋线倾斜偏差指在计值范围内的两端与平均螺旋迹线相交的两条设计螺旋迹线的距离。
本次螺旋线偏差测量采用的是极坐标法。
2.5本章小结
本章主要介绍了虚拟仪器软件的构成及特点，并介绍了齿轮测量仪所测参数的原理及方法，提出了基于虚拟仪器的齿轮测量仪设计方案。
第三章主程序设计及流程图
3.1齿轮测量仪程序流程图
程序流程如图3-1
3.2程序运行条件及分析
传统的齿轮测量仪需要操作员拿着仪器对齿轮进行逐个逐项的进行数据采集，然后在通过计算进行数据分析与处理，十分费力耗时。
而通过虚拟仪器做的齿轮测量仪只需将采集来的数据通过输入端口输进去，然后点击测量按钮，程序会自动运行出各项测量数据以及能动态显示误差曲线。
由于本次设计无法对齿轮的各项数据进行实际测量，所以本次采用的数据是根据以往的测量数据进行模拟改编得到的，可能会存在一些误差。
3.3齿轮测量仪各参数测量流程图
3.3.1齿距偏差测量流程图
3.3.2齿廓偏差测量流程图
齿廓偏差测量首先根据模拟出的一组数据画出实际齿廓迹线，然后用最小二乘法拟合出平均齿廓迹线，根据齿廓偏差的定义，通过labview软件直接用高斯曲线拟合Vi的方法拟合出一条曲线，然后分别平移实际齿廓迹线到它的最大值和最小值得出两条曲线，这两条曲线与平均齿廓迹线的交点的差值即为齿廓偏差。
高斯曲线拟合Vi简介
高斯曲线拟合子Vi
高斯曲线拟合流程图
3.3.3螺旋线偏差测量流程图
螺旋线偏差测量首先根据模拟出的一组数据画出实际螺旋线迹线，然后用最小二乘法拟合出平均螺旋线迹线，根据螺旋线偏差的定义，通过labview软件直接用高斯曲线拟合Vi的方法拟合出一条曲线，然后分别平移实际螺旋线迹线到它的最大值和最小值得出两条曲线，这两条曲线与平均螺旋线迹线的交点即为螺旋线偏差。
第四章齿轮测量仪使用说明书
4.1齿轮测量仪主界面
运行前的主界面如图
运行后的主界面如图
4.2主界面简介
主界面上共有四个可按按钮，分别是齿距偏差按钮，齿廓偏差按钮，螺旋线偏差按钮和停止按钮。
每个按钮按下后即可实现相应的功能。
在文件路径1输入齿距偏差测量所需数据，在程序启动的情况下，通过齿轮测量仪的数据处理在“所有行”上显示处理结果。
在路径文件2输入齿廓偏差测量所需数据，在程序启动的情况下，通过齿轮测量仪进行数据处理在“XY图”显示界面显示处理的过程，然后在输出控件“ffa”，“fa”，“fha”显示处理结果。
输出控件“ffa”：
齿廓偏差结果
输出控件“fa”：
齿廓形状偏差结果
输出控件“fha”：
齿廓倾斜偏差结果
4.3程序结构的选择
Labview的程序结构有六个结构：
顺序结构，For循环，While循环，Case结构，事件结构，使能结构。
适合本次设计的有Case结构和事件结构。
Case结构即在某种特定情况下执行某段特定程序。
Labview和C语言有很多相似，其中Case结构就类似于“if....else....”语句或“switch”语句。
事件结构就是当“事件”发生时，程序才会做出相应的响应，当多个事件发生时会形成事件队列，直到每个事件对应的代码都被执行为止。
因此不会存在事件遗漏的情况。
由于Case结构是当某种条件满足或得不到满足时才执行的程序结构，而本次齿轮测量仪的输入端是实际测量数据，在数据未处理之前，并不清楚它是否满足条件，而且Case结构的多事件之间必须实现互锁，而互锁的实现又比较麻烦，所以本次设计选择事件结构。
事件结构框图
第五章齿轮测量仪测试分析报告
5.1齿距偏差测试分析
5.1.1测试的齿距偏差数据
0
-1
-2
-1
-2
3
2
3
2
4
-1
-1
5.1.2测试的齿距偏差处理结果
Fp：
齿距偏差，fpt：
齿距累积总偏差
5.2齿廓偏差测试分析
5.1.2测试的齿廓偏差数据
0
1
3
2
3
4
5.5
6
8
10
12
14
15
16
16
18
19
17
15
15
14
13
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