專利名稱：一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀，用于配
合錐齒輪機械式滾動檢查機分析錐齒輪的質量。
背景技術：
為了控制錐齒輪嚙合質量，目前國內錐齒輪制造業廣泛采用的方法是，在機械式 滾動檢查機上進行配對檢查，檢驗人員憑經驗"聽"或者采用聲級計來對齒輪傳動噪聲進行 評估，這種半自動化式測量方法過分依賴操作者經驗，只能定性分析，很難精確判斷錐齒輪 的嚙合質量。國外典型的數控錐齒輪滾動檢查機如格利森鳳凰500HCT，同時具備了滾動檢 驗機和單面嚙合檢查儀的測量功能，既能測量錐齒輪的切向綜合誤差，又能數字化測量錐 齒輪接觸區、進行三維結構噪音分析。其三維結構噪音分析主要是通過加速度傳感器和拾 音器測量其振動和噪音，對齒頻諧波進行檢測，缺陷在于只能對齒頻的諧波進行評價，而且 不能對次品進行進一步的分析，且價格昂貴、不易搬運。
發明內容本實用新型的目的在于克服國內現有的機械式滾動檢查機在控制錐齒輪嚙合質 量時精度低、半自動化、過分依賴工人經驗等問題，提出一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便 攜式傳動噪聲測試儀。 為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案設計一種適于控制錐齒輪 嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀，包括安裝在便攜機箱中的主機以及通過導線與主機連 接的噪聲探頭。其中，噪聲探頭采用電容式傳聲器；主機部分包括有CPU中央處理器，與噪 聲探頭依次連接的前置放大電路、噪聲信號調理電路、濾波電路、模數轉換電路，與CPU中 央處理器連接的顯示申路和鍵盤，還設置有由現場可編程門陣列(FPGA)與CPU連接組成的 時序控制電路、由通用的閃存FLASH ROM與CPU連接組成的存儲器電路、由RS232C與TTL 電平轉換芯片與CPU連接組成的串行總線接口電路；其中，時序控制電路將模數轉換電路 的數據送至CPU中央處理器及將CPU中央處理器產生的顯示信息送至顯示電路，串行總線 接口電路可通過電纜與外部的PC機連接。 本實用新型中的模數轉換電路通過FPGA邏輯控制AD時序。此種設計一是不占用 CPU資源(10 口 )，通過訪問10空間去啟動AD轉換；二是無需調用延時程序，直接利用FPGA 控制，時序性好。其具體設置為AD選擇AD7656,且W/B置地，H/S置地，SER/PAR置地，STBY 置高，WR/REF置高；FPGA內部地址譯碼器通過編程控制AD7656的CVT A， CVT B， CVT C引 腳進行AD轉換；并且AD7656數據總線通過FPGA內部地址譯碼器與CPU數據總線連接。 利用本實用新型設計的一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀 在配合機械式滾動檢查機進行測試錐齒輪時，采用如下測試方法 1)用聲校準器校準噪聲探頭的靈敏度； 2)將其中噪聲探頭布置在錐齒輪機械式滾動檢查機上錐齒輪嚙合點的上方50mm處； 3)通過儀器中鍵盤和液晶顯示器組成的人機交互界面輸入齒輪基本參數齒數、 模數、轉速，完成初始設置； 4)錐齒輪機械式滾動檢查機空載，即滾動檢查機在不安裝錐齒輪副的情況下工 作，待滾動檢查機轉動穩定后，采集信號Ai并保存在存儲器中，作為背景噪聲； 5)錐齒輪機械式滾動檢查機加載，即將待檢測的錐齒輪安裝在滾動檢查機上，待 滾動檢查機轉動穩定后，采集信號Bi并保存在存儲器中，作為混有背景噪聲的錐齒輪傳動 噪聲； 6)采集完成后，通過人機交互界面進行頻率計權聲級計算，顯示的結果是濾除背 景噪聲的錐齒輪傳動噪聲頻率計權聲級B' 「A' i; 7)通過比擬法觀察測試結果(用FFT變換得到的頻率譜)與標準齒輪是否有差 別； 8)若被測錐齒輪與標準齒輪有差別，則通過人機交互界面調用希爾伯特黃算法對 該錐齒輪噪聲信號分析，找出加工流程中的問題所在，反饋到生產部門，修正相關參數。 本實用新型的有益效果為具有人機交互界面，通過多級菜單設置，工作人員通過 輸入錐齒輪的基本參數，控制儀器的采集頻率，與PC機的串口通信，減少了因工人主觀因 素造成的測量誤差，同時大大降低了工作人員的勞動強度，提高了工作效率。并且本儀器便 于攜帶可以為多臺機械式滾動檢查機分析測試結果，大大降低了結果分析的成本。
圖1為本儀器的外形示意圖； 圖2為本儀器的組成原理框圖； 圖3為本儀器的信號采集通道及調理電路原理圖； 圖4為本儀器中濾波電路原理圖； 圖5為本儀器中模數轉換電路原理圖； 圖6為本儀器的鍵盤和顯示電路原理圖； 圖7為本儀器使用時整個程序流程圖； 圖8為本儀器判斷錐齒輪質量的程序流程圖。 圖中1、液晶顯示器(LCD)，2、鍵盤，3、噪聲探頭插座，4、串口通信接口、5、電源指 示燈。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型中的優選實施例進行詳細說明 如圖1所示，采用便攜式機箱，在機箱安置本實用新型中的主機部分。配備有1只 噪聲探頭，噪聲探頭工作時通過插座3與主機連接，攜帶時可收放于機箱內。機箱面板設置 液晶顯示器1和操作鍵盤2以及串口通信接口 4、電源指示燈5。 本實施例中噪聲探頭采用電容式傳聲器。 本實施例中的主機部分由CPU中央處理器、噪聲信號調理電路、濾波放大電路、模 數轉換(AD)電路、顯示電路和鍵盤，時序控制電路，存儲器電路，串行總線接口電路組成。[0029] CPU中央處理器為TI公司TMS320C2000系列DSP，型號為TMS320LF2407A。 CPU通過 外加電源轉換芯片、時鐘芯片、SRAM存儲器，以及復位電路組成DSP系統；通過其各端口的 輸入輸出信號控制其它各電路工作。CPU的16位地址線引腳A0 A15和數據線引腳D0 D15分別作為整個系統的地址總線和數據總線，同時連接到FPGA的I0引腳上，讀寫數據、訪 問外部IO空間。外部數據空間選通引腳DS、外部程序空間選通引腳PS、外部1/0空間選通 引腳IS均連接到FPGA得10引腳上，控制數據的讀寫、尋址和外部10空間訪問。IOPBO 10PB7連接至鍵盤端口。 10PC3連接到模數轉換芯片U3， U3型號為AD7656，參考電壓范圍 控制引腳(如圖7) 。 I0PC2連接到LCD的指令數據控制端，I0PA7連接到LCD的字形選擇 控制端，I0PE7連接到LCD的數據寫使能端，I0PE6連接到LCD的數據讀使能端(如圖8)。 采集電路采用與噪聲探頭配合使用的前置放大器，接于探頭后面，為現有產品， 型號為AWA14604。 噪聲信號調理電路如圖3所示，其中，BNC插座用于接入噪聲探頭，由于該噪聲探 頭配置的前置放大器是將信號線和電源線合二為一，優選24v恒流源供電，所以設計中通 過24v直流電壓和3k電阻為前置放大器提供所需恒流源電流。其次，信號調理電路由R2、 C3組成，圖中噪聲信號輸入后，需要一個10uf的電容(C3)隔去直流成分，10k電阻(R2)接 地是為了隔直效果更好。 濾波電路如圖4所示，采用濾波芯片MAX274B，通過設置其外圍的電阻值就可以 實現所需的中心頻率值，由于齒輪噪聲的頻率范圍為500 5khz，理論截止頻率應為5khz， 由于濾波電路在截止頻率處有衰減，故本系統截止頻率設置在6khz 。 模數轉換(AD)電路如圖5所示，通過FPGA邏輯控制AD時序。此種設計一是不 占用DSP資源(10 口 )，通過訪問10空間去啟動AD轉換；二是無需調用延時程序，直接利 用FPGA控制，時序性好。如圖5所示，AD選擇AD7656， W/B置地，AD轉換結果以16位二進 制形式傳輸；H/S置地，控制AD啟動轉換由引腳CVT A， B， C決定；SER/PAR置地，以并行方 式輸出16位二進制；STBY置高，AD工作在非空閑模式，即正常模式；WR/REF置高，使能內部 參考電壓。時序控制當DSP執行一條訪問IO空間采集信號的指令，經過FPGA內部地址譯 碼器(VHDL語言實現)，給CVTA，B，C引腳一個高電平啟動AD轉換，AD轉換完成后，BUSY引 腳自動由低至高，AD轉換結果以16位數據并行方式保存到其內部數據寄存器中，同時FPGA 內部讀數據模塊(VHDL語言實現)接收到BUSY引腳的上升沿后，將AD芯片的片選引腳CS 和讀數據引腳RD置低，若此時DSP執行一條訪問IO空間讀轉換結果的指令，經過FPGA內 部地址譯碼器，數據便從AD內部數據寄存器傳輸到DSP的數據總線上。 顯示電路和鍵盤如圖8所示，由通過FPGA與CPU連接的液晶顯示器和和CPU連 接的鍵盤組成，液晶顯示器采用由t6963c控制器驅動的240x128點陣式圖形液晶顯示器； 鍵盤采用4X4非編碼矩陣式鍵盤。 時序控制電路由現場可編程門陣列(FPGA)與CPU連接組成。可編程邏輯控制門 陣列FPGA，型號為EP1C3T144C8。該芯片有2910LE邏輯資源，13條M4KRAM(共6. 5KB)，另 外還有一個數字鎖相環。其時序控制電路均由VHDL語言實現。工作過程為，首先CPU設定 AD啟動轉換信號電平由10空間地址值決定，當程序訪問10空間地址對應的AD啟動轉換 信號引腳時，引腳電平被置高，AD開始轉換，轉換完成后標志位置高。下一步，當標志位置 高后，FPGA使能AD片選和讀使能引腳，只有標志位為高電平，且片選和讀使能引腳為低電平時才能讀取噪聲電壓值，FPGA連續讀取數據采集通道的電壓值后保存在其FIFO模塊中， 至此AD —次轉換結束。在完成CPU設定的轉換次數后，定時器停止計數，CPU讀取FPGA中 FIFO緩存的噪聲信號電壓值。 存儲器電路由一片EPR0M與CPU連接組成。EPR0M型號為Intel27C64，容量為 64KBit，讀取周期時間小到170ns。 CPU計算出測量的聲壓級和頻譜分析結果后，將測量值 和頻譜分析結果存儲到存儲器Intel27C64中。寫選通WRITE與片選信號CS1輸出低電平選 通存儲器。存儲器通過16位地址總線AO A15尋址，再通過16位數據總線DO D15將 數據存儲到相應的地址空間中。C4為電源的去耦電容。測量時CPU控制寫選通信號WRITE 將測量數據存入存儲器中；當需要將測量數據上傳到PC時，CPU控制讀選通信號READ將測 量數據從存儲器中讀出。 串行總線接口電路由RS232C與TTL電平轉換芯片與CPU連接組成。TTL電平轉換 芯片采用MAX232。芯片的發送數據引腳和接收數據引腳分別與CPU的串行數據發送引腳和 串行數據接收引腳相連，CPU控制將數據從存儲器中讀出，送入電平轉換芯片，電平轉換芯 片將數據轉換為RS-232C信號，上傳給PC機。聲級計算和頻譜分析工作結束后，CPU控制 下可把暫存于存儲器中的數據由CPU取出送至串口 ，通過機箱面板的串口通信接口 4送至 PC機，PC機接收后存儲在PC機硬盤中，進行數據分析或者數據匯集紀錄。 本實施例采用開關電源供電，經過兩塊DC-DC電源轉化芯片降壓和穩壓后，給儀 器供電，并在機箱面板設置電源指示燈5。 下面介紹本實施例在配合機械式滾動檢查機進行測試錐齒輪時的使用方法和測 試方法。其整個流程如圖7。 本儀器上電后，CPU處于循環掃描鍵盤狀態，等待鍵盤有按鍵。當按鍵進入系統主 菜單后，LCD將顯示三個子菜單，包括輸入齒輪參數、啟動AD采集及頻譜分析、顯示工藝分 析結果。在測量開始前，需要輸入齒輪的基本參數，包括齒數、模數、轉速，其中轉速決定AD 的采集頻率。當鍵盤控制啟動AD采集后，CPU初始化定時器并啟動定時器開始計數，當計 數值與周期值匹配時，CPU進入中斷啟動AD轉換，讀取經過濾波后的噪聲探頭采集的信號 電壓值并將數據自動保存在存儲器中，當信號采集數量達到預定個數時，定時器停止計數， CPU讀取存儲器中的信號電壓值并計算出聲級值，同時CPU通過FFT算法實現傳動噪聲信號 的頻譜分析，最后將聲級值和頻譜分析結果保存在存儲器中。最終的噪聲聲級值和頻譜分 析結果可以由鍵盤控制顯示在LCD上。 其具體測試過程如下(如圖8): (1)通過聲校準器校準待接入噪聲探頭的靈敏度。聲校準器是校準聲級計和其他 聲學測量儀器聲壓靈敏度的標準器具。將噪聲探頭側頭接至聲校準器內，上電后通過按鍵 選擇校準選項，該儀器便能自動校準補償靈敏度偏差； (2)將其中噪聲探頭布置在滾動檢查機上錐齒輪嚙合點的上方50mm處，儀器由于
是便攜式，所以無需裝夾，根據連接噪聲探頭的雙絞線長度靠近滾動檢查機就可； (3)通過鍵盤和液晶顯示器組成的人機交互界面輸入齒輪基本參數和控制測量過
程。測量前，先輸入齒輪基本參數齒數、模數、轉速。齒數和轉速決定齒頻，齒頻=齒數X
轉速；噪聲信號中齒頻的第一次到第六次諧波幅值含有豐富的傳動質量性能信息，例如齒
距誤差、齒形誤差、齒圈跳動、表面粗糙度和側隙變動量等誤差。轉速決定著儀器的采集頻率，參數輸入完，儀器自動讀取信息，以便控制下一步操作，初始設置完成； (4)滾動檢查機空載，即滾動檢查機在不安裝錐齒輪副的情況下工作，噪聲探頭位 置不變，待滾動檢查機轉動穩定后，按鍵啟動噪聲探頭采集信號Ai并保存在存儲器中，此采 集的信號為背景噪聲； (5)滾動檢查機負載，即將待檢測的錐齒輪安裝在滾動檢查機上，噪聲探頭位置保 持不變，待滾動檢查機轉動穩定后，按鍵控制噪聲探頭采集信號Bi并保存在存儲器中，此采 集的信號為混有背景噪聲的錐齒輪傳動噪聲； (6)采集完成后，按鍵盤選擇顯示頻譜分析結果子菜單，儀器自動進行頻率計權聲 級計算，顯示的結果是濾除背景噪聲的錐齒輪傳動噪聲頻率計權聲級B' 「A' i; (7)通過比擬法觀察顯示結果和標準齒輪( 一對標準的齒輪副也會存在第一到第 六次嚙合頻率諧波振幅，但是除第一次諧波外其余諧波的振幅要低的多)的顯示結果； (8)若被測錐齒輪是次品，則需進一步通過細化譜分析找出加工工藝過程中的問 題。按鍵盤選擇顯示工藝結果子菜單，儀器自動調用希爾伯特黃算法對該錐齒輪噪聲信號 分析，找出加工流程中的問題所在，反饋到生產部門，修正相關參數，減少次品的數量。
(9)該儀器在測量時，此時滾動檢查機空載，即滾動檢查機在不安裝錐齒輪副的情 況下工作，將噪聲探頭置于錐齒輪嚙合處的正上方50mm處，噪聲探頭采集信號A"此采集 的信號為背景噪聲；滾動檢查機負載，將噪聲探頭置于錐齒輪嚙合處的正上方50mm處，噪 聲探頭采集信號Bi，此采集的信號為混有背景噪聲的錐齒輪傳動噪聲；將&和Bi分別通過 FFT后計算得到的頻率計權聲壓級分別為A' i和B' i，B' i即為錐齒輪傳動噪聲信
號的頻率計權值。通過觀察液晶顯示器中B' 「A' i的結果，可知此錐齒輪質量是否合格。 判斷標準如下一對比較正常的齒輪副也會存在第一到第六次嚙頻諧波振幅，但是除第一 次諧波外其余諧波的振幅要低的多。通過觀察B' 「A' i結果中諧波振幅便可知該錐齒輪 副是否是合格品。如需進一步分析次品原因，可以通過鍵盤選擇工藝分析，該儀器便可以調 用希爾伯特黃(HHT)算法分析信號頻譜，通過HHT分析結果，可知道錐齒輪不合格的具體原 因，反饋到加工環節，便可以及時修正加工誤差，減少次品的生成。研究表明第一到第六次 諧波振幅(相對于第一次諧波)都很高，則錐齒輪副共軛曲面的壓力角或螺旋角不相適應； 第一次諧波聲級高，則齒廓曲率過大；第二次諧波聲級高，則齒廓曲率過小；第三次諧波聲 級高，則齒面粗糙度不合格。 本儀器中包含兩種用于分析噪聲的變換——FFT變換和HHT變換。其中 FFT變換即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據離散傅氏變換 的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。可以將一個信號從時域 變換到頻域。有些信號在時域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很 容易看出特征了。 FFT可以將一個信號的頻譜提取出來，這在頻譜分析方面也是經常用的。 FFT中第一個點表示直流分量(即OHz)，而最后一個點N則表示采樣頻率Fs，這中間被N-l 個點平均分成N等份，每個點的頻率依次增加。例如某點n所表示的頻率為Fn-(n-l)*FS/ N。由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到頻率為為Fs/N，如果采樣頻率Fs為1024Hz，采 樣點數為1024點，則可以分辨到lHz。通過LCD顯示的FFT分析結果，我們可以看到是哪些 頻率成分對應的噪聲聲級較大(橫坐標是頻率，縱坐標是該頻率對應的噪聲聲壓級值) HHT變換即希爾伯特黃變換，先對信號進行經驗模態分解(Empiricalmodedecomposition-EMD)，得出本征模態函數(MF intrinsic modef皿ction)，再對本征模態 函數進行希爾伯特變換，從而過進一步得該信號的希爾伯特譜、時頻能量譜等，以便對信號 進行分析，因其對非線性及非平穩信號有較好的分析和處理效果，所以本儀器選擇HHT算 法處理噪聲信號。HHT分析過程如下對通過EMD方法將任意信號分解為n個內在經驗模式 分量IMF和一個剩余分量之和，各IMF分量突出了信號的局部特征，包含信號從高到低不同 頻段的成分，對各分量進行分析可以更加準確、有效地把握信號的特征信息，精確的描述了 信號的幅值在整個時間頻率段上隨時間和頻率的變化情況，能很好的反映出信號的內在時 變特征。這對于目標定位，即找到影響噪聲大小的主要頻率成分效果顯著，通過LCD顯示的 HHT分析結果，我們便可以知道具體是哪個諧波成分影響噪聲大小，以便更加準確的判斷工 序誤差，給次品分析提供依據。
權利要求一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀，包括安裝在便攜機箱中的主機以及通過導線與主機連接的噪聲探頭，其特征在于所述噪聲探頭為電容式傳聲器；所述主機部分包括有CPU中央處理器，與噪聲探頭依次連接的前置放大電路、噪聲信號調理電路、濾波電路、模數轉換電路，與CPU中央處理器連接的顯示電路和鍵盤，還設置有由現場可編程門陣列(FPGA)與CPU連接組成的時序控制電路、由通用的閃存FLASH ROM與CPU連接組成的存儲器電路、由RS232C與TTL電平轉換芯片與CPU連接組成的串行總線接口電路；其中，時序控制電路將模數轉換電路的數據送至CPU中央處理器及將CPU中央處理器產生的顯示信息送至顯示電路，串行總線接口電路可通過電纜與外部的PC機連接。
2.如權利要求1所述的一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀，其 特征在于所述模數轉換電路通過FPGA邏輯控制AD時序，其中，AD選擇AD7656，且W/B置 地，H/S置地，SER/PAR置地，STBY置高，WR/REF置高；FPGA內部地址譯碼器通過編程控制 AD7656的CVTA，CVT B, CVT C引腳進行AD轉換；并且AD7656數據總線通過FPGA內部地址 譯碼器與CPU數據總線連接。
專利摘要本實用新型涉及一種適于控制錐齒輪嚙合質量的便攜式傳動噪聲測試儀，用于配合錐齒輪機械式滾動檢查機分析錐齒輪的質量。本儀器包括安裝在便攜機箱中的主機以及噪聲探頭，其中，主機中設置有配合錐齒輪機械式滾動檢查機分析錐齒輪質量的程序。主機部分由CPU中央處理器、濾波放大電路、模數轉換(AD)電路、顯示電路和鍵盤，時序控制電路，存儲器電路，串行總線接口電路組成。可人機交互界面實現自動采集并分析機械式滾動檢查機對錐齒輪嚙合質量的檢查結果，減少了因主觀因素造成的測量誤差，同時大大降低了工作人員的勞動強度，提高了工作效率。并且本儀器便于攜帶可以為多臺機械式滾動檢查機分析測試結果，大大降低了結果分析的成本。
文檔編號G01B17/06GK201548394SQ200920276030
公開日2010年8月11日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者劉甜, 石照耀, 陳洪芳 申請人:北京工業大學