泛用型齒輪測試機之建構

本泛用型齒輪測試機之建構，目的在於提供平行軸齒輪對與非平行軸 齒輪對(如傘齒輪對等)的單齒腹嚙合傳動誤差測試用，且可供齒輪對之效 率測試使用，依此目的從 90 年 8 月起開始展開下列之泛用型齒輪測試機建 構工作。

3.1.1 需 求 功 能 規 格 之 規 劃

就平行軸齒輪對之測試而言，因應測試齒輪尺寸大小之不同，則只需 有 X 軸及 Y 軸分別供齒輪中心距及軸向位置調整即可。就非平行軸齒輪對 之測試而言，因應測試齒輪之軸交角、齒輪尺寸大小、齒輪離軸交點之距 離等不同，則除上述之 X 軸及 Y 軸外 ，尚需 U 軸供測試齒輪與軸交點間之 距離調整及 R 軸供測試齒輪軸交角之調整。另考量測試齒輪對若為空間交 錯軸，則需有 Z 軸供軸空間交錯之軸距調整。因此，整體而言，本泛用型 齒輪測試機需具有 X、Y、Z 和 U 等 4 個軸之直線滑軌以及 R 軸之圓弧滑軌 的工作台，如圖 3.1 所示。輸入端工作台上需具有馬達、扭力感測器(Torque Sensor)、轉速計、角度編碼器(Encoder)和主動齒輪支持座，以提供主動 齒輪之運轉動力、扭力監測、轉速監測、轉動角度監測及安裝支撐。輸出 端工作台則需具有被動齒輪支持座、角度編碼器、轉速計、扭力感測器和 施負載裝置，以提供被動齒輪之安裝支撐、轉動角度監測、轉速監測、扭 力監測、扭力負載施加。本研究用之泛用型齒輪測試機之規格規劃如下:

(1)滑座最大行程：

․X 軸：210mm

․Y 軸：210mm

․Z 軸：160mm

․U 軸：165mm

․R 軸：90 度 (2)滑座精度：

․定位精度：20μm

․重現精度：20μm

․平面度：20μm

(3)各滑座具有停止後之鎖緊固定裝置。

(4)被測齒輪對:

․齒數比：1~1/5

․中心距：最大 150mm

․單個齒輪重量：最大 15kg (5)最大輸入功率：2kW

(6)最高輸出轉速：1800rpm。因受限於施負載裝置(Loading Device，如煞 車器或動力計)型式之性能特性，可用於低轉速(200rpm 以下)之施負載 裝置，通常並不適用於高轉速(1800rpm 以上)齒輪對測試。

(7)最大測試負載：機台本身結構之設計則考慮以承受 30N-m 之扭力負載為 基準，為遷就市面上販售之馬達、扭力計、煞車器等元件之現成品規格，

部份元件若再加大 1 號規格等級，則機台負載可能已超出 30N-m 之扭力 太多。依目前所選用之 2kW 馬達、扭力計、煞車器等性能規格之限制，

最大測試負載如下：

․瞬間之額定最大測試負載：20N-m

․1800rpm 轉速時之額定最大測試負載：9.75N-m

․0rpm 轉速時之額定最大測試負載：12N-m (8)單齒腹嚙合之角度量測解析度：≦0.02 度 (9)效率測試誤差值：≦ 1%

圖 3.1 泛用型齒輪測試機之機台架構示意圖 X Z

X Z U

R Y

3.1.2 主要元件的規格訂定及選購：

(1) 輸入端馬達：採用 SANYO 廠牌之 P60B13200BXSA3 型交流(AC)伺服馬達，

並配上 P0A050A0PJ2S01 型控制器，可正反轉，可調速度。伺服馬達之 性能曲線如圖 3.2 所示，其規格如下：

․功率：2Kw

․額定轉速：2000rpm

․最高轉速：3000rpm

․額定轉速時之最大輸出扭力：9.5N-m

․瞬間最大輸出扭力：30N-m

․失速轉速(0rpm)時之連續運轉最大輸出扭力:12N-m

․使用環境溫度:0~40°C

․儲藏環境溫度:-20~65°C

圖 3.2 泛用型齒輪測試機之馬達性能曲線圖

(2) 輸入端及輸出端之扭力計(Torque Transducer)：採用 STAIGER MOHILO 廠牌之 0170/01 型扭力計及 MS20RA 型扭力放大器。

0 5 10 15 20 25 30 35

0 1000 2000 3000

輸出轉速(rpm)

輸出扭力(N-m)

瞬間運轉 之輸出扭 力

連續運轉 之輸出扭 力

․最大扭力：20N-m

․最高轉速：12,000rpm

․扭力誤差：±0.5%

․輸入訊號：5V

․輸出訊號：0~5V

(3) 輸入端及輸出端之角度編碼器：採用 HEIDENHEIN 廠牌之 RON 255 型(中 空型)角度編碼器，其外形如圖 3.2 所示，其規格如下:

圖 3.3 泛用型齒輪測試機之角度編碼器基本形狀尺寸圖

․脈波數:18,000 脈波/轉(Pulse/Revolution)，HEIDENHEIN 廠牌之 RPN800 型為其現有產品中最高脈波數之角度編碼器，可達 90,000 脈 波/轉，但其體積大很多，為φ200mm 外徑×φ60mm 內徑×40mm 長，且 價格比 255 型高數倍。

․解析度：0.02∘(如再配合其 IK220 數據擷取卡具 2¹²之分割功能，可 將每個脈波再分割成 4096 等分，則解析度可達 4.88×10^-6 弧度

=0.0176 弧度-秒)

․最高轉速：3000rpm

․輸入電壓：5V±5%

․輸入電流：150mA

․輸出訊號：11μΑ_ΡΡ

D1=φ20H7 D1=φ20H7

․使用溫度：-20~70°C

․儲存溫度：-30~80°C

․轉動慣量：60×10^-6Kg-m²

(4) 數據擷取卡(Counter Card): 選用 HEIDENHEIN 廠牌之 IK220 型數據擷 取卡(如圖 3.4)，其規格如表 3.1。測試齒輪之轉速往往受限於數據擷 取卡之容許最大頻率，依上述角度編碼器之產生脈波(Pulse)數為 18,000 脈波/轉，本數據擷取卡對輸入脈波訊號型式 11μΑ_ΡΡ之容許最 大頻率為 33KHz，則該泛用型齒輪測試機做傳動誤差測試之齒輪容許最 大轉速為 110rpm (=33,000×60/ 18,000rpm)，亦即若測試齒輪運轉超 過此轉速，數據擷取卡所擷取脈波數即開始出現差錯。選用數據擷取 卡通常須留意之規格項目如下:

․可輸入訊號類型、數量及最大頻率

․訊號分割能力(訊號分割摺數)

․每頻道之資料讀取位元(Bit)

․內部記憶體之大小

․介面傳輸型式

․驅動程式與 Windows 軟體版本之匹配

圖 3.4 泛用型齒輪測試機之數據擷取卡外觀圖

表 3.1 泛用型齒輪測試機之數據擷取卡規格表

項目 HEIDENHEIN 廠牌之 IK220 型 1.輸入訊號類型 1μΑ_ΡΡ 11μΑ_ΡΡ EnDat SSI 2.輸入訊號數量 2 組

3.輸入頻率(最大) 500KHz 33KHz

4.訊號線長度(最大) 60m 10m 5.脈波(pulse)分割數 4096

6.數據傳輸容量 48bits

7.內部記憶容量 8192 位置容量

8.介面 PCI bus

9.驅動程式 Windows NT/95/98

10.可用之程式語言 VISUAL C++, VISUAL Basic, BORLAND DELPHI

11.尺寸 約 190mm

×

100mm

(5) 輸出端負載裝置：採用 MITSUBISHI 廠牌之 ZKB-2.5XN 型磁粉式煞車器 及其 LD-100W 型控制器，額定煞車力為 25N-m（如選擇再大 1 號之規格 品，則其額定煞車力為 50N-m）。磁粉式煞車器之煞車力大小可依輸入 電流作控制，且適合中低轉速(0 至 1,800 rpm)使用。其煞車力性能曲 線如圖 3.5 所示，其性能規格如下：

․額定最大煞車力：25N-m

․瞬間最大煞車力：34N-m

․最大電流：1.24 安培

․最大功率：30W

․最大轉速：1800rpm

․動平衡：不平衡量在 30g 以內

․體積：φ 180mm 外徑×155mm 長度

․重量： 14.5Kg

圖 3.5 泛用型齒輪測試機之煞車器性能曲線圖

(5)轉速計：可測最高轉速為 3,000rpm。

(6)聯軸器：共四個聯軸器，均採用剛片式聯軸器，供齒輪軸、扭力感測器 和馬達、負載間的聯結，具有補償可能之同心度誤差的功能。

(7)光學尺及顯示器: 採用 NPI 廠牌之 LE0150-1A3 型光學尺搭配其 WE6800 型顯示器，每個顯示器可同時接收三支光學尺做三個軸直線位置之顯 示，精度為 2

μ

_{m 。}

(8)其他訊號處理介面卡：供讀取控制相關訊號用。

․A/D Card：採用 NI 廠牌之 PCI6024E 型

․I/O Card：採用 ADLINK 廠牌之 PCI7250 型 (9)控制箱

․採用 19 吋工業級 20U 箱體，烤漆面板。

․電源供應器：採用 220V 及 20A，提供編碼器與光學尺顯示器所需電源。

․系統控制器：以兩組可變電組旋鈕分別做扭力負載及轉速之操作控 制，藉由電阻的變化，而改變到激磁電流量，以達成扭力負載及轉速 之調整與控制。

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 激磁電流(安培)

煞車力(N-m)

․其他需求:相關接頭、按鈕、扭力顯示、轉速顯示、訊號線與配件。

3.1.3 測試機結構設計

整部泛用型齒輪測試機之機械結構可分成主動齒輪之傳動軸系、被動 齒輪之傳動軸系和機台等三個次系統，以下依此次系統分別做說明:

(1)主動齒輪之傳動軸系設計(Layout)

整個主動齒輪之傳動軸系結構設計如圖 3.6 所示，主動齒輪之傳動軸左 端採用一對斜角滾珠軸承以承擔徑向力及軸向力，右端則採用兩個深槽 滾珠軸承倂疊以承擔徑向力。軸右端設計成凸緣以供主動齒輪之安裝，

為求適應各種齒輪之安裝，凸緣與主動齒輪間設有齒輪接頭(Adapter)，

可配合各種齒輪做必要之變化。齒輪接頭是以 4 支 M8 螺栓鎖附於該傳動 軸凸緣，該傳動軸之動力是由伺服馬達經扭力計傳入，該傳動軸之右端 與該扭力計是以一組聯軸器連接起來，該扭力計與伺服馬達亦是以一組 聯軸器連接起來。該傳動軸上裝一個轉速計及一組角度編碼器，以供主 動齒輪之轉速及角度位移量之量取。

圖 3.6 主動齒輪之傳動軸系結構圖

(2)被動齒輪之安裝軸系設計(Layout)

整個被動齒輪之傳動軸系結構設計如圖 3.7 所示，被動齒輪之傳動軸右 端採用一對斜角滾珠軸承以承擔徑向力及軸向力，左端則採用兩個深槽

輸入轉速感測器 傳動軸 角度編碼器 斜角滾珠軸承 齒輪接頭

深槽滾珠軸承 聯軸器

扭力計 聯軸器

交流伺服馬達

滾珠軸承倂疊以承擔徑向力。軸右端設計成凸緣以供被動齒輪之安裝，

為求適應各種齒輪之安裝，凸緣與被動齒輪間設有齒輪接頭，可配合各 種齒輪作必要之變化，齒輪接頭是以 4 支 M8 螺栓鎖附於該傳動軸凸緣。

該傳動軸之左端則以一組聯軸器連接上扭力計，該扭力計再透過另一組 聯軸器連接至磁粉煞車器。該傳動軸上裝一個轉速計及一組角度編碼 器，以供被動齒輪之轉速及角度位移量之量取。

圖 3.7 被動齒輪之傳動軸系結構圖

(3)機台設計:

依上述之主動齒輪及被動齒輪等之傳動軸系尺寸大小再加上 X、Y、U、Z、

R 等 5 個軸之行程需求，即可設計排列出所要之機台結構及大小，此泛用 型齒輪測試機之機台結構如圖 3.8 所示。其中 X、Y、U、Z 等 4 個軸是採 用現成之硬化滑軌，通常其表面硬度可達 HRC60 以上。R 軸因其運動是走 圓弧軌道，並無現成之硬化滑軌可用，只能直接於基台上加工出圓弧軌 道。X、Y、U 等 3 個軸為直線運動，各設有一組螺桿以做其機台之直線位 置調整，並配上附有刻度之轉輪，可做刻度為 0.01mm 之行程位置微調，

且各加裝一支 NPI LE0150-1A3 型光學尺，透過 NPI WE6800 型顯示器，

可顯示至 2

μ

m 之位置精度。Z 軸為上下垂直方向之移動，因此設計一齒 條搭配一主動齒輪，則只要該齒輪作旋轉運動即可調整主動齒輪系之整

深槽滾珠軸承 聯軸器 扭力計 聯軸器 磁粉式煞車器

輸出轉速感測器 角度編碼器 傳動軸

斜角滾珠軸承 齒輪接頭

體支架的上下位置，該齒輪軸亦搭配上附有刻度之轉輪，可做刻度為 0.01mm 之行程位置之微調。R 軸為垂直旋轉軸，因此設計一組蝸輪蝸桿 以作 R 軸之旋轉角度位置之細調，再搭配上附有刻度之轉輪，可做 0.02 度之角度微調。X、Y、U 和 Z 軸之行程規格如下：

․X 軸(輸出端底座行程)：210mm

․Y 軸(輸入端前後行程)：210mm

․Z 軸(輸入端上下行程)：±80mm

․U 軸(輸出端前後行程)：165mm

輸出端工作台可於 R 軸滑座上做自-10 弧度至 120 弧度範圍內之自由旋

輸出端工作台可於 R 軸滑座上做自-10 弧度至 120 弧度範圍內之自由旋

在文檔中 受負載之正齒輪對的傳動誤差探討 (頁 21-33)