滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统的设计(编辑修改稿)

滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

6 与标准丝杠连续比对测量丝杠的仪器通常称为丝杠导程仪，是测量丝杠螺旋线误差的专用仪器。 这类仪器通过机械方式指示被测丝杠相对于标准丝杠的误差，虽结构简单操作方便，但测量精度受标准丝杠精度的限制，且被测丝杠与标准丝杠螺距必须相同，只适用于精度要求不高，单一品种大批量生产的测量。 图 相比 法测量原理示意图 位差对应于初始相位差的误差反映了被测丝杠的导程误差。 传统的比相方法采用分立丝杠动态测量中运用较多的是比相法。 基本原理见图 24。 丝杠的作用是将角位移转化 为轴向直线位移，因此对丝杠的测量都是基于圆分度的长度测量。 测量丝杠角度位移的基准件有圆光栅、圆磁栅等，测量轴向长度位移的基准件有磁栅尺、光栅尺、激光光波波长等。 比相法测量时将丝杠转动的圆周基准信号和轴向直线位移基准信号分别进行不同的分频，使两路信号在系统匀速运行和丝杠误差为零的条件下成为同频率信号，将分频后的两路信号的时间间隔作为采样周期，两信号相位差应保持不变，实际相元件比相器进行模拟式比相，存在可靠性差、分辨率受到限制、信号难以保持的缺点。 计算机的应用使数字比相代替模拟比相，取消了分频器、比相器、积分器 、采样及保持电路，实现了大量程、高分辨率的测量，并得到高精度的结果。 青岛理工大学毕业设计 7 图 记数法测量示意图 记数法测量原理如图 25。 角位移信号每转一周产生 N 个角脉冲信号，开始测量时轴向位移信号与角位移脉冲同时到达，当丝杠转过 M 个角脉冲信号后，即转过 M/N 转，测量头位移为 /N(Ph 为导程 )，若轴向位移信号脉冲波长为λ，位移信号脉冲应有 l=m .Ph /N/λ 个，由于导程误差的存在，测量头实际位移的与理论位移不一致，轴向位移实际脉冲个数为 l1，则误差为 e =( l1l)λ。 这样以圆周为角度基 准信号，测头轴向位移信号为输入，即可测量出丝杠导程误差 [5]。 我国自从 50 年代开始生产滚珠丝杠以来，不但致力于滚珠丝杠制造工艺和制造技术的不断提高，而且还在滚珠丝杠检测技术方面做了巨大的努力。 在很长的一段时间里，我国使用的丝杠检测方法只有静态法，由于这种检测方法的第二章系统方案分析落后，我国的滚珠丝杠制造工业受到了严重的制约。 70 年代以来，很多工厂，学校和研究机构纷纷加入到滚珠丝杠测量仪的研究与制造中来。 逐渐实现了从单纯的静态法测量，过度到科技含量高的动态法测量中来。 两种方法的对比如表 21 所示。 青岛理工大学毕业设计 8 表 11 丝杠测量动态法与静态法比较 项目 静态测量法 动态测量法 测量精度 测量结果和丝杠的实际精度不完全符合 :只能测量一、二个轴向截面内的螺距误差；避免测量时间长会导致人的疲劳以及环境的变化等对测量结果产生的影响，长丝杠须采用跨牙测量。 而英制螺纹尺是半英寸一条刻线，只能每半英寸或一英寸测量一个数据。 因此可能漏掉误差较大的测量点；测量单圈螺旋线误差时，需将圆周有限等份，等份越少误差越大，等份圆周划分相位时将产生随即误差。 测量结果和实际精度一致，提高了测量精度 :可以连续测量，确定任意轴向截面的螺 距误差；由测量人员的对线读书变为自动记录，避免了人为的随即误差。 通过基准件参数的合理选择，对各种螺纹的丝杠都可以由逐牙或跨牙测量变为连续自动测量，不会漏掉测量点，测得的丝杠误差符合实际；测量螺旋线误差时，由等分圆周对少数点的测量变为连续测量，避免了分点过少及划分相位时带来的随机误差。 测量效率 （ 1)每测量一个数据都要读数显微镜对线一次或几次，因此测量 n场 )低。 由于测量效率低，环境温度波动的影响较大，尤其在测量长丝杠时，容易产生误差； (2)加工丝杠时，机床的加工和调整时间长，机床生产效率低； (3)生产 加工机床时，试磨样件的刀具多，装配和调整的周期长，不利于机床产量和质量的提高； (4)劳动强度大，长时间测读易疲(1)由逐点 M量改为连续 M量，效率提高 79倍； (2)缩短了丝杠加工机床的调整和加工时间，提高了机床的生产效率； (3)生产加工机床时，减少了试磨样件的刀具数，缩短了机床装配和调整的时间，促进了机床产量和质量的提高； 青岛理工大学毕业设计 9 劳，从而增大对线误差。 (4)减少了测量人员，降低了劳动强度，实现了测量过程的自动化。 由于效率提高，减少了环境 A度波动的影响，有利于提高测量精度。 测量设备 静态测量设备多用万能 性的设备，维护方便。 动态测量设备为复杂的专用设备，价格昂贵，电子设备的维护也比较麻烦。 适用范围 适用于单件小批量生产及测量精度不太高的丝杠。 适用于成批生产及精度要求较高的丝杠。 由以上对比可以看出，动态测量较之传统的静态测量具有测量精度高、重复性好、效率高、检测人员劳动强度低 [13]，因此，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合，动态测量已基本取代了静态测量，成为丝杠检测的主要手段。 传统的动态测量方法是由专门制造的动态测量仪来完成的。 这一时期的动态测量仪由于受技术条件的限制，尤其是电 子技术发展的制约，其关键部件大都由分立元件构成，因而功能单一，自动化程度较低，仪器故障率也较高。 虽然其后的有些产品采用了厚膜电路和小规模集成电路构成的相位计，使仪器的性能指标有所改进，但从宏观上看仍没有走出早期测量仪工作的模式。 随着电子技术，特别是计算机技术的发展，使制造出新一代的丝杠动态测量仪在技术上成为了可能。 动态测量仪虽然在测量原理方面没有新的突破，但在技术实施方案上有了重大的发展。 这一时期的动态测量仪圆周方向上基本都采用高精度圆光栅作为基准，长度方向有些采用高精度光栅 (或磁栅 )尺，有些则采用单频激 光或双频激光作为基准，而传统的相位计大都由单片机 (或工业控制机 )取代[16]。 目前开发应用的丝杠动态测量仪，不论是在测量精度还是在自动化程度或者仪器的无故障率方面，都比早期的测量仪有了很大的提高。 激光技术和计算机技青岛理工大学毕业设计 10 术的应用，使动态测量技术进一步提高。 在技术方法上，由于采用了计算机技术，因而突破了传统的模拟比相方法。 而采用数字比相技术，这使仪器的测量精度和抗干扰性能有了进一步的提高。 有些仪器己经采用显示器来显示测量的误差曲线，并同时可由记录仪来画出误差曲线 [16]。 随着现代测试技术的快速发展，光电技术、 数字化技术、微处理技术、图象显示技术、自动化技术得到了广泛的应用，智能化技术、柔性测试、计算机辅助测试等也得到广泛的发展及应用，丝杠动态测量仪的研究开发也向高精度、快速化、智能化、模块化的方向发展 [17]。 系统方案的提出 问题的提出 在 绪论中已经叙述过，滚珠丝杠的测量可以由静态法或者动态法进行测量，两种方法的优劣性也在上文中做了比较。 静态法测量一条或多条母线的螺旋线误差，采用这种方法可以达到一定的精度，但测量效率过低，不能发现周期性的误差；动态测量方法是利用螺旋线的运动规律来实现测量的， 由传动装置带动被测丝杠转动，并用适当的方式对螺旋线的误差进行测量，这种方式可以得到较好的精度，而且测量效率也得到了较大的提高，但由于测量方法的要求，动态测量仪要有检测螺杆旋转角度的传感器（一般使用圆光栅），还需要有检测螺旋线轴向变化的测量设备（一般采用长光栅尺或者双频激光干涉仪），这样的系统通常有个问题： 无论是采用长光栅或是激光双频干涉仪作为轴向位移的测量设备，其局限性是显而易见的：他们都只能测量滚珠丝杠副上一条母线的轴向误差，若想测量多条母线的轴向行程误差则需要进行多次的测量，这样就无形中降低了测量设备 的测量效率，不利于对同一滚珠丝杠副的多条母线螺距误差的测量。 青岛理工大学毕业设计 11 问题的分析与解决 上 面已经说到了现在使用比较广泛的滚珠丝杠动态测量仪所面临的问题。 下面，就将根据所提出的问题进行系统的分析。 从绪论里我们可以看到，静态法虽然效率低，但它有一个明显的优点：就是能测 量多条母线的螺旋线行程误差，这是滚珠丝杠动态测量仪所不具备的。 滚珠动态测量仪是通过被测丝杠的转动来带动与丝杠点接触且连接到光栅尺上的测量头，从而测量出测量头的轴向位移，然后由圆光栅上得到的转动角度，根据式（ 22）得出标准的轴向位移，从而得到螺 旋线行程误差。 使用激光干涉仪进行轴向位移测量的动态测量仪，是利用双频激光，利用其频率之差，采集记录激光干涉测量的脉冲数，就可以实现长度的测量。 激光双频干涉仪同光栅尺测量一样，也是对单一的母线进行测量，不能实现对多条母线的测量。 现在应该做的，就是由静态测量法的启发，进而得到一个能够对丝杠牙型上任意的一条母线进行测量的方法。 在绪论中的静态法描述中，我们注意到影象测量法是对同一母线上同侧牙型的两个点进行测量，得到 n个螺距的测量值。 我们也可以想一种方式，对牙型上的点进行测量，然后对同一母线上的同侧点进行距离测量， 既而得到 n 个螺距的测量值。 与静态法不同的是，我们要利用电子计算机技术，对牙型上的点进行测量，并加以数据处理与数据输出，实现测量的自动化。 系统方案的分析 1．系统测量方案分析 基于以上的叙述，我们初步确定以下的测量方案。 对滚珠丝杠的轴向截面的轮廓进行测量，我们知道，对于点的位置的确定，在三维坐标内，应该有 x、 y、z三个坐标 值，对于二维坐标，则需要有 x、 y 两个坐标值。 对于本课题的项目，我们需要测量的点都在滚珠丝杠的轴向截面之内，也就是说，所有的测量点都在一个平面之内，所以我们就可以建立一个虚拟的二维 坐标系，在此二维坐标系平面内对牙型轮廓进行逐点的测量，通 过使用适当的位移传感器得到每个点在这个虚拟的空间坐标系内的坐标值。 又由于所测量的点都是是在轴向截面的二维平面内，所以 我们只需要两个位移传感器，一个用来测量轴向的位移 x，另一个测量纵向的位移 y。 青岛理工大学毕业设计 12 2．系统机械结构方案分析 （ 1）系统中应有提供被测丝 杠与传感器运动的装置，且此装置的设计能够利于控制被测丝杠与传感器相对运动的距离。 这样做，一方面可以方便工作论文人员的测量，一般对滚珠丝杠的测量，我们都是要对丝杠的某一段长度进行测量（如任意 100mm 行程内的行程 变动量，任意 250mm 行程内的行程变动量等等），若我们采用能够根据已知的测量长度进行控制的运动系统，就可以避免工作人员对测量距离的目测，从而减轻工作人员的劳动强度。 另一方面，可以准确的把握已测量的距离，避免少测量或多测量一段距离，造成测量的失效或冗余数据的产生。 例如，我们要测量滚珠丝杠 100mm 行程内的行程变动量。 若只测量了 90mm的行程运动系统便停止工作，势必引起测量数据的不足，造成本次测量的失败。 如 果测量了 150mm的行程，便会产生多余的测量数据，不但加大了系统的数据处理量，而且也增加了测量过程的时间， 不利于测量效率的提高。 （ 2） 系统应尽量满足阿贝原则。 在绪论中我们已经提出过阿贝原则，即测工件与标准尺必须处在测量方向的同一直线上。 采用阿贝原则能避免一次误差，得到较高的测量精度。 如果系统的设计不能完全满足阿贝原则的要求，为了减小阿贝误差，我们可以对阿贝原则进行扩展，即在测量过程中，使测量线和基准线尽量靠近，并保证没有角运动，即保证两条线平行 [11]。 这样，我们就应该在设计系统结构的时候使其尽量满足阿贝原则。 根据以上分析，我们确定以下的机械结构方案，如图 26 图 系统机械结构简图 青岛理工大学毕业设计 13 在此系统中，伺服电 机用来控制传动丝杠的旋转，从而控制移动机架带着被测丝杠移动，移动机架下固定着横向位移传感器的移动端，当固定机架移动时，横向位移传感器也随之移动，测量出被测丝杠的轴向位移。 另外，在被测丝杠的正上方（在丝杠的轴向横截面内），相对机 架固定不动的位置安装一个纵向位移传感器，可以测量丝杠牙型轮廓纵向的坐标。 由于可能产生测量头的自锁问题，具体的纵向位移传感器机构将在本文后面的叙述中给出。 夹具采用两块 V 型铁，用上下两块钢板并配以 m10 的螺栓加以固定，这样的夹具可以做到对滚珠丝杠的夹持固定，有较好的定位效果。 夹具示意图如图 27。 图 夹具示意图 3．系统电路方案分析 机械结构确定以后，我们就要来设计系统的电路方案。 本课题所涉及的系统电路应有以下几个模块：传感器数据采集及处理模块；运动装置控制模块；计算机接口模块。 根据以上的分析，我们确定以下的系统电路框。