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机械制造及其自动化硕士论文-高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用.pdf.pdf 免费下载
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南京理工大学 硕士学位论文 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 姓名:张振宇 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:殷爱华 20080526 硕上论文 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 摘要 论文以工程实际项目“高速滚珠丝杠副综合性能测试系统“ 为背景,针对高速滚 珠丝杠副综合性能的测试要求,结合国内外高速滚珠丝杠副测试技术的发展,开发出 能够对高速滚珠丝杠副综合性能进行动态测量的测试系统,并在此基础上对高速滚珠 丝杠副综合性能进行了测试分析。 在分析高速滚珠丝杠副综合性能的测试需求基础之上,论文研究内容包括:测试 系统总体设计与分析;以n 1 6 2 5 1 数据采集卡为核心构建数据采集系统,实现对高速 滚珠丝杠副各项性能参数的动态测量;通过对运动控制卡和伺服电机特性的研究构建 以g t 2 0 0 - - s v 运动控制卡为核心的主轴伺服控制系统,实现对伺服控制系统的p i d 控制;建立伺服控制系统数学模型,为伺服系统的进一步优化设计提供理论基础;完 成测试系统软件控制部分软件的编写及数据采集及系统控制软件的整合:解决现场安 装和调试的各种实际问题,完善系统各部分的功能。最后,论文对高速滚珠丝杠副的 综合性能参数进行了测试分析,提出了解决滚珠丝杠副高速化过程中一系列问题的可 行的方法,为高速滚珠丝杠副的研究与开发提供了有效的工具。 工厂实际应用表明,该系统能够满足高速滚珠丝杠副综合性能的测试需求。 关键词t 高速滚珠丝杠副,测量系统,伺服系统,p i d 控制,测试分析 硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e so nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t “h i 曲s p e e db a l l s c r e w c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t ym e a s u r e m e n ts y s t e m ”a c c o r d i n gt ot h et e s tr e q u i r e m e n tf o r h i g hs p e e db a l l s c r e wa n dt h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e db a l l s c r e wt e s tt e c h n i c a l , d e v e l o p e dt h eh i g hs p e e db a l l s c r e wm e a s u r e m e n ts y s t e m t h e nd ot e s ta n a l y s i so fh i g h s p e e db a l l s c r e w 谢t l ll l i 曲s p e e db a l l s c r e wm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o u tt e s tr e q u i r e m e n tf o rh i g hs p e e db a l l s c r e w , t h i sp a p e rd i d r e s e a r c hi n c l u d e :d e s i g na n da n a l y s i so ft h ew h o l es y s t e m ;c o n s t r u c t e dt h ed a qs y s t e m b yn 1 6 2 51 ,a n dr e a l i z e dt h er e a l - t i m em e a s u r e m e n tf o rh i g hs p e e db a l l s c r e w ;c o n s t r u c t t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo fm a i ns p i n d l e 、) l ,i n lg t 2 0 0 - - s vm o t i o nc o n t r o lc a r d ,a n d r e a l i z e dt h ep i dc o n t r o l l i n go fs e r v o m e c h a n i s m ;b u i l tt h em a t h e m a t i c sm o d e lo f s e r v o m e c h a n i s m ,a n dp r o v i d e dt h ea c a d e m i cb a s ef o ro p t i m i z i n gt h es y s t e mf o rf u t u r e ; w r i t et h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mf o rs e r v o m e c h a n i s m ,a n dc o m b i n e dt h ed a qa n d c o n t r o l l i n gs o f t w a r e ;s o l v e dt h ep r a c t i c a lp r o b l e m sd u r i n ga s s e m b l i n ga n dd e b u g g i n g ,a n d p e r f e c t e dt h ef u n c t i o no fe a c hp a r t f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o m p r e h e n s i v e p r o p e r t yo fh i 曲s p e e db a l l - s c r e w , a n dp o mo u tf e a s i b l ew a yt op r o d u c th i g hs p e e d b a l l s c r e w a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lu s i n g ,t h i ss y s t e mc a l lm e e tt h ei n v e s t i g a t i o nr e q u i r e m e n t o fh i g hs p e e db a l l s c r e w k e yw o r d :h i g hs p e e db a l ls c r e w , m e a s u r i n gs y s t e m ,s e r v o m e c h a n i s m , p i dc o n t r o l ,t e s t a n a l y s i s n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本 学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 夕栌臼归 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文,按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 易万年名月垆 硕 论文岛建滚珠4 自刮综台性能测试系绕h 麓应用 1 绪论 1 1 滚珠丝杠副介绍f 1 1 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件,如图1 1 1 所示 图1 l l 典型滚珠丝杠副 滚珠丝杠的作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动,它 是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在 机床行业得到广泛运用极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有 以下儿个方面的优良特性: ( 1 ) 传动精度高 滚珠传动精度主要是指丝杠的进给精度和轴向定位精度。经过淬硬和精磨螺纹滚 道后的滚珠螺旋丝杠副具有较高的进给精度。当采用预紧螺母时,能完全消除轴向间 隙。如果预紧力适当在不增加驱动力矩和基本不降低传动效率的前提下,能提高传 动系统的刚度和定位精度。并且由于滚珠螺旋传动的摩擦小,运行过程中的温升小, 因此不但进给速度稳定,而且丝杠尺寸也非常稳定,具有较好的定位精度和重复定位 精度。 ( 2 ) 传动效率高 在滚珠丝杠副中,自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传动 方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母直接作用的方式,因此以极小滚动摩擦代替 了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到9 0 以上,整个传动的驱动力 矩减少至滑动丝杠的1 ,3 左右,发热率也因此大幅降低。如图1 1 2 所示。 l 绪论硕上论文 仁 翁釉 瓣 缀 秘 柏 8 0 1 1 0 0口t 2署曩7 譬 壤缀并内f - 卜 图1 1 2 丝杠副传动效率图 ( 3 ) 传动可逆性 滚珠丝杠副螺旋传动过程中没有滑动粘滞摩擦,消除了传动过程中可能出现的爬 行现象。滚珠丝杠副主要实现两种传动方式:将回旋运动变成直线运动,或将直线运 动变成回旋运动。因此,与滑动螺旋传动相比,滚珠螺旋传动的具有可逆性特点。 ( 4 ) 使用寿命长 由于滚珠丝杠副的丝杠、螺母和滚珠都经过淬硬和其它表面工艺处理,而且滚动 摩擦产生的磨损极小,因此滚珠丝杠副的实际寿命要远高于滑动丝杠。 ( 5 ) 同步性能好 由于滚珠螺旋传动的滚动摩擦特性,静摩擦阻力几乎与运转速度无关,静摩擦力 矩极小,启动摩擦力矩与运动摩擦力矩十分接近,因此,运动启动时无颤动,低速下 运转无爬行。大大提高了传动的灵敏度和准确度,具有持续平稳运行的特点。因此, 采用多套滚珠丝杠副方案同时驱动同一装置或几个相同的部件时,启动的同时性、运 行中的速度和加速度等都具有很好的一致性。 当然,滚珠丝杠副在具备诸多优越性的同时,也存在结构较复杂、工艺难度大、 制造成本高等局限性。 1 2 国内外滚珠丝杠的发展及研究现状1 2 】【3 】 滚珠丝杠副自1 8 7 4 年在美国获得专利至今已经有1 0 0 多年的历史了,而在我国 却只有4 0 多年的开发研制、专业生产的历史。在这种情况下,我国滚珠丝杠产业的 发展水平与国外的水平相比就出现了较大的差距。从产品总体水平来看,我国处于发 达国家名牌产品之下,尤其是高性能、高档次的产品( 高速、高精度、特高精度、低 噪声等) 与n s k 、t h k 、r e x r o t h 等知名企业有明显的差距,成为制约国产高档数控 机床发展的瓶颈。 2 硕士论文高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 目前,我国在滚珠丝杠副产业上与国外还有很大的差距,其中丝杠检测技术不够 完善是一个主要的原因。检测水平的高低直接影响到丝杠系列产品的精度和质量。在 我国只有少数几种产品达到欧洲标准定位精度。精度差距只是表面现象,其实质还是 基础技术差距的反映。如大多未采用定位精度软件补偿技术、温度变形补偿技术等。 只有拥有先进的检测仪器和产品性能试验设备,才能为批量生产的产品和新产品的研 发提供品质保证,用检测数据和性能对比曲线来取信用户。因此提高丝杠检测设备的 综合性能成为生产高精度、高质量滚珠丝杠的一个重要途径。 1 2 1 国内研究现状 自1 9 6 4 年我国自行研制出第一套滚珠丝杠副以来,随着产品的应用范围的不断扩 大及制造水平逐渐提高,滚珠丝杠副制造技术在经历了起步、发展、成熟阶段之后, 现在已经进入了赶超世界先进潮流的阶段。 国内主要丝杠生产和研究单位,如陕西汉江机床厂,南京工艺装备厂,北京机床 研究所,以及山东济宁博特精密丝杠制造有限公司等在不断探索和研究新产品的同时 也一直在不断的研究和开发新型的丝杠测试设备。 目前,国内丝杠生产厂家已经制造出了高速度的精密丝杠副。北京机床研究所生 产出的g c b m 4 0 1 6 ,g c b m 4 0 2 0 双头高速滚珠丝杠副,线速度超过4 8 m m i n 。南京 工艺装备制造厂也生产出了陶瓷球高速滚珠丝杠副,线速度3 6 m m i n ,并出口美国。 测试方面,为了对滚珠丝杠副进行高速试验,北京机床所专门研制成功了g s z 2 0 0 0 高速滚珠丝杠副综合测试装置。用于测量滚珠丝杠副在高速时的性能( 定位精 度、噪声和温升) ,测量丝杠最大长度为2 2 0 0 m m ,工作台移动速度可达6 0 m m i n 以 上。该测试装置配置了日本三菱公司的高分辨率的单轴数控系统,其中交流伺服电动 机的额定功率为2 k w ,额定转速为3 0 0 0 r m i n ,电动机端编码器输出的脉冲数为 1 0 0 0 0 0 r ,采用了德国h e i d e n h a i n 精密长光栅作为定位精度的测量基准,其测量 分辨率为0 2 u m ;采用6 个p n 结温度传感器,分别测量螺母、丝杠、前轴承座、后 轴承座、光栅和空气的温度,其测量分辨率为o 1 ;采用智能声级计测量滚珠丝杠 副噪声的声压级,其测量分辨率为0 5 d b 。 山东大学和济宁博特联合开发的b t j s 。0 0 1 高速滚珠丝杠测试台能测量丝杠的最 大长度为2 0 0 0 m m ,直径为2 0 - - 一8 0 m m ,实际工作行程小于1 8 0 0 m m ;测量时工作台 移动速度可达6 0 m m i r a 可以完成负载状态下的加速度、速度、定位精度以及滚珠丝 杠热伸长的在线实时测量;控制系统采用了日本三菱公司高分辨率的单轴数控系统, 上位机软件采用v b 6 0 编写,各项测量数据经计算机处理后,可以实现硬盘数据保 存并打印输出规范的检测报告。其组成结构如图1 2 1 1 所示。 3 1 绪论硕士论文 1 挽制擞乞l 磅搬电视3 。静鞠承缀不耀璨缝狂5 缓坶壤 & 斑夔块z 巍线镑纨8 ,肠轴承瘥9 诗箢机 图1 2 1 1b t j s 0 0 1 结构图 1 2 2 国外研究现状 国外许多丝杠生产厂家如日本t h k ,n s k 从7 0 年代开始研究试验,驱动线速度 从2 0 m m i n 到4 0 m m i n ,9 0 年代末达8 0 m m i n ,而现在最高线速度达到1 2 0 m m i n , 并已成功应用于数控机床。根据最新资料显示,n s k 公司在试验条件下已经使滚珠 丝杠副的线速度提高到2 0 0 m m i n 。欧洲一些发达国家也在9 0 年代开始研制高速丝杠, 其运动速度达到9 0 m m i n 。 在测量技术方面,日本n s k 公司采用计算机对检测数据进行自动判别和处理, 它在l m s 型3 m 激光丝杠动态检测仪上加了一套“导程精度自动评定系统“ 。它主要 完成如下三个功能: ( 1 ) 迅速完成数据处理,输出导程误差曲线,并根据j i s 或i s o 滚珠丝杠标准判 断出精度等级; ( 2 ) 通过对图形放大、滤波获得精确数据,对误差进行统计分析; ( 3 ) 对导程误差进行谐波分析。 在测量方式上,n s k 公司采用动态连续测量,为了获得与实际滚珠丝杠工作状态 接近的各种性能数据,n s k 研制了卧式连续动态预紧力矩测量机,安装在生产现场。 使用时,可以自动的使滚珠丝杠仪在高速状态下跑合5 0 个回合,然后自动转入低速 状态并开始自动测量和记录。 在滚珠丝杠副测量的多功能化方面,联邦德国林德纳公司研制了g m 心导程 测量仪,对于各种不同牙型的丝杠,可以同时完成螺纹中径、单面导程误差和双面导 程误差的测量。并且,能够对装配后的滚珠丝杠副同时进行综合导程精度和空载预紧 力矩的测量。 4 硕士论文 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 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、图像显示 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 得到了广泛的发展及应用,丝杠动态测量仪的研究也向高精度、快速化、智能化、模 块化的方向发展。 1 3 课题研究背景及意义 随着汽车工业、航空航天业的发展对轻合金的高速切削加工越来越重视,加工中 心、工业机器人、c n 锻压机械、f m s 及各类数控机床和自动化机械的进给驱动速度 不断提高。以加工中心为例,工作台的移动速度在8 0 年代仅为1 5 “ - 2 0 r n m i n 、加速 度o 5 9 左右,9 0 年代中前期为3 0 “ - - 5 0 m m i n 、加速度l g 左右,到了9 0 年代后期国 外已达6 0 “ - - - 8 0 m m i n ,加速度1 5 9 以上,并向更高速度推进。为适应高速切削加工的 要求,高性能滚珠丝杠已成为滚珠丝杠副产品发展的趋势。所谓高性能就是指在高速 度的基础上,滚珠丝杠副具有较高的精度稳定性,达到高刚性、高负载、自润滑、低 噪声、小温升等性能。 然而滚珠丝杠实现高性能的过程也面临一系列的技术问题,包括如何抑制高速时 的振动、噪声、温升、温位移;高速时的定位精度的变化;循环反向装置的优化设计, 以及如何提高滚珠循环反向的流畅性和可靠性;滚珠螺母结构和滚珠链的创新等。因 此,要实现滚珠丝杠副的高性能,需要在滚珠丝杠的设计、制造及试验检测技术上不 断的创新。国外许多制造滚珠丝杠的公司,除了致力于改革加工工艺外,都把检测手 段的更新换代放在重要的地位。并且,经过多年的开发和试验,已经形成了一套较为 完整的检测和研究体系。 长期以来,我国过于追求对检测滚珠丝杠副螺距精度的研究,而在滚珠丝杠副综 合性能的研究上相对滞后,致使产品在性能上与国际先进水平存在较大的差距,这也 是制约我国数控机床向更高档次发展的主要原因之一。因此,面对新的市场要求,加 紧对滚珠丝杠副的新产品开展综合性能试验研究就显得尤为重要。本课题就是要研制 先进的高速滚珠丝杠副综合性能测试系统,在此基础上对高速滚珠丝杠副的综合性能 参数( 噪声、加速度、温升、温位移、定位精度等) 进行试验分析,为开发新的产品 提供依据1 4 【5 1 。 1 4 论文主要研究内容 论文以实际工程项目“高速滚珠丝杠副综合性能测试系统”的研制开发为基础, 以高速滚珠丝杠副为研究对象,结合测试系统开发和调试中遇到的实际问题,进行了 研究和探讨。由于该工程项目工作量较大,是在课题组成员通力合作之下完成,本人 负责完成了该工程项目的几个功能模块,并全程参与了整个系统的设计,开发与现场 5 l 绪论硕上论文 调试。主要研究内容如下: ( 1 ) 分析滚珠丝杠副的基本特点以及国内外滚珠丝杠副的研究和发展现状。 ( 2 ) 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统的设计开发。选用合适的传感器( 温度传 感器,加速度传感器,噪声传感器,位移传感器) 、多功能数据采集卡和工业控制计 算机建立典型的数据采集系统,实现对高速丝杠综合性能参数的动态测量。进行前期 的实验以及现场的安装调试和实际问题的解决。 ( 3 ) 独立完成了主轴伺服控制系统的设计与分析。选用合适的电机,运动控制卡, 驱动器构建测试系统的伺服控制平台。通过系统的现场安装调试,实现对主伺服控制 系统的p i d 控制。并通过不断的解决调试过程中的问题,完善控制系统的功能及可靠 性。并对主轴伺服控制系统进行初步的建模和探讨,为设计更加高速、稳定的伺服控 制系统提供了初步的理论依据。 ( 4 ) 负责完成调用电机控制卡的动态链接库编写测试系统的控制软件,完成测试 系统数据采集与主轴伺服控制软件的整合及系统测试软件的总体设计。 ( 5 ) 在构建完成高速滚珠丝杠副综合性能测试系统的基础上,通过对高速滚珠丝 杠副试验所采集的试验数据,对其综合性能进行深入分析,提出滚珠丝杠副高速化的 技术对策。 ( 6 ) 对本论文的工作进行了全面总结,并对未来滚珠丝杠副高速化进程中的工作 进行了展望。 6 硕士论文 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 2 测试系统总体设计 2 1 系统设计基本原则 根据汉江机床有限公司的要求,结合当前国内外高速滚珠丝杠副综合性能研究的 发展状况以及滚珠丝杠副测试系统的发展趋势,对高速滚珠丝杠副综合性能试验台的 设计与开发遵循以下原则: ( 1 ) 易于操作和使用。在分析高速滚珠丝杠副综合性能测量系统的功能、结构、 系统软硬件构成的基础上,构建出方便测量人员使用的测试系统。不仅要求测量软件 利于操作简单明了,同时要求各类硬件的安装和设置简单方便。比如传感器的标定, 被测丝杠的拆装。 ( 2 ) 尽可能采用标准化部件,如电机,轴承,开关,传感器等部件,减少专业化 部件的使用,提高系统的可靠性。 ( 3 ) 功能先进,易于维护。计算机,电子检测控制系统发展更新换代很快,有的 器件淘汰也很快,在设计中淘汰过时、落后的系统和器件,选用符合现代测量需求的 软件和硬件,确保高速滚珠丝杠副综合性能测试系统的先进性和可维修性。高速滚珠 丝杠副综合性能测试系统采用了目前测试领域广泛使用的l a b v i e w 组建了整个测试 系统。 ( 4 ) 系统软件应界面友好,可操作性强。高速滚珠丝杠综合性能测试系统测量软 件各功能模块应简单明了,界面友好,可操作性强,避免各种重复及多余的功能。使 测量人员能够很快的掌握其使用和操作方法。 2 2 系统设计的基本要求 在分析国内外相关研究资料和成果并结合工业现场实际使用条件的基础上,拟定 最佳方案,最大限度的满足实际生产与研究对该仪器所提出的精度、可靠性、效率、 寿命、操作方式等方面的要求。根据以上指导思想拟定设计高速滚珠丝杠副综合性能 测试系统方案时应满足下列要求: ( 1 ) 经济性要求。在设计测试系统时不盲目追求复杂高级的方案,只要能满足使 用功能要求即可。采用最简单的方案一般都意味着设计简单,零件少,元件少等,其 直接的优点就是可靠性高,成本低,操作简便等。在考虑经济性时,不应仅限于仪器 的制造成本,还应考虑仪器的使用成本,综合考虑其经济效果,从而制定出正确的方 案。对于高速滚珠丝杠副综合性能测试系统,其机械系统部分由汉江机床厂自行设计 完成,其它功能部件也都是根据满足实际使用功能要求所选用的。 7 2 测试系统总体设计 硕上论文 ( 2 ) 精度要求。仪器的精度应根据生产实际中被测对象的精度要求来确定,一般 仪器的测量误差取被测件公差的1 3 ,有时甚至取被测件公差的1 5 或1 1 0 。也就是说, 某仪器可测几级精度的零件,即该仪器的误差值不得大于被测零件该级公差的1 3 ,1 5 , 1 1 0 。在满足高速丝杠测量精度下,无需追求过高精度,否则会使增加不必要的制造 成本。 ( 3 ) 效率要求。高速滚珠丝杠副综合性能测量系统的效率应与滚珠丝杠的研发的 进度相适应。自动化测量的设备可以缩短测量时间,提高生产率,从而加快高速滚珠 丝杠副的研发进程。 ( 4 ) 可靠性。可靠性是指测量系统在一定时间和条件下,不出故障地发挥其固定 功能的概率。一套自动测量系统或一台仪器无论在原理上如何先进,功能上如何全面, 在精度上如何高,假若可靠性差,故障频繁不能长期稳定的工作,该仪器就没有使用 价值。 ( 5 ) 寿命。在设计中应注意考虑提高寿命的方法,采用模块化部件,各单元采用 技术成熟可靠性高的元件。 2 3 系统方案设计 2 3 1 系统技术要求 根据对高速丝杠综合性能参数的测量要求,参考国内外对高速滚珠丝杠副综合性 能的研究和发展现状,制定了如下技术要求: ( 1 ) 测试温升,分辨率为0 1 ; ( 2 ) 测试定位精度,分辨率为0 2 u r n ; ( 3 ) 测量温位移,分辨率为0 2 u l i l ; ( 4 ) 测量噪声,分辨率为0 5 d b ; ( 5 ) 测量丝杠最大长度为2 5 8 6 m m ,t 1 ) 2 0 8 0 m m ,测量行程 2 0 0 m m 允许偏差值级a 级( ot 5 + 0 0 0 2 1 t 1 ) ,b 级( o3 0 + 0 0 0 5 1 q ) 另外p t l 0 0 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。比 较适用于高速滚珠丝杠副综合性能测试系统的温度测量。 3 1 3 温度变送器 温度传感器的输出信号必然要进行放大及后续的处理,从经济性和可维护性的角 度出发,本课题选用了北京瑞斯派克科技有限公司的t t 4 c v 系列的温度变送器对 p t l 0 0 温度传感器的电信号进行了放大及后续的处理,使其转换成0 5 v 的电压信号, 以便于n i 6 2 5 1 数据采集卡进行温度信号的采集。 t t 4 c v 是采用先进的电路模块集成技术组成的温度变送器,可与不同的温度 传感器连接,用以实现对环境和介质温度的测量,输出标准的电压信号值。如图3 1 3 1 所示。并t t 4 c v 还具有精度高、量程宽、可靠性高、稳定性线性好、传输距离长, 抗干扰能力强的优点,适用于高速滚珠丝杠测试系统。 图31 311 1 u c v 温度变送器 t 1 v c v 的技术参数如表3 1 3 1 所示: v 温度变送器 3 测量系统构成硕j j 论_ 亘= 表3 i3 i1 t 4 cv 技术参数 指标名称参数 量程 一5 5 + 5 0 0 供电电压 2 4 v d c 输出信号o 5 v 准确度 士o5 f s 负载能力兰3 k q 输入线阻s 5 0 n 根据数据采集卡端口分配情况及温度变送器接线端子的定义,实际温度测量系统 接线如图3 1 3 2 所示。其中a i ,a i g n d 分别为n 1 6 2 5 1 模拟信号输入端口和模拟地。 l易易扬 甲甲甲 p t l 0 0 图31 3 2 温度测量系统接线图 3 1 4 测量界面 根据测量要求,及操作方便性,设计了温度测量界面如图31 4 1 所示。 图3 1 冉1 温度测量界面 碗论立 高速镕珠丝杠目j 综e 性能 i 试系统开垃o j 应用 测量人员通过在温度测量界面的控弗怦台内输入符舍要求的测量参数,参数确认 厉将工作台通过复位功能回到测量起始点( 本系统测量起始点为系统左侧接近开关 处) ,激活采集中按钮采集温度数据,然后运行电机。因为,在温度测量时,要观测 丝杠运行前后温度的变化情况必须在电机运行之前就进行温度信号的采集。测量完成 后,激活保存数据按钮即可对测量数据进行保存。 3 2 加速度测量系统开发 通过对高速丝杠加速的测量与研究,改善滚珠丝杠剐的加( 减) 速度特性可提 高对运动指令的快速跟踪能力,并且减小起动和停止瞬间弹性变形。提高滚珠丝杠在 高速运动状态下的定位精度和重复定位精度。在高速滚珠丝杠副的加速度测量系统 中,由于系统在测量工程时处于高速运行状态,为了尽量的减少丝杠及试验台的振动 对测量结果的影响。将加速度传感器安装在模拟工作台上。如图32 1 所示。 加速度传! 弗器 图3 2l 加速度传感器安装位置 3 2 1 测量原理 高速滚珠丝杠副加速度测量系统由加速度传感器、数据采集卡工控机等组成。 实现对高速丝杠加速信号的采集,并通过软件编程实现显示、分析和打印。其结构框 图如图3 2 1 l 所示。 3 2 2 加速度传感器 图3 2ll 加速度测黉系统结构框图 加速度传感器能够产生正比于向量加速度的信号电压或电荷,为了获得精确的测 量结果,选择恰当的加速度传感器并正确地安装是非常重要的。综合考虑被测高速滚 1 9 3 测量系统构成硕 论文 珠丝杠副加速度的范围及系统加速度测量的精度要求,该测量系统选用c s - - l a s 加 速度传感器作为加速度测量的敏感元件。 c s - - l a s 系列加速度传感器是建造在硅晶片顶部的表面m e m s 多硅结构。多晶 硅簧片悬浮在晶片表面的结构,并提供一个克服加速度感应力的阻力。用包含两个独 立的固定板和一个与运动质块相连的中央板形成的差动电容器机构来测量比例于加 速度的多硅结构的偏转,从而产生电压输出信号。 c s - - l a s 的技术参数如表3 2 2 1 所示: 表3 2 2 1c s - - l a s 技术参数 指标名称数值 输入电压 + 5 v d c 输入电流 1 9 m a 测量范围 士5g 偏置电压 2 5 4 - 0 1v 灵敏度 4 0 0 m n | g 偏置温漂 7 m g 非线性度 0 2 f s 带宽 3 0 0 h z 分辨率 2m g 输出噪声 2 2 5 “g 根据加速度传感器接线要求及数据采集卡接线端子的分配情况,实际加速度测量 系统接线如图3 2 2 1 所示。 a a i g n d 2 0 图3 2 2 1 加速度测量系统接线图 硕上论文高速滚珠丝轧副综台性能测试系统开发与应用 3 2 0 测量界面 结合实际的测量需求,设计加速度测量界面如图3 2 31 所示。 加建度测置 一 一 匦堕囡 3 2 3 i 加远厦测量界面 加速度测量界面与温度期4 量界面大致相同,不同之处是加速度信号的采集和电机 的运行是同时进行的。因此,当测量人员完成参数确认和复位之后,只要激活开始测 量,电机运行和加速的采集将同步进行,对系统运行过程中的加速度值进行实时的测 量。 3 3 噪声测量系统开发 滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有:滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰 撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。对高速下的噪声进行测量并对结果进行频谱分析, 可以更加准确的分析出噪声源,帮助设计人员进行结构以及工艺方面的改进,降低丝 杠运行时的噪声。 3 3 1 测量原理 噪声测量的数据采集系统,由声级计、数据采集卡,工控机等组成。实现对高速 丝杠加速信号的采集,并通过软件编程实现显示、分析和打印。其结构框图如图3 3 1 1 所示。 图3 3 1 1 噪声测量系统结构框图 3 捌量系统拘a 3 3 2 噪声传感器 根据噪声测量的需求,一自速滚珠丝杠副综合性能测试系统选用h s 5 6 3 3 a 数字声 级计作为噪声测量的前置放大器。其具有显示清晰,读数准确,体积小、重量轻等特 点。能够满足系统噪声测量的 囤3 32 1h s 5 6 3 3 a 数字声级计 h s 5 6 3 3 a 数字声级计技术参数如表332 1 所示: 表3 32 1 h s 5 6 3 3 a 技术参数 指标名称参数 测量范围4 0 d b 一1 2 0 d b 分辨率 频率范围 频率计权a 计权、c 计权 显示器8 2 点阵字符液晶显示器 输出接口 根据数据采集卡的端口分配噪声测量系统接线如图3 3 22 所示。 图3 322 噪声测量系统接线 硕上论立高速滚珠丝杠剐综台性能i 试系统开发与应用 3 3 3 测量界面 噪声测量界面如图3 3 3 1 所示,其测量设置及过程和加速度测量类似。首先输 入基本控制参数,参数确认后,点击开始测量便可进行丝杠高速运行下噪声的测量。 壹曼煎鲴 “击十日刊 3 4 温位移测量系统开发 囤3 3 3 1 噪声测量界面 _ _ 3 4 1 测量原理 滚珠丝杠在高速条件下运行时,受运行时间和运行转速影响温度会急剧上升,从 而导致滚珠丝杠温位移加剥,从而影响丝杠定位精度。因此,温位移测量系统是高速 滚珠丝杠副综合测量系统不可或缺的组成部分。其组成结构框图如图3 4 1 1 所示。 图3 41 1 温位移测量系统结构框图 3 4 2 位移传感器 根据测量实际要求,系统采用了德国米铱公司的e d d y n c d t 3 0 1 0 型电涡流位移传 感器。e d d y n c d t 3 0 1 0 电涡流位移传感器是一种带模拟信号控制器的集成单通道位移测 量系统,控制器可直接安装于机械设备上。测量过程无接触、无磨损,传感器系统无 需检修维护,且不受测量环境影响,即便在有水、油、灰尘及电磁场的干扰下,仍然 能够准确测量,因此比较适用于测量高速滚珠丝杠的温位移。实物安装如图3 4 2 1 、 3 测量系统构成倾l 论文 3 4 22 所示。 圈3 4 2 1e d d y n c d t 3 0 1 0 电涡流位移传感器图3 422 信号调理盒 e d d y n c d t 3 0 1 0 电涡流位移传感器技术参数如表 项目技术参数 线性量程本课题选用2 r a m 量程 绝对误差:卸2 5 f s o 分辨率 0 0 0 5 f s o 频率响应 2 5k h z 卜3d b ) 探头适用温度一5 0 至+ 1 5 0 温度补偿范围+ 1 0 至“5 温度稳定性螂0 3 6 f s o 根据数据采集卡端口的分配及e d d y n c d t 3 0 1 0 电涡流位移传感器接线端的定义 和要求,温位移测量系统接线如图3 4 2 3 所示。 图3 4 23e g l d y n c d t 3 0 1 0 电涡流位移传感器 rl耋习垂 颤十论文 高速滚珠丝杠副综台r 车能测试系统开发与麻用 3 4 3 测量界面 温位移测量界面如图3 4 3 1 所示。其测量设置及过程与噪声测量类似。首先在 控制平台输入基本控制参数,参数确认后,点击开始测量便可进行丝杠高速运行下温 位移的测量。 量垡整超鲴 卅,: 叫口判 一 一 国3 431 温位移测量界面 3 5 定位精度移测量系统开发 运动体的定位精度是指运动部件实际位置和目标位置的接近程度。在精密定位平 台系统中是指平台在移动过程中,根据指令信号沿某一坐标轴方向移动一段距离时的 实际值与给定值的接近程度。滚珠丝杠的定位精度,就机床而言,是指在丝杠行程范 围内任意一点定位时的误差范围,它直接反映了机床的加工精度能力,从而成为数控 机床最关键技术指标。对于数控机床的重要传动部件高速滚珠丝杠副,由于其运行时 的速度和加速度都比一般丝杠高,定位精度较普通丝杠难控制。因此,对于高速传动 的重要部件高速滚珠丝杠副进行定位精度测量也是高速滚珠丝杠副综合性能测试系 统的重要任务之一。 3 5 1 定位精度测量原理 滚珠丝杠副动态测量的基本原理是通过用模拟工作台的实际位置与目标位置进 行比较,求得被测丝杠的定位精度。根据定位精度的定义以及不同测量方式的比较, 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统采用“同步位移绝对值比较法”进行定位精度的测 3 * 采缱柑m mj z 鼙。其月_ 体疗法是秉用i k 2 2 0 计数卡同时聚集电机码盘发轴向直线k 光栅的信号。电 机码盘的反馈作为为p i 标位置,长光栅反馈作为实际位置。通过软件设计计算出其误 差值。其结构如图3 5 】i 所示。 量系统斥月一 图3 5 li 定位精度测莆系统结构 3 5 2 长光栅 计量光栅是用于数控机床的精密检测元件,是闭环系统中另一种用得较多的测量 装置,用作位移或转角的测量,测量精度可达几微米。计量光栅分为长光栅( 测量直 线位移) 和圆光栅( 测量角位移) 。由于激光技术的发展,光栅制作精度可以提高, 再通过细分电路可以做到01j i m ,甚至更高的分辨率。 本课题根据实际需要选用海德汉l s l 8 6 c 型增量式直线光栅尺,测量步距为0 5 l i m ,具有确定温度特性,能承受高振动频率支持水平安装。在安装过程中一定要 保证光栅尺与直 图3 521 l s l 8 6 c 封闭式直线长光栅 所示 硕士论文高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 其技术参数如表3 5 2 1 所示。 表3 5 2 1l s l 8 6 c 技术参数 项目参数要求 机械结构全尺寸 测量方法增量式 测量标准d i a d u r 刻线的玻璃光栅尺 热膨胀系数 e 珊 8x1 0 石k 。1 精度等级 + 3 u m 测量长度( m l ) 2 2 4 0 m m 参考点距离编码 增量信号 1v s s 栅距 2 0 9 m 信号周期 2 0 9 m 截止频率3 d b之1 6 0 k h z 最高运动速度 12 0 m m i n 电源5 v4 - 5 e 时,即偏差值较大时, 采用p d 控制,减少超调量,使系统有较快响应;当l e ( k ) l _ e 时,即偏差值比较小时, 采用p i d 控制,以保证伺服电机位置控制精度。其控制算法流程如图4 4 2 1 所示。 图4 4 2 1 控制算法流程图 离散化p i d 控制算式为: 职d = 文+ k 口( 力+ 饬 反动一嗽一1 ) 】 ( 4 4 2 1 2 ) i - - 0 其中,k 为采样序号,k = 0 ,1 ,2 ;k p 、k i 、i g 分别表示比例、积分、微分系 数。在实际中,若执行机构需要的是控制量的增量,根据递推原理可得增量式p i d 控制算式为: 3 7 4 主轴伺服驱动系统设计硕上论文 乙,( 尼) = _ p ( 尼) + k p ( 后) + 厶乙【e ( 尼) 一p ( 七一1 ) 】 ( 4 4 2 2 ) 其中,文后) = 反动- e ( k - 1 ) 4 4 3 控制系统参数整定 主控微机向控制卡发送p i d 参数,看给定的参数是否符合控制系统的要求,该过 程需用参数整定实现。p i d 控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理 论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种 方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是 工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、 易于掌握,在工程实际中被广泛采用。p i d 控制器参数的工程整定方法主要有临界比 例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按 照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参 数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 参数整定的主要任务是确定k p 、k i 、。比例系数k p 增大,使伺服驱动系统的 比例动作灵敏、响应加快,而过大会引起振荡,调节时间加长;积分系数k i 增大, 能消除系统稳态误差,但稳定性下降;微分控制可以改善动态特性,使超调量减少, 调整时间缩短。本课题伺服控制系统的参数整定采用临界比例法。在初期试验阶段对 控制系统的控制参数进行整定的步骤如下: ( 1 ) 运行g t c m d i s ac h ,完成系统的初始化。 ( 2 ) 在“轴选栏”选择当前轴。 ( 3 ) 将“轴闭环开环伺服控制”处于选定状态。 ( 4 ) 点击“清状态”按钮,观察当前轴状态,确保轴无异常状态。 ( 5 ) 设置k = l ,k i = 0 ,k d = 0 ,点击“参数更新”。 ( 6 ) 驱动使能,观察电机是否静止,如果电机不静止,调整偏置参数,使电机静 止。 ( 7 ) 选择一种运动模式实现单轴运动,设置参数。观察轴运动情况。逐渐增加k , 按照第五步的方法设置并更新,直到轴开始轻微振荡。在此过程中保持k i ,豳不变。 ( 8 ) 将轴开始振荡的k p 值乘以0 8 ,作为新的岛值设置并更新。设置轴运动,观 察系统产生的超调量。若超调量过大,逐渐加大的值,设置并刷新,直到系统的 超调量明显减小。 ( 9 ) 设置轴运动,在轴运动完成后,观察轴的“当前位置“ 是否与设定的“目标 位置”有误差。若存在误差,可以逐渐增加瞄值,设置并更新,直到位置误差为1 脉冲。 硕十论立高建最殊# 打副综合性特测试系统* 发与用 由于该参数整定过程只能在电机运动控制卡自带的演示程序中进行,对于测试系 统的操作过程中使用并不方便。因此,在高速丝杠综合性能测试软件中编写了电机调 试界面和速度曲线界面,如图4 43 1 、4 4 32 所示。这样可以更加直观,更加方便的 对p i d 参数进行整定。 图4 4 3 i 电机调试界面 图4 432 速度曲线界面 通过不断的调试和比较,在高速丝杠综合性能测试系统的伺服控制中选用p m 参数为k p = 1 3 ,哪,k d 卸,也就是采用了完全是比例控制的模式,基本满足了系 4 主轴伺服驱动系统设计硕士论文 统当前的测试需要。同时在调试过程中发现在p i d 参数及加速度一定时,使用较大的 速度值时会出现超调现象。在p i d 参数及速度一定时,使用较大的加速度值时也会出 现超调现象,有时甚至会出现过载停机的现象。希望后续的研究人员能够对此加以研 究并对伺服控制系统进行进一步的完善。 4 5 主轴运动控制流程 由于动态测量过程中主轴需要按照指定的运动方式进行运动,因此根据动态测量 的实际需求,制定了如图4 5 1 所示主轴运动控制流程。 图4 5 1 主轴运动控制流程 硕十论文高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 考虑到丝杠在测量过程中运行速度较快,为防止发生意外事件,一是在测试软件 编写中加入了急停功能,通过发送关闭电机伺服命令来使电机停止;二是在伺服驱动 器的伺服回路中加入了由极限开关信号控制的急停回路,接线原理图如图4 5 2 所示。 这样,在软件保护失去作用时,一旦模拟工作台冲出限位开关,极限开关接收到信号, 会立即触发继电器线圈得电,使串联在接近开关的常开开关闭合,使继电器进入自保 状态。同时,串联在驱动器使能回路中的继电器常闭开关断开。使电机停止运动。但 是这一保护生效后,需断开系统电源,人为转动丝杠将模拟工作台移出极限位置。然 后,重新启动系统。这样对给测量人员带来了一定的不便,这一功能也是有待后续的 研究人员能够加以改进和完善的地方。 v d c +翼+ k a i ( 2 ) k a 2 ( 2 ) 一一 态 继 接驱动i v - p c i 端 d c 电l o a d ( c n 5 )器 ( j g x e1 0 0 3 l ) 接驱动器自 图4 5 2 极限开关接线原理图 根据现场调试情况,设计完善急停控制流程如图4 5 3 所示。 端1 3 9 图4 5 3 急停控制流程图 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统选用l a b v i e w 语言进行了整个系统测控软件 4 1 4 主轴伺服驱动系统设计硕士论文 的编写,其中伺服控制系统控制程序也是采用l a b v i e w 编写完成。在编写运动控制程 序的时,首先要使用l a b
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