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硕士论文十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 摘要 m l l l l l 删舢洲1 1 i i l y 2 0 6 0 8 8 6 本课题结合国家科技重大专项“十米螺纹动态检测仪大型、精密、高效、数控 螺纹加工设备”，研制十米激光滚珠丝杠综合行程误差动态检测仪，以满足工厂对大型 丝杠自动化检测与生产的要求。 根据测量仪设计的要求与基本原则，提出了总体方案设计。本文采用同步位移比较 法进行丝杠的动态测量，采用雷尼绍激光测长系统作为长度测量基准，并具有环境补偿 单元，实现在线补偿；采用圆光栅作为角度测量基准，计数卡同步采集两路脉冲信号。 对十米丝杠综合行程误差检测仪机械部分进行设计、刚度校核与结构优化，包括头架、 导轨、测量台、床身、尾架设计以及测量台与床身刚度校核与结构优化，从而满足仪器 精度指标，提高测量精度。 分析了影响丝杠行程误差测量精度的误差来源，拟定检测仪总体精度分配表，分析 计算各误差来源引起的丝杠行程测量误差，并采取合理补偿措施减少或消除误差，最后 合成各误差得仪器总体精度，判定仪器设计是否合理以及不同型号丝杠的精度等级。 采用2 兀分段法求取行程变动量，缩短运算时间；开发基于v b 和a c c e s s 的检测与 控制系统软件。制定丝杠动态检测仪的检定规程，并用标准梯形丝杠与滚珠丝杠进行动 态测量，统计分析测量数据，判定仪器的周期分散性、测量重复性以及总不确定度。 关键词：滚珠丝杠；行程误差；动态测量；精度分析；激光 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t l lt h e n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 ym 萄o rp r o j e c t so f10 mt l l r e a d s d ) ，1 1 锄i cd e t e c t o r ，al a 唱e ，p r e c i s ea 1 1 de 伍c i e n tc n c n l 】r e a dp r o c e s s i n ge q u i p m e m ，t h es u b j e c t d e v e l o p e dal a s e rd y n 锄i cm e a s u r i n gs y s t e mo ft h ec o m p r e h e n s i v e t r a v e le 玎o rf o rl0 mb a l l s c r e w s ，i i lo r d e rt 0m e e tt 1 1 ef - a c t o 巧r e q u i r e m e n t sf o rl a 略eb a l ls c r e wa u t o m o t i v em e a s u r i n g a n dp r o d u c t i o n a c c o r d i n gt 0m em e a s u r i n gi i l s t 眦e n td e s i 弘r e q u i r e m e n t sa 1 1 db a s i cp r i n c i p l e s ，t h e o v e 旧d e s _ g nw a sp u tf o r w a r d as y n c l u 。o m z e dd i s p l a u c e m e n tc o m p 撕s o nm e t l l o do fd ”锄i c m e a s u r i n gm eb a l l s c r e w 、a sp r e s e n t e di nm ep 印e r r e m s h a wl a l s e r l e n g t hm e a s u r i n ga n d c o n t r o l s y s t e m w a su s e da sl e n g mm e a s u r e m e n td a ：t u m ，w m c hh a sae n v i r o i l i i l e 砌 c o m p e n s a t i o nu 1 1 i ti m p l e m e n t e dt h ec o m p e n s a t i o l l so i l l i n e t h er o u n dg r a t i l l g w a su s e da s a i l g l em e a s u r e m e n t 删a r d ；c o u i l t i n gc a r dc o l l e c t e d t l l et 、v op u l s es i g n a l s m e c h a i l i c a l d e s i g n ，s t i m l e s sc h e c k i i l ga i l d 鳓r l l c t u r eo p t i m i z a t i o no f t h em e a s u d n gs y s t e mw a sc o m p l e t e d ， s u c ha st h ed e s i 印o f h e a d s t o c k ，g u i d e ，m e a s u r i n gr a c k ，l a t h eb e d 粕dt a i lf i r 锄e ，t h es t i f j 丘1 e s s c h e c k i n ga 1 1 dt h e 咖l c t l 鹏o p t i m i z a t i o no fm e a s u r i n g r a c ka n dl 如eb e d ，s om a t 也e i n s t r i 】瑚e n ta c c u r a c yw a sm e t e d ，也em e 2 l s u r i n ga c c u r a c yw 嬲i r 印r o v e d a d d i t i o n a l l y ，m ep a p e ra i l a l y z e dt 1 1 ee 仃0 rs o u r c e so f 缸r e c t i n gm e a s u r i n ga c c u r a c yo f b a us c r e w s 仃a v e le r m r ，抵wu pm eo v e r a l la c c u r a c yd i s t r i b u t i o nt a b l e ，t h e na n a l y z e da i l d c a l c u l a t e dt l l em e a s u r e m e n te 船o r s ，t o o kr e a s o n a b l ea c t i o i l st or e d u c eo re l i m i l l a t et 1 1 ee r r o r s ， f m a l l ye s t a b l i s h e dt l ：l e o v e r a l la c c u r a c yt od e t e n i l i n ei n s t n 肌e n td e s i 印r a t i o i l a l 时a 1 1 db a l i s c r e wp r e c i s i o n 伊a d e s l a s t l y ，t 1 1 ep a p e rc a l c u l a t e d 仃a v e lv a r i a t i o n 谢12 s e c t i o nm e t l l o d ，s h o r t e n e d 恤 c o m p u t a t i o nt i m e ；d e v e l o p e dt h em e a s u r e m e n t a i l dc o n t r o ls y s t e ms o r w a r eb a s e do nv ba i l d a c c e s s r h ev e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o n sf o rd y n 锄i cd e t e c t o ri n 蛐e n tw e r ea l s oe s 诎l i s h e di n t h i sp a p e r ，t h ei i y n 锄i cm e a s u r e m e n t sw e r ec o m p l e t e do nm ed e t e c t o rs y s t e m ，a n dn l er e s u l t s w e r ea i l m y z e ds t a t i s t i c a l l yi no r d e rt oj u d g ei 1 1 s t m m e n tc y c l ed i s p e r s i o n ，r e p e 撕b i l i t ) ， 锄dt h et o t a lu n c e r t a i n t y k e yw o r d s ：b a l ls c r e w ；t r a v e le r r o r ；d y n 撇i cm e a s u r i n g ；p r e c i s i o na n a l y s i s ；l a s e r 硕士论文十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 1 绪论 1 1 引言 滚珠丝杠副由滚珠丝杠、滚珠螺母和滚珠组成，用来把电机的回转运动转化为所需 的直线运动【。因其具有优异的功能和驱动方式的多样性( 如：起动摩擦力小，有较高 的跟随精度，灵敏度高，不存在自锁问题，具有旋转运动和直线运动的可逆性等) 而倍 受关注：在低碳经济时代，作为节能环保的绿色产品在大机械产业链中是技术含量较高 的重要基础元部件【2 1 。 目前，海外众多的滚珠丝杠副制造企业，如：日本的n s k 公司、t h k 公司，德国 的r e x r o t h 、玳a ，英国的i 的t a x 公司，西班牙的k o n a 、s h u t o n ，美国的 w a i 玳e r b e a 、，e r 公司、g m s a g i n a w 公司等【3 4 】，通过技术的创新正朝着高精度、 高速度、智能化、环保化方向发展，产品向特大型、超大导程、精密高速方向延伸。“十 一五”期间，滚珠丝杠副行业面临着发展的大好机遇和挑战，陕西汉江机床厂、北京机 床研究所和南京工艺装备制造有限公司等许多单位，纷纷致力于研究海外滚珠丝杠副的 发展动态，力争从中获得有益的启迪和借鉴【5 】。 滚珠丝杠由于其结构的特点，可作为传动、定位与测量元件。在机械产业链中具有 重要的地位，其加工质量直接影响到机械的传动精度、定位精度、加工精度和测量精度 【6 】。工业发展对滚珠丝杠提出了越来越高的精度要求，常运用高精度的螺纹磨床及先进 的加工方法来提高滚珠丝杠的精度，同时先进、便捷的检测技术成为提高滚珠丝杠质量 与产量的可靠保证【7 1 。目前，滚珠丝杠的位移精度高达1 灿，甚至更高，可以说滚珠 丝杠的制造技术己达到相当高的水平，如何提高生产过程中产品品质，如何降低废品率， 如何提高丝杠质量与产量是各生产厂家一直追求的目标。但目前国内滚珠丝杠质量情况 不容乐观，滚珠丝杠的检测手段及水平有待提高。大多生产厂中，滚珠丝杠检测技术的 发展滞后于滚珠丝杠制造技术的发展，因而滚珠丝杠的质量得不到保证，导致生产效率 低、产品废品率高等一系列问题。因此，迫切需要研究滚珠丝杠检测技术，尤其是大型 丝杠检测仪的研制。 衡量滚珠丝杠副精度的最基本指标是行程精度，分为四大类：有效行程内平均行程 变动量e 、有效行程内行程变动量圪、2 弧度内行程变动量圪。、任意3 0 0 i m 行程内 行程变动量职瞵j 。 1 2 丝杠测量方法发展 对于传递精确位移的滚珠丝杠来说，其传动精度取决于滚道面的质量，而行程误差 l 绪论 硕士论文 是反映滚珠丝杠传动精度的主要参数。 目前，国内外对滚珠丝杠行程误差的测量方法有：静态法、动态法。 1 2 1 静态测量法 静态测量法属于断续测量，指在测量过程中滚珠丝杠不动，沿滚珠丝杠同一截面逐 牙测量，它只对滚珠丝杠上的某一条或几条母线进行测量，从而作为整根丝杠的最终测 量结果。静态测量法又可分为：影像法、轴切法、干涉法等，相比较，轴切法的测量精 度比影像法高。常用的仪器种类主要有万能工具显微镜，万能测长机和静态丝杠检查仪 【9 】。7 0 年代后，相关研究机构纷纷致力于丝杠检测仪的研究，从而动态测量法代替了静 态测量法。 1 2 2 动态测量法 动态测量具有测量精度高，效率高，重复性好，检测自动化程度高等优点，并且可 大大减轻劳动量【1 0 ，1 1 】。动态测量原理：采用丝杠实际螺旋线与标准螺旋线相比较的方法 来求得被测丝杠的螺旋线误差【1 2 】。近年来，动态测量仪在测量原理方面没有新的突破， 如骆瑞伦1 3 1 ，张兴引1 4 1 等均采用此动态测量原理，如图1 1 所剥1 5 1 。 z r 一 l 旦r 2 丁c r e 图1 1 丝杠行程误差图 被测丝杠行程误差： ：z 一旦丁 2 兀 ( 1 1 ) 式中z 测头沿被测丝杠轴向行程量； 丁丝杠导程： 0 丝杠转过的角度。 滚珠丝杠的动态测量方法主要有：连续比对标准丝杠法、比相法和计数法。 ( 1 ) 连续比对标准丝杠法 其测量原理如图1 2 所示【1 6 1 。被测丝杠1 和标准丝杠2 通过传动装置5 保证二者同 步转动，通过与标准丝杠2 连续比对，根据指示表6 指针摆动值读出丝杠1 的螺距误差。 这类仪器结构简单，但不同螺距丝杠必须选择相应同螺距的标准丝杠，测量几级丝杠与 标准丝杠的精度有关，只适用于单一品种大批量生产，精度要求不高的测量。 2 硕士论文 十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 图1 2 连续比对标准丝杠法测量原理示意图 ( 2 ) 比相法 丝杠比相动态测量法基本原理，如图1 3 所示。将角位移信号与轴向位移信号分别 进行分频，成为同频率的两路信号后以一定的采样间隔周期采集信号并进行相位比较， 实际相位差与初始相位差的误差经滤波后输出，即为丝杠行程误差。比相法分为模拟比 相与数字比相：模拟比相通过相位计显示比相结果；而数字比相通过工控机或单片机显 示比相结果。丝杠行程无误差曲线均通过记录仪绘制出【1 7 】。 ( 3 ) 计数法 角 度 基 准 图1 3 比相法测量原理示意图 鱼鱼整鱼曼 - i 计数卡计算机 轴向位移信号上长度基准 被测丝杠 图1 4 计数法测量原理不意图 计数法测量原理，如图1 4 所示。 模拟、数字比相的测量方法为同频比相，不足之处为：先要分别对角位移信号和轴 向位移信号进行分频，以获得同频率信号，再进行比相【1 8 ，1 9 】。而计数法无需两路信号进 行同频比相，是分别将角位移和轴向位移的脉冲信号送入计算机，由软件实现脉冲信号 向位移量的转化，以角度信号为基准，计算出轴向位移的差值，即为丝杠行程误差。 l 绪论硕士论文 1 3 丝杠测量仪国内外研究现状 ( 一) 国外研究现状 国外许多生产制造滚珠丝杠的公司经过多年的开发与研制，已形成一套较为完整的 检测体系，主要包括：丝杠导程精度、综合行程精度测量仪( 2 m 、3 m 、5 m ) ，动态空 载预紧转矩测量仪( 2 m 、3 m 、5 m ) ，滚动直线导轨副综合误差测量仪，传动效率试验 台，静刚度测量仪等【2 0 】。这些检测仪都有几个共同的特点： ( 1 ) 采用计算机，实现测量数据的自动处理。 如n s k 研制的l m s 型3 m 激光滚珠丝杠动态检测仪附有“导程精度测量系统( l e a d a c c u r a c ym e a s u r i n gs y s t e m ) ”。此系统具有的功能： 完成数据分析与处理，输出丝杠导程误差曲线，并根据j i s 丝杠标准确定精度等 级； 滤波并将图形放大而使数据更精确，再作出误差统计与分析； 进行误差曲线的谐波分析。 ( 2 ) 检测仪多功能化。 如德国林德纳公司研制的g m m 4 型导程检测仪，可同时测量不同牙型丝杠的单面 和双面导程误差以及螺纹中径误差。而且，还可同时测量滚珠丝杠副的综合导程误差以 及空载预紧力矩。 ( 3 ) 动态连续且自动化的测量方式。 测量动态连续化可获得与丝杠实际工作情况接近的数据。如n s k 研制的卧式预紧 力矩连续动态测量机，放置在生产车间的装配工段，可使丝杠自动以3 0 0 “m i n 的速度来 回跑合5 0 个回合后，自动转为低速，再开始测量。 ( 二) 国内研究现状 国内研制丝杠检测仪的厂家主要有陕西汉江机床厂、北京机床研究所，此外研究丝 杠行程误差的单位有：南京理工大学、山东大学、山东建筑大学、西安理工大学、陕西 理工学院等。经过研究人员的多年研究，使得国内检测仪在工作原理、测量精度、数据 处理、自动化程度等方面都达到国际同类产品的水平。 陕西汉江机床厂是国内拥有1 m 、1 5 m 、3 m 、5 m 丝杠动态检测仪的滚动功能部件 生产厂家之一，为国家丝杠验收检验标准提供了有效实施方案。北京机床研究所研制的 激光丝杠行程误差检测仪【2 1 2 2 1 ，可测量1 5 m 以内的一级滚珠丝杠副和3 m 以内的三级滚 珠丝杠副的综合行程误差，最大采样点数为3 0 0 0 0 点【2 3 1 ，为国内滚珠丝杠生产厂家使用 国家标准提供了有效的检测手段。 目前国内研究大多集中在滚珠丝杠行程误差的检测原理、方法、信号处理、数据处 理、误差补偿和精度分析上。 4 硕士论文十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 ( 1 ) 测量原理与基准选取 近2 0 年来，几乎所有研究人员均比较被测丝杠实际行程变动量与标准行程变动量，。 求取丝杠行程误差。如北京机床研究所、陕西汉江机床厂、南京理工大学、山东大学等。 目前对于角度测量基准一般选取圆光栅，长度基准选择激光干涉仪或长光栅尺【2 4 ，2 5 1 。 ( 2 ) 信号处理 于复生，宋现春等应用8 9 c 5 2 单片机及a d 转换器使滚珠丝杠误差检测系统实现 了检测速度自适应的功能，分频电路以圆光栅脉冲信号为基准，每转过一定角度，单片 机则产生一个采样点，使得每转实际采样点数与圆光栅角度、丝杠检测长度保持严格一 致，提高了丝杠行程误差跳动量计算的准确性。经实践证明，其检测误差的准确性确实 远远高于原系统【2 6 捌。 朱凌建，邱宗明等选用可编程逻辑器件c p l d ，编程实现光电模拟信号电路中的测 量光与参考光两路信号以及圆光栅信号的同步【2 踟。刘莉，宋现春等利用可编程计数器 8 2 5 4 同时锁存三个内部计数器的状态和计数值，避免了由于读取时刻不同而造成的误差 例。宋现春，张强等利用f p g a 完成了测量信号的逻辑转换与数据测量，采用两个计数 器同时对长光栅与分频出的圆光栅计数，这个高精度的同步计数器是在f p g a 开发平台 中实现的【3 0 】。 ( 3 ) 数据处理 对丝杠精度的检测，规定通过最小二乘法求取有效行程内平均行程变动量【3 1 ，3 2 1 。 行程变动量的计算方法有直接法、三段法、2 分段法、3 0 0 分段法。 黄家贤用f o l 玎凡蝌及汇编语言编制了评定导程精度的软件，并能自动计算出实际 运算时间。实例计算后，可得出结论：直接法计算结果精确可靠，但速度太慢；三段法 计算误差较大；2 分段法计算速度最快，精度与直接法几乎相同；3 0 0 分段法计算精度 和速度都较高1 3 引。 冯虎田等应用此2 分段法，简化了行程变动量的求解过程【3 4 1 。2 分段法：将有 效行程等分为若干个2 段，计算各2 段中残差的最小和最大值。判断某段的前后一 段最小值是否在本段最大值的2 弧度内，如果在，则计算出最大值与前后段最小值的 差值，与本段最大与最小值的差值比较，差值大的作为本段最大差值，以此类推，最后 取各2 段最大差值的最大者为巧。这方法减少了运算量，提高了测量效率。东北林业 大学的孟兆新、李志伟等也采用此行程变动量的求解方法。 c h e n c h u n gl i u ，w e n i a i lc h e n 等从简单的线性回归和几何光学基本原理出发， 标定参数；使用图像处理技术，提取丝杠特征；使用霍特林变换原理，使丝杠主轴与配 合轴旋转一致。在不同模拟条件下证明了该方案的有效性，可以准确测量误差小于 0 1 岫的丝杠导程【3 5 】。 ( 4 ) 误差补偿 l 绪论 硕士论文 陕西理工学院的陈曼龙副教授，主要研究了激光丝杠动态检测仪的的补偿技术。综 合利用误差分离、误差修正和误差抑制等技术，对检测仪进行激光信号误差、丝杠热伸 长量、测量架导轨误差、光栅盘安装偏心误差、测量力引起的测量误差等进行补偿【3 6 ，3 7 j 。 激光信号补偿方法在实践证实中，发现利用建立误差补偿模型进行补偿效果不理想， 故改用在恒温恒压测量室，工作台上安装屏蔽罩的方法提高激光信号精度。丝杠热伸 长量误差补偿通常可采用延长等温时间或者温度补偿的方法，但延长等温时间耗时长， 一根3 m 丝杠需要等温4 8 小时，不满足生产效率要求；实践中采用在尾顶尖与尾顶尖座 之间安装直线光栅来测量丝杠轴向变化。对于测量架导轨误差补偿是通过测量高精度 丝杠来反求测量架导轨误差，然后进行误差更新的软件补偿方法。实际中测量力大小对 测量精度的影响不显著，因而设计了浮动测量架，利用碟型弹簧保持测量力基本不变， 通过软件将相邻螺距的测量值相减，从而减弱测量力引起的测量误差。床身的温度补 偿中，指出床身沿其长度方向上的变形对测量精度无影响，而床身的弯曲变形会影响测 量精度，因此床身应有足够的刚性。他通过采用整体式结构设计，增加了床身刚性；通 过同步带传动将电机与床身分开；将测量仪置于恒温的测量环境，从而忽略了床身温度 补偿问题p 引。 ( 5 ) 精度分析 东北林业大学的孟兆新、李志伟等通过轴向位置数学模型对设计的丝杠精度动态检 测系统的不确定度进行了分析，推导出不确定度的公式，计算了由检测系统本身、激光 干涉仪引入的不确定度以及系统的标准不确定度。通过试验验证了该系统的不确定度为 2 删m 【3 9 】。 庄夔对三米丝杠激光动态测量仪进行了总体精度设计。首先确定了仪器的总体精度 指标，其次采用等精度分配法进行精度分配，对于精度分配公式中的几项参数分别加以 确定，再调整公差相当于实现不等精度分配，最后拟定出总体精度分配表m ，4 。 ( 6 ) 其他 此外，丝杠测量仪属于专用测量设备，其价格昂贵，有些小型丝杠生产厂家，只具 备通用的三坐标测量机。陈曼龙教授试验了在三坐标测量机上实现丝杠螺旋线误差的测 量。针对一般三坐标测量机无法实现角度位移测量，无法使丝杠轴心线与仪器的坐标轴 完全平行这两个问题，分别进行解决。利用光学分度头分度解决丝杠角度位移测量问题， 利用三坐标变换法将实测点转换到零件坐标系中，因而实现了在三坐标测量机测量丝杠 螺旋线误差。但是，该方法不宜用于精度较高、较长的丝杠测量【4 2 ，4 3 1 。 6 硕士论文十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 1 4 课题来源及研究背景意义 1 4 1 课题来源 本课题由国家科技重大专项“十米螺纹动态检测仪大型、精密、高效、数控螺 纹加工设备 支撑( 项目号为2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 1 7 1 ) ，为该公司研制十米激光丝杠动态测 量仪。 1 4 2 课题研究背景意义 随着国民经济的快速发展，钢铁冶金装备、大型电站、空港、大型军工( 雷达、航 母) 等装备急需超重负荷、超长行程丝杠。国产现有设备可加工出基本满足使用要求的 中小型丝杠，但过去1 0 年，中国大型国有骨干企业及集团由于受技术与装备的制约， 缺乏高精度、超长丝杠的供给，5 米以上丝杠的国内市场大多被外企占领，特别是5 1 0 米整根丝杠磨制的市场。目前，国内最大规格的“整根磨制1 0 米超长重载滚珠丝杠 在陕西汉江机床厂研制成功，该规格滚珠丝杠的成功研制，填补了国内超重负荷、超长 行程丝杠领域的空白。原有的五米激光动态丝杠测量仪己不能满足生产需要，为此设计 十米激光丝杠动态测量仪，以满足生产需要。 陕西汉江机床厂自研究生产丝杠开始，就研制丝杠检测仪，是国内拥有1 m 、1 5 m 、 3 m 、5 m 丝杠动态检测仪的滚动功能部件生产厂家。现有的五米丝杠激光动态检测仪 ( h j y 0 1 2 ) 的各项技术指标均满足企业标准要求，在国内的同类产品中处于领先地位， 投入使用以来用户反映良好。该厂对于研制丝杠动态测量仪有扎实的理论和成熟的使用 基础，研制的丝杠检测仪使用状况至今良好。在这种背景下，对设计十米激光丝杠动态 测量系统有一定的优势，我们与其合作，成功研制十米激光滚珠丝杠综合行程误差动态 测量仪，指日可待。 对于丝杠动态检测仪，主要影响测量精度的机械结构有：测量台与床身的刚度。因 此利用a n s y s 对测量台、床身进行刚度校核并结构优化，从而更好的提高其刚度，具 有实际意义，同时也能对误差补偿提供依据。精密仪器的总体精度分析，是检定仪器满 足要求的理论基础，因而此项研究也具有实际意义。 1 5 论文研究的内容 论文主要完成以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 本文首先对丝杠测量方法进行了探讨，针对本课题实际情况选择合适的测量 方法。其次对滚珠丝杠行程误差测量的国内外研究现状进行了调查和分析，阐述了仪器 设计的原则与要求，强调了研究的背景意义。 ( 2 ) 负责测量系统总体方案的布局，控制与测量系统的选型，驱动电机以及数据 7 l 绪论 硕士论文 采集卡的选型，要求满足本系统的设计指标。选用英国雷尼绍公司的双频激光测长系统 和圆光栅作为测量基准元件，高速计数卡采集数据信号以及设计主轴伺服电机控制系 统。 ( 3 ) 完成十米丝杠综合行程误差测量仪机械系统的设计。机械系统设计主要包括 头架设计、导轨设计、尾架设计、测量台设计与刚度校核及优化、床身设计与刚度校核 及优化。 ( 4 ) 对影响滚珠丝杠综合行程误差测量精度的各因素进行分析与总结，详细分析 计算了各因素引起的测量误差，并对测量仪的精度进行了计算，结果符合精度要求。 ( 5 ) 针对所需的系统功能完成操作软件的设计开发，要求具备良好的用户界面， 操作简便快捷。丝杠动态测量系统中的硬件和软件设计应用模块化的设计思想，以缩短 设计周期，提高系统的可靠性和可维护性。制定丝杠动态测量仪的检定规程，按此检定 规程对测量仪进行检定，并对测量数据与结果进行统计分析。 8 硕士论文 十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 2 测量仪总体方案设计 2 1 仪器基本测量原理 l - 头架2 测量头3 被测丝杠4 激光器5 。棱镜6 测量台7 尾架 图2 1 仪器基本测量原理 如图2 1 所示，仪器是由机械传动装置、测量装置、圆光栅系统、激光测长系统、 计算机控制系统和环境检测装置等组成。 被测丝杠3 装夹在仪器头架和尾架的两顶尖之间，对于较长的丝杠用v 型托架支撑， 使丝杠处于水平。由计算机控制伺服电机经过皮带、头架中的齿轮减速机构及套筒转动 带动圆光栅盘转动，同时通过与套筒固连的拨叉带动被测丝杠旋转，将固定在测量台6 上的测量头2 插入丝杠牙槽，丝杠转动时，通过测量头2 推动测量架沿床身导轨面移动。 测量头2 与棱镜5 共同装在测量台6 上，它们随测量台6 移动。将测量头插入牙槽的中 径部位，在弹力作用下，与牙槽的一侧接触，这时，测量头就能反映丝杠转动时螺旋线 的轴向位移，同时改变可动立体棱镜到分光镜的光程。 采用计数法，通过高速计数卡( p c i1 7 8 4 ) 以一定采样周期同步采集测头轴向位移 信号和丝杠角位移信号，将两路信号分别进行高倍数电子细分后送入计算机系统里，由 相应的软件将脉冲信号转化为位移量，计算出丝杠行程误差值。 2 2 系统布局 根据测量仪设计的要求与基本原则，从总体角度出发，对所要设计的测量系统各方 面进行全面分析与估算，制定总体方案布局。本系统所设计出的测量系统的架构如图2 2 所示。 9 2 测量仪系统总体方案设计硕士论文 图2 2 测量系统总体结构 检测仪由机械部分与电气系统部分构成。 2 2 1 机械部分 系统的机械部分包括头架，尾架，床身及导轨，测量台四大部分。 ( 1 ) 头架设计。头架固定在床身左侧，通过皮带传动、齿轮传动进行主轴降速。 大齿轮外径上安装的拨叉带动丝杠旋转；主轴轴向、径向均采用过盈密珠轴承，减小拨 叉的轴向窜动量与径向跳动量，从而提高主轴的回转精度。 ( 2 ) 测量台设计。测量台由测量台面与浮动测量架组成，放置在床身导轨上，平 导轨滚动块与v 导轨滚动块在平v 导轨上沿纵向移动，采用密珠轴承滚动块。测量架 上的测量头通过与被测丝杠的螺旋面接触，带动测量台的纵向移动。该测量台能使测量 头纵向运动、横向( 前后) 运动及横向( 前后) 微调运动。为保持测量力在测量过程中 基本不变，设计了浮动测量架，采用了碟型弹簧。 ( 3 ) 床身及导轨设计。床身及导轨是支承测量仪上各主要部件并使之在工作时保 1 0 硕士论文 十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 持准确的相对位置的基本支承件。所以床身设计要精度高，从而提高测量系统的稳定性。 本丝杠测量仪的导轨是超长直线导轨，导轨精度高低对丝杠测量准确性影响更显著。按 照运动学的设计原则，设计的是一种自复位能力强的导轨：一边是v 型导向导轨，另一 边则设计了一个平导轨来防止扭转，并且此导轨是在加工床身时，一并加工而成，采用 综合刮研法加以改善导轨的最终精度，原理是把基准导轨的几何精度刮研成与移动时导 轨的变形曲线大小相等方向相反的形状。 ( 4 ) 尾架设计。尾架上装有后顶尖，起支承被测滚珠丝杠的作用；尾架内设有压 紧力调节装置，保证后顶尖以恒力压紧被测滚珠丝杠；尾架同样采用过盈密珠轴承，确 保轴的回转精度。 2 2 2 电气系统部分 十米丝杠激光测量仪的电气系统，如图2 3 所示，主要可分为四个部分：i 供电部 分：提供计算机各台测量仪器及仪器控制电路的电源。工控机部分：为仪器的中心， 用于对整台仪器进行控制，数据采集和处理。测量部分：由光栅位移测量系统，温 度测量系统组成，以提供工控机各种测量数据。驱动部分：控制仪器主轴的运转。 ( 1 ) 供电部分： 仪器供电由两部分组成：一部分由电网直接供电给伺服变压器为电机驱动控制部分 提供电源，另一部分由一个2 k v a 交流稳压器供电给工控机系统和测量系统。 ( 2 ) 工控机部分： 工控机部分主要由主机，键盘，l c d 显示器，打印机等组成。主机配置有5 1 2 m 内 存，8 0 g 硬盘和一个三星d v d r wc o m b o 光驱，及外设接口，对仪器的操作在计算机 键盘上可全部操作执行。 ( 3 ) 测量部分 测量由两部分组成：激光测长系统和头架测量系统组成。 激光测长系统：激光测量头将机械位移通过激光干涉形成为光的强弱变化信号，被 激光头接收，转换成电信号，再经过前置放大，然后输出到补偿仪进行温度、湿度、气 压等环境参数补偿后送入高速计数器p c i l 7 8 4 ，经系统处理后，通过显示器显示出来。 补偿仪中各类传感器分别安装在床身上各个不同的位置，为系统提供各种环境参数。 头架测量系统由安装于头架上的圆光栅及高速计数器组成，用于测量主轴旋转角 度。 ( 4 ) 驱动部分 驱动部分由伺服驱动器控制仪器头架主轴的左右旋转，通过操纵面板及计算机键盘 向伺服驱动器发出各种运行命令，再由驱动器输出脉冲信号控制伺服电机的运动方式， 以实现不同的测量要求。 2 测量仪系统总体方案设计 硕士论文 2 3 雷尼绍激光测长系统 图2 3 系统电气框图 滚珠丝杠综合行程误差动态检测系统属于大型、高精度测量仪器，它应能在车间计 量室环境下精确、稳定地测量滚珠丝杠，并具有实时在线显示测量误差曲线的功能。激 光技术因其准确度高、分辨率高、动态响应快、测量范围大、非接触测量、有较强的抗 干扰能力等优点得到了越来越广泛的应用。鉴于上述考虑，本滚珠丝杠综合行程误差动 态检测系统采用雷尼绍激光测长系统作为长度基准。 2 3 1 激光干涉测量法原理 ( 1 ) 角锥反射镜 角锥反射镜通常由玻璃制成，经打磨和抛光后形成“三面直角棱镜”，它有一个很 有用的特性总是将输入光束以平行于来光的方向反射回去，这使光束准直过程简单 易行，并确保测量光束和参考光束在叠加时保持平行。 ( 2 ) 干涉 角锥反射镜将两束光返回到分光镜中，光束叠加并彼此干涉。若两束光相位相同， 波峰与波峰叠加，形成明条纹，则为相长干涉；若两束光相位相反，波峰与波谷抵消， 形成暗条纹，则为相消干涉。 ( 3 ) 运动测量原理 随着角锥反射镜的移动，测量光束长度发生改变，如图2 4 所示，此时干涉光束的 相位发生改变，产生相长干涉或相消干涉将引起光束明暗周期变化，光路长度每6 3 3 姗 变化为一个循环周期，因此角锥反射镜每3 1 6 1 1 1 1 1 的移动量就产生( 明暗明) 光强的变 化循环，通过计算这些循环来测量移动，在这些循环之间进行相位细分，实现更高分辨 1 2 硕士论文十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 率( 1r u t l ) 的测量。尽管目前的干涉仪更为精密，但测量距离精度达到0 5 岬或更高时仍 采用上述基本原理l 4 4 45 1 ，如图2 5 所示。 一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。另一个角锥反射镜 相对于分光镜移动，形成变化长度测量光束。从激光头射出的光束经分光镜，被分成 反射光束与透射光束，射向角锥反射镜；激光头中的探测器接收光束和，使两 束光发生干涉，如图2 6 所示。当两光程差发生变化时，探测器观察到相长、相消干涉 的信号变化，这些变化( 条纹) 被读出来，用于计算两光程差的变化。测量的长度等于 条纹数乘以激光波长的一半。激光波长取决于光束经过的空气折射率，测量时需对空气 温度、湿度、压力进行补偿。 输入兜柬 输出毙策 图2 4 角锥反射镜 l 输入光束 参考咒泵 荔荔皴滔量兆赢 叠撅光束的手莎豢载 曼爨黪叠加光束 图2 5 干涉测量原理 角镶反射镌 图2 6 运动测量原理 2 3 2 激光系统组成 英国雷尼绍( r e l l i s h a w ) 的激光测长系统组成：h s l 0 激光头，r c u l 0 积分补偿单 9 ( ( 2 测量仪系统总体方案设计硕士论文 元，空气温度传感器，材料温度传感器，r c u c s 软件，线性光学器件，如图2 7 所示。 h s l o 激光头包含一个i i 级可视氦氖( h e n e ) 激光源、边缘探测和误差检测电路。 h s l o 中采用精密线性位置反馈光学元件，其量程可达6 0 m 。对于长达6 0 m 的轴，仍能 保持1 p p m 的系统精度。h s l 0 的输出是数字化r s 4 8 5 方波正交信号( 分辨率可选) 或 正弦余弦模拟正交信号。激光管寿命 5 0 0 0 0 小时，激光系统可广泛用于各种恶劣的车 间环境，价格与测量长度无关。 a ) h s l o 激光头 b ) r c u l 0 补偿单元 c ) 圆光栅安装图 图2 7 h s l o 激光系统 r c u l 0 积分补偿单元功能框，如图2 8 所示。 激光编码器ii 环境传感器ii 运动控制系统 剽旆 方波探测 数据流 测量和修整 图2 8 r c u l 0 功能框图 r c u l 0 能实现比例因子、空气折射率、编码器热膨胀系数、工件热膨胀、结构热 变形的五种补偿。 ( 1 ) 比例因子补偿 r c u l 0 产生固定的比例因子修正值，使编码器分辨率转化为等效值，此时6 3 3 i l i i l 即为1 岫。比例因子大小取决于输入分辨率和输出类型。 ( 2 ) 空气折射率补偿 空气折射率( 波长) 补偿是对空气温度、压力进行补偿，补偿后，激光编码器能获 得精确的反馈信号，与环境因素无关。 在空气中，气温、气压和相对湿度将会影响激光光束的波长【矧。如果不对波长的变 化进行补偿，激光线性测量误差可能达到5 0p p m 。即使在温度受控的房间内，日常的空 气压力变化也可能使波长变化达2 0 p p m 以上。每项环境条件的变化都将产生误差，大约 1p p m 的误差对应的环境变化如下： 硕士论文十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 1 p p m 等 1 。c ( = 1 8 。f ) 3 3 m b a r ( = 0 1 i i l h g ) 5 0 r h ( 2 0 。c 时) 3 0 i 己h ( 4 0 。c 时) 空气温度的变化 气压的变化 相对湿度的变化 相对湿度的变化 这些值是在最恶劣条件下的影响值，并且它们并非完全不受其他参数值的影响。该 系统采用r c u l o 通过埃德伦公式来减小这些误差，提高了操作精度和重复性。 埃德伦公式： 广 一 n s = 1 + 1 0 _ 8 l 彳+ b ( 1 3 0 s ) + 石百考：= 二i 孬i 2 _ x ：l 坐霉挚l ( 2 2 ) l 1 1 + g f j j 胛。：1 + 业 ( 2 3 ) 1 d ，z 谚= 聆舻一，o 一1 0 li f ；薹亨耋蒿l 【3 7 3 4 5 一。4 。t s k ， c 2 4 ， 式中：彳、b 、c 、d ，e 、，、g 为常量，s = 击：聆，为标准空气的折射率( 温度为 1 5 。c ，压强为1 0 1 3 2 5 p a 下二氧化碳的容积为4 5 0p p m 的干燥空气) ；刀加为在温度f 和 压强p 情况下的干燥空气折射率；刀吖为在温度r 、压强p 和湿度情况下的湿空气折射 率；仇为水蒸汽的部分压强( p a ) ；五为激光的真空波长；p 为空气压强( 单位帕斯卡) ； f 为空气温度( 单位摄氏度) 。 空气温度传感器监测仪器周围的温度，压力传感器内置于r c u l o p ，湿度变化假设 是相对稳定，在软件里赋予固定值。每读取一次传感器信号，就根据埃德伦公式计算， 从而实现r c u l 0 系统的实时补偿。 ( 3 ) 编码器热膨胀补偿 传统编码器的刻度尺材料热膨胀性会影响系统位置精度。i u 1 0 通过测量刻度尺 温度、修正位置来实现补偿，从而改善了受温度变化时系统的精度。材料温度传感器安 装在刻度尺材料上，r c u l 0 要设置刻度尺的热膨胀系数( c t e ) 以及机构与膨胀初始位 置间的距离。 ( 4 ) 工件热膨胀补偿 r c u l o 通过测量工件的温度以及其热膨胀系数( c t e ) 进行实时补偿。工件固定位 置或膨胀参考点不同，工件热膨胀变形情况也不同，应通过实验确定夹具或工件特性， 以获得更好的补偿。材料温度传感器安装在靠近被测丝杠或者具有等效热特性的地方。 ( 5 ) 结构热补偿 机床结构的热变形也会引起位置误差，其热变形主要来源于主轴热膨胀、机床热膨 胀。若热变形是线性的且与轴线的位置无关，r c u l o 能补偿这一误差，每一度为微米 1 5 2 测量仪系统总体方案设计硕士论文 级补偿量。材料温度传感器安装在机床上。 2 3 3r c u l o 系统设置与特性 ( 一) r c u 系统设置 r c uc s 设置：包括地址设置，时间设置，单位设置。地址设置：给每个r c u l 0 设置唯一的地址，初始地址为l ，取值范围1 6 。单位设置：气压毫巴或毫米汞柱， 温度摄氏度或华氏度，长度英尺、毫米或米。 系统设置包括：传感器设置、补偿设置、参数设置。 ( 1 ) 传感器设置：包括传感器序号、类型、与r c u 连接的地址以及出错警告边 界值。此外可查看传感器信息，如序号、地址、类型、读入值、单位等，如图2 9 所示。 图2 9 传感器信息 ( 2 ) 补偿设置：包括编码器输入设置( 编码器类型、激光波长、分辨率、采样频 率、参考标记来源) 、补偿设置( 空气折射率、编码器补偿、工件热补偿、结构热) 、输 出控制器( 信号格式、分辨率、输出正交方向、更新频率、出错阻抗、控制器逻辑) 、 边界设置( 最大误差极限、恢复注入频率) 、其他( 抑制补偿模式、终止) 等。 ( 3 ) 参数设置：包括完成各补偿的基本数据，如图2 1 0 所示。空气折算率补偿： 选择温度与压力传感器，设定湿度与死程；编码器、工件热补偿：分别选择温度传感器， 定义热膨胀系数与补偿参考点；结构热补偿：选择温度传感器，定义热补偿系数。 图2 1 0c o n f l g u r e 窗口( p a r a m e t e r 标签) 硕士论文 十米激光滚珠丝杠综合行程误差测量系统设计与精度分析 ( 二) r c u l o 系统规格 ( 1 ) r c u l 0 系统性能 输入分辨率：7 9 m ；输出分辨率( 数字化方波) ：0 1 岬；精度：l p p m ( 温度： 0 4 0 ，压强：6 5 0 m b 1 1 5 0 m b ，湿度：2 0 ) ；最大速度：1 5 8 2 i l l s ；补偿刷新率： 2 0 0 s ；延时补偿： 1 “s ；输出刷新频率：5 0 i l s ；采样频率：4 0 z 。 ( 2 ) 元件性能 电源：电压( 2 4 v 2 v ) ，电流( 0 2 5 a ) ，最大功率( 6 w ) 工作环境：压强( 标准大气压：6 5 0m b a r 1 1 5 0 m b a r ) ，湿度( 0 9 5 ) ， 温度( 一2 0 7 0 ) 温度传感器：精度( o 2 ) ，量程( 0 4 0 ) ，更新频率( 1 h z ) 材料传感器：精度( o 1 ) ，量程( 0 5 5 ) ，更新频率( 1 h z ) 压力传感器：精度( 2m b a r ) ，量程( 6 5 0m b a r 1 1 5 0 m b a r ) ， 使用温度( o “0 ) ，更新频率( 1 h z ) 2 3 4 激光系统布局 由于检测仪的工作环境为恒温计量室，