（精密仪器及机械专业论文）丝杠滚道截形误差测量及性能影响分析(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

硕上论文 丝杠滚道截形误差的测量及其影响分析 摘要 本课题是以实际工程项目“丝杠滚道型面误差动态综合测量系统设计与开发 为 背景，针对当前的丝杠生产厂对丝杠截形误差手工测量现状，设计开发出一套丝杠滚 道型面几何误差的测量平台。该平台不仅能够对丝杠滚道截形误差测量，而且能够通 过对测量得到的数据进行处理和分析，得出丝杠各项性能指标。 本论文主要是对滚珠丝杠截形误差测量，进而分析误差参数对丝杠性能的影响， 主要研究内容包含以下几个部分：( 1 ) 丝杠滚道截形误差测量系统的原理分析：( 2 ) 测量系统各个子系统和配套软件设计，针对典型双圆弧形丝杠进行验证；( 3 ) 根据测 量得到的误差( 滚道法向截形误差、螺纹表面粗糙度、齿形对称性、中径变动量) 对 丝杠的实际接触角、圆弧半径、变位导程、摩擦力矩等进行分析。 本论文根据国内外丝杠测量现状，分析了丝杠测量中存在的问题，阐述了研究丝 杠滚道测量系统的目地和意义。通过对丝杠检测指标进行分析，在遵守基本设计原则 基础上，提出丝杠滚道截形误差测量系统的设计要求，并对丝杠测量系统的驱动系统、 数据采集系统、数据处理程序分别进行方案设计。根据测量系统设计目标，选择某一 型号丝杠，利用数据处理程序对采集的丝杠滚道数据进行处理，给出了各个主要误差 参数。根据测量的丝杠截形误差，对丝杠几个重要性能指标进行分析，如实际接触角、 圆弧半径、变位导程、摩擦力矩等，并使用m a t l a b 软件对丝杠关键指标进行数据计 算，给出了性能参数变化的曲线分布图。 通过对滚珠丝杠滚道截形误差测量系统的研究，积累了设计与分析经验，对以后 的系统优化和改进能够提供一定帮助。 关键词：滚珠丝杠、截形误差、摩擦力矩、接触角、变位误差 a b s t r a c t 1h em e s l s1 su n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h e e n g i n e e r i n gp r o j e c t “t h ed e s i g na n d d e v e l o p m 髓t0 fb a l ls c r e wp r o f i l ep a r a m e t e re r r o rd y n a m i cm e a s u r e m e n t i n t e g r a t e d s y s t 锄”c o m b i n i n gw i t ht h er e a l i t ys i t u a t i o no f t h em a n u f a c t o r y , ad e t e c ts y s t e ma b o u t t l l e g e o m 哪啪ro fg r o o v es u r f a c ea r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，t h es y s t e mc a nn o to n l v m e a s u r t h eg e o m e t r ye r r o ro ft h eb a l lt r a c k s e c t i o n ，b u ta l s oc o n c l u d es o m es c r e w p e r f o r m a n c ei n d e x so fb a l lb y p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g f h et h e s l s1 8 m a i n l yt om e a s u r et h eb a l lt r a c kc r o s ss e c t i o ng e o m e t r ye 啪ra n d a i l a j y s l st h e1 m p a c t t h et h e s i se m p h a s i so nt h et h r e ea s p e c t s ：f i r s t l y , a n a l y s i st h e p f i n c i p l e o tt n em e a s u r e l n e l l ts y s t e mo ft h eg r o o v es u r f a c ea b o u tg e o m e t r y e r r o r ；s e c o n d l vd e s i g n s o m es u b s y s t e mo ft h ew h o l es y s t e m ；t h i r d l y , a n a l y z es o m es c r e wp e r f o m a i l c ei n d e x s a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e de r r o r s t h et h e s l sa n a l y z es o m ep r o b l e m si np r o c e s so f t h ew h o l e m e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt o t h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns t a t u s t h ep u r p o s ea n d t h em e a n i n go ft h em e a s u r 铋e n ts v s t e m 盯e1 l l u s 仃a t e d s o m e d e s i g nr e q u e s t so ft h es c r e wt r a c kc r o s ss e c t i o ng e o m 咖e 啪r m e a s u r e r i l 铋ts y s t 啪a r ep r o v i d e d ，t h ed r i v es u b s y s t e m ，t h ed a t a a c q u i s i t i o ns u b s y s t 锄 a n dt h ed a t ap r o c e s s i n gs u b s y s t e ma r ed e s i g n e d ，s o m ei m p o r t a n ts c r e w p 柏姗a n c ei n d e x a r e 觚a l y z e dw i t hs c r e wt r a c kc r o s ss e c t i o ne 啪r s ，f o re x a m p l e p r a c t i c a lc o n t a 优a 1 1 哲e ，l e a d ， g r o o v es h a p ed i a m e t e rr a d i i ，t h ef r i c t i o nm o m e n ta n ds o0 n n 铋，n l ed a t a o fs o m e 1 m p o r t a l l c es e wp e r f o r m a n c ei n d e x sa r ec a l c u l a t e da n ds o m e g r a p h sa b o u t 虹l ec o n n e c t i o n b 脚e e nt h es c f e wt r a c kc r o s ss e c t i o ne r r o r sa n ds o m e i m p o r t a n tp 曲肋a n c ei n d e x sa r e p r o t r a c t e db yt h ef a m o u ss o f b , v a r em a t l a b z h r o u g ht h er e s e a r c h 。fb a l ls c r e wt r a c ke r e s ss e c t i o ne r r o rm e a s u r e l n e n ts y s t 锄， s o m ee x p e r i e n c ew h i c hw e r ea c c u m u l a t e d i nt h ed e s i 朗p r o c e s s ，w i l lb eh e l p f u lt oo p t i m i z e t h em e a s u r e m e n ta n di m p r o v et h e s y s t e mp 娟m a l l c ei nt h ef u t u l e k e yw o r d s b a l ls c r e w ，s e c t i o ne 册r ，f i c t i 。nm 。m e r i t ，c 。n t r a c t e da n g i e ，v i 砸a b l e - b i t e r r o r i i 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： 击咿7 年彩叩 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： a 呻年月之户 硕十论文丝杠滚道截形误差的测量及其影响分析 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 滚珠丝杠发展状况 滚珠丝杠是应用广泛的机械传动之一，其主要功能是将旋转运动转换成线性运 动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，滚 珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件n 3 ，如图1 1 所示。 蕈霖囊母 图1 1 典型滚珠丝杠副 滚珠丝杠的应用始于2 0 世纪3 0 年代后期，最初由美国通用公司将其用在汽车的 转向装置上。1 9 4 7 年，数控机床的产生，使得滚珠丝杠副成为数控机床理想的进给 元件。之后，精密螺纹磨床的出现，使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃； 数控机床和各种自动化设备的发展，促进了人们对滚珠丝杠副的研究，同时也使滚珠 丝杠副的生产规模得以迅速扩大。从5 0 年代开始，在工业发达的国家中，出现了很 多滚珠丝杠副生产厂家，例如：美国的w a r n e r - b e a v e r 公司、g m s a g i n a w 公司、英 国的r o t a x 公司、日本的n s k 公司、t s u b a k i 公司等，我国在5 0 年代末期开始研制 用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副砼1 。 这些广泛使用都取决于其具有以下几个方面的优良特性： ( 1 ) 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间直接作用的方式，因而以极小滚动摩擦代 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，整个传动副的驱动 力矩减小至滑动丝杠副的1 3 左右，发热率也因此大幅度降低。 ( 2 ) 定位精度高 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴 1 1 绪论 硕：二学位论文 向间隙等措施，使得滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。 ( 3 ) 使用寿命长 由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，滚 珠丝杠副的寿命远高于滑动丝杠。 ( 4 ) 同步性能好 由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠 副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。 ( 5 ) 微进给 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的 爬行现象，能够保证实现精确的微进给。 ( 6 ) 高速进给 滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小，所以使高速进给成为可能嘲。 随着使用领域的不断扩大，对滚珠丝杠的性能与功能提出了更高的要求，尤其是 面对各种数字化设备运转不断高速化的发展趋势，引起了相关业界的高度重视。 鉴于滚珠丝杠副的优点明显，因此使用率不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠 丝杠副的要求也越来越高。在航空机械、数控机床、精密仪器和仪表，以及各种精密 机械设备中，滚珠丝杠副是确定线性位移精度的关键部件之一，由于它具有传动和定 位在同一零件上实现，并且可以把角位移转换成线性位移等特点，在机械设备中应用 极为广泛。特别是随着数控机床、加工中心、c i m s 等高科技技术的迅猛发展，作为 基本功能部件之一的滚珠丝杠副的加工精度要求越来越高、驱动线速度越来越快。高 精度，高速化已成为近年来国内外滚珠丝杠副的一大发展趋势h 1 。 1 1 2 丝杠测量状况 减少滚珠丝杠副的制造误差始终是制造企业的不懈追求。上世纪6 0 年代我国精 密机床联合攻关为精密机床螺纹磨削技术奠定了坚实基础。北京机床研究所在上世纪 8 0 年代研制成功的螺纹磨削激光反馈导程误差自动校正技术以及8 0 年代末期完成的 大导程滚珠丝杠副“七五攻关，为提高大导程角内外圆弧螺纹的磨削精度找到有 效工艺途径。“九五”期间汉江机床有限公司研制成功的s k 7 4 3 2 型2 m 全封闭c n c 丝杠磨床、h j c 0 3 1 型c n c 滚珠螺母磨床、s k 7 4 0 型5 m 大型c n c 丝杠磨床，为精 密高速滚珠丝杠副的发展提供了关键工艺装备。我国与先进工业国家螺纹磨削技术水 平的差距正日益缩小。滚珠丝杠副在c n c 伺服进给系统中提高定位精度的校正技术 也不断完善h ，。 在实际工厂里的加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝杠、螺母的导 程误差、丝杠与螺母的滚道形状误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动态 2 硕士论文丝杠滚道截形误差的测量及其影响分析 预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接影响驱动系统的平稳性，因而也影响 滚珠丝杠副的定位精度。因此，提高丝杠的加工精度，是获得高的定位精度，改善丝 杠性能的有效手段之一。要实现滚珠丝杠副高性能，除了改进产品设计方法和制造工 艺外，还必须从测量技术上依靠科技求创新。精确的测量手段及完善的试验设备是保 证产品质量和研究产品性能的前提。 1 2 影响滚珠丝杠性能主要滚道型面几何参数 1 2 。1 滚珠丝杠副的工作原理 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠，使丝杠与螺母之间由摩擦变为 滚动摩擦的丝杠传动。滚珠丝杠副可以将螺旋运动变为直线运动，也可以将直线运动 变为螺旋传动。滚珠丝杠副一般是由丝杠l 、螺母2 、滚珠3 及滚珠循环返回装置4 等四个部分组成n 1 ，如图1 2 所示。 图1 2 滚珠丝杠副示意图 滚珠丝杠副的工作原理如下：当螺母2 ( 或丝杠1 ) 转动时，在丝杠与螺母间布 置的滚珠3 依次沿螺纹滚道滚动，同时滚珠3 促使丝杠1 ( 或螺母2 ) 做直线运动。 为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置( 反向器) 4 ，构成 一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动 地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。 1 2 2 滚珠丝杠型面几何误差 几何误差就是指制成产品的实际几何参数( 表面结构、几何尺寸、几何形状和相 互位置等) 与设计给定的理想几何参数之间的偏离程度。几何精度就是零部件允许的 几何误差，也称几何公差。几何外形的特性对其使用功能有直接的影响。 对于滚珠丝杠的构造来说，螺纹滚道型面的误差为主要的误差，也是衡量丝杠的 综合性能的重要指标。相对于丝杠的其它结构基本都相同。螺纹滚道型面是指通过滚 珠中心作螺旋线的法截平面与丝杠、螺母螺纹滚道型面的交线。这个滚道型面的几何 形状、尺寸以及材料的机械性质对滚珠螺旋传动的承载能力、摩擦特性、轴向刚度、 3 1 绪论硕十学位论文 和轴间间隙调整均有较大影响嫡1 。 国内生产的滚道法向截形只有两种：单圆弧形和双圆弧形，接触角均为4 5 度。 滚道型面相关的各个主要几何参数如图1 3 与图1 4 所示哺1 ： 图1 3 滚珠丝杠的螺距 a ) 单圆弧b ) 双圆弧 丝杠外径d ；丝杠内径d 2 ；滚道圆弧偏心距e ：滚道圆弧半径r ： 滚珠直径d z , ；丝杠公称直径( 丝杠中径) d 。；接触角1 3 ； 图1 4 滚道型面的主要几何参数 本文测量的对象是丝杠的滚道截形误差，由于没有相关的标准对其测试项目进行 详细规定。结合厂家的要求，本文针对的是由滚道型面所反映的、明显影响滚珠丝杠 性能的几何参数进行测量，它们分别为：丝杠中径、丝杠外径、螺距、滚道跳动、滚 道形状。滚道型面误差由这几个几何参数的误差来综合评定描述。 1 3 国内外误差测量发展和研发状况 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。许多制造滚珠丝杠的公司，除了致力于改革加工工艺外，都把测量 4 硕上论文丝杠滚道截形误差的测量及j 影响分析 手段的更新换代放在重要的地位。经过多年的开发和试验，已经形成了一套较为完整 的测量体系1 。 1 3 1 国外误差测量状况 在国外，滚珠生产厂家如日本n s k 公司和德国林德纳公司等都非常重视滚珠丝杠 副误差测量手段的研究和创新，已经形成一套完整的测量方法和体系。但出于技术保 密的目的，这些公司就很少在杂志期刊上公布其在测量技术方面的研究成果。 近年来，国外杂志期刊上报道的关于滚珠丝杠副滚道型面测量相关研究成果主要 包括：美国学者h u n s i k e rr a n d a l j 在其论文中提出了一种基于视觉测量和图像处理的 滚珠丝杠滚道型面参数动态测量方法，利用该方法能动态测量滚珠丝杠的最大直径、 最小直径和中径等几个重要的几何参，h a r a d ah i r o y u k i 等对滚珠丝杠滚道型面弧线的 成型过程和方法进行了分析，提出了用六球法( s i x - - b a l lm e t h o d ) 对滚珠丝杠的直径 参数和滚道形状误差进行动态测量和实时分析的方法。i s h i m a t s uj u n 等提出了基于非 接触式光学测量传感器和三线法( t h r e ew i r e dm e t h o d ) 的滚珠丝杠有效直径误差动态 测量方法，并研制成专用仪器进行了基础实验口】 钔。g a d e l m a w l ae s 在其论文中提出 了一种基于接触式轮廓测量装置的新型滚珠丝杠几何参数动态测量系统，能对滚珠丝 杠的多个几何参数进行在线测量和数据处理分析h i r o y u k ih a r a d a 在分析丝杠螺母内 螺旋滚道的形状特点和磨削方法的基础上提出了一种在内滚道截面上得到高精度哥 特式圆弧的磨削方法，并对丝杠螺母内滚道的形状误差的形成和测量方法进行了研究 【0 】 1 0 】 o 对国外已报道的这些相关研究成果进行分析可得：在滚珠丝杠副滚道型面测量方 面，国外学者所提出的方法大多能针对滚道型面误差中的多项指标进行测量，具有一 定的综合性。 1 3 2 国内误差测量状况 近期国内机械制造和测量技术方面的期刊文献己报道了一些滚珠丝杠副滚道型 面测量方法及设备相关的研究成果。这些研究成果大多集中在滚珠丝杠副行程误差的 测量方法和设备上，主要包括：南京理工大学冯虎田等人分别以3 m 和5 m 滚珠丝杠副 为研究对象，提出了一种新型的高效高精度行程误差测量方法并和汉江机床厂合作研 制了一套完整的滚珠丝杠副行程误差动态测量系统；北京机床研究所在滚珠丝杠副行 程误差测量方面做了许多基础性的研究工作，研制出多款基于激光测量的滚珠丝杠副 行程误差测量仪，如“j c s - - 0 1 4 型 、“j c s - - 0 1 4 c 型 和“j c s - - 0 4 0 型”滚珠丝杠 副综合行程误差测量仪；山东工业大学张洪才提出了一种基于分频比相法的滚珠丝杠 行程误差动态测量方法，并在此基础上以长、圆光栅为测量元件进行了动态测量系统 5 1 绪论硕i 二学位论文 构建和基础验证试验。吉林大学刘庆明等提出了一种通过工业c t 技术及图像处理技 术对丝杠螺母内螺纹滚道曲线、滚道跳动等进行测量的方法，但其测量精度受限于所 用图像采集设备的分辨率和图像处理方法，很难达到滚珠丝杠副滚道型面误差测量所 要求的微米级测量精度n 卜1 3 1 。 对近十年来国内己报道的滚珠丝杠副滚道型面测量相关研究成果进行分析可得： ( 1 ) 在滚珠丝杠副滚道型面动态测量方面，现有的测量方法主要限于在对行程 误差的动态测量上，其它几何误差的动态测量很少涉及； ( 2 ) 目前国内还没有报道过能对滚珠丝杠副滚道型面误差进行综合性动态测量 的设备。 当前，在国内除了在滚珠丝杠行程误差的测量方面采用先进的动态测量方法之 外，主要滚珠丝杠厂家在滚珠丝杠的其它滚道型面误差的测量方面基本上都是采用手 动静态测量方式或者根本不加以测量。而且由于在手动静态测量过程中一般只选择一 些特定测量点进行测量，测量数据不够全面并且测量精度和效率不高。长期以来，我 国过于追求对测量滚珠丝杠副螺距精度的研究，而在其它主要几何参数的研究上相对 滞后，致使产品在误差测量上与国际先进水平存在较大差距，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。 1 3 3 国内厂家测量方法 目前，国内还没有针对滚道型面各个几何误差的测量进行集成化设计，所用到的 测量仪仅能针对个别测量项目，且费时，劳动强度大。下面将着重介绍螺纹滚道形状 误差的测量、丝杠的螺距误差和螺旋线误差的动态测量、中径和外径的测量。 螺纹滚道形状误差的测量n 4 1 第一种方法是接触法。该方法是用与滚珠丝杠滚道啮合的钢珠贴合于丝杠滚道轴 向剖面上。在工具显微镜上从法向上，观察钢珠与滚道型面牙形两侧圆弧而接触点是 否位于4 5 度方位。这种方法不完全符合滚道型面牙形符合误差定义，由于接触角4 5 度未规定允差不要求单独检验。因此不能做出全面定量评定。由于钢珠实际直径有误 差而且不易精确定位于丝杠轴向剖面上，因此这种方法只能用作近似评定。 第二种方法是投影法。该方法的测量过程是：按工件图纸要求打好砂轮后，磨出 样板，在放大5 0 到1 0 0 倍的投影仪( 图1 5 ) 上面，与用同样放大倍数画在有机玻 璃上的标准图形( 同时画出公差带) 进行比较。此法适用于单、双圆弧的牙型测量。 6 颚论文杠滚道截g 差的量及其# 响分* 幽15 投影仪 丝杠的螺距误差和螺旋线误差”“” 由于丝杠的作用是将角位移变成直线位移，因此螺距误差和螺旋线误差的测量是 最主要的测量项目，近年来已由各种静态测量法发展了多种动态测量法。例如南京理 工大学与汉江机床有限公司联合研制成功了h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠副动态测量 系统( 测量丝杠螺距误差与螺旋线误差的专用仪器) ，如图16 所示，该测量系统的 主要测量项目有周期误差测量示值分散性、一次安装多次测量重复性、多次安装测量 重复性、总不确定度等。并且h j y - 0 1 2 滚珠丝杠动态测量系统的各项技术指标均满足 国标要求投入使用以米用户反映良好，在国内同类产品中处于领先水平。 图16 五米激光滚珠丝杠动态测量系统 该测量仪采用同步位移绝对值比较的原理，这种方法采用计数卡以一定的采样间 隔同步采集角位移信号和测头轴向信号，通过训数仁本身所具有的信号处理系统将两 路信号进行高倍数屯子细分后传给计算机系统，由相应的软件将脉冲信号转化为位移 量，通过计算机的实时处理计算出丝杠误差值。两路信号在计算机处理之前未发生任 何联系，通过算机处理使它们成为丝杠螺旋线的角度基准量和轴向位移量，并比较 计算出误差值。 确学位论史 外径与中径的测量。7 “”1 我国对滚珠丝杠的中径测量主要还是通过三钊法手工测量，如图17 所示。该方 法是用相当于工作钢珠直径的三根量针进行测量，小螺距的用干分尺直接卡在量针上 进行测量，大螺距的在双量针的侧垫上量块进行测量。但该方法测量误差较大，并 且不能在线补偿使得中径尺寸一致性难以控制。螺纹外径的测量则可直接用千分尺卡 在上面即可。 1 4 课题背景 图17 二三针法测量示意幽 课题源于实际工程项目汉江机床有限公司的“h j y 0 5 1 丝杠滚道型面误差测量系 统设计与分析”。课题在研究过程中涉及到传感器技术、自动化控制技术、误差分析 与处理技术、制造加工技术、l a b v i e w 86 软件编程等。 该项目要求在现有的机床平台e ，进行床身、导轨设计及测量、加装羽4 控系统， 为适应工厂现代化生产质量控制与管理的要求。要求实现计算机的全面控制与测量， 实现齿形曲线的绘制，误差处理分析自动化。数据文件与数据库采用标准化设计，系 统预留与厂内计算机管理系统进行数据信息交换的功能，以利于实现c a m 与企业信 息管理。 本课题主要做了以下几个方面的工作并进行了研究： ( 1 ) 首先介绍论文课题的研究目的和意义，接着分析了在国内外对丝杠型面误差 测量的研究现状和发展动态： ( 2 ) 介绍了术论文的课题来源、研究的主要内容及结构的安排； ( 3 ) 控制和测量系统的硬件选型以及整个系统的总体方案设计，通过对采集到的 轮廓曲线位移数据进行处理计算方法的探讨，同时求出各个几何参数的误差； ( 4 ) 分析那些对测量系统误差有影响的因素，以及它们形成的原因； 8 硕士论文 丝杠滚道截形误差的测量及j 影响分析 ( 5 ) 对形状误差计算几个关键问题进行分析解决，以及各种误差计算和数据可视 化问题，各种误差和系统总误差之间的关系； ( 6 ) 根据测量得到的误差参数与丝杠滚道的实际接触角、型面圆弧半径、变位导 程、摩擦力矩等进行分析，找出丝杠磨削加工时出现的问题，同时提供解决方法； ( 7 ) 对本课题研究的目的内容进行了总结，并对进一步的研究进行展望。 9 2 型面误差测量系统的设计硕士学位论文 2 丝杠滚道型面误差测量系统的原理 2 1 系统设计要求与原则 2 1 1 设计要求 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，最大限度的满足生产实际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。根据以上指导思想设计仪器方案“钔时应满足下列要求： ( 1 ) 经济性要求 在设计仪器时不盲目过分追求复杂高级的方案，只要能满足使用功能要求的最简 单有效方案即为最佳经济性的方案。因为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运行成本，必须综合考虑各 个因素，才能看出真正的经济效果，从而做出选用最佳方案的正确决策。 ( 2 ) 精度要求 根据仪器及滚珠丝杠的测量条件，结合厂家的实际需要，选用相应的各项指标。 ( 3 ) 效率要求 测量仪的效率应与滚珠丝杠的生产效率相适应。自动化测量不仅提高测量效率， 提高生产率，同时可以缩短测量时间。 ( 4 ) 可靠性 可靠性是指测量仪器在一定时间内和一定条件下，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 度上如何高级，假若可靠性差，故障频繁，不能长期稳定的工作，该仪器就没有实际 使用价值。随着现代化仪器和现代测量系统的发展，对可靠性要求愈来愈高。 ( 5 ) 有效期 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 1 。2 设计基本原则 在分析丝杠滚道型面动态综合测量仪功能、结构、系统、操作程序基础上；结合 成功的改造经验提出设计方案。保留成功可行的操作，以利于操作人员操作利于 操作原则乜0 l 。 1 ) 质量完好，能与新系统匹配的仪器、部件、尽可能的保留，以减少改造费用 利用的原则。 1 0 硕上论文丝杠滚道截形误差的测量及其影响分析 2 ) 确保系统的先进性、快速性和可维修性先进性与可维修性。 3 ) 系统中采用的仪器、器件要从经济性，可靠性等方面综合考虑，尽可能采用 专业化厂定型生产的，标准化通用化的产品。尽量减少特殊功能专门设计的非标产品。 以提高系统的综合费效比性能综合权衡费效比高的原则。 4 ) 系统软件界面友好，可操作性强，易于软件升级的原则。 2 2 系统功能设计 测量系统主要是对滚珠丝杠的型面进行测量，同时得到采集数据，利用上位机对 数据进行分析，显示测量结果，具体详细叙述如下比： ( 1 ) 测量对象：p l 级双圆弧型滚珠丝杠，直径范围：矽2 0 # 6 3 咖； ( 2 ) 系统控制：测量系统设备加电，测量仪系统状态运行控制： ( 3 ) 参数设置：丝杠几何参数( 螺距、中径等) 输入，丝杠测试状态( 转速、头 架旋转、测量仪移动) 等设置； ( 4 ) 综合测量采集：丝杠轮廓曲线的采集，采集数据存储和读取； ( 5 ) 轮廓曲线的数据处理：实现对采集过来的轮廓曲线数据分析，求出各项主要 的几何误差( 算法设计) ，包括丝杠外径、丝杠中径、螺距、滚道跳动、同时记录齿 形加工的不良的数据点并分析滚道形状误差； ( 6 ) 显示查询：采集的曲线的数据点文件以二进制形式存储。测量结果存入数据 库。可以实现查询采集曲线的回显，显示丝杠外径、丝杠中径、螺距、滚道跳动的误 差分析结果、滚道加工偏差点加粗标出，并给出合格性判定结果； ( 7 ) 数据管理：丝杠设计参数标准数据库的设计、测量结果数据库的管理包括测 试数据点文件、测试结果、合格性判断等。 2 3 系统测量原理 滚珠丝杠的制造加工由于其精度要求高和特殊的螺旋型结构，在机械加工中一直 是一个难点。在设计中，设计员主要是在图纸( c a d 系统) 上进行设计，设计图纸 就是某系列滚珠丝杠设计图纸其中一个截图( 法向) ，例如双圆弧型面滚珠丝杠，某 一个导程内主要由两个近万4 圆弧、倒角、和轴肩组成，主要滚道截形的几何参数都 包含在丝杠的轮廓曲线中。 在丝杠的主要加工过程中就是依照设计人员设计图纸来进行加工，结合以往对丝 杠测量的经验，本测量系统则是从具体的丝杠实物出发，根据厂家要求，要对丝杠要 进行的全长进行测量，使用超高精度丝杠带动整个测量架作直线移动，采用两个位移 传感器( 分别测量丝杠的横轴方向和纵轴方向) 对丝杠型面轮廓曲线( 圆弧、倒角、 轴肩) 进行测量，采用边测量边存储的原则，从而得到两组丝杠型面的测量数据。由 1 1 2 型面误差测量系统的设计 硕一i 二学位论文 于丝杠型面测量所得到的数据是存储在工控机上，所以可以随时对所测量到的数据进 行数据处理。 在数据处理中，我们测量到的是当滚珠丝杠在正常运转时，在同一轴向剖面上的 系列滚珠圆心的坐标，通过对滚珠圆心的坐标分析就可以得到导程、锥度、滚道跳动 等参数。由于滚珠丝杠的滚道型面的设计是以法向剖面为标准的，而在此丝杠型面测 量系统中，采集到的丝杠轮廓线为轴截面的，因此，为了方便与设计标准比对分析， 在丝杠型面采集得到数据，数据处理第一步就是要将采集得到的轴向剖面数据转化为 想要得到的法向剖面数据。理想滚珠丝杠的法向剖面就是将滚珠丝杠展开时垂直于滚 道的剖面( 在丝杠设计和加工时，就是在该面上进行设计) ，其弧形为圆弧，半径为 r 。滚珠丝杠的理想轴截面是以平行且经过轴线的截面即为轴截面，其弧形为椭圆弧， 其椭圆长短轴为尺与r c o s 2 ( 允为丝杠螺旋升角) 。故在采集横轴上的位移时，直接 乘以转换因子c o s 五，就可以得到我们所需要的法向剖面采集数据，简化采集过程， 提高测量精度。 对数据进行初步处理之后，首先在计算机内部，对所测量到的这条轮廓曲线重建， 然后进行分析处理提取丝杠型面的几何特征，对曲线进行划分。在同一个导程内，主 要划分为两个圆弧和轴肩三部分，对圆弧部分进行拟合，求出圆弧所在圆的圆心坐标， 从而根据已知左右圆弧的圆心的坐标计算出在该导程内的滚珠圆心的坐标，这样我们 就计算出在这一个法向截面的系列滚珠丝杠所配套的滚珠圆心坐标，从而计算出所需 要的导程、锥度、滚道跳动。 这样，就可以根据所测量到的丝杠各项几何参数误差，并与丝杠的设计标准相比 较，得到该丝杠的制造加工是否合格性结论。 2 4 测量系统总体设计 丝杠滚道型面误差测量系统主要有以下几个部分组成： 1 ) 机床本体 机床本体是实现加工、测量的基础，其工作部件是实现所需的基本运动部件，它 的传动部件的精度直接影响着加工、测量的精度。要实现零件尺寸的在线测量，机床 本身的精度要高，特别是机床导轨表面上的精度，直接影响到传感器测量的结果。 2 ) 交流伺服驱动系统 伺服电机驱动系统主要由交流伺服电机、配套驱动器、运动控卡板和工控机所组 成。交流伺服电机是伺服驱动系统的核心，其功能是带动主轴旋转运动，将被测量丝 杠旋转1 2 0 0 ，和带动高精度丝杠转动，以便测量架匀速运动。 3 1 测量系统 测量系统由传感器、数据传输系统、数据处理等组成，是丝杠滚道型面误差测量 1 2 硕士论文丝杠滚道截形误差的测量及其影响分析 系统的关键部分，直接影响采集数据的精度。 4 ) 工控机 随着基于p c 的开放式数控系统的发展，数控系统得到了更多硬件和软件的支持。 p c 机为数控系统实现人机对话、进行交互式图形编程提供了硬件支持平台。 5 ) 误差测量软件系统 整个系统的驱动控制、数据采集、数据处理、以及对测量误差计算以及结果显示 过程都是采用l a b v i e w 8 6 软件来完成的。l a b v i e w8 6 集成了与满足g p i b 、v x i 、 r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。 2 5 系统测量流程 监测系统对待测量的丝杠测量主要有以下三个步骤： 1 ) 启动测量设备，检查系统各个设备是否正常； 2 ) 主轴以较快的速度( 2 0 0 0 r p m m i n ) 高速运转，可以除掉待测丝杠上的残留物 质；同时也启动进给电机运转，以带动测量架来回运动，可以给测试系统预 掣热，减少因温度变化带来的误差； 3 ) 将测量架移至开始位置，设置各个控制参数，启动测试程序，采集测量数据， 善并存储在p c 机的硬盘上； 4 ) 启动主轴电机，旋转待测丝杠1 2 0 0 ，重复步骤3 ； 5 ) 对三次测量数据进行数据计算处理，观测得到的型面轮毂曲线，同时得到各 项集合参数误差数据； 砩打印测试结果； 7 ) 对另外待测丝杠进行测量，或关闭测试系统。 2 6 本章小结 本章讲叙本测量系统是在遵守设计原则和注意事项下设计出来的。详细讲述滚珠 丝杠截形误差测量的基本原理、测量系统的各个重要组成部分以及其功能。并对每个 组成部分要求进行分析，需要哪些硬件( 比如传感器、电机、相对应连线和其它机械 设备) 。根据设备情况，叙述整个测量系统对被测丝杠进行测量的过程。 1 3 3 误差测量系统设计硕士学位论文 3 型面误差测量系统设计 丝杠滚道型面误差测量系统是以类似数控机床为主要工作平台如图3 1 所示， 其两个传感器分别位于机床的测量架上和机床的侧面；两个伺服电机分别位于机床的 两端，分别带动超精密丝杠和被测丝杠： 图3 1 丝杠滚道型面误差测量系统 3 1 驱动系统设计 测量系统的驱动部分主要有电机、控制卡、驱动器三个部分组成。 3 1 1 电机选型 伺服驱动系统为滚珠丝杠滚道型面测量系统的重要子系统3 ，如图3 2 所示， 图3 2 伺服驱动系统示意图 伺服驱动系统大概分为两部分：主轴电机控制系统、进给电机控制系统。其中： 主轴电机控制系统是以带动被测量的丝杠围绕轴向作角位移转动为直接控制目标的； 1 4 硕士论文丝杠滚道截形误差的测量及其影响分析 进给电机是以带动标准丝杠作均匀转速控制为目标。 伺服驱动设计主要是电机和驱动器型号选择和驱动程序设计瞄1 ： 1 ) 电机和驱动器型号选择 电机轴上的转动惯量厶和电机负荷力矩乙的计算公式如下： a ) 驱动电机轴上的转动惯量，w j m = i m o t + i m s + j w ( 3 、) 式中 r 驱动电机转子的转动惯量； j m 。丝杠轴转动惯量在电机轴上的折算值； 厶测量架和传感器在电机轴上的折算值。 ， 形 j 矿2 菊 万 万 口 1 8 0 ( 3 2 ) 式中测量架的质量和传感器质量； 艿单位脉冲下测量架的位移量，万为当譬，l 为导程； z 刀z 口单位脉冲下电机轴的回转角( 度) 。 b ) 电机的负荷力矩 。在轴向工作负荷作用下，驱动丝杠轴转动，电机轴上所承受的负荷力矩为： 乙= 厶x0 9 + 瓦 ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中：缈进给时的角加速度； 互= + 巧+ 乃 ( 3 4 ) 2 ) 电机的伺服方式乜5 1 结合以往丝杠机床设计经验，机床伺服驱动系统的运动控制中大多采用步进电机 和交流伺服电机，这两种电机作为执行元件。伺服电机较步进电机具有如下特点： 表3 - i 步进电机系统伺服电机系统 力矩范围中小力矩( 一般在4 0 n m 以下)小中大，全范同 速度范围低( 一般在2 0 0 0 r p m 以下，高( 可达5 0 0 0 r p m ) ， 大力矩电机小- f 1 0 0 0 r p m )直流伺服电机更可达1 2 万转分 控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式， 位置车专速转矩方式 平滑性低速时有振动( 但用细分型驱动好，运行半滑 器则可明显改善) 精度一般较低，细分型驱动时较高高( 具体看反馈装置的分辨 率) 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会火步可3 1 0 倍过载( 短时) 反馈方式大多数为开环控制，也可接编码闭环方式，编码器反馈 器，防止失步 1 5 3 误差测量系统设计硕士学位论文 编码器类型光电型旋转编码器( 增量型 绝对值犁) ，旋转变压器型 响应速度一般快 耐振动好一般( 旋转变压器型可耐振动) 温升 运行温度高 一般 维护性基本可以免维护较好 价格低高 综上所述，交流伺服电机在许多性能方面都优于步进电机。根据上述的电机控制 的要求，本文中选择交流伺服电机。 由式( 3 4 ) 可决定电机的负荷力矩，同时也应考虑伺服电机有一定的功率富余 及热保护功能。根据以上条件，结合厂家要求，进给电机选用的是松下m i n a sa 4 系 列中中惯量交流伺服电机m g m a 0 9 2 s 1 c ，配1 7 位增量式编码器用于反馈。进给电 机驱动器选用m d d d t 5 5 4 0 。主轴电机选用m g m a 0 9 z p l g ，配1 7 位增量式编码器 用于反馈，主轴电机驱动器同样选用m d d d t 5 5 4 0 。伺服电机技术参数见表3 2 胁1 。 表3 2 伺服电机技术参数 输出功率额定最大转距惯量转速编码器 交流伺服电机删 n m k g m 2 r m i n p r m g m a 系列o 。9 8 。6 2 1 9 3 1 1 21 0 0 0 1 3 1 0 7 2 所选的电机所配的编码器为1 7 位的，其分辨率为2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 p r ( 个脉冲圈) 。 对于1 7 位编码器，驱动器要求设置一个不小于2 0 ( 个脉冲) 的数值；本测量仪 中设定为4 0 ( 个脉冲) 。 电机定位完成设定范围= 4 0 个脉冲 2 0 个脉冲( 保守) ； 传动丝杠导程= 5 m m ( 机械设计选定) ； 则计算得到： 丝杠定位完成范围= ( 5 1 3 1 0 7 2 ) 4 0 = - 0 0 0 1 5 m m ； o直线运动坐标的回零精度：0 0 0 1 5 m m 0 0 0 2 m m ； 可以满足回零与定位精度要求。 3 1 2 电机驱动控制设计 运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技 术。运动控制器已经从以单片机或微处理器为核心的运动控制器和以专业芯片 ( a s l c ) 作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。这种运动控制器的优点是：硬件组成简单，把 运动控制器连接到p c 总线，连接信号线就可组成系统；可以使用p c 机已经具有的 丰富软件进行开发，运动控制软件的代码通用性和可移植性较好；可以进行开发工作 的工程人员较多，不需要太多培训工作乜 。 基于p c 总线的以d s p 和c p l d f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。以 1 6 硕论文 杠装道截形谨差的测i 苴影日分析 p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即p c + 运动控制器的 模式。这样将p c 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能 力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、虾放程度高、运动轨迹控制准确、通用 性好的特点。这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规 划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用 c p l d f p g a 技术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求 和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。d s p 运动控制器能同时控制多轴， 有的还包含了运动轨迹插补算法及包含有前馈补偿功能的p i d 算法，这样就为多轴的 伺服电机的控制带来极大的方便m 1 。 根据以上的优点，选择深：0 1 i 固高公司生产的g t 系列运动控制器，如图33 所示 它可以同步控制多个运动轴，实现多轴协调运动。其核心由a d s p 2 1 8 1 数字信号处理 器和f p g a 组成，可以实现高性能的控制计算。它适用于广泛的应用领域，包括机器 人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设各以及激光加工设