（机械电子工程专业论文）hjy012五米激光滚珠丝杠（副）动态测量系统设计.pdf

南京理 _ 大学硕士学位论文h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 摘要 本课题结合工程实际项目“汉江机床有限公司h j y 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统的改造研制”，在公司现有5 m 激光丝杠动态测量仪的基础上，进行技 术改造，用于5 m 丝杠( 副) 综合导程误差及精度的动态测量，使其适应工厂现代化 生产质量检验、控制与管理的要求。 本文采用同步位移绝对值比较的原理进行丝杠的动态测量，角度测量采用圆光 栅；长度测量采用雷尼绍双频激光测量系统，量程大，精度高，并具有补偿单元，可 完成多种补偿。 测量系统的主轴控制系统采用交流伺服电机速度控制方式，选用运动控制器作为 伺服系统控制器，可方便地实现对伺服电机的控制。 在滚珠丝杠副的误差评定上，采用最小二黍法求取回归系数、各行程变动量，采 用种高速高精度的优化算法，缩短了运算时问。 开发了测量控制系统的软件，实现了测量系统的过程自动化、智能化。 制定了滚珠丝杠动态测量仪的检定规程，对该测量系统进行了动态测量，并按照 检定规程对测量结果进行了统计分析。 本文设计完成的五米激光滚珠丝杠测量系统在国内相关行业处于领先水平。 关键词：滚珠丝杠动态测量双频激光伺服电机运动控制导程误差 南京理丁大学硕士学位论文 f l j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 到) 动态测量系统设计 a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t h t h e e n g i n e e r i n gp r o j e c t t e c h n i cr e c o n s t r u c t i o no fd y n a m i c m e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nd u a l b a n dl a s e rf o r5 mb a l ls c r e w si ns h a n x ih a n j i a n gt 0 0 1 s c o m p a n y ”，t h ea u t h o rr e f o r m st h ee x i s t i n g5 m - b a l ls c r e wd y n a m i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ed y n a m i cm e a s u r i n go f t h ec o m p r e h e n s i v ee r r o ra n d p r e c i s i o n ，s o t h a tt h e s y s t e mc a nf u l f i l t h e r e q u e s t so fp r o d u c tq u a l i t yi n s p e c t i o n ，c o n t r o la n d m a n a g e m e n ti nf a c t o r i e s t h ea u t h o rc a r r i e so u tt h ed y n a m i cm e a s u r i n go fb a l ls c r e w se m p l o y i n gt h ep r i n c i p l e o fc o m p a r i n gt h ea b s o l u t ev a l u e so fs y n c h r o n o u sd i s p l a c e m e n t s t i ma n g l e sa r em e a s u r e d b ya l lo r b i c u l a rr a s t e ra n dl e n g t h sb yr e n i s h a wd u a l b a n dl a s e rm e a s u r i n gs y s t e mw h i c h h a saw i d em e a s u r e m e n tr a n g ea n dah i 曲p r e c i s i o n t h er e n i s h a wl a s e rs y s t e mh a sa c o m p e n t i o nu n i tt h a tc a nc o m p l e t ev a r i e t i e so f c o m p e n t i o n s t h es p e e d c o n t r o lm o d eo fa cs e v om o t o ri sa p p l i e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e p r i n c i p a la x i sa n dam o t i o nc o n t r o l l e ri sc h o s e na st h ec o n t r o l l e ro fs e r v os y s t e m ，s ot h a t i t sc o n v e n i e n tt or e a l i z et h ec o n t r o lo f s e r v om o t o r i ne r r o re v a l u a t i o no fb a l ls c r e w s 1 e a s t s q u a r em e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t e r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t sa n dl e a de r r o r s ，a no p t i m a la l g o r i t h mw h i c hh a sah i g hs p e e da n d a h i g hp r e c i s i o ni sp r e s e n t e d t h es o f t w a r eo fm e a s u r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r ，w h i c h m a k e st h em e a s u r i n gp r o c e s sc o m p l e t e da u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l y t h ei n s p e c t i o nr u l e so fd y n a m i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sf o rb a l ls c r e w sa r ea l s o e s t a b l i s h e di n t h i sp a p e r d 3 m a m i cm e a s u r e m e n ti sc o m p l e t e do nt h es y s t e m ，a n dt h e r e s e l u t sa r ea n a l y z e ds t a t i s t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ev a l e s t h ed y n a m i cm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nd u a l - b a n dl a s e rf o r5 m b a l ls c r e wt h a t d e s i g n e di n t h i sp a p e ri so nt h et o po f t h e r e l a t i v ef i e l di nn a t i o nw i d e k e y w o r d s ：b a l ls c r e wd y n a m i cm e a s u r i n g d u a l - b a n dl a s e r s e r v om o t o r m o t i o ne o n t r o ll e a de 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面使 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已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：壅罩 瑚r 年莎月) 6 日 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全部或部分内容，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全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：塑孟川玉年月6 日 妻室! 燮兰堡主兰堡丝壅 坚! 翌! ! 墨鲞塑堂鎏堡竺塾! 型! 堡查型重墨堡垒笪 i 绪论 1 1 引言 滚珠丝杠副是在丝杠与螺母螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠 返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的螺旋传动机构。典型的滚珠方式有内循环和 外循环两种。滚珠丝杠和螺母的螺纹滚道与钢制滚珠之间的运动是滚动摩擦，其摩擦 系数仅为滑动摩擦的2 左右，传动效率提高到o 9 以上。运用高精度螺纹磨床及 其他先进的加工方法和技术途径，滚珠丝杠具有越来越高的精度。滚珠丝杠与螺母之 间轴向间隙为零，运动中没有阻滞，滑移进给速度稳定，具有很高的定位精度和重复 定位精度，同时具有精确的同步运动性能。滚珠丝杠的运动具有可逆性，逆传动效率 高。滚珠丝杠、螺母、滚珠均选用综合机械性能比较好的钢材，经过热处理，硬度高， 表面粗糙度小，滚动磨损少，具有良好的耐磨性，因而使用寿命较长【2 】。 早在1 9 世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因为制造难 度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠 丝杠副用于汽车的转向机构上。1 9 4 0 年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠 丝杠副，1 9 4 3 年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。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，促进了滚珠丝 杠副的研究和生产。从5 0 年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨 后春笋般迅速出现，例如：美国的w a 烈e r b e a v e r 公司、o m - - s a o 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【1 2 j 。我国自1 9 5 8 年以来，滚珠丝杠副就 成功应用予数控机床上，接着又在汽车、航空和制造业中，得到了日益广泛的应用。 在我国，南京工艺装配厂、陕西汉江机床有限公司和北京机床研究所等许多单位，已 进行了系列化的批量生产，为国内外用户提供不同规格的滚珠丝杠副l | “。 由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高网4 度等特点，被广泛应用于机械、航天、 航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的酋选部件。丽随着 在滚珠丝杠应用中对滚珠丝杠性能要求的不断提高，先进、便捷的检测手段成了生产 中提高滚珠丝杠质量及产量的可靠保证。滚珠丝杠副的主要精度指标包括2 厅弧度内 行程变动量、有效行程内行程变动量、任意2 5 m m 行程内行程变动量、任意1 0 0 朋m 行 程内行程变动量、任意3 0 0 ，l 小行程内行程变动量等州。 1 2 丝杠测量的国内外研究概况及发展趋势 丝杠检测是丝杠加工中的重要一环，它直接影响到丝杠系列产品的精度和质量。 南京理工大学硕士学位论文 h j y - o 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 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 代放在优先的地位。经过多年的开发和试验，已形成了一套较为完整的检测体系，它 们包括有：导程精度测量仪、触针式轮廓测量仪、动态预紧力矩仪、寿命试验机和接 触刚度测量机等。这些检测仪器都有几个值得注意的特点i 1 4 j ： 1 采用微处理机或计算机，对检测数据自动判别和处理。 如日本n s k 公司，在l m s 型3 m 激光丝杠动态测量仪上加了一套“导程精度自 动评定系统”( l e a da c c u r a c ym e a s u r i n gs y s t e m ) 。它具有三个功用： 迅速完成数据处理，输出导程误差曲线，并根据j i $ 或i s o 滚珠丝杠标准 判断出精度等； 通过图形放大、滤波获得精确数据，对误差作出统计分析； 对导程误差曲线进行谐波分析。 2 测量仪器的多功能化。 例如，联邦德国林德纳公司研制的6 m m 一4 导程测量机，对于各种不同牙型的 丝杠，可以同时完成螺纹中径、单面导程误差及双面导程误差的测量。而且，还能够 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。 3 测量方式向动态连续自动化方向发展。 测量方式采用动态连续测量，是为了获得与滚珠丝杠工作状态接近的各种性 能数据。如日本n s k 公司研制了卧式连续动态预紧力矩测量机，安装在生产现场的装 配工段，使用时，可以自动的使滚珠丝杠仪3 0 0 m m i n 的速度跑合5 0 个回合，然后 自动转入低速并开始自动测量和记录。 常规的丝杠检测主要有动态测量与静态测量二种方法。我国自5 0 年代生产滚珠 丝杠以来，对滚珠丝杠精度的检测工作同时也在摸索中前进。很长一段时间内，对滚 珠丝杠精度的检测都采用静态法，由于检测手段的落后，严重制约了我国滚珠丝杠生 产质量的提高。7 0 年代以来，有关的生产、研究单位纷纷致力于滚珠丝杠动态测量 仪的研制工作，从而实现了从静态测量到动态测量的跨越。动态测量与静态测量相比， 具有无可比拟的优点，这两种方法的对比如表1 2 】。 南京理工大学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 序号项目 静态测量法 动态测量法 l 测量精度 ( 1 ) 测量结果和丝杠的实际精度( 1 ) 测量结果和实际精度一 不完全符合； 致，提高了测量精度； ( 2 ) 只能测量一、二个轴向截面 ( 2 ) 可以连续铡量，确定任意 内的螺距误差：轴向截面的螺距误差； ( 3 ) 为了避免测量时间长而导致 ( 3 ) 由测量人员的对线读数变 人的疲劳以及环境的变化等对测为自动记录，避免了人为的随 量结果产生的影响，艮丝杠需采机误差。通过基准件参数的合 用跨牙测量。而英制螺纹尺是半理选择，对各种螺纹的丝杠都 英寸一条刻线，只能半英寸或一 可以由逐牙或跨牙测量变为连 英寸测量一个数据，因此可能漏续自动测量，不会漏掉测量点， 掉误差较大的测量点。测得的丝杠误差符台实际： ( 4 ) 测量单圈螺旋线误差时，需( 4 ) 测蹙螺旋线误差时，由等 将圆周有限等分，等分数越少误 分圆周对少数点的测量变为连 差越大，等分圆周划分相位时将续测量，避免了划分点过少及 产生随机误差。划分相位时带来的随机误差。 2 测量效率( 1 ) 每测量一个数据都要读数显 ( 1 ) 由逐点测量改为连续测 微镜对线一次或几次，因此测量量，效率提高7 9 倍。由于效 效率低。由于测量效率低，环境 率提高，减少了环境濡度波动 温度波动的影响较大，尤其在测的影响，有利于提高测量精度。 量长丝杠时，容易产生误差； ( 2 ) 缩短了丝杠加 ：机床的调 ( 2 ) 加工丝杠时，机床的加工和 整和加工时间，提高了机床的 调整对闻长，机床生产效率低； 生产效率； ( 3 ) 生产加工机床时试磨样件( 3 ) 生产加工机床时，减少了 的刀具多，装配和调整的周期长， 试磨样件的刀具数，缩短了机 不利于机床产量和质量的提高：床装配和调整的时间，促进了 ( 4 ) 劳动强度大，长时间测谣易 机床产最和质量的提高； 疲劳，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。 3 测量设备静态测量设备多用万能性的设 动态测量设备为复杂的专用设 备，维护方便。 备，价格昂贵电子设备的维 护也比较麻烦。 4适用范围适用于单件小批量生产及测量精 适用于成批生产及精度要求较 度不太高的丝杠。 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、 南京理工大学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝枉( 副 动态测量系统设计 效率高、检钡0 人员劳动强度低、检铡自动化程度高等优点i ”j 。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。 早期的丝杠动态测量采用模拟比相法。圆周基准一般采用光栅( 或磁栅) 盘，长 度方向上采用光栅( 或磁栅) 尺作为长度基准，采用模拟比相的方法，直接由专用的 相位计来显示比相结果，并由记录仪画出丝杠的误差曲线【】“。这- - g , d - 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，其关键部件相位计大都 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h 。 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术的应用， 使动态测量技术进步提高。在技术方法上，由于采用了计算机技术，因而突破了传 统的模拟比相方法丽采用数字比相技术，这使仪器的测量精度和抗干扰性能有了进一 步的提高。有些仪器已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【l6 | 。 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商精度、快速化、智能化、 模块化的方向发展l l ”。 当前国内外滚珠丝杠动态测量仪的发展，主要有以下几个方面【l q ： ( 1 ) 仪器能适应最新的国家标准和i s 0 标准，为企业技术改造提供依据，推动生 产的进步，提高产品工艺水平和产品质量，为产品走向国际市场提供依据和保证。 ( 2 ) 测量功能的集成化。同一台测量仪可测多种类型的丝杠，既可测滚珠丝杠， 也可测梯形丝杠，既能测量综合导程精度，又能测量动态预紧力矩，从而大大降低了 检测成本。 ( 3 ) 广泛采用计算机处理系统，用动态测量代替静态测量，测量的自动化程度不 断提高，数据采集和计算处理向高效率、智能化的方向发展。 南京理工大学硕上学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝礼( 副) 动态测量系统设计 1 3 丝杠动态测量 1 3 ，1 丝杠动态测量基本工作原理 采用丝杠的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。图l - 3 1 给出了测量丝杠螺旋线误差的方法示意图m 1 。 图1 3 1 丝杠螺旋线误差图 根据此原理，可由下式求得螺旋线误差： ：z 一旦r 2 n - 其中： z 测量头沿丝杠轴线方向的行程 7 被测丝杠的导程， 占被测丝杠转过的角度。 1 3 2 丝杠的动态测量方法 ( 1 3 1 ) 传统动态测量的方法从误差信号采集的角度可分为如下几种【1 【】： f 1 、与标准丝杠连续比对测量 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。 ( 2 ) 比相法 塑塑茎三查堂婴主兰堡垒墨 望! 兰! ! ! 三鲞燮些鎏堡丝堑! 型! 垫查型量墨篓丝盐 图1 3 2 比相法测量原理示意图 丝杠动态测量中运用较多的是比相法。基本原理见图1 3 2 。 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。 f 3 ) 记数法 图1 3 3 记数法测量原理示意图 6 南京理工大学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝枉( 剐 动态测量系统设计 记数法测量原理如图1 ，3 。3 ，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r n 个角脉冲信号后，即转过 m n 转，测量头位移为m p l v n ( p h 为导程) ，若轴向位移信号脉冲波长为x ，位移信 号脉冲应有z = m p h n m 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f j ，则误差为e = ( z 。一f ) 兄。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。 1 3 3 本系统中丝杠的测量方法 本文采用同步位移绝对值比较的原理，这种方法采用记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，通过记数卡本身所具有的信号处理系统将两路信 号进行高倍数电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，通过计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。 上述检测原理如图l - 3 4 ，记数卡通过p c i 总线与计算机相连。 1 4 课题背景 角位移信号 一记数卡! 一1 一 p c i 总线l ：j ii 计算机 长度基准 二二j 二。7 测头 ”被测丝杠 图1 3 4 同步位移绝对值比较法原理示意图 本次课题的选取源于工程实际项目“汉江机床有限公司h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝 杠( 副) 动态测量系统的改造研制”，课题在研究过程中涉及到精密计量技术、自 动控制技术、误差分析与处理技术、电机控制技术等。要求在公司现有5 m 激光丝杠 动态测量仪的基础上，进行技术改造，用于5 m 丝杠( 副) 综合导程误差及精度的动 态测量，使其适应工厂现代化生产质量检验、控制与管理的要求。系统改造后，要求 实现计算机的全面控制与检测，实现数据报表、误差修正的自动化，并符合i s 0 ，g b 或行业标准的要求。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 南束理工大学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝枉( 副) 动态测量系统设计 于实现c a m 与企业信息管理。 1 5 技术改造的基本要求 本课题所要解决的问题和实现的功能如下； ( 1 ) 在分析5 m 激光丝杠动态测量仪功能、结构、系统、操作程序基础上，结合 h j y 0 1 2 丝杠动态测量系统已改造的经验提出改造方案。保留成功可行的操作，以 利于操作人员操作。 ( 2 ) 在系统控制方面，实现测量仪系统状态运行控制，控制面板的操作。 ( 3 ) 完成系统运动参数设置，包括丝杠参数输入，丝杠测试状态( 转速、长度) 等设置。 ( 4 ) 丝杠导程精度动态测量。 ( 5 ) 导程精度测量结果数据处理与分析。包括任意2 误差，任意2 5 误差，任意 1 0 0 误差，任意3 0 0 误差或任意定长误差，全长误差，合格性判定，检测报告。 ( 6 ) 检测结果输出。模拟量记录曲线输出，数字量化检验曲线与结果的打印输 出，屏幕的实时检测状态输出。 ( 7 ) 数据管理。测量对象特征参数，检测数据管理，检验报告，合格性检查等。 1 6 论文研究课题的应用价值 ( 1 ) 丝杠动态测量技术对丝杠加工机床调整具有指导作用。丝杠加工机床传动 链的调整包括螺距局部误差，累积误差和周期性误差调整，通过对丝杠进行动态测量， 可以确定误差来源，从而采取相应的误差补偿措施进行误差补偿。 ( 2 ) 本论文设计完成的丝杠动态测量系统可以检测丝杠的动态误差，确定丝杠 的精度等级，完成丝杠副的精度验收。 ( 3 ) 本论文设计完成的丝杠动态测量系统除了可以用于检测丝杠的导程精度， 还有其它应用，如进行长度测量、滚珠丝杠的扭矩测量等等。 1 7 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 ) 探讨丝杠动态测量方法，针对本课题实际情况选择合适的测量方法，并 选择对应的系统配置。 ( 2 ) 完成测量系统主轴控制系统的设计，选用合适的驱动电机及运动控制方 式，以满足测量系统对主轴的要求。 ( 3 ) 选用英国雷尼绍公司生产的双频激光测量系统和圆光栅作为主要的测量 8 南京理工大学硕士学位论交 h j y - i ) j 2 五米激光滚珠丝枢( 副) 动态测量系统设计 元件，高速记数卡采集数据信号，完成测量与数据采集系统的设计。 ( 4 ) 通过对比多种丝杠导程精度的计算方法，选择高效率、高精度的算法完 成丝杠导程精度的计算。 ( s ) 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。 ( 6 ) 根据厂方要求，严格遵守国标及行业标准，对原有检定规程进行重新设 计，制定符合要求的新的丝杠动态测量系统的检定规程，按此规程对系统进行检定测 量，并对；贝| | 量结果进行统计分析。 1 8 论文结构 第一章绪论部分，介绍了滚珠丝杠的历史及其动态测量技术的研究概况与发 展趋势；介绍了丝杠精度测量的原理和各种方法，论述了本系统中采用的动态测量方 法；介绍了论文的课题背景及论文研究的内容。 第二章介绍了整个测量系统的总体设计方案和硬件配置，并阐述了测量系统 长度、角度的测量器件与工作原理。 第三章介绍了测量系统主轴控制系统的设计及元器件选择。 第四章分析了滚珠丝杠最新精度标准，用一种优化算法进行丝杠副行程误差 主要指标的计算。 第五章 介绍测控系统软件设计及相关界面。 第六章介绍丝杠动态测量仪检定规程，并给出了系统验收阶段的测量数据； 第七章结论与展望。 南京理工大学硕士学位论文 h j y , _ 0 1 2 五米激光滚珠丝枉( 副) 动态测量系统设计 2 系统总体设计 2 1 技术改造方案 陕西汉江机床有限公司现有5 m 激光丝杠动态测量仪一台，拟将其进行技术改造， 用于5 m 丝杠( 副) 综合行程误差及精度的动态测量，使其适应工厂现代化生产质量 检验、控制与管理的要求。其中： ( 1 ) 系统测量部分，采用双频激光、圆光栅测量方案。 在长度方向上选择双频激光作为测量元件，主要是考虑到其测量精度高、测量范 围大，分辨率高的特点。我们曾经对3 m 丝杠动态测量仪做过改造，当时在长度测量 上采用的是长光栅，长光栅虽然也能满足测量要求，且成本较低，但其测量精度较双 频激光测量系统来将要低的多。我们在这里采用双频激光方案，是一次技术上的创新， 这也填补了国内5 m 量程丝杠动态测量仪的技术空白。 角度方向上，在方案设计初期拟订沿用原有的德国h e i d e n h a i n 公司的圆光栅， 后来在工厂实际装配过程中该圆光栅发生磨损，故改用英国雷尼绍圆光栅。 ( 2 ) 系统控制部分，采用伺服电机及驱动方案。具体内容将在第三章中有详细 论述。 ( 3 ) 系统改造后，要求实现计算机的全面控制与检测，实现数据报表、误差修 正的自动化，并符合i s o ，g b 或行业标准的要求。 c p u i n t e l 2 8 g r a m 一5 1 2 m 内存 硬盘- - m t s o g 键盘鼠标，刻录光驱 平板显示器l g l 7 寸l c d l 1 7 1 5 s 激光打印机 惠普公司h p i o l 5 圆光栅 英国雷尼绍公司生产 1 路信号，每圈2 1 6 0 0 刻线 8 m 外信号输入频率，2 m 正 高速计数卡 p c i 一1 7 8 4 台湾研华 交信号输入频率 英国雷尼绍公司h s i o ( 由厂家订 2 踣信号，4 mt t l 信号频 激光系统 货) 盏 交流伺服电机2 k w 中惯量( 松下) 增量式码盘完成位置反馈 也可采用东元交流伺服电 交流伺服电机及驱动器 交流伺服电机驱动器( 松下) 机代替。 交流伺服电机变压器( 松下) 专用电缆线 也可不进，采用现h j y 一0 2 8 固高科技有限公司 控制方式，用p c l - ? 2 6 提 电机运动控制卡( 4 轴) 通用电机控制卡，型号：g t 一4 0 0 一s v供电机控制模拟量输出。 p c i 总线，4 轴控制1 6 路i o ， 但可靠性差，定量控制不 8 路模拟量输入 理想，维护不方便不做 推荐。 研祥智能股份有限公司 多功能i 0 卡 p c l 一7 2 6 ：1 6 通道数字输入，1 6 通 控制面板和记录仪输出 道数字输出。6 通道模拟输出。 电源 a c d c 开关电源 u p s 电源 山特公司 控制面板 自制 接e l 电路、接插件，开关，线 其他 等自制 下面两节对长度和角度方向的两大测量系统做了详细的介绍。 南京理工大学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 2 6 雷尼绍激光测长系统 2 6 1 引言 精密和超精密测长技术随着光学、物理光学的发展，有了飞速的发展，在科学技 术和工业生产需求的推动下，尤其是从0 6 3 3 n mh e - n e 激光问世以来，激光干涉仪以 其特有的测量范围大、分辨率高、测量精度高等优点，在精密和超精密测长领域获得 了广泛的应用1 2 0 j 。由于仪器与计算机相匹配，拥有丰富的软件和各种附件的支持， 使它不但能测量物体的线位移和长度。还能测量物体的线速度、小转角、直线度、垂 直度、平行度、平面度等，因此它是精密机械工业不可缺少的测量工具，是全息光栅 尺、玻璃线纹尺等长度计量工具所不能取代的【2 “。 世界上各发达国家对激光干涉仪的发展都给予高度的重视，目前世界上有三种比 较典型的，也是应用比较成熟的激光干涉仪，它们是：美国h e w l e t tp a c k a r d 公司生 产的h p 系列双频激光干涉仪，美国z y g o 公司研制的用于d s w 光刻机x 、y 工作台直 线及角位移测量的双频激光干涉测量系统，以及英国雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司的激光 校准系统1 2 2 1 。 早期的丝杠动态测量仪在丝杠长度方向上曾采用磁栅( 或光栅) 尺来取得长度测 量信号，后来为单频激光所取代，但一般仍采用比相的方法得到误差值。单频激光比 之磁栅尺来讲，其性能上的优越性是显而易见的，尤其是在测量长丝杠和超长丝杠时 更是如此。但是单频激光也有其局限性，它对于振动和空气的扰动等都较为敏感，由 油污所造成的激光光强的下降对使用的稳定性影响很大，一般仅适用于实验室环境。 如果要用于计量室环境中，则对环境要求较高。从国内外已有的采用单频激光作为长 度基准的丝杠动态测量仪的使用情况看，大都存在着抗干扰性能差、现场使用效果不 甚理想的问题。在早期的使用单频激光的测量仪产品中，为保证其工作的稳定可靠， 提高仪器在工作现场的抗干扰能力，一般均在硬件电路方面化费了很大的精力。这一 时期韵测量仪由于基本采用的是模拟比相的方法，硬件电路通常均采用可逆计数器来 克服在测量过程中由于振动或其它原因所造成的激光信号额外增加或丢失的可能性， 与此同时还要采取其它的硬件抗干扰措旋。后期的产品虽然用单板机或s t d 工业总 线机来取代传统的相位计进行信号及数据处理，并且有可能采用软件技术解决一些干 扰问题，但是由于单频激光固有的局限性，要提高仪器使用的可靠性，花费在这方面 的软、硬件工作量仍然是相当大的1 1 。 随着激光技术的发展，尤其是双频激光器的出现并进入实用阶段，无疑给丝杠动 态测量技术注入了新的活力。双频激光与单频激光相比有着明显的优越性：双频激光 干涉仪接收的是拍频信号，因此它对振动和空气的扰动等较不敏感；同时采用交流放 大器，不存在单频激光干涉仪由于采用直流放大器可能产生的零漂；光强的变化对仪 1 4 南京理t 大学砸：t 学位论文 h y - 0 1 2 五米檄光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 器的实际使用效果影响也较小。因此双频激光系统本身就具有较强的抗干扰能力，比 之单频激光而言更适用于计量环境和生产加工现场。 按照总体设计思想，本论文设计改造的丝杠动态测量系统属于大型、高精度测量 设备，它应能在车间计量室条件下精确、稳定地测量梯形丝杠、滚珠丝杠以及滚珠丝 杠副，并且具有实时显示测量误差曲线的功能。因而该测量系统在设计中应充分利用 当代科技成果，采用已经成熟的技术，使系统在精度、稳定性、实时性和可靠性等方 面均达到新的水平。鉴于上述考虑，该丝杠动态测量系统大胆采用雷尼绍双频激光测 量系统作为长度基准，进行长度方向上的测量。 2 6 2 双频激光干涉仪测量原理 双频激光干涉仪测量原理如图2 6 1 所示1 2 “。 图2 6 1j 双频激光干涉仪工作原理 单模激光器1 置于纵向磁场2 中，由于塞曼效应使输出激光分裂为具有一定频差 ( 约1 2 m h z ) ，旋转方向相反的左、右圆偏振光( 设其频率分别为彳， ) ，即为双 频激光干涉仪的光源。左、右圆偏振光通过波片3 后成为相互垂直的线偏振光( 工 垂直于纸面， 平行于纸面) ，析光镜4 将一小部分光反射，经过主截面4 5 。放置的 检偏器6 ，在c 处由光电探测器7 接收，接收信号经前置放大整形电路8 处理后，作 为后续电路的基准信号。通过析光镜4 的光经扩柬器5 扩束后射向偏振分光镜9 ，偏 振分光镜按照偏振光方向将_ 和厶分离，平行于纸面的兀光透过偏振分光镜到测量 反射镜1 1 。当测量反射镜移动时，产生多普勒效应，返回光频率变为( + a f ) ，a f 南京理工大学硕= = 学位论文 h 3 y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 为多普勒频移量，它包含了测量反射镜的位移量。 返回的，以十厂光在偏振分光镜9 再度汇合，经反射镜1 2 、主截面4 5 。放置 的检偏器1 3 在a 处由光电探测器1 4 接收，接收信号经前置放大整形电路1 5 处理后， 作为系统豹测量信号。 我们讨论下c ，a 两处的光强情况。设c 处石，五两束光的波动方程分别为： e l = 略】c o s 2 厅力( 2 6 1 ) 岛= e r 2c o s 2 r c f 2 t( 2 6 2 ) 其合成振幅为： e = e t + e 22 e 月ic o s 2 r c f t 十e r 2c o s 2 z r f 2 t( 2 6 3 ) 光强函数为： 铲肚圭( 聪峨 譬c o s 4 r r 力+ 譬c o s 4 班 + 】e r 2c o s 2 石( z + f o t + 1 2c o s 2 n ( f 2 一f o t ( 2 6 4 ) 由于光电探测器的频响限制，实际接收光强为： l = 去( 1 2 + e r 2 2 ) + e r i b 2c o s 2 n ( f 2 一f o t ( 2 6 5 ) 同理，可以算出a 处光电探测器的接收光强为： j m = 去( 瓯l2 + e 卅2 2 ) + l 】瓦2c o s 2 石( l z z v ) t ( 2 6 6 ) 从式( 2 6 5 ) 和式( 2 6 6 ) 可见，c 处的接收信号为一直流分量妄( ，2 + 乓：2 ) 与一交流分量e 。e n 2c o s 2 x ( f 2 - f , ) t 的叠加，这一信号经由交流放大器和过零触发器 组成的前置放大整形电路处理后，输出一组频率为( 一f 0 的连续脉冲：同样，a 处 的接收信号经放大整形后，输出一组频率为( - f 0 v 的连续脉冲。 图2 6 1 中减法器的作用就是实现这两组连续脉冲的相减，即： + a f = 【( - f 0 + _ _ a 一一z ) ( 2 6 7 ) 在激光干涉仪中，测量光束的光程变化为测量反射镜位移的2 倍，多普勒效应可 用下式表示 a f ：= 2 v ， ( 2 6 8 ) 南京理工大学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态器4 量系统设计 式中，c 为光速，y 为测量反射镜的移动速度，厂为光频。设测量反射镜移动长 度为，则有 上= 施= 謦d = 鲁协 亿e ，。， 旯为激光在测量时刻的波长，频率的时间积分为周期数，所以上式可化为： l ：兰 ( 2 6 1 0 ) 2 此式即为双频激光干涉仪的钡4 长原理。 图2 6 1 中的稳频器是套闭环控制系统，通过控制激光器的腔长以保证输出激 光波长的恒定性。波长补偿器用于测量环境条件参数，从而补偿由于空气折射率的波 动引起的波长变化。 从式( 2 6 6 ) 可见，双频激光干涉仪的测量信息是叠加在一个固定频差( 一彳) 上的，属于交流信号，具有很大的增益和高信噪比，完全克服了单频激光干涉仪因光 强变动造成直流电平漂移，使系统无法正常工作的弊端。测量时即使光强衰减9 0 ， 双频激光干涉仪仍能正常工作，由于其具有很强的抗干扰能力，因而特别适合在现场 条件下使用。 2 6 3 激光系统组成 英国雷尼绍公司的激光测长系统组成如下： h s i o 激光头， r c u l 0 单轴补偿器，空气温度传感器，r c uc s 安装软件 线性光学器件。 另外，还有一些可选部件： p c 机、参考标记开关、h s l 0 调准盘、材料温度传感器、电缆等。 下面主要介绍h s i o 激光头和r c u l 0 补偿单元。 2 6 3 1h s l 0 激光头 h s i o 激光头包含一个i i 级( 最大输出功率 l m w ) 的可视h e n e 激光源、边缘 探测和处理电路。h s l 0 中的采用的是标准线性光学元件，其量程可达3 0 m 。h s l 0 的输出是数字化方波( 分辨率可选) 和状态线条。h s l 0 激光头的电源为2 4 v 直流电。 南京理工大学硕= l 学位论文h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 圈2 6 2h s l 0 激光头 当h s l 0 与r c u l 0 一起工作时，还需要一个额外电源，这不是通过r c u l 0 提供 的，其选择应满足以下条件： ( 1 ) 输入电压：2 4 v 0 5 v ； ( 2 ) 起动电流：当电源开启时，h s l 0 的瞬时起动电流大大高于正常工作电流， 在某些特定情形下可高达5 0 a ，这一数值仅仅取决于电源的阻抗特性。所选电源必须 在电源启动时至少提供持续1 0 m s 的3 5 a 电流而无故障或是电流电压限制； ( 3 ) 预热电流：功率上升阶段，持续1 0 1 5 分钟的1 、4 a 电流； ( 4 ) 工作电流：o 8 a 。 2 6 3 2 r c u l 0 积分补偿单元 图2 6 3 r c u l 0 补偿单兀 该系统克服了在线性运动系统中所出现的环境误差源，从而提高了操作精度和重 复性。r c u l 0 通过一系列传感器可探测机器的周围环境，并运用先进的数字信号处 理对位置反馈信号进行实时补偿。 r c u l 0 处理器接收数字化方波以及各传感器所采集到的环境数据，并计算出补 偿总量用以修正轴的位置。然后该补偿通过方波测量和注入( 方波脉冲的增加或删减) 被施加到编码器的反馈信号上，这一过程对于运动控制器是完全公开的。修正后的反 馈信号以r s 4 2 2a 、b 象限数字量或正余弦模拟量的形式提供给运动控制器，名义精 1 8 南京理工火学硕士学位论文 h j y - 0 1 2 五米激光滚珠丝杠( 副) 动态测量系统设计 度为l p p m 仅对折射系数) 或2 p p m ( 含1 0 p p m 8 c 的材料补偿) 。 r c u l 0 的功能框图如图2 6 4 ： 图2 6 4r c u l 0 功能框图 r c u l 0 能提供的补偿有刻度因素补偿、空气折射系数补偿、编码器热膨胀系数 补偿、工件热膨胀补偿。 ( 1 ) 刻度因素补偿 r c u l 0 能够产生一个固定的刻度因素修正值，用于将编码器的固有分辨率转换 为一个更便于使用的值( 例如，6 3 3 n r n 一1ui f 1 ) 。这一补偿取决于输入的分辨率和所 要求的输出类型。 ( 2 ) 空气折射系数补偿 空气折射系数( 波长) 补偿是根据由空气温度和压力传感器所接收到的环境参数 来进行的。这种补偿用于激光编码器，能够提供一个连续而精确的反馈信号，而