（机械电子工程专业论文）三米滚珠丝杠螺距精度动态测量系统研究.pdf

摘要 摘要 精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，研究高精度的丝杠螺距精度动态 测量方法和仪器组成具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文首先介绍了丝杠的发展现状和常用丝杠精度的动态测量方法，详细叙述了 测量仪中使用的高频脉冲细分计数法的测量原理。 研制了专门的相位差测量电路，完成了相位差自动测量。测量过程不需要处理 器干预，并且测量电路由逻辑电路组成，实时性高，因此具有很高的测量精度。 并且设计了两路独立的脉冲发生器代替实际圆光栅和直光栅传感器信号，来校 验测量仪的精度。多次试验表明该测量仪具有很高的精度，理论上测量系统的分 辨精度可达0 1 微米。 对现有的测量数据处理系统进行了修改完善。增加了系统的错误诊断功能。 操作人员可以根据提示，及时排除仪器故障 最后利用、，b 软件的定时器产生一组变化已知的数据来模拟螺距误差，对丝杠 精度分析部分进行了精度验证。实验表明该软件算法正确。 对影响螺距精度动态测量仪精度的因素进行了理论分析，分析计算了测量仪 的综合测量精度，结果表明其精度在设计要求之内。该测量仪可以测量三米长度 内的螺距累积误差，具有较大的实际应用价值。 关键词：滚珠丝杠：螺距精度；动态测量；脉冲细分比相；相位差测量 山东大学硕士学使论文 b s t 触c t p r e c i s i o nb a l l s c r e wi st h ek e yf u n c t i o np a r to fn cm a c h i n e s t u d y i n g t h em e a n sa n dt h ea p p a r a t u s c o m p o s i n gi nh i g hp r e c i s ed y n a m i cm e a s u r eo f s c r e w - p i t c he r r o rh a v ei m p o r t a n ta c a d e m i cm e a n i n ga n dp r a c t i c a la p p l i e d v a l u e f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t a la c t u a l i t yo fb a l l 一s c r e w a n dt h ec o f l m l o nd y n a m i cm e a s u r i n gm e t h o d so fi t sp r e c i s i o n a n dt h ep a p e r e x p l a i n st h ep r i n c i p l eo fp h a s i cc o m p a r ew i t hh i g hf r e q u e n c ys u b d i v i d i n g p a l s eu s e di nt h ed y n a m i cm e a s u r i n ga p p a r a t u s s e c o n d 。d e s i g n i n gas p e c i a lp h a s i cd i f f e r e n c em e a s u r i n gc i r c u i t ， a c h i e v e st h ea u t o m a t i cm e a s u r eo ft h ep h a s i cd i f f e r e n c e t h ec i r c u i th a s h i g hr e a lt i m e s oi ta l s oh a sv e r yh i g hm e a s u r i n gp r e c i s i o n a n di no r d e rt ov e r i f yt h ep r e c i s i o no ft h ea p p a r a t u s ，w ed e s i g n e da g e n e r a t o rp r o d u c i n gt w oi n d e p e n d e n tp u l s e st os i m u l a t et h er o u n da n dt h e l o n gr a s t e r t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e st h ed e v i c eh a sv e r yh i g h p r e c i s i o n 。w h i c hc a nr e a c ho - lm i c r o ni nt h ea b s t r a c t t h i r d ，t h ep a p e rc o n s u m m a t e st h em e a s u r i n gd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e ， a n da d d st h ef u n c t i o no fe r r o rd i a g n o s i n go ft h ea p p a r a t u s t h eo p e r a t o r c a nc o n s u l tt h eh i n tt og e tr i do ft h et r o u b l e a n dw ea l s om a k eas e to fk n o , r nd a t at os i m u l a t et h es c r e w - p i t c he r r o r ， t ov a l i d a t et h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r i n gs o f t w a r es y s t e m i nt h ee n d 。t h ep a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e sm a i nf a c t o r so fa f f e c t i n g t h ea c c u r a c yo ft h ea p p a r a t u s ，a n dc a l c u l a t e st h ep r e c i s i o no ft h e a p p a r a t u s t h er e s u l tm e e t st h er e q u e s t i tc a nm e a s u r ec u m u l a t i n ge r r o r o fs c r e w - p i t c hi n3m e t e r s ，a n dh a sh i g ha p p l y i n gw o r t h i n e s s 。 k e yw o r d s ：b a l l s c r e w ；s c r e w - p i t c hp r e c i s i o n ；d y n a m i cm e a s u r e ：p h a s i c c o m p a r ew i t hs u b d i v i d i n gp u l s e ：p h a s i cd i f f e r e n c em e a s u r e h 原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：压丝日期；丝2 羔：17 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印， 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盥导师签名；燃日 期：丝垡：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 滚珠丝杠发展现状 滚珠丝杠副的发明在1 9 世纪末，但由于制造难度太大，很长一段时间未能得 到实际应用。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 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。由于其 具有高效率、高精度、高刚度等特点。滚珠丝杠副已经被广泛应用于机械、航天、 航空、核工业等领域，成为机械传动与定位的首选部件提高丝杠的加工精度， 特别是螺距加工精度，是高精度丝杠副加工的主要目标之一，国内外的许多研究 工作者正在从事这方面的工作“哪。 经过多年的努力，我国滚动功能部件技术水平取得了长足的进步，少数企业 规模化生产已成雏形，产品精度保持了一定的水准，满足了国内中低档数控机床 发展的需要，但要适应高档数控机床对技术、性能严格的要求，尚需要做出不懈 的努力 1 1 1 滚珠丝杠副的主要发展方向 1 ) 滚珠丝杠副的种类 由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求 也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、 小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d o 1 2 m ， 导程p h = o 5 2 5 咖的微型滚珠丝杠副。日本n s k 公司已开发出公称直径d o = 4 m m ， 导程p h = o 5 m 的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等 需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。 随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、 加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝 山东大学硕士学位论文 杠副的出现，满足了高速化的要求。日本n s k 公司已开发出公称直径导程为： 1 5 咖4 0 w m 、1 6 哪5 0 舳、2 0 哪6 0 唧、2 5 r e x8 0 m 超大导程滚珠丝杠副，快速 进给速度达1 8 0 r e r a i n 。 2 ) 滚珠丝杠副结构 滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构( 以圆形反向器和椭圆形反向器为代 表) 和外循环结构( 以插管为代表) 两种这两种结构也是最常用的结构。这两种结 构性能没有本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺 寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有1 0 多种，但比较常用的主要有：内循环结构； 外循环结构；端盏结构；盖板结构。 内循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形就是圆形和椭圆形。 由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构现在，最好的 反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶，类似外循环结 构，因此，消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。但由于制造工艺较 复杂，影响了这种结构的推广。 3 ) 滚珠丝杠副精度 过去，为了获得高的定位精度，主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现， 因此，对滚珠丝杠累积误差要求很高，给滚珠丝杠副的制造带来困难，使生产成 本加大。特别是高精度滚珠丝杠副，只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床 加工才能达到。随着科学技术的不断发展，人们掌握了数控补偿技术，因而，不 需要很高精度的滚珠丝杠副，也能获得高的定位精度。为了适应数控补偿技术的 要求，国际标准i s 0 3 4 0 8 - 3 - 1 9 9 2 以及部颁标准j b 3 1 6 2 2 - 9 2 都对滚珠丝杠副的行 程变动量作了要求，如有效行程内行程变动量、任意3 0 0 r a m 行程内行程变动量、2 丌 弧度内行程变动量。其目的就是要控制滚珠丝杠副行程误差的直线性，也即滚珠 丝杠副行程误差线性化为数控误差补偿创造条件 4 ) 滚珠丝杠副性能 随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机 械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度， 而且运转平稳，无阻滞现象滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副 预紧转矩的变动量，不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同，因此， 滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。国际标准i s 0 3 4 0 8 3 1 9 9 2 以及部颁标准 2 第一章绪论 j b 3 1 6 2 2 9 2 规定了在转速为l o o r m i n 时，滚珠丝杠副预紧转矩的允差 由于存在加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝杠、螺母的导程 误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动 态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，滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映 滚珠丝杠副性能好坏的重要指标。 近几年来，人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开始重视起来，以前 人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩 的曲线。因为有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来 总之，随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多 样化，促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种，以满足用户的需求。 1 1 2 当前丝杠行业发展存在的问题 当前制约功能部件进一步发展的因素主要有o ”： 1 ) 行业技术力量薄弱，基础理论研究滞后，产品原创力弱，新产品研发速度 慢，对市场需求反应较慢，缺乏具有时代气息和自主知识产权的新品。 2 ) 缺乏先进的检测仪器和产品性能试验设备，缺少为新产品的研发和批量生 产提供品质保证以及用检测数据和性能对比曲线取信用户的手段。 3 ) 装备落后，工艺单一、水平不高。生产线上的装备数控化率低、生产效率 低、产品互换性不强，质量难于稳定 4 ) 制造厂商多，生产规模小、信息化管理水平不高，无法形成大规模集约化 生产，不能及时有效的为用户提供全方位的服务和满足个性化的需求。 5 ) 行业内企业普遍资金短缺，影响了技术进步和新产品的研发。 其中研制高精度的检测仪器和高性能试验设备是提高滚动功能部件水平需要 解决的重要问题而丝杠的检测是丝杠加工中的重要一环，为研制新型加工设备 和改善加工工艺提供重要的测量数据，直接影响丝杠系列产品的精度和质量的提 高。 1 2 丝杠动态测量系统的概况和现状 目前常规的丝杠检测主要有动态测量与静态测量二种方法。动态测量较之传 3 山东大学硕士学位论文 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、检测 自动化程度高等优点，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合， 已基本取代了静态测量，成为丝杠检测的主要手段。 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，其关键部件一相位计 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 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“1 1 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“： ( 1 ) 仪器能适应最新的国家标准和i s o 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 目前国内生产测量仪的厂家主要是北京机床研究所。北京机床研究所自研究 生产丝杠开始，就着手研制丝杠测量仪器。并先后研制成功了“j c s 0 1 4 两米激 光滚珠丝杠导程误差测量( 简称j c s - 0 1 4 ) ”、“j c s - _ 0 4 0 三米激光滚珠丝杠副行 程误差测量仪( 简称j c s _ 0 4 0 ) ”、“l j y l 0 滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪( 简称 l j y l 0 ) ”这些仪器均采用了高精度的传感器和现代化的测试手段。其数据处理 遵循的标准是：g b t 1 7 5 8 7 3 一1 9 9 8 滚珠丝杠副验收条件及验收检验。国内丝杠 4 第一章绪论 生产厂家主要使用以上仪器 1 3 测量方法综述 机床的传动误差t e ( t r a n s m i s s i o ne r r o r ) 是指传动链的输入轴驱动完全准确 且为刚性的条件下，其输出轴的实际位移与理论位移之间的差值。机床上实现工 件表面成形所需复合运动的传动链一“内联系”传动链的两末端执行件问必须时 刻保证严格的给定规律要求的运动关系。所谓传动链的传动精度是指其传递运动 的准确性程度，它用传动误差来衡量。由于实际存在的传动链误差，导致工件表 面成形运动轨迹误差，从而最终反映到被加工工件上，造成被成形表面的形状误 差等由于机床传动链主要由齿轮付、蜗杆副和螺纹副等组成，因此传动链误差 也主要来源于这些元件本身的加工精度及安装精度。从运动学角度而言，一切引 起瞬时传动比偏离按给定规律要求的因素都是传动链误差的来源。 对于机床传动链精度的精密测量一直是国内外专家致力于研究的课题，其基 本方法是借助于机、光、电原理的仪器，运用误差理论知识，在机床上安装传感 器，并调整、测量、分析传动系统中各环节所带来的误差，从而找出误差产生的 原因及其变化规律。对机床误差的实时测量是对机床误差进行有效补偿的前提”。 1 3 1 动态测量方法原理 丝杠动态测量的基本工作原理是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1 1 给出了测量丝杠螺旋线误差的示意图 z 图卜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a ： ：z 一旦r 2 ，r ( 1 - 1 ) 5 山东大学硕士学位论文 式中z 壤0 量头沿丝杠轴线方向的行程 r 为被测丝杠的导程， 口为被测丝杠转过的角度。 1 3 2 比相测量方法 两传感器输出信号岛、色之间的相位关系反映了传动链的传动误差，当传动误 差t e = o 时，即传动比i 恒定时，8 、岛之间保持恒定的相位关系，当传动误差t e 不等于0 时，即传动比i 随时间变化时，包和岛之间的相位关系也随之发生变化。 比相测量法就是通过测定6 ；和幺之间的相位关系来间接测量传动误差t e ，随着现 代数字化、计算机技术的发展，比相测量法经历了从模拟比相，数字比相，计算机 数字比相的发展过程。 1 3 2 1 模拟比相 常用的触发式相位计即是模拟比相，其比相原理示于图i - 2 两路信号经分频后变为同频率的信号进入比相计，它们之间的时差取决于鼠、岛 之间的相位差8 ( t 1 。经双稳态触发器鉴别后，f 变换为与比相矩形波占空比相对 应的模拟量血，占空比的变化即反映了传动链的传动误差。 这种比相测量系统存在以下问题： 8 ( t ) 是按一定规律和大小变化并以2 疗为周期的周期函数，设厂为相位变化 的频率，w - - - - 2 1 r f 为角频率，则有万( ，) = 艿( w f ) 。两信号比相时的波形示于图卜2 ( b ) 此时，相位测量是以1 f 为周期的重复测量。由条件o s 8 ( w t l s 2 石可知，材和 万( w ) 具有线性关系。f h - t 8 ( w t ) 是周期性变化的，因此要求表头的时间常数f 小 1 于被测变化相位差的周期，即f 之否则，在前一个相位变化的周期内尚未获得 l 正确的读数时，后一个周期便已开始重复。由于磁电式仪表的时间常数一般较大， 测量变化相位差的频响较差，而且得不到相位变化过程中每个瞬时值的稳定读数， 故要获得变化相位差的完整测量，必需在比相器后加自动记录仪。 因此，模拟比相的动态测量性能较差，不适应实时分析、处豳挣妃卿瞪堑球。 6 第一章绪论 i 己采 裹夹小从 乙f 叫j ( d b 圈1 2 模拟比相原理图 测量分辨率与测量范围相互制约，如提高分辨率，则会减小量程，因此， 根据测量分辨率和量程大小的要求，需配置量程选择电路。被测信号的相位差必 须小于3 6 0 0 要求进入比相计的两路信号频率相同，也就是只能进行同频比相。因此两 路信号的分频倍频器必须满足传动比变化要求，电路结构复杂，抗干扰能力差， 适用范围小 1 3 2 2 数字比相法 1 ) 常规的数字比相“” ) 毡 屿 一 粕 1n n 一i 一 i | 1| | | i 1| | l 图1 - 3 数字比相原理 图1 - 3 给出了数字比相原理框图，采用逻辑门和计数器来实现，称之为逻辑门 数字比相技术，相位差直接以数字量形式输出。两同频信号q 、岛经放大整形后 得到两组脉冲信号、，它们分别通过逻辑门电路去控制计数器的开、关。计 数器的计数结果即为q 、岛之间的时间间隔f ，它与相位差占( r ) 成正比。设比相 信号的周期为r ，则有万( r ) = 2 石等 7 山东大学硕士学位论文 这种数字比相测量方法的主要特点是： 由于a t 的值不仅取决于两信号的相位差艿( r ) ，而且还与两信号的频率有关 因此，要获得高精度的测量就必须保证两比相信号和时钟脉冲均有很高的精度。 1 但在工程应用中，两比相信号的频率( 圭) 难以保持恒定实际测量时，就必须二 次测量参数f 和r ，来计算艿( ，1 这在实际应用中有两点不足：一是对r 的测量 时间间隔长，两信号频率和占( r ) 的波动会造成较大的测量误差；= 是应用不便 虽然可以使用两个频率计数器同时测定参数出和r ，以减小一些误差，但因f 的 时间很短，测量准确度也不可能很高。 数字比相弥补了模拟比相的一些不足，测量稳定性和可靠性有所提高，但仍 然只适用于同频比相 2 ) 微机细分比相 图1 4 所示给出了微机细分比相原理图。此方法是数字比相法的微机化，高 频脉冲p 。不再由外部电路产生，而直接使用微机内部时钟c p ；对脉冲c p 的计数不再 使用门电路计数器，而用微机内的可编程定时计数器达到了智能化的目的 显然，微机细分比相将测试、处理与分析集为一体，代表了微机辅助测量( c a t ) 技 术在传动误差测量领域的发展趋势。但该方法没有从实质上改变比相信号的频率 波动对测量精度的影响。微机细分比相法是数字比相法的微机化应用。由于计算 机具有强大的逻辑、数值运算功能和控制功能，极易实现两路信号的高频时钟细 分、比相及输出，因此外围线路的制作比较简单。其优点在于： 两路比相信号无需频率相同( 即被测传动链的传动比可为任意值) ，在传 动链误差的计算中，传动比为一常数。 比相相位差可为任意值，不受相位差必须小于3 6 0 0 的限制。实现了时钟细分 与比相的一体化，使硬件接口线路大大简化由于可编程计数器的分频数可由计 算机软件控制，因此可方便地调整采样频率，以适应不同转速下传动链误差的测 量。 系统的细分精度和测量精度较高，便于构成智能化、多功能测量系统。 8 第一章绪论 数掘 证叵h 竺r 可墨 徽处 礁计 筵盟 理机 唧 订甜砷 致薯 图1 4 微机细分比相原理图 1 3 3 计数测量方法 模拟比相法和数字比相法均是同频比相，其不足之处是：为获得同频比相信 号需要先进行“传动比分频”。为了保证各种误差范围不致发生2 相位翻转，还 要进行“量程分频”然而分频将使t e 测量的分辨率降低，为了保证有足够的分 辨率，要在分频前先进行倍频，使测量系统变得复杂。尤其是对于非整数传动比 因无法分频而不能测量。 数字计数法是非同频“比相”，它不需对两路脉冲信号作分频处理，而是直接 利用两传感器的输出脉冲之间的数量关系来计算传动误差。 1 3 3 1 直接计数测量 假设输入轴、输出轴传感器每转输出信号数分别为 、如，选择输出轴见作 为基准轴，采样间隔t 为幺脉冲信号的周期或它的整倍数。根据传动误差t e 的定 义，如图卜5 所示，第j 次采样时刻传动误差艿u ) 为： 曩 图1 5 直接数字测量原理 万( ，) = 【i ( f ) 一n 2 ( u ( 以如) 】署 ( 1 - 2 ) 9 山东大学硕士学位论文 由于q 、吼是时间上离散的脉冲序列，在测量过程中。采样时间间隔内( 札 个幺脉冲) 岛脉冲的计数l ( f ，) 是随时间而变化的，且一般不是整数个( 如图卜5 所示) 。这样小数部分所造成的误差2 万，a 就被忽略了。另外，实际传动系统 中“五，五) 不一定总能为整数，这样脉冲q 的频率就不是岛的整数倍，将弼童心视 为整数就造成了理论误差，从而限制了其应用范围。 1 3 3 2 微机细分测量方法 图1 _ 6 微机细分测量方法 如图1 _ 6 所示，这种测量方法的具体步骤是：以前一个幺脉冲作为开门信 号，后一个见脉冲作为关门信号，由计数器计数只的脉冲个数n 口。利用时钟脉 冲c p 对脉冲序列b 进行插值细分，分别计数b 脉冲信号小数和整数周期计数值瓦 和疋计算传动误差8 ( 0 ： 粥毗+ 釜一净。署 a 。， 1 3 4 本测量仪选用的方法 本测量仪选用微机细分计数测量方法，高频细分脉冲取自8 0 c 5 5 2 单片机的a l e 端，当单片机选用1 2 m 晶振时，a l e 端输出为2 m 的方波该方法测量精度高，满 足仪器的设计要求，适当提高高频细分脉冲的频率可进一步提高仪器的测量精度 1 4 课题来源 本课题为济宁博特精密丝杠有限公司科研项目。为该公司研制三米高精度丝 杠螺距精度动态测量仪。目前国内的丝杠螺距精度动态测量仪一般只能测量两米 l o 第一章绪论 的滚珠丝杠，随着测量长度的加长，对丝杠精度测量仪的稳定性和传感器的精度 也提出了更高的要求，测量仪制造难度加大。 课题主要完成任务： ( 1 ) 测量仪整体方案设计。包括角度和位移传感器选择、螺母小车和测量仪床身 结构设计 ( 2 ) 设计脉冲细分相位差测量电路，精确测量出两路光栅脉冲的脉冲数 ( 3 ) 丝杠精度测量仪硬件系统设计，包括硬件电路抗干扰设计、螺距精度实时显 示以及数据实时通讯 ( 4 ) 完成丝杠精度测量仪软件系统设计，通过计算机串口实时接收硬件系统测量 的误差数据，并显示误差曲线。测量完成后，根据国家标准计算各项误差，得出 精度等级，并打印出测量报告 1 5 论文结构 第一章绪论部分，讲述了滚珠丝杠及其动态测量技术的发展现状：介绍了丝 杠精度动态测量的原理和各种方法，陈述了论文的课题背景及论文研究的内容。 第二章测量仪整体方案设计，包括传感器选择和测量仪结构设计，以及本方 案中用到的计数器和逻辑芯片工作原理介绍。 第三章丝杠螺距精度动态测量仪硬件电路设计，包括相位差测量电路设计、 串行通讯和电路板抗干扰设计；并设计了两路独立的方波信号发生器，模拟光栅 传感器信号对仪器进行了校验，与理论计算相符。 第四章丝杠螺距精度动态测量仪软件系统设计，包括数据通讯和误差实时显 示、误差处理程序介绍，并用定时器中断模拟采样过程来验证处理程序的正确性。 第五章丝杠螺距精度动态测量仪精度分析，介绍了传感器误差等各种因素对 测量仪精度的影响，并分别给出了计算公式 结论与展望 山东大学硕士学位论文 第二章丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 2 1 床身部分方案确定 2 1 1 床身选材 为了减小外界因素对测量仪的影响，选用天然大理石作为测量仪床身。我国 大理石资源丰富，大理石床身具有精度高、抗震性好、热变形小、易于加工等特 点，受环境因素影响小，因此选用大理石作为床身，可以提高测量系统的稳定性 2 2 螺母小车结构改造 以往的测量系统中螺母小车都是沿床身的导轨运动，以导轨为运动基准，这 就要求导轨有很高的直线度和刚性，增加了制造成本。本测量仪中对螺母小车进 行了改进，使用横梁式结构，以床身侧面作为小车运动的导向面，便于加工，且 提高了系统刚性各接触面都采用滚动部件，使滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦阻 力变小，减小了测量过程中测量装置的磨损和受力变形 2 1 3 转角和位移传感器选择 光栅是一种最常见的测量装置。光栅传感器应用了奠尔条纹的放大原理，所 测的位置精度很高，因此测量仪中分别选用圆光栅和长光栅测量丝杠的转角和螺 母小车的位移。各传感器介绍如下： 1 ) 圆光栅角度编码器选用德国h e i d e n h a i n 增量式编码器，型号为r o n 7 8 6 ， 刻线为1 8 0 0 0 线，内孔直径为6 0 毫米，直接套装在主轴上，测量丝杠的转角，圆 光栅安装时要求轴径的跳动小于0 0 0 3 m m 。光栅输出信号形式为正弦信号，通过整 形电路输出连续的竹l 方波，记录此方波的个数即可测量出丝杠的转角。圆光栅 的静止部分和箱体相联，仪器在工作中应该尽量减小机体的震动。 1 2 第二章丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 图2 - 1r o n 7 8 6 圆光栅 2 ) 直线光栅尺采用多段外壳组装的形式，标准尺为整体的。型号为l b - - 3 8 2 ， 外壳长度为5 2 0 0 毫米，由多段组装而成输出信号形式为正弦信号，带i b v 6 6 0 b 电子细分装置，细分倍数从2 5 4 0 0 可调，细分装置输出标准t r l 方波。 图2 2 光栅尺l b - 3 眈多段外壳 选用带安装调整板的形式，首先将安装板固定在床身的前侧面，然后通过调 整垫片使安装板的安装基面在全长上和导轨平行度在o o l m m 以内，最后将光栅尺 固定在安装基板上静止不动。光栅读数头在尺的下方，联接板由两部分组成，材 料均为重量较轻的铝合金下联接板和光栅读数头刚性相联，上联接板和运动托 板为浮动柔性联接，两侧面为中5 的钢球。两块联接板由中间的旋转螺钉联接在一 起，当松开该螺钉后，将上联接板抬起，则可以脱开读数头“町。 2 1 4 测量仪整体结构设计 测量仪传动部分选用运转高度平稳的交流伺服系统，通过变频调速实现对丝 杠转速的平稳控制。圆光栅与被测丝杠同步转动测量丝杠的转角，长光栅读数头 固定在螺母小车上，随螺母小车运动实现对小车直线位移的测量。数据采集部分 结构如图2 3 所示： 1 3 山东大学硕士学位论文 12 34 567 图2 3 测量仪数据采集系统构成简图 1 圆光栅2 卡盘3 丝杠4 螺母小车5 测量头6 光栅读数头7 长光栅8 主轴 2 1 5 光栅位置检测装置介绍 光栅种类繁多，一般来讲，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线细且 密，节距很小( 2 0 0 5 0 0 条m m ) ，主要是利用光的衍射现象，物理光栅常用于光谱 分析和光波波长测定。而计量光栅较物理光栅刻线稍粗( 2 5 、5 0 、1 0 0 、2 5 0 条m m ) ， 主要是利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用了莫尔条纹原理，因而所测 的位置精度相当高，很易作到0 1 u m 的分辨率，最高分辨率可达0 0 2 5 u r n 。另外， 计量光栅的读数速率从每秒零到数十万次之高，非常适用于动态测量，因而且前 在数控检测系统中得到了广泛的应用。 2 1 5 1 光栅的结构 长光栅g l 在机床的移动部件上，称之为标尺光栅，短光栅g2 装在机床的固 定部件上，称之为指示光栅两块光栅互相平行并保持一定的间隙，通常为o 0 5 m m 或0 i m m 。而且两块光栅的刻线密度必须相同。在实际使用中，大多把光源、指 示光栅( 短光栅) 和光电元件等组合在一起称之为读数头。因此光栅检测装置也可以 看成是由读数头和标尺光栅( 长光栅) 两部分组成。 光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成。 第二章丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 信号处理电路又包括放大、整形和鉴相倍频通常情况下，除标尺光栅与工作台 装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均 装在一个整体内，做成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头， 其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉冲信号1 圳。 2 2 误差测量部分方案设计 测量仪的原理主要是以圆光栅所测角位移作为基准，通过测量n 个圆光栅脉 冲间隔内长光栅脉冲的个数( 包括非整数脉冲部分) ，来计算螺距误差具体实 现如下： 采用专门的计数器对两路脉冲直接进行计数，测量两路光栅脉冲的整数部分 长光栅脉冲幺非整数部分测量时先利用高频脉冲对其进行细分，通过测量幺脉冲 周期( 论文中所说的脉冲周期都是从第一个脉冲下降沿开始，到下一个脉冲下降 沿结束) 被圆光栅脉冲鼠下降沿分割出的两部分各自对应的高频细分脉冲的个数， 即可求得采样间隔内良的非整数脉冲部分。两路脉冲数分别乘以各自的脉冲当量 转化为螺母小车的直线位移，最后以圆光栅计算结果作为基准与直光栅计算结果 进行比较，即可得出螺距误差值。 2 2 1 测量仪硬件系统方案设计 本测量仪测量方法采用高频脉冲细分计数法，当前的细分脉冲测量都是利用 软件判断的方法，当幺下降沿到来后打开计数器1 对细分脉冲计数，b 下降沿到 来后再关闭计数器1 ，同时打开计数器2 对细分脉冲计数，只下降沿到来后再关闭 计数器2 这时计数器l 的当前计数值既是相位差t l 对应的细分脉冲，计数器2 对应的计数值为相位差垃的细分脉冲。但由于用软件判断脉冲状态会有一定延时， 5 l 单片机在1 2 m 晶振时延时一般为几个微秒，这样会给测量仪器带来一定的测量 误差 为了提高仪器的测量精度，专门设计了相位差测量电路，来自动测量长光栅 脉冲在圆光栅脉冲下降沿两侧的部分各自对应的高频细分脉冲个数。该测量电路 完全由逻辑电路组成，避免了相位差测量延时，大大提高了测量的实时性。相位 差测量电路主要由j k 触发器7 4 l s i1 2 和与门7 4 l s 0 8 、或门7 4 l s 3 2 组成，电路的 1 5 山东大学硕士学位论文 具体工作原理将在第三章中仔细介绍。 硬件测量系统处理器选用飞利浦高性能的8 0 c 5 5 2 单片机，该单片机具有四路 捕捉功能。可以捕捉相应引脚上高低电平变化，并把t 2 计数器的当前值保存到相 应的捕捉寄存器中，用于判断采样对刻两路脉冲下降沿的状态o 删。本测量仪中选 用两片d 7 1 0 5 4 共6 个计数器对两路光栅信号和高频细分脉冲进行计数。计数器全 部工作在方式2 ，计数器从计数初值开始减l 计数，计数溢出后计数器自动重装初 值，并由g w r e 端控制计数器的工作。 2 2 。2 计数器0 7 1 0 5 4 工作原理 图2 - 5 是d 7 1 0 5 4 的内部结构框图，d 7 1 0 5 4 由计数器、控制寄存器、读，写逻 辑和总线缓冲器等4 部分组成，与8 2 5 4 完全兼容，下面分别说明3 图2 - 4 计数器内部结构 2 2 2 1 数据总线缓冲罱 d 7 1 0 5 4 的数据总线缓冲器是一个双向、三态8 位缓冲器。它用于和系统数据 总线连接。c p u 通过数据总线缓冲器将控制命令字和计数值写入d 7 1 0 5 4 计数器， 或者从7 1 0 5 4 计数器中读取当前计数值。 d 7 1 0 5 4 的8 位数据线，内连数据总线缓冲器、外接系统数据总线，其对应芯 片引脚为d o d 7 。 1 6 第二章丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 2 2 。2 2 读写逻辑 读写逻缉的任务是接收来自c p u 的控制信号，完成对d 7 1 0 5 4 各计数寄存器 的读写操作，这些控制信号包括读信号r d 、写信号w r 、片选信号c s 和芯片内 部寄存器寻址信号a o a i 。 2 2 2 3 控制宇寄存器 控制字寄存器用来保存来自c p u 的控制字，控制字决定每个计数器的工作方 式和计数器初值的写入方式等。控制命令寄存器只能写入，不能读出 2 2 2 4 计数器 d 7 1 0 5 4 有三个计数器( 计数通道) ：计数器0 、计数器l 和计数器2 每个计数 器都由一个1 6 位初值寄存器( c r ) 和一个1 6 位计数工作单元( c e ) 组成。每个计数 器都有时钟输入信号e l k 和门选通( 或门控) 输入信号g a t e ，以及一个输出信号 o u t 。对d 7 1 0 5 4 编程时，送入每个计数器的计数值先存放在初值寄存器里，然后 再经时钟c l k 下降沿触发传给计数单元。d 7 1 0 5 4 采用递减方式计数，即每当时 钟输入端c l k 出现一个脉冲时，计数单元的计数值减l ，直至为零。此时，d 7 1 0 5 4 在输出端o u t 线上产生一个输出标志信号，表示计数到零或定时时间间隔到。c e 中的值不能直接写，也不能直接读，当需要读其值时必须先发回读命令，使c e 的值锁存于输出锁存器o l 中，然后经读o l 而得到。 d 7 1 0 5 4 有d i p 、q f p 、p l c c 三种封装，d i p 封装外部引脚如图2 - 6 所示，其 各引脚的功能如下 ( 1 ) 数据总线d o - d 7 ：三态双向数据线，用于将d 7 1 0 5 4 与系统数据总线相连， 是d 7 1 0 5 4 与c p u 接口的数据线，供c p u 向d 7 1 0 5 4 进行读，写数据、命令和状态 信息。 ( 2 ) 片选线c s ：输入信号，低电平有效。c s 由c p u 输出的地址经译码产生， ，c s 为低电平时被选中。 ( 3 ) 读信号r d ；输入低电平有效信号，它由c p u 输出加到7 1 0 5 4 。控制对7 1 0 5 4 选中寄存器的读取。 1 7 山东大学硕士学位论文 d 7 d 6 0 5 d 4 d 3 d 2 d 1 d o c l k o o u t o g a t e o gno 1v2 4 2 2 3 3 2 2 2 1 5 2 0 u 6 砉 1 9 7 f o - 1 8 8 气 1 7 9 1 6 1 01 5 1 ， 1 4 1 2 1 3 v d d w - - f f 再5 器 a t a 0 圈2 - 5 计数器引脚捧列 ( 4 ) 写信号w r = 输入低电平有效信号，它由c p u 输出加到7 1 0 5 4 ，控制7 1 0 5 4 被选中寄存器的写入。 ( 5 ) 地址线a 1 、a 0 = 这两根线接至q 系统地址总线的a i 、a 0 上，当c s - - 0 ，d 7 1 0 5 4 被选中时，用来选择7 1 0 5 4 内部的各个寄存器，以便对它们进行读写操作7 1 0 5 4 内部寄存器地址如表2 - 1 所示。 表2 - 1d 7 1 0 5 4 内部寄存器地址 a 0a l功能 00 计数器0 0 1 计数器1 10 计数器2 l l 控制字 ( 6 ) 时钟信号c l k ：输入信号。三个独立的计数器，各有一独立的时钟输入信 号：c l k 0 、c l k i 、c l k 2 。时钟信号的作用是在7 1 0 5 4 进行定时或计数工作时， 每输入一个时钟信号c l k ，便使计数器减l 。它是计量的基本时钟。 ( 7 ) 门选通信号g a t e ：输入信号。三个独立的通道每一个都有自己的门选通 信号：g 们e 0 、g a t e l 、g ；a r e 2 。g a t e 信号的作用是控制启动定时或计数工作 的开始。对于7 1 0 5 4 的6 种不同工作方式，g a t e 信号的有效方式不同，有用电平 控制的，也有用上升沿控制的。 1 8 z 1 2 2 e 1 e 1 k t t k 了t l u a l a u c o g c g o 第二章丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 ( 8 ) 计数器输出信号o u t ：o u t 是7 1 0 5 4 向外输出的信号。三个独立通道，每 一个都有自己的计数器独立输出信号：o u t 0 、o u t l 、o u t 2 。o u t 信号的作用 是，当计数值减为l 时在o u t 线上输出一脉冲信号。用以指示定时或计数到这 个信号既可用于定时、计数控制，也可作为定时、计数到的状态信号供c p u 检测， 还可以作为中断请求信号使用。 d 7 1 0 5 4 与8 2 5 4 兼容，具有以下基本功能： 有3 个独立的1 6 位计数器通道； 每个计数器可按二进制或十进制( b c d ) 计数， 每个计数器可编程工作于6 种不同工作方式； 每个计数器允许的最高计数频率为8 m h z ； 有读回命令，可以读出当前计数单元的内容和状态寄存器内容 每个计数器通道的逻辑功能完全相同，既可做定时器用，也可做计数器用。 当通道作为定时器，每当计数单元为零时，计数初值寄存器内容会自动重新装入 计数单元，而且c l k 输入是均匀的脉冲序列，于是o u t 输出的是相对于c l k 频 率降低了的均匀脉冲序列。当通道作为计数器用时，表明只关心在c l k 端出现( 代 表事件) 的脉冲个数，每当c l k 端出现了规定个数的脉冲，o u t 输出一个脉冲信 号无论是用做定时器还是计数器，计数初值寄存器c r 内容都可由c p u 预置或 修改。 2 2 2