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硕士论文丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 摘要 本课题结合实际工程项目“丝杠滚道型面误差动态综合测量系统设计与开发”， 针对现今国内滚珠丝杠滚道型面几何参数误差检测手段相对滞后的现状，设计开发适 合我国国情的丝杠滚道型面几何参数误差检测试验台。 测量系统通过采集轮廓曲线上的数据点，实现对丝杠各个滚道型面的测量。这条 轮廓线位于滚珠丝杠轴截面的顶部。系统采用的是非接触式测量方式，用光幕式传感 器采集轮廓曲线的纵轴方向的位移，用高精度的海德汉光栅尺采集轮廓曲线的横轴方 向的位移。测量系统的电机控制模块，选用运动控制器作为伺服系统控制器实现对主 轴电机位置控制与进给电机的速度控制。 本文重点对滚道型面几何参数的计算方法进行研究。该算法先对采集的数据点进 行数据划分，将其分割成螺纹滚道数据域和丝杠外径数据域，再分别对这两个数据域 分别进行处理，得到系统要求的几何参数。 基于l a b v i e w 开发了集成测量系统操作软件，实现了参数设置、动态测量、数 据处理、数据维护、系统功能测试等功能。利用l a b v i e w 优秀的图形显示功能，来 描绘测量系统中各参数的测量曲线。其中的算法关键函数利用v c 编制成d l l ，在 l a b v i e w 中调用，提高了运算速度。 该试验平台可以实现丝杠中径、丝杠外径、螺距、滚道跳动、滚道形状误差的测 量。对测量系统的前期研究将为以后该系统的进一步完善和提高提供了具体的技术方 案及检测手段。 关键词：滚珠丝杠，滚道型面，数据采集，算法设计，l a b v i e w 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 i n gw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t d e s i g na n dd e v e l o pt h eg r o o v es u r f a c ee r r o ro f t h eb a l ls c r e wi n t e g r a t e dd y n a m i cm e a s u r i n gs y s t e m ”，t h et e s t b e du s e df o rt e s t i n gt h e g e o m e t r yp a r a m e t e r se r r o ro ft h eb a l l s c r e wg r o o v es u r f a c e ，s u i t a b l ef o ro u rn a t i o n ，i s d e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e ra sf o rt h ec o n d i t i o nt h a tp r e s e n tt e s tm e a n sw e r e b a c k w a r di no u rc o u n t r y t h es y s t e ma c h i e v e st h em e a s u r e m e n t so fe a c hg r o o v es u r f a c eo ft h eb a l ls c r e wb y c o l l e c t i n gt h ed a t ap o i n t so fc o n t o u rc u r v e t h i sc o n t o u rc u r v ei s a tt h et o po fs h a f t c r o s s s e c t i o no ft h eb a l ls c r e w b yt h en o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o d ，i tu s e st h es c r e e n s e n s o r st og a t h e rt h ed i s p l a c e m e n ti nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o no ft h ec o n t o u rc u r v e ，a n du s e s t h eh i 曲一p r e c i s i o nh e i d e n h a i ng r a t i n g f o o tt og a t h e rt h ed i s p l a c e m e n ti nt h eh o r i z o n t a l d i r e c t i o no ft h ec o n t o u rc u r v e i nt h em o t o rc o n t r o lm o d u l eo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m c h o o s e st h em o t i o nc o n t r o l l e ra st h es e r v os y s t e mc o n t r o l l e rt oa c h i e v et h ec o n t r o lo ft h e p o s i t i o no ft h es p i n d l em o t o ra n dt h es p e e do ft h ef e e dm o t o r t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so ns t u d y i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fg e o m e t r yp a r a m e t e r s o ft h eg r o o v es u r f a c e i nt h i sm e t h o dt h ee o u e t i n gd a t ap o i n t sa r ed i v i d e df i r s t t h e yw i l l b es e p a r a t e di n t ot h e i rt h r e a dg r o o v ed a t ad o m a i na n ds c r e wd i a m e t e rd a t ad o m a i n t h e n t h e s et w od o m a i n sd a t aw i l lb ep r o c e s s e dr e s p e c t i v e l y , a n di nt h ee n dt h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r st h a ts y s t e mr e q u i r e m e n t sw i l lb eg o t b a s e do nt h es o f t w a r eo fl a b v i e w , a ni n t e g r a t e dm e a s u r e m e n ts y s t e mo p e r a t i n g s o f t w a r ei sd e v e l o p e d 。i tc a l la c h i e v et h ef u n c t i o n so fp a r a m e t e r ss e t t i n g , d y n a m i c m e a s u r e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t am a i n t e n a n c e ，s y s t e mt e s t i n ga n ds oo n i td e s c r i b e st h e m e a s u r e m e n tc u r v e so fe a c hp a r a m e t e rf r o mt h em e a s u r e m e n ts y s t e mb ye x c e l l e n t g r a p h i c sd i s p l a yf u n c t i o n so fl a b v i e w s o m ek e yf u n c t i o n so ft h ea l g o r i t h ma r ec o m p i l e d d l lw i t hv c ，a n dw i l lc a l l e di nl a b v i e w i th e l p st oi m p r o v et h ec o m p u t i n gs p e e d t h et e s tp l a t f o r mc a l la c h i e v et h ee r r o rm e a s u r e m e n to fn o m i n a ld i a m e t e r , b a l ls c r e w s h a f to u t e rd i a m e t e r , l e a d ，r a c e w a yr u n o u t ，g r o o v es h a p e t h ep r e l i m i n a r ys t u d i e so ft h e m e a s u r e m e n ts y s t e mc a np r o v i d es p e c i f i ct e c h n i c a ls o l u t i o n sa n dt e s tm e a n sf o ri t sf u r t h e r i m p r o v e m e n ta n de n h a n c e m e n ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：b a l ls c r e w , g r o o v es u r f a c e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a l g o r i t h md e s i g n ，l a b v i e w 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已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 陋丝 谚年6 月2 。e t 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： 硕士论文 丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 1 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【1 1 。滚珠丝杠副有很多优点， 主要为传动效率高，约9 2 , - - - 9 6 ，可消除轴向移动产生的间隙，定位精度高，刚度 好，运动平稳，无爬行现象，传动精度好。另外滚珠丝杠是将旋转运动变为直线运动， 丝杠与螺母都可作为主动件，磨损小，使用寿命长。但滚珠丝杠副制作工艺复杂，精 度要求高，且不能自锁。现代机床的发展，需要高的传动精度、定位精度，以及宽的 进给调速范围，要求响应速度快，传动无间隙，传动机构稳定性好，寿命长，使用维 护方便，滚珠丝杠副正好适应了这种发展的需型2 1 。 滚珠丝杠副是一种高精度、高效率的传动机构，己成为现代机械传动中广为应用 的传动和定位元件之一。在一些工业发达国家如美国、法国、日本、德国等国家早已 完成了标准化、系列化工作，建立了完整的体系。我国自1 9 5 8 年以来，滚珠丝杠副就 成功应用于数控机床上，接着又应用于汽车、航空和制造业中，得到了日益广泛的应 用。在我国，南京工艺装备厂、汉江机床厂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【3 1 。 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【4 】【5 1 。 提高滚珠丝杠副的制造精度和定位精度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【6 】【7 】。 1 l 绪论 硕士论文 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， 丝杠与螺母的滚道形状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【8 】。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， 还必须从检测技术上依靠科技求创新。精确的检测手段及完善的试验设备是保证产品 质量和研究产品性能前提。 1 2 影响滚珠丝杠性能主要滚道型面几何参数 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【9 】。 滚珠螺旋传动主要由丝杠、螺母和滚珠等组成。根据构造的差异和类型的不同， 其工作特性、传动精度和制造工艺也不同。对于滚珠丝杠的构造来说，除螺纹滚道型 面的形状有所不同外，各种类型丝杠的结构基本都相同。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、和轴 隙调整均有较大影响【l 】。 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i l o 】。 单圆弧型面： 螺纹滚道的弧面仅为半径为r 的圆周的一部分，滚珠半径r - - o 3 p ，p 为螺纹导程， r = ( 1 0 4 1 1 2 ) r ，接触角初始间隙随轴向负荷大小的变化而变化。轴向负荷为零，接触 角为零，轴向负荷增大，接触角增大，传动效率增大，轴向刚度及承载能力增大。 双圆弧型面： 螺纹滚道的弧面由两道半径为r 的圆周的一部分圆弧组成，圆弧在底部相交， 形成一个油沟槽，可容纳润滑油，有助于滚珠的滚动。滚珠在滚道内只与相切的两点 接触，接触角不变。接触强度高，但制造较复杂( 磨滚道型面困难) 。 滚道型面相关的各个主要几何参数如图1 2 1 与图1 2 2 所示： 2 图1 2 1 滚珠丝杠的螺距 硕_ j ：论文丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 a ) 单圆弧b ) 双圆弧 丝杠外径一d ：丝杠内径一d ，；滚道圆弧偏心距一e ；滚道圆弧半径一r ； 滚珠直径一d 6 ；丝杠公称直径( 丝杠中径) 一d o ； 接触角一1 3 ； 图1 2 2 滚道型面的主要几何参数 本文测量对象是丝杠的滚道型面误差，由于没有相关的标准对其测试项目进行详 细规定f 】。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 滚珠丝杠滚道型面误差测量国内外研究现状及分析 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，都把检测 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 的检测体系。 1 3 1 滚珠丝杠副滚道型面误差测量国外研究现状及分析 近年来，国外杂志期刊上报道的关于滚珠丝杠副滚道型面检测相关研究成果主要 包括：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 ) 对滚珠丝杠的尺寸参数和滚道形状误差进行动态测 量和实时分析的方法c 1 2 j 。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检测方法，并研制成专用仪器 进行了基础实验【日】。 3 i 绪论硕二b 论文 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 杠副检测手段的研究和创新，已经形成一套完整的检测方法和体系。日本n s k 公司 也自行开发了螺纹中径自动补偿装置，安装在螺纹磨床上，在线控制滚珠丝杆副公称 直径( 丝杠中径) ，取得较好的效果。该公司还自行开发螺纹滚道法向截面滚道半径， 接触角大小及误差测量仪，使得滚珠丝杠副预紧转矩变动量变小。从而使滚珠丝杠副 传动平稳【l4 1 。在滚珠丝杠副测量的多功能化方面，德国林德纳公司研制了g m m - - 4 导程测量仪，对于各种不同滚道型面的丝杠，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【2 3 】。 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检测方 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检测，具有一 定的综合性。 1 3 2 滚珠丝杠滚道型面测量国内研究现状及分析 近十年来国内已报道了一些滚珠丝杠副滚道型面检测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检测方法和设备上，主要包括： 南京理工大学冯虎田等分别以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 程误差动态检测系统【15 】：北京机床研究所在滚珠丝杠副行程误差检测方面做了许多基 础性的研究工作，研制出多款基于激光检测的滚珠丝杠副行程误差检测仪，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【1 卅； 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、圆光栅为检测元件进行了动态检测系统构建和基础验证试验【1 1 刀； 天津大学于复生和山东大学宋现春等针对现有的滚珠丝杠行程误差动态测量仪的一 些不足进行改进，提出了基于速度自适应系统的行程误差动态检测技术，并在实际应 用中验证了该方法有效性【l8 】；此外，在滚珠丝杠副滚道型面误差检测的其他检测指标 方面，也有一些相关的研究成果：上海江宁机床厂赵训贵等人从理论上对滚珠丝杠副 螺纹滚道参数误差对弹性接触变形接触角、行程误差以及摩擦力矩的影响进行了分 析，为滚珠丝杠螺纹滚道各参数的公差标准和检测精度的制定提供了依据【1 9 】；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、滚道跳动等几何参数进行测量的方法，但其检测精度受限于所用图像采集设备的 分辨率和图像处理算法，很难达到滚珠丝杠副滚道型面误差检测所要求的微米级检测 精度【2 0 1 。 对近十年来国内已报道的滚珠丝杠副滚道型面检测相关研究成果进行分析可得： 4 颁士论文丝杠蒗道型面误差动志非接触测量系统设计与分析 在滚珠丝杠副滚道型面动态检测方面，现有的检测方法主要限于在对行程误差的动 态检测上，其他滚道型面几何误差的动态测量很少涉及：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检测的设备。 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检测方法之 外，主要滚珠丝杠厂家在滚珠丝杠的其它滚道型面误差的检测方面基本上都是采用手 动静态检测方式或者根本不加以检测。由于在手动静态检测过程中一般只选择一些特 定测量点进行检测，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 于追求对检测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，致使产品在性能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 4 国内厂家针对滚道型面误差测量的现有手段 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 测量仪的仅能针对个别检测项目，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【“】 2 2 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台于丝杠滚道轴 向剖面上。在工具显微镜上从法向观察钢珠与滚道牙形两侧圆弧而接触点是否位于 4 5 度方位。这种方法不完全符台牙形允差定义，由于接触角4 5 度未规定允差不要求 单独检验。因此不能作出全面定量评定。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。该方法的测量的过程是：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i4 i ) 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。 图1 4 1 投影仪 丝杠的螺距误差和螺旋线误差2 3 】 硕士论文 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 最主要的检测项目，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 a 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) 。该测量系统的主要检测项目有 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。h j y 一0 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 以来用户反映良好，在国内同类产品中处于领先水平。 图142 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1 43 。记数卡通过p c i 总线与计算机相连。 6 - - - - 一 舅头 图14 3 测量仪检测原理 外径与中径的测量【2 2 】 我国对滚珠丝杠的中径测量主要还是通过三针法手工测量( 见图1 4 4 ) 。该方法 硕士论文 丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 是用相当于工作钢珠直径的三根量针进行测量，小螺距的用千分尺直接卡在量针上进 行测量，大螺距的在双量针的一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 5 课题背景 图1 4 4 三针法检莉示意凰 1 5 1 课题来源 课题源于实际工程项目汉江机床有限公司的“丝杠滚道型面动态综合测量系统设 计与开发”。课题在研究过程中涉及到精密计量技术、自动化控制技术、数据分析与 处理技术、电机控制技术等。要求在机床的平台上，进行床身、导轨设计及检测，加 装测控系统，以便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 面控制与检测，实现测量参数曲线的绘制，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。 1 5 2 论文课题应用价值 ( 1 ) 本论文针对的是工程上亟待解决的实际问题，具有重要的实际应用价值。所 提出的测试系统的方案，具有一定的创新性和先进性。 ( 2 ) 测试系统所得到的测试结果对滚珠丝杠的加工具有指导作用。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，通过对滚道型面误差 的测量，可以辅助诊断误差来源，从而采取相应的措施改进调整。提高丝杠的加工精 度，提高企业的竞争力。 ( 3 ) 本文提出的测试系统具备多个几何误差测量一体化，改掉过往繁琐的单项测 试项目t 提高生产效率，并有利于控翻所生产丝杠的精度，提高产品的质量与稳定性。 ( 4 ) 测试系统所具备的描绘各参数的测量曲线，可以直观的观察丝杠滚道型面的 几何形状，并可以以此取信于客户。 7 1 绪论 硕士论文 1 5 3 论文主要内容 本课题主要做了以下几个方面的工作并进行了研究： ( 1 ) 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； ( 2 ) 完成测量系统电机控制模块的设计，选用合适的驱动电机及运动控制方式， 以满足测量系统的要求。 ( 3 ) 由高精度的光幕式位移传感器、光栅尺和计数卡、工业控制计算机组成的滚 道型面测量采集模块的设计与研究； ( 4 ) 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，求得各个几何 参数的误差值； ( 5 ) 开发了综合测量系统操作软件，其功能包括测控系统的运行与测量，数据的 采集、分析处理和存储，丝杠鉴定报告的输出以及历史测量的查询。 8 硕上论文 丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 2 测量系统总体设计 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。根据以上指导思想拟定设计仪器方案时应满足下列要求： ( 1 ) 经济性要求。在设计仪器时不盲目追求复杂高级的方案，只要能满足使用功 能要求的最简单方案即为最经济的方案。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成本，必须综合考虑才 能看出真正的经济效果，从而作出选用方案的正确决策。 ( 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 ) 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 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。 质量完好，能与新系统匹配的仪器、部件、尽可能的保留，以减少改造费用一 一利用的原则。 确保系统的先进性，快速性和可维修性先进性与可维修性。 系统中采用的仪器、器件，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。 9 2 测量系统总体设计 硕士论文 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 ( 1 ) 测量对象：p l 级双圆弧型滚珠丝杠，直径范围：2 0 - - 6 3 m m ； ( 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； ( 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、同时记录滚道加 工的偏差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。检测结果存入数据 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过程是从图纸( c a d 系统) 到实物的过程。设计者设计的 主要滚道型面的几何参数都包含在丝杠的轮廓曲线中。因此，本测量系统则是从具体 的丝杠实物出发，通过对它进行轮廓曲线数据点采集，在计算机内部对这条轮廓曲线 的重建，对该曲线进行分析处理提取几何特征，进而求得这根丝杠的各项几何参数误 差，并与丝杠的设计标准相比较，得到该丝杠的加工合格性结论。 滚珠丝杠的滚道型面的设计是以法向剖面为标准的。在本测量系统中，采集到的 轮廓线为轴截面的，在程序处理中需转化为法向剖面数据，才方便与设计标准比对分 析。理想滚珠丝杠的螺纹滚道的法向剖面为圆弧，半径为r 。轴截面的理想螺纹滚道 为椭圆弧，其椭圆长短轴为r 与r c o s 2 ( 元为丝杠螺旋升角) 【2 0 】【2 4 1 。故在采集横轴 上的位移时，直接乘以因子c o s t ，简化采集过程，提高检测精度。 2 4 系统总体构成 根据设计的要求和设计的基本原则，要求实现计算机的全面控制与检测，实现测 量曲线的绘制，误差处理分析自动化。既满足测试系统的要求，又要考虑经济性，采 用的测量系统的架构如图2 4 1 所示。 1 0 硕士论文丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 驱动器电机控制卡 t 、l l ，粹宙l 栅 主轴电机 广、尸譬苇一被测丝杠 一 t 岛_ i 新一乏忑： 。同酮觥毓 ll 电：翮爿| | 鼍 长光栅 检测系统床身 图2 4 1 测量系统的总体结构 测量系统由机械部分与测控部分构成： 机械部分： 系统的机械部分是在机床的平台上进行改造设计的。它包括床身、导轨的设计与 检测，使之符合测量的要求；测量台架的制造装配，并达到系统测量要求；拖动电机 安装等。丝杠在仪器上的安置，应考虑到各方面的因素，主要是安装基准的选择。本 测试系统选择的是机床的两顶尖，因为丝杠在加工过程中的工艺基准主要是顶尖孔。 故顶尖孔作为安装基准，可使测量结果与工艺精度有一个直观的比较。以两顶尖所在 的水平线为测量系统坐标系的x 轴( 横轴) 。测量系统坐标系的y 轴( 纵轴) 在垂直面 内。以测量原点为测量系统坐标原点。 测控部分： 测量系统的测控部分又可分为电机控制模块和采集模块。 ( 1 ) 电机控制模块：控制系统中的执行部件由两部电机构成。与主轴连接的伺服 电机( 主轴电机) 以位置转动为控制目标，主要的功用是在测量系统采集完一条轮廓 线后，旋转1 2 0 度，共3 次采集。丝杠的测量过程中，权衡准确性与效率性，折中采 集3 条轮廓线。与进给系统相连的伺服电机( 进给电机) 是给测量架提供动力用的， 它以均匀速度为控制目标，保证稳定的速度输出，使采集的数据点均匀分布。 ( 2 ) 采集模块：由光幕式位移传感器和光栅位移传感器作为轮廓曲线的测量元件 与工控机组成测量系统的采集模块。系统采集的是滚珠丝杠轴截面上位于上方的一条 轮廓曲线。光幕式传感器安装在测量架上，测量架带动光幕式传感器沿丝杠轴向方向 匀速移动，采集丝杠轮廓曲线纵轴方向上的位移数据，横轴方向上位移数据用精密的 光栅尺采集，工控机实现两路位移信号的同步采集( 图2 4 2 ) 。测量架走完一个行程 便能在工控机中记录一条轮廓曲线。 2 测量系统总体设计 硕士论文 2 5 系统测量步骤 图2 4 2 采集系统 将待测量的滚珠丝杠安装好以后，可以通过操作软件控制系统的运行。首先主轴 通过拨叉带动待测丝杠以较快的速度( 2 0 0 0 r p m m i n ) 转动。这样，残留在滚珠丝杠 上面的油污与脏物，在自身的离心力的作用下，脱离滚珠丝杠，有利于减少丝杠位移 信息采集时候的干扰( 光学采集) 。然后运行测量程序，进给电机先达到稳定的转速 之后，开始采集并记录位移数据。 采集轮廓曲线过程中，所测量的丝杠是静止的。光幕传感器通过连接部件固定在 测量架上( 由走刀架改造设计) ，顺着精密的钢导轨匀速运动。计算机每隔固定的时 间( 5 m s ) 同时去采集一个光幕传感器的位移数据和光栅尺的实时位移数据，存入计 算机的相应的内存数组，待收集完整根丝杠的轮廓线的x 、y 位移数据时，再统一存 储在数据文件中。数据处理时，再调用此数据文件，可在计算机上观察到轮廓曲线， 并通过设计的算法求得各项几何参数误差数据。 2 6 系统硬件配置 在系统总体设计过程中，充分考虑改造背景，严格按照技术改造原则和要求，所 选用的电机控制系统、检测用的电子电器零部件以及工控机等尽可能选用专业厂家的 产品，尽量避免自行设计制造，这样不仅确保了系统的安全性、可靠性，也保证了整 个系统的先进性。 系统的硬件配置见表2 6 1 所示： 1 2 硕士论文丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 表2 6 1 系统的硬件的配置 部件名称 配置及指标 备注 集成主板：3 5 0 w ；i n t e l 2 8 1 3 ；k i n g s t o n r a m 51 2 m ；硬盘s t 8 0 g ； 采集计 工控机 d v d r wc o m b o 光驱，光电鼠标套件算 屏幕显 显示器1 7 寸l c d ； - - j - 计算电机转速帆( r m i n ) m = i xm ( 3 1 ) 其中，m 一负载转速( r m i n ) ，1 f 一减速比 计算折合到电机轴上的负载力矩l ( n m ) 瓦：三 ( 3 2 ) l r l 其中，互一负载力矩( m ) ，刁一机械效率 计算负载运转功率p o ( w ) p ：丝( 3 3 ) o 6 0 计算负载加速功率只( 矽) 纠警，2 誓 4 ， 其中，以一折合到电机轴上的负载转动惯量( 磁m 2 ) t 一加速时间( s ) 计算起动力矩耳( m ) 乃= 掣+ 瓦 ( 3 5 ) 其中，厶一电机转动惯量( m 2 ) 硕士论文丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 计算减速力矩b ( n m ) z ：型些址型一互5 6 0 t d 其中，乞一减速时间( s ) 计算平均力矩矗腑( n m ) ：卢巫t 五 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 其中，t 一电机匀速运行时间( s ) 预选伺服电机，选择电机的条件： z 电机额定力矩 只+ 只2 倍电机额定功率 卅电机额定转速 ，允许的负载转动惯量 由于在测量过程中，伺服电机进行着频繁的开启、停止、反转等运动，所以在对 伺服电机进行选择时，下面三个参数也是重要的选择依据。 电机校核，检验以下条件是否满足： l 电机峰值力矩 z 2 0 个脉冲( 保守) ； 传动丝杠导程= 5 m m ( 机械设计选定) ； 则： 丝杠定位完成范围= ( 5 1 3 1 0 7 2 ) 4 0 = 0 0 0 1 5 m m ； 直线运动坐标的回零精度：0 0 0 1 5 m m 可以满足回零与定位精度要求。 3 3 电机控制模块硬件设计 3 3 1p c + 运动控制卡控制方案 2 7 】 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 i 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。 当今，随着计算机技术的高速发展，运动控制技术正在发生根本性的变革，由专 用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。开放式体系 结构使运动控制系统有更好的通用性、柔性、适用性、扩展性。 采用p c + 运动控制卡作为上位控制可充分利用计算机资源，用于运动过程、运 动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于p c 机的运动控制卡主要是硬件接口( 输入输出信号的种类、性能) 和软件接口( 运动控制函 数库的功能函数) 的差异。 运动控制卡是基于p c 机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单 元，总线形式也是多种多样。由于计算机主板的更新换代，i s a 插槽都越来越少了， p c i 总线的运动控制卡应该是目前的主流。卡上专用c p u 与p c 机c p u 构成主从式 双c p u 控制模式。p c 机c p u 可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管 理工作；卡上专用c p u 来处理所有运动控制的细节升降速计算、行程控制、多轴插 补等，无需占用p c 机资源。同时随卡还提供功能强大的运动控制软件库c 语言运动 库、w i n d o w sd l l 动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制问题。 运动控制卡采用了开放式结构，使用简便，功能丰富，可靠性高。若采用p c 机 的p c i 总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，并且所有的输入、 输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供了丰 富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人 机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低 1 8 硕= 匕论文丝杠滚道型面误差动态非接触测量系统设计与分析 廉的多轴运动控制系统。 运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数，如单轴运动、 多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还提供了 一些辅助函数，如中断处理、编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。 正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进 行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、 模块化、高性能的优势得以被充分利用。 3 3 2 电机控制系统构成 测量系统伺服电机控制系统采用正是p c + 运动控制卡的控制方案。工业控制机作 为上位控制级计算机，运动控制器作为下位伺服控制级计算机，工控机通过运动控制 器，实现对交流伺服电机的伺服控制见图3 3 2 1 。高性能的交流伺服电机有其配套的 变频驱动器。电机的控制是通过变频驱动器进行的。p a n a s o n i c 公司生产的m i n a s 系列交流伺服电机，其变频驱动器一般采用交一直一交工作原理，即先通过整流桥把 电网的交流电压变成直流电压，经滤波处理，再由逆变电路把直流电压转换成不同频 率的交流电压驱动伺服电机。伺服电机还配有高性能的转角测量编码器，可以精确地 测量转子的位置与电机的转速。交流伺服电机通过变频驱动器受控于运动控制器发出 的指令和编码器的位置反馈信号【2 引。 图3 3 2 1 伺服电机控制系统的组成 3 3 3g t 运动控制卡 测量系统中的主轴控制系统采用的控制核心是固高公司生产的g t 系列运动控制 器。我们选用的是g t - 2 0 0 s g - p c i 运动控制卡( 两轴，p c i 总线) 。 1 9 3i b 目l # * 设”砸论! 图3 33 1 固高g t 系列p c i 总线运动控制卡和端于板 固高公司生产的g t 系列运动控制嚣，可以同步控制多个运动轴，实现多轴持调 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、印届4 机械、装 配生产线、电了加工设备以及激光加工设备等。 g t 系列运动控制器以m p c 及其兼容机为主机，提供标准的i s a 总线和p c i 总线两个系列的产品。作为选件，在任何一款产品上可以提供r $ 2 3 2 串行通讯和 p c i 0 4 通讯接口，方便用户配置系统。运动控制器提供c 语言函数库和w i n d o w s 动 态链接库实现复杂的控制