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摘要 丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 摘要 本课题结合实际工程项目“丝杠滚道型面误差综合测量系统设计与开发 ，针对现 今国内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仪，解决国内丝杠滚道型面误差测量的技术基础和设备 研制的设计问题，同时为螺母内滚道的几何误差测量提供技术支撑。 丝杠滚道型面误差测量采用非接触式测量方式，选用光学投影原理制成的光幕式激 光位移传感器采集丝杠滚道型面轮廓曲线的纵向位置数据，用高精度的海德汉光栅尺采 集对应丝杠滚道型面轮廓的横向位置数据。针对采集的丝杠滚道型面轮廓曲线数据，进 行数据分割，曲线拟合处理，实现对丝杠各个滚道型面的测量与误差参数分析p 。 本论文重点对丝杠滚道型面误差测量仪机械系统进行设计和研究。从设计要求与功 能设计角度出发，对所要设计的机械系统进行全面分析和估算，得出机械系统总体方案 布局。机械系统设计主要包括头架设计、尾架设计、测量架设计、床身以及导轨设计， 实现两个主要运动，其一是通过拨叉带动安装在头尾架顶尖之间被测丝杠做旋转运动， 其= 是通过电机拖动滚动螺旋传动来带动安装在测量架上的光幕传感器沿导轨移动的 进给运动，完成了主轴电机和进给电机选型、校核以及横轴纵轴位移传感器选型。 另外，论文对影响滚珠丝杠滚道型面误差测量精度的主要因素进行了分析总结，详 细分析计算了各部分测量误差，并对测量仪的精度进行了计算，从而保证设计的总体仪 器精度满足技术要求。 关键词：滚道型面，总体机械系统设计，测量误差，精度分析 a b s t r a c t丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 a b s t r a c t t h es u b j e c to ft h i s s d u t yi sc o m b i n e dw i t l lt h ea c t u a lp r o j e c t “t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fs c r e wr a c e w a ys u r f a c ee r r o ri n t e g r a t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m a tp r e s e n t ，t h e d o m e s t i cd e t e c 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 se r r o ro ns c r e wr a c e w a ys u r f a c er e l a t i v e l y l a g sb e h i n d t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r se r r o rd e t e c t o ro fs c r e wr a c e w a ys u r f a c ei sd e s i g n e da n d d e v e l o p e di nt h i sp a p e r , i ti ss u i t a b l ef o ro u rc o u n t r y t e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rg l t o rd e t e c t i o n o fd o m e s t i cs c r e wr a c e w a ys u r f a c ea n dt h ed e s i g np r o b l e mo fe q u i p m e n td e v e l o p m e n ta r e s o l v e d ，m e a n w h i l et h et e c h n i c a ls u p p o r ti sp r o v i d e df o rg e o m e t r ye r r o rm e a s u r e m e n to fn u t i n n e rr a c e w a y t h em e a s u r e m e n to fs c r e wr a c e w a ys u r f a c eu s e sn o n - c o n t a c tm e t h o d t h a tt h el a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o ro fs c r e e ni s m a d eb yt h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lp r o j e c t i o ng a t h e r st h e v e r t i c a ld i r e c t i o nd a t ao fc o n t o u rc u r v eo fs c r e wr a c e w a ys u r f a c e ，a n dt h eh i g h - p r e c i s i o n h e i d e n h a i ng r a t i n g - f o o tg a t h e r st h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o nd a t a t h es y s t e ma b t a i n st h ed a t a o fc o n t o u rc u r v eo fs c r e wr a c e w a ys u r f a c e ，p r o c e s s e sd a t ad i v i s i o na n dc u r v ef i t t t i n g ，t h e n a c h i e v e st h em e a s u r e m e n to fa l ls c r e wr a c e w a ys u r f a c ea n dp a r a m e t e r se r r o ra n a l y s i s t h i sp a p e rm a i n l yd e s i g n sa n dr e s e a r c h e st h em e c h a n i c a ls y s t e mf o rm e a s u r i n g i n s t r u m e n to fs c r e wr a c e w a ys u r f a c e b a s e do nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dt h ea n g l eo f f u n c t i o nd e s i g n ，t h eo v e r a l ld e s i g no fm e c h a n i c a ls y s t e mc a nb eg o tb yt h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i sa n de v a l u a t i o n d e s i g no fh e a d s t o c k ，d e s i g no ft a i l s t o c k ，d e s i g no f t h em e a s u r e m e n t p l a n ea n dd e s i g no fb e da n dg u i d ea r ei n c l u d e di nt h ed e s i g nm e c h a n i c a ls y s t e m i tr e a l i z e s t w om a j o rm o v e m e n t ，o n er o t a t e st h em e a s u r e dc r e wi n s t a l l e db e t w e e nh e a d s t o c ka n d t a i l s t o e kb yt h ef o r k ，t h eo t h e rf e e d ss c r e e ns e n s o ri n s t a l l e dt h em e a s u r e m e n tp l a n ea l o n gt h e r a i lw i t hb a l ls c r e wd r i v e t h es e l e c t i n ga n dc h e c k i n go ft h es p i n d l em o t o ra n df e c dm o t o ra r e f i n i s h e d ，a n dt h ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ss e l e c t i n go fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a la r ea l s of i n i s h e d a d d i t i o n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep r e c i s i o no fs c r e w r a c e w a ys u r f a c ee r r o r , d e t a i l l ya n a l y z e sa n dc a l c u l a t e s a l lm e a s u r e m e n te r r o r s ，a n dt h e n c a l c u l a t e st h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，t h e r e b ym e e t st e c h n ic a ls p e c i f i c a t i o n sf o r t h ep r e c i s i o no fd e s ig n i n gi n s t r u m e n t s k e yw o r d s ：s c r e wr a c e w a ys u r f a c e ，o v e r a l ld e s i g no fm a c h a n i c a ls y s t e m ，m e a s u r e m e n t e r r o r , p r e c i s i o na n a l y s i s 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。 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：彩黼 。呐年6 黔b 硕士论文 丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 1 绪论 1 1 引言 滚珠丝杠副作为高效、精密传动部件在数控机床和各种自动化设备上得到广泛应 用，它不仅作为传动元件、定位元件、有时还作为测量的标准元件广泛应用于各类n c 、 c n c 机床、加工中心、精密机床、精密测量仪器、现代化武器装备及核反应装置以及 各种自动化控制的驱动系统当中f l 】。 滚珠丝杠副有其特殊的特性和优点。滚珠丝杠副中以滚珠代替普通丝杠副的滑动， 为使滚珠丝杠副在工作过程中始终保持滚动摩擦，滚珠在螺母内循环滚动。典型的滚珠 循环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9 0 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，运动中没有阻滞和滑移，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，因此使用寿命长【2 】。 随着我国工业的发展，滚珠丝杠的应用日益广泛，产量逐年提高，对高精度丝杠的 需求越来越大，丝杠的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。因此，先进、便捷的检测手段成了提高滚珠丝杠质量和产量的可靠保证【3 1 。 目前常规的丝杠检测主要有动态测量与静态测量两种方法。动态测量使滚珠丝杠检测的 精度、速度有了很大的提高，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，已基本取代了静态测量，成为丝杠检测的主要手段。 传统的测量方法是由专r - i n 造的动态测量仪来完成的。早期的丝杠动态测量仪，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。 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，丝杠的动态测量技术不论是在测量精度 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有了重 大的发展。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 1 绪论硕士论文 栅( 或磁栅) 尺。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，测量精 度达到i l m 数量级。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。这使测量精度和抗干扰性能有了进一步的提高。有些测量 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【4 】。 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 了广泛的发展及应用。丝杠的动态测量也在向高精度、快速化、智能化、模块化的方向 发展。 1 2 滚珠丝杠滚道型面几何参数 螺纹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【5 】。目前国内应用的最广泛的滚道型面，有 单圆弧形和双圆弧形两种，具体形状如图1 1 所示。滚珠与滚道型面接触点的公法线与 通过滚珠中心的丝杠直径线之间，在过接触点的轴平面上的夹角1 3 称为接触角。从传动 效率、承载能力和滚珠流畅性等提高的观点来看，目前国内外均采用1 3 - - 4 5 。1 6 j 。 ( a ) 单圆弧( b ) 双圆弧 图1 1 单圆弧和双圆弧的形状及几何参数 单圆弧形滚道型面 单圆弧形滚道型面的螺纹滚道结构比较简单，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。 2 l_-。；。，。l 硕士论文 丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 双圆弧形滚道型面 双圆弧形滚道型面的螺纹滚道结构比较复杂，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，圆弧在最里面相交，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。这种滚道型面的接触强度 高，但制造较复杂( 磨滚道型面困难) 。 表1 1 螺纹滚道主要几何参数 名称符号计算公式 公称直径d o 导程 l 接触角 8p = 4 5 0 滚珠直径 吃d b 0 6 l 滚道圆弧半径r r = ( o 5 2 0 s 5 ) d b 滚道圆弧偏心距e g = ( r 一鲁) s i n = 0 7 0 7 ( r 一鲁) 螺旋升角 力 旯：a r c t a n 三 7 r d o 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。几何外形的特性对其使用功能有直 接的影响。例如，螺纹滚道的滚道半径r 与滚珠半径比值的大小，对滚珠螺旋传动承 载能力有很大影响，比值过大，摩擦损失增加；比值过小，则承载能力降低。 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，结合厂家的要求，本文针对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，有丝杠中径、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 滚道型面检测国内外研究现状 近年来国内外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 7 - 1 2 。国内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，主要有北京 机床研究所在滚珠丝杠副行程误差检测方面做了许多揍础性的研究工作，研制出多款基 弓：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 3 】：山东 ：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；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商精度行程误差测量方法并和汉江机床厂 3 1 绪论硕士论文 合作研制了一套完整的滚珠丝杠副行程误差动态检测系鲥1 5 】；。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，有天津大学于复生和 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 1 6 1 ；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，但其检测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检测所要求的微米级检测精度 1 7 1 ；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 8 】。 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。国外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有：美国学者h u n s i c k c rr a n d a lj 在其论文中 提出了一种基于视觉检测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 法能动态检测滚珠丝杠的最大直径、最小直径和中径等几何参数 1 9 】；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 l m 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幽1 ； 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【2 u ； h i r o y u k ih a r a d a 【2 2 】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；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阿j 。 1 4 国内对滚道型面误差的测量手段 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 量仪仅能针对个别检测项目，检测费时，劳动强度大。下面将着重介绍螺纹滚道形状误 差的测量、丝杠的螺距误差和蝶旋线误差的动态测量、中径和外径的测量。 ( 1 ) 对螺纹滚道形状误差的测量 2 4 】【2 5 】 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观察钢珠与滚道牙形两侧圆弧而接触点是否位于4 5 。方 位。这种方法不完全符台牙形许可误差定义，由于接触角4 5 。未规定允差不要求单独检 验，不能做出全面定量评定，而且钢珠实际直径有误差不易精确定位于丝杠轴向剖面上， 4 堡主鲨苎 兰堑垦望里耍堡墨翌苎些墨蔓墨竺垦生里坌堕 因此这种方法只能用作近似评定。 第二种方法是投影法。该方法的测量如图1 2 所示，首先接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13 五米激光滚珠丝杠动态检测系统 ( 3 ) 对外径与中径的测量f 蚓 碗士论文 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，如图1 4 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，小螺距的用千分尺直接卡在量针上进行 测量，太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 课题研究意义 圈l4 三针法检铡示意图 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，己经形成了一套较为完整的检测体系。 近年来，国外杂志期刊上报遒了一些关于滚珠丝杠目滚道型面检测相关研究成果。 在滚珠丝杠副滚道型面检测方面，国外学者提出的方法太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；而国内现有的检测方法主要限于在对行程误差的 动态捡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。 国内滚珠丝杠在其加工精度和使用性能上已得到很大提高但与国外同类高端产品 相比仍有较大差距，主要表现在丝杠的精度检测主要集中在行程误差测量，而影响丝杠 使用性能( 精度保持性及摩擦力矩等) 的主要影响因素在于丝杠滚道型面的几何误差及 螺母的内滚道几何误差。目前，国内关于丝杠滚道型面误差检测技术和检测设备相对缺 失和落后，主要采用光学投影仪及手工测量，测量数据不够全面，测量精度和效率不高。 本课题结合实际工程项目“丝杠滚道型面误差综合测量系统设计与开发0 针对现 今国内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仪。能够比较准确的测出丝杠的外径、丝杠中径、中径 跳动度、螺距、滚道形状误差，解决国内丝杠滚道型面误差测量的技术基础和设备研制 的设计问题，为厂家研制丌发高精度丝杠提供了技术保证，同时为螺母内滚道的几何误 硕士论文丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 差测量提供技术支撑。 1 6 论文研究内容 本论文作了几个方面的工作，主要研究内容如下： ( 1 ) 首先对滚珠丝杠副型面误差的国内外现状进行了调查和分析，得出目前国内 主要限于与对行程误差的动态检测，针对滚道型面几何误差的动态测量研究很少，进而 阐述了研究滚道型面误差测量的重要意义。 ( 2 ) 负责测量系统的总体方案的布局，控制和测量系统的硬件选型，驱动电机的 选型以及实现进给运动过程中滚珠丝杠副合适型号的选型，对采集丝杠轮廓曲线横轴方 向和纵轴方向的位移数据的传感器的选型和系统测量的步骤。 ( 3 ) 论文主要完成了滚道型面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、尾架设计、测量架设计、床身以及导轨设计，实现两个主要运动，其一是 通过拨叉带动安装在头尾架顶尖之间被测丝杠做旋转运动，其二是通过电机拖动滚动螺 旋传动来带动安装在测量架上的光幕传感器沿导轨移动的进给运动。完成了主轴电机和 进给电机选型、校核以及横轴纵轴位移传感器选型。 ( 4 ) 对影响滚珠丝杠滚道型面误差测量精度的主要因素进行了分析总结，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。 7 2 功能需求分析与总体方案设计硕士论文 2 测量仪总体方案设计 2 1 设计要求与性能参数指标 ( 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： 经济性要求。仪器的经济性体现在设计、制造和使用的过程中，设计仪器时就 要全面综合的进行考虑。设计制造的经济性表现为仪器的成本低；使用经济性表现为高 生产率，较少的消耗能源、原材料和辅助材料，以及低的管理和维护费用等。所以必须 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。 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。一般仪器的误差值不得大于被测零件该级公差的1 3 ，1 5 ，1 1 0 。 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。 可靠性。可靠性是指测量仪器在规定的使用时间内和预定的环境条件下，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，假若可靠性误差，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。 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 ) 仪器的主要技术性能参数指标 测量对象：双圆弧型滚珠丝杠； 可安装工件长度：2 3 0 0 m m ； 可测量长度：1 8 4 0 m m ； 可测直径：1 6 8 0 r a m ； 导程范围：2 4 0 m m ； 工件最大重量：1 4 0 k g ； 测量精度：长度、 2 0 0 0 m m ，长径比4 0 ：l 的1 级滚珠丝杠。 注：滚珠丝杠及滚珠丝杠副的标准按j b 3 1 6 2 2 8 2 。 硕士论文丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 2 2 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。从总体角度出发，对所要设计的测量系统设备的各 方面进行全面考虑、分析和估算，形成总体方案的布局，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 1 所示。 皮 。 縻翱 - 醋 ， i 霸r 1 t h 褉鮻硛襽 叫 1 测量系统的总体结构 系统由机械部分与测控部分两部分构成。 ) 机械部分 的机械部分与机床的结构相仿，包括头架，尾架，床身，测量架四大部分。这 部分是滚道型面误差测量仪的基础，其重量几乎占滚道型面误差测量仪总重的 8 5 。 保证这些零、部件工作时的相对位置和相对运动具有足够的精确度，对于这四 分的设计需要提出_ 些要求，如：工艺性良好，易于制造和装配；静刚度良好，在 允许载荷时，变形量不超过规定值；静刚度的变化应小；动刚度良好；温度场分布 ，工作时的热变形对检测精度的影响小；导轨面受力合理，耐磨性良好；结构设计 ，铸造应力小，能长期的保持规定精度；冷却液和润滑油的渠道畅通，电气、液压 的安装位置合理【2 6 】。 2 功能需求分析与总体方案设计 硕士论文 主轴箱设计。主轴箱固定在床身的左上部，主轴箱内装有主轴部件及主轴减速 机构。主轴前端安装顶尖和拨叉，用以带动被测滚珠丝杠做旋转运动；主轴的轴向和径 向都采用了过盈密珠轴承，来减小主轴窜动量和径向跳动量，提高主轴回转精度。 尾架设计。尾架装有后顶尖，用来支承被测滚珠丝杠；尾架底部设计有止动机 构，根据被测丝杠长度调节好尾架箱与主轴箱之间距离之后，使尾架箱稳固在导轨上不 移动；尾架箱内设有压紧力调节装置，以保证顶尖以恒定的压紧力压紧被测丝杠；尾架 同样采用密珠轴承来确保轴的回转精度。 测量架设计。测量架的转动机构使电机带动安装在其上的光幕传感器转动一个 角度，使光幕传感器发射的光束信号垂直照射在丝杠的滚道型面上。测量架的上下移动 机构能使滚道型面误差测量仪测量不同直径的滚珠丝杠。 床身及导轨设计。床身是支承测量仪上各主要部件并使之在工作时保持准确的 相对位置的基本支承件。所以床身设计要精度高，热变形小，从而提高测量系统的稳定 性。 ( 2 ) 测控部分 测控部分包括电机控制系统和采集系统，如图2 2 所示。电机控制系统中的执行部 件由两部电机组成，当采集完滚珠丝杠的第一条轮廓曲线后，与主轴连接的伺服电机带 动被测丝杠旋转1 2 0 。，进行下一条轮廓曲线的采集，每根滚珠丝杠共采集3 条轮廓线； 与进给系统相连的伺服电机给测量架提供动力，以稳定的速度输出，使采集的数据点均 匀分布。其中，主轴电机控制系统是以角位移为直接控制目标的，进给电机是以输出均 匀转速控制为目标。 德国海德汉光栅尺ii o d c2 6 0 0 - 4 0 c c d ii 主轴电机 ii 进给电机 l s1 0 6 ll 光幕式激光位移传感器lim g m a 0 9 z s i cllm g m a 0 9 z s i c l 读数头l 广 ：- f ：一 德国海德汉 i k 2 2 0 计数卡 采i | 集 处理器 r s 2 3 2 串口 t 业控制计算机 l a b v i e w 对数据 分析及处理 驱动器1ll驱动器2 m d d d t 5 4 4 0jim d d d t 4 5 5 0 电机控制 运动控制卡 g t 2 0 0 s g - p c i l 兰竺堡兰i 图2 2 测控系统 采集系统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。用光学投影原理制成的光幕式激光位移传感器采集丝杠滚道型面轮廓曲线的纵 l o 硕士论文 丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 向位置数据，用高精度的海德汉光栅尺采集对应丝杠滚道型面轮廓的横向位置数据。工 控机对两路位移信号同步采集，针对采集的丝杠滚道型面轮廓曲线数据，进行数据分割， 曲线拟合处理，实现对丝杠各个滚道型面的测量与误差参数分析。 滚道型面误差测量仪采集的丝杠轮廓线组成较为复杂，它是由螺纹滚道部分和丝杠 外径部分组成，并交替出现。丝杠的轮廓曲线形状如图2 3 所示： 2 3 系统测量原理 图2 3 轮廓曲线形状 本系统采用高精度的光幕传感器来采集位移数据，它对振动和空气的扰动等较为敏 感，所以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。残留在 滚珠丝杠上面的油污与赃物，在自身的离心力的作用下脱离滚珠丝杠，这样有助于减少 丝杠位移信息采集时候的干扰。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。 在采集轮廓线的过程中，被测的滚珠丝杠是静止不转的。光幕传感器通过连接部件 固定在测量架上，顺着精密的导轨匀速运动，此时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，等收集完整段滚珠丝杠的轮廓线的x 、y 位移数据时，再进行统一存储在数据文 件中。在数据处理时，再调用此数据文件，便可在计算机上观察到轮廓曲线，并通过一 定的算法求得各项几何参数误差数据。 测量系统采集完一条轮廓线后，伺服电机控制主轴转动，带动被测丝杠旋转1 2 0 。， 进行下一次采集。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。为 了精准的采集到滚珠丝杠的真实轮廓线，要对一根丝杠多次采集，从中挑选出一条最真 实的曲线，再进行分析。 2 4 系统硬件构成 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 2 功能需求分析与总体方案设计硕士论文 统的先进性。 系统的硬件配置如表2 1 所示： 表2 1 系统的硬件的配置 部件名称配置及指标备注 工控机 集成主板；3 5 0 w ；i n t e l 2 8 g ；k i n g s t o n r a m 51 2 m ；硬盘 采集计算 s t 8 0 g ：d v d r wc o m b o 光驱 显示器 1 7 寸l c d ：屏幕显示 打印机h p 打印机打印报表 激光位移传感器、o d c2 6 0 0 - 4 0c c d 光幕式位移传感器双路基准信号 控制器及缆线 s c d 2 5 0 0 3 3 r $ 2 3 23 m ，p c 2 5 0 0 33 m 长光栅德国海德汉光栅尺l s l 0 6 ，1 8 4 0 m m ，正交信号 计数卡德国海德汉i k 2 2 0 ( 支持l a b v i e w ) ，正交信号计数长光栅计数 松下伺服电机 ( 至) m g m a 0 9 z s l c ( 无键槽) ，0 9 k w ，2 0 0 0 r p m ，8 6 2 n m ，配 测量架进给 1 7 位增量式编码器 ( 至) m g m a 0 9 z s l g ( 有键槽) ，0 9 k w ，2 0 0 0 r p m ，8 6 2 n m ，配 头架旋转 1 7 位增量式编码器 运动控制卡 固高科技两轴运动控制卡 精确位置控制 稳压电源 朝阳工业级稳压电源，定做( 为o d c2 6 0 0 - 4 0 ，s c d 2 5 0 0 ，接近开 供电 关供电) 1 个2 4 v 接近开关6 个安全保障 2 5 电机选型 滚珠丝杠滚道型面误差测量系统的电机控制子系统分为两部分，一部分是主轴电机 控制，主轴电机控制系统是以角位移为直接控制目标的；另一部分是进给电机控制，进 给电机是以输出均匀转速控制为目标。这两个电机的控制是整个测量系统是极其重要的 组成部分，所以对电机控制有如下要求： ( 1 ) 高性能电机。由于测量系统的进给控制系统经常处于频繁的启动、制动及换 向过程，所以要求进给驱动电机的输出力矩与转动惯量比值大，以产生足够大的加速或 制动力矩。电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在机械部分连接中减少 中间环节，提高运动效率。此外，电机还应有一定功率富余。 ( 2 ) 进给电机转速平稳可调。滚珠丝杠滚道型面的测量过程中，光幕式位移传感 器和光栅尺以一定的频率采集丝杠轮廓线的位移信息。要求采样点的位置间隔均匀，这 样才能保证在一个螺纹滚道范围内采集到足够多的数据点，有利于后续的数据处理。如 1 2 硕士论文丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 进给电机转速不稳定，则有可能造成某些滚道型面数据点过密，而其他的滚道型面数据 点过于疏松，不能真实地反映滚道型面的几何形状。所以要求进给转速应平稳。 ( 3 ) 主轴位置控制精确。仅采集一条滚珠丝杠轮廓线的位移数据，对滚珠丝杠滚 道型面的测量还不够充分。在测试系统中，根据丝杠精度等级的不同，决定采集轮廓线 的数量，精度越高的采集的轮廓线数量越多。这些轮廓线在截面上均匀分布的，对采集 的轮廓线存在较大争议的，要回到那条轮廓线的位置重新采集，所以要求主轴的角位移 控制精确，以便找回采集轮廓线的位置。 ( 4 ) 对系统的故障处理。在测量过程中如出现异常情况，要求系统能快速判断响 应，及时做出处理。如系统发生机械故障、工作台到达限位位置等，系统必须能够及时 控制电机停止运行或反向转动，并作相应的处理。 2 5 1 步进电机与交流伺服电机比较 运动控制系统中大多采用步进电机和交流伺服电机作为执行电机。伺服电机较步进 电机具有如下特点【2 7 】： ( 1 ) 控制精度不同。交流伺服电机的控制精度较步进电机高。 ( 2 ) 低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转 非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵 盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f r r ) ，可检测出机械的共振点， 便于系统调整。 ( 3 ) 矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会 急剧下降，所以其最高工作转速一般在3 0 0 , - , 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即 在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 v , x m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以 上为恒功率输出。 ( 4 ) 过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过 载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额 定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过 载能力。 ( 5 ) 运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出 现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号 进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控 制性能更为可靠。 ( 6 ) 速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速需要2 0 0 , - , - 4 0 0 毫秒。交 流伺服系统的加速性能较好，以松下m s m a4 0 0 w 交流伺服电机为例，从静止加速到 1 3 2 功能需求分析与总体方案设计 硕士论文 其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统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。 2 5 2 电机选型 在确定选择哪一款电机以前，首先要明确的是驱动要求冽：需要多大的转矩，在这 一转矩下的速度有多大；在负载情况下要连续工作多长时间；加速度；负载的惯量大小。 此外，供电电源应注意：电机允许的最高电压限制；电流的限制。通常情况下，电动机 直接驱动丝杠等机械装置输出其功率。因此，在进行电机选择的时候，所有的参数都要 折算到电机轴上。按以下步骤进行计算，保证交流伺服电机性能得到充分发挥。 ( 1 ) 进给电机选择 在工作台最大行驶速度为3 m m s 下，驱动电机需要提供的极限转速为： 刀一划基础丽鬻= 1 8 0 0 m d m i n 驱动电机轴上的转动惯量为： 厶= 以+ l ( 2 1 ) 式中：以丝杠的转动惯量在电机上的折算值( k g m 2 ) ； 以= 0 0 1 0 8 k g m 2 ； l 工作台和工件的转动惯量在电机_ i z l 拘折算值( k g m 2 ) ； l = m ( 尝) 2 ( 2 2 ) 式中：所工作台重量和工件重量之和( 蚝) ；m = 5 0 k g ； 见为滚珠丝杠的导程( m ) ；a = 5 x 1 0 一m ： 计算得： l = 0 0 0 0 0 3 1 7 k g m 2 则驱动电机轴上的转动惯量为： 厶= 0 0 1 0 8 3 2 k g m 2 在工作台最大行驶速度为3 m m s 下，驱动电机需要提供的极限转速为： 划热划丽鬻= 1 8 0 0 删m i n 式中：r 为滚珠丝杠的半径( n u n ) ， 假设工作台在4 s 内速度上升到3 m m s ，则驱动电机的角加速度e 为： 占= 丝：8 3 2 5 r a d m a n 拼 轴在工作负荷下驱动丝杠轴转动，从而带动工作台运动，电机承受的负载力矩为： 乙= 互+ 互 ( 2 3 ) 1 4 硕士论文 丝杠滚道型面误差测量仪机械系统设计与分析 式中：z 负载力矩( n m ) ； 互丝杠克服工作台重量所产生的轴向工作载荷而驱动螺母做往复运动 所需的驱动力矩( n m ) ： z ：f n 2( 2 4 ) ，= 一 l 厶耳， 2 7 r n 为工作台及工件重量，厂为工作台与导轨间的滑动摩擦系数，由于滑动摩擦系数 与速度有关，所以在启动是应取，厂约为0 3 ； 墨= + 山) o c = 0 9 0 1 7 n m 互=科九0 3 x 5 0 0 x 5 0 x 1 0 一 一= 一 2 n 2 3 1 4 = 1 1 9 4 珈 乙= 互+ 互= 2 0 9 5 7 n m 由公式 r ( n m ，1 ) = 9 5 5 0 x 1 0 - 3 二n ( r a 盟d r a i n ) ( 2 5