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硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 摘要 愀删y 2 0 6 0 8 8 4 滚珠丝杠副作为机械制造行业中广泛应用的传动部件，其性能优劣直接影响机床的 整体性能。加工成型后的滚珠丝杠螺纹曲面几何参数误差对滚珠丝杠的定位精度、摩擦 力矩、使用寿命等性能产生较大影响，研究滚珠丝杠螺纹曲面参数测量系统对弥补当前 检测技术不足、提高国内滚珠丝杠性能以及缩短与国外差距具有非常重要的理论意义与 实际应用价值。 测量系统采用非接触测量方式来实现滚珠丝杠螺纹曲面法向截形的测量。数控系统 驱动测量台轴向移动，带动高精度的数字测微计采集纵向位移数据，光栅尺采集横向位 移数据。对采集的轮廓数据进行数据预处理后，基于最小二乘法拟合左右圆弧的圆心、 半径以及滚珠的球心坐标，计算出滚珠丝杠螺纹曲面几何参数及误差，包括圆弧半径、 接触角、螺距误差、中径误差、径向跳动、表面粗糙度和法向形状误差。 基于s u mb a s i c 开发测量系统操作软件，集参数设置、数据采集、数据存储、数 据处理和打印报告为一体。对影响系统测量精度的误差进行分析，提出具体措施来减小 误差提高测量精度。选用不同型号的滚珠丝杠进行转位测量实验和多次重复测量实验， 对实验结果进行统计处理，分析测量系统的重复精度和总体精度。 实验证明：该测量系统能够对滚珠丝杠进行多个螺纹滚道的连续不问断测量，系统 可靠、精度高、稳定性好、操作简单、自动化程度高。 关键词：滚珠丝杠，几何参数，算法设计，精度分析 a b s t r a c t t h eb a l ls c r e wi s 诵d e l yu s e di nm e c h a l l i c a l i i l d u s t 呵a u s 位m s i i l i s s i o n 矗m c t i o n c o m p o n e n t t h ep e r f 0 衄锄c eo fb a l ls c r e w 证f l u e n c e st h eo v e r 甜lp e r f o h i l a i l c eo ft h em a c t l i n e t o o ld i r e c t l y t h et l l r e a dp r o f i l eg e o m e 仃i cp a r 锄e t e re 仃i d r so ff o 肌e db a l ls c r e wh a v eg r e a t i i n p a c to nm ep e m n n a n c eo f b a l ls c r e w ，s u c ha sp o s i t i o np r e c i s i o n ，衔c t i o nt o r q u e ，u s el i f e e t c s t u d y i n gm ep a r a m e t e r sm e a s 证n gs y s t e mf o rt l l et h r e a dp r o n l eo fb a l ls c r e wb a sv e w i i i l p o r t 锄t 1 1 e o r e t i c a ls i 班f i c 趾c ea n dp r a c t i c 甜a p p l i c a t i o nv a l u ef o rm a k i n gu pf o rt 1 1 e i 1 1 s u 伍c i e n to fc u r r e n td e t e c t i n gt e c l u l o l o g y ，i r n p r o v i l l gt h e p e d 0 n n a i l c eo fd o m e s t i cb a l l s c r e w 趾ds h o 他m n gt l l eg a p 、析t l lf o r e i 盟c o u i l t r i e s an o n 。c o n t a c ti n e a s u r e m e mm e m o di su s e di i lt h e m e a s u r i n gs y s t e mt om e a s u r et h e n o r i i l a lp r o f i l eo f b a l ls c r e w 1 1 1 em e a s 嘶n gs t a g em o v e s a l o n gm ea x i a ld e t e c t i o n d r o v eb y n u m e r i c a lc o n 们ls y s t e m ，t 0 “v em 曲p r e c i s i o nd i g i t a lm i c r o m e t e rt oc o l l e c tl o n g n d i m l d i s p l a c e m e n t a n dt 1 1 e 伊a t i n g f o o ti sa d o p t e dt 0c o l l e c t 嘧l s v e r s ed i s p l 2 u c e m e n td a t a a r 妇ap r e 仃e a ：虹n e n to ft h ec o l l e c t e do u t l i n ed a 饥m ec e n t e ra n dr a d i u so fl e ra u l dr i g h t c i r c u l a ra r c sa r ef i 讹db yl e a s ts q m i i em e m o d ，a sw e l l 嬲t l l ec o o r d i n 暑l t e so fb 2 l l lc e n t e r t h e b a l ls c r e wt l l r e a ds u r f 如eg e o m e t r i cp a r 锄e t e r sa n dt h ee 玎o r sa r ec a l c u l a _ c e d ，i n c l u d m ga r c r a d i u s ，c o m a c t 锄g l e ，p i t c he 盯d r ，e r r o ri np i t c hd i 锄e t e r ，d i a m e t e rr 吼o m ，s h a p e 咖ra n d r o u g l l e s s b a s e do nt l l es o 胁a r eo fv i s u a jb a s i c ，m e a s u r e m e n t s y s t e mo p e r a t i i l gs o f h 协ei s d e v e l o p e d ，i n c l u d i n gp a r 锄e t e r ss e t t i n g ，i i a ：t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a t ap r o c e s s i n ga n d r e p o r tp 血t i n g c o n c r e t em e a s u r e sa r er a i s e dt or e d u c ee r r o r sa 1 1 di m p r o v et h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y ，a r e ra 1 1 a j y s i s 也ee r r o r s d i 饪- e r e n tt y p e so ft h eb a l ls c r e wa r ec h o s et od or o t a t i n g p o s i t i o na i l dr e p e a t i n gm e a l s u 血l ge x p e r i m e n t s t h em e a s u r i i 培p r c c i s i o n 锄dr e p e a t i n g p r e c i s i o no fm e a s u r i n gs y s t e ma r ea i l a l y z e dt h r o n ge x p e r i m e m 村r e s u l t s t h em e a s u r i n ge x p e r i m e n t ss h o w st l l a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a nr e a l i z ec o n t i 叫o u s u 1 1 砬e r r u p t e dm e a s u r e i n e n t ，w i m1 1 i 曲p r e c i s i o 玛1 1 i 曲r e l i a b i l 毋，l l i 曲s 切b i l 酊，s i n l p l e o p e r a t i o na n dh i 曲a l l t o m a t i cd e 掣e e k e yw o r d s ：b a l ls c r e w ，g e o m e t r i cp 觚吼e t e r ，a l g o r i t l l i nd e s i 缈，p r e c i s i o na i l a l y s i s i i 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 l 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 本课题源于国家科技重大专项“汉江高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨”的子 项目高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨基础理论及测控技术研究( 项目号为 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 l 一1 7 1 ) ，主要研究滚珠丝杠和直线导轨测试技术及综合试验、精度保持性与 性能可靠性技术。本论文研究滚珠丝杠的螺纹曲面几何参数测量系统。 1 1 2 课题背景 滚珠丝杠副是在丝杠与螺母之间的螺旋槽内放置适量滚珠，借助滚珠在闭合回路中 循环，从而将旋转运动转换为直线运动、转矩转换为推力的螺旋传动机构【1 1 。滚珠丝杠 副具有传动效率高、承载力高、定位精度高、使用寿命长、刚度高等优点，作为一种经 济、高效、可靠的传动部件，广泛应用于机械制造和数控机床等领域网。滚珠丝杠的滚 道法向截形在国标中的定义为：在节圆柱面上，导程为公称导程且通过滚珠中心的螺旋 线法平面与滚道表面的交线，滚珠丝杠常用的法向截形有单圆弧形和双圆弧形两种，如 图1 1 。单圆弧形滚珠丝杠工艺简单，缺点是滚珠丝杠轴向间隙大，运动滞后，接触角 随初始间隙和轴向载荷大小而改变，滚珠丝杠的传动效率、承载能力及轴向刚度等性能 不稳定。而双圆弧形滚珠丝杠在工作过程中的接触角基本保持不变，滚珠与螺旋槽保证 三点接触而达到力平衡，性能优于单圆弧形滚珠丝杠，且螺纹滚道底部有凹槽，存放润 滑油，以减少磨损。因而双圆弧型滚珠丝杠得到广泛应用，本课题的测量对象为双圆弧 型滚珠丝杠。 氏a 巡v b j 氐 a 1 单圆弧一 h b ) 双圆弧 r 圆弧半径；吃左圆弧半径：右圆弧半径；0 【一接触角 吃滚珠直径；而丝杠中径；d 丝杠外径；e 一偏心距 图1 1 丝杠螺纹曲面法向截形 l 绪论硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面主要几何参数包括：滚道圆弧半径、接触角、螺距、中径等，其 误差对滚珠丝杠性能的影响主要体现在：1 ) 影响滚珠丝杠的定位精度；2 ) 改变了丝杠 与滚珠的接触情况，影响滚珠丝杠的动刚度、承载能力和滚珠转动的流畅性；3 ) 改变 了沿整个丝杠长度的动态预紧转矩，影响滚珠丝杠的传动效率、定位精度、传动灵活性 和平稳性；4 ) 加剧振动、温升和噪声，从而缩短了滚珠丝杠的使用寿命。现行的国标 中没有滚珠丝杠螺纹曲面几何参数的标准，常常会出现滚珠丝杠副虽已达到精度各项指 标，但是工作性能却达不到使用要求。由此可知，对滚珠丝杠螺纹曲面的参数误差进行 测量和评定对提高滚珠丝杠的性能是非常必要的。 1 2 国内外研究现状 国内外滚珠丝杠生产公司，除了致力于改进加工工艺外，把开发滚珠丝杠检测技术 放在了重要的地位。经过多年的开发试验以及各位学者的努力钻研，关于行程误差、螺 距误差和导程误差已经形成了一套较为完整的检测体系【3 】，其中南京理工大学【4 】、北京 机床研究所【5 1 、天津大掣6 1 和山东大学【7 】等单位做了大量的相关技术研究工作。对于滚 珠丝杠螺纹曲面参数误差的研究仍在进行中。 1 2 1 滚珠丝杠螺距误差 滚珠丝杠行程为转动滚珠丝杠时的轴向位移量，转动滚珠丝杠2 兀弧度时的行程为 导程。当滚珠丝杠为单头螺纹时，导程等于螺距。滚珠丝杠行程误差有相对应的国家标 准，其中2 7 【弧度内允许的行程偏差为导程误差。本文中提到的滚珠丝杠均为单头螺纹， 导程误差即为螺距误差。螺距误差是影响滚珠丝杠定位精度的关键性指标。目前已经报 道的螺距误差的测量方法主要包括分频比相法、比较测量法和同步测量法。 ( 1 ) 分频比相法 分频比相法测量原理是：检测时被测丝杠转动的角度信号和长度信号为不同频率信 号，通过不同分频系数对这两路信号进行分频，使这两路信号处于同一频率，这时的角 度和长度信号的相位差变化量即反映被测丝杠的螺距误差。基于分频比相法的滚珠丝杠 螺距误差动态测量系统，以8 0 9 8 单片机为核心，采用圆光栅为角度测量元件，长光栅 为长度测量元件，在单片机内直接完成分频、比相及误差计算，不需要把测量信号传递 到工控机就能获得误差数据【8 1 。该测量系统操作简单、使用方便、比相范围大、测量精 度高。 ( 2 ) 比较测量法 采用比较测量原理，在三坐标测量机上测量滚珠丝杠副的螺距误差。三坐标测量机 特点是重复定位精度高、适合测量复杂曲面。缺点是：由于测量机工作台尺寸的限制， 不宜测量较长滚珠丝杠副的螺距误差。另外，三坐标测量机上没有安装分度装置，滚珠 2 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 丝杠副安装调校时很难找到基准而采用近似测量方案，因此不适合用于测量高精度的滚 珠丝杠副螺距误差例。 ( 3 ) 同步测量法 同步测量法的测量原理是：以一定的采样间隔同步接收角位移信号和轴向位移信 号，通过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，由软件将位移信 号转化为位移量，在计算机中进行数据的实时显示和数据分析，计算出误差值【l o 】。东北 林业大学孟兆新等设计了滚珠丝杠精度动态检测系统，以双频激光干涉仪作为长度检测 元件、圆光栅作为角度检测元件，根据国家标准来描述滚珠丝杠螺距误差的计算过程， 并分析了测量系统的不确定度，为判定系统的测量精度提供了依据，试验表明该测量系 统可以对滚珠丝杠副的螺距误差进行快速准确的检测，其不确定度达到2 灿【1 1 】。但 是，在实验中发现激光位移检测元件对环境要求比较严格，在没有温度补偿的情况下， 温度变化对系统的检测精度影响较大。长度检测元件可以考虑采用高精度的光栅尺代替 激光位移传感器，不仅精度能够达到测量要求且系统性能稳定，更好地满足实际情况的 需要。 在国外滚珠丝杠螺距误差测量方面，德国林德纳公司研制了g m m 4 螺距测量仪， 对于各种不同螺纹曲面的滚珠丝杠，可以同时完成滚珠丝杠螺纹中径、螺距误差的测量。 由上述国内外已报道的研究成果可知：关于滚珠丝杠螺距、行程及螺旋线误差检测 方法及测量系统方面，国内外目前已做了非常多的研究工作，检测技术已经非常成熟。 1 2 2 滚珠丝杠中径误差 中径为滚珠与滚珠螺母体及滚珠丝杠位于理论接触点时，滚珠球心包络的圆柱直 径。中径误差使滚珠丝杠与螺母之间的配合出现误差，影响滚珠在滚道内的运动，进而 对滚珠丝杠的工作性能产生影响。 在国内，滚珠丝杠副生产厂家对滚珠丝杠中径误差的检测一般采用三针与千分尺组 合的方法，或者采用专用的手动式节径比较仪来进行检测。这些检测方法的缺点是：1 ) 主要依赖人工操作，劳动强度大、检测效率低；2 ) 检测过程易受主观因素影响，测量 误差较大，检测结果不可靠且不稳定。 在国外滚珠丝杠中径误差测量方面，滚珠丝杠生产公司非常重视滚珠丝杠检测技术 的开发和创新，如日本n s k 公司和德国林德纳公司。日本n s k 公司自行开发了滚珠丝 杠螺纹中径自动补偿装置，可以安装在螺纹磨床上，能够很好地在线控制滚珠丝杠中径 f 1 2 】 o f u p a i l 等提出了一种智能滚珠丝杠测量仪器，这个仪器采用一种新的测量方法( “两 线和一个球”法) ，测量机构的基本结构如图1 2 ，可以测量出滚珠丝杆球中心直径【1 3 】， 该仪器测量精度高、可靠性高、操作方便，可用于滚珠丝杠生产现场的快速和精确测量。 l 绪论 硕士论文 i s h i i l l a t s uj u n 等提出了基于三线法( t l l l 优诵r e dm 砒o d ) 的滚珠丝杠有效直径误差的自动 检测装置，由计算机控制，可以测量滚珠丝杠沿着整个长度和一个螺旋线上任何点的有 效直径，提高生产率和成本效益【1 4 1 。 图1 2 测量机构的基本结构 由此可知：目前对丝杠中径误差的检测方面，国外做了一些研究工作，检测技术比 国内先进，而国内在这一方面明显存在技术不足。 1 2 3 螺纹几何参数误差 螺纹按其截面形状( 牙型) 分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺 纹等，而滚珠丝杠属于精密螺纹的一种，因此滚珠丝杠的检测方法可以参考螺纹 几何参数的检测技术。传统螺纹检测技术工序复杂、效率低、成本高，受人为及环境 因素影响较大。因此国内外学者致力于螺纹几何参数非接触式测量方法的研究，检测技 术主要包括两种：一是基于图像处理技术，二是基于激光检测技术。 ( 1 ) 图像处理技术 图像处理测量原理是：采用c c d 图像传感器采集螺纹的基本图像，由图像采集卡 将图像传入计算机中，在计算机中对图像信息进行数字处理，首先采用图像滤波技术对 图像进行去噪声处理，然后提取螺纹的边缘轮廓，在计算机中计算出螺纹的几何参数【l 5 。 其中关于图像滤波技术主要有边缘保持滤波法和中值滤波法【l6 。螺纹轮廓提取技术主要 有两种：1 ) 采用边缘算子，c 锄y 算子、s o b e l 算子等；2 ) 采用阈值法【1 。7 1 。基于图像 处理技术的螺纹参数检测系统，可以测量螺纹的螺距、导程、螺纹升角、中径、牙型角 等参数。该系统的优点是：可节约成本和提高效率，测量速度快，精度较高。 f u j u l lh e 提出一种方法，用光学技术和图像处理技术测量管螺纹的几何尺寸，并提 供进一步的分析【1 8 】。美国学者h u l l s i c k e rr a n d a lj 在其论文中提出了一种基于视觉系统 测量和检测外螺纹的思路和技术，用该方法可以检测外螺纹的中径、螺距、内径和外径 的最大值、最小值和平均值1 9 1 。l a c z i k 用精确的数学形式描述螺杆表面的几何参数【2 0 】。 c h e n c h m gl i u 开发了一个新颖、简单、非接触的螺距测量系统，并提出了一个由螺纹 图像计算螺距的方法1 2 。 4 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 采用图像处理技术的缺点是：测量系统的精度受图像采集设备的分辨率和图像处理 算法的限制，有必要通过改善环境、采用先进图像采集设备和引入新的算法来进一步提 高检测精度。 ( 2 ) 激光检测技术 激光检测技术的测量原理是：采用激光位移传感器或光栅位移传感器，检测螺纹轮 廓曲线数据，在计算机中对数据进行处理，滤波、线性回归、拟合直线，进而计算出螺 纹几何参数，判断螺纹的损坏情况【2 2 j 。基于激光的螺纹检测系统可以检测内螺纹和外螺 纹，检测方法如图1 3 所示。检测参数主要包括：螺距、导程、中径、牙型角、齿项高 等参数。基于激光螺纹检测系统的优点是：能够对多项螺纹参数进行检测，检测速度快， 精度高，自动化程度耐2 3 j 。系统的误差来源主要是激光位移传感器的误差和机械结构的 误差。系统的机械装夹机构产生的平行度误差及倾角误差使激光不能垂直射入被测面， 进而引起测量误差。采用高精度、高效率的机械装夹方案是提高该系统测量精度的必要 措施。 图1 3 外、内螺纹检测不意图 c a u s t o r e g l e nm 等提出了一个精密机械系统带动激光传感器检测螺纹型面的方法， 分析数字图像推导螺纹几何参数，如螺距、导程、牙侧角、表面粗糙度、中径等，这个 螺纹测量系统可以安装在螺纹加工设备上，用于螺纹成型过程的在线检测和控制【2 4 】。 c a s t e l l “p a o l o 等开发了一种通过非接触测量系统来测量不同的物体的形状，并将其应 用到实际中，但是如果没有良好的光学仪器很难保证精确测量【2 5 】。qbt o n g 基于激光测 量理论提出一个螺纹参数检测技术和自动测量系统，如图1 4 ，提高了测量质量和检测 效率【2 6 】。 l 绪论硕士论文 图1 4 螺纹参数检测系统图1 5 检测系统结构 g a d e l m a w l ae s 提出了一种新型的螺纹自动测量和检测系统，如图1 5 ，使用测微 计、开发软件，能对螺纹的大部分几何参数进行在线测量和数据分析处理【27 | 。并进行重 复测量以确保测量的准确性，给出有用的统计参数，比如最大值、最小值、平均值、范 围和标准差。系统已经证实小心测量数据点的话可以得出准确的结果。p o p o v 应用了一 个激光扫描系统，高能量光源投影到物体表面，一个检测器检测映像，通过检测点来分 析尺寸误差【2 引。s e 唱e yk o s a r e v s k y 使用激光扫描仪自动检测螺杆的准确特征值和参数 【2 9 】 o 1 2 4 滚珠丝杠螺旋曲面误差 赵训贵等从理论上探讨了滚珠丝杠副螺纹参数误差对弹性接触变形接触角、变位导 程以及摩擦力矩的影响以及各参数间的相互关系，为制定和选择滚珠丝杠螺纹曲面各参 数的公差标准提供了依据【3 叭。山东大学的张佐营、宋现春等在实践中发现，滚珠丝杠轴 滚道的磨损大于螺母滚道，大大缩短了滚珠丝杠副的有效寿命【3 1 1 。他们基于弹性接触和 润滑状态分析得出：滚珠与丝杠和滚珠与螺母之间的接触力相同，但是接触曲率的不同 导致滚珠与丝杠的接触应力高于滚珠与螺母的接触应力，且滚珠与丝杠滚道的润滑状态 比螺母滚道恶劣，这两者综合作用导致滚珠丝杠滚道磨损较快。因此，在对滚珠丝杠进 行设计时应综合考虑载荷和润滑因素。 国外，h a r a d ah i r o y u k i 等对滚珠丝杠螺纹曲面弧线的成型过程和方法进行了分析， 提出一个先进的滚珠丝杠尺寸测量和形状分析系统，可以应用于任何横向截面形状，称 之为六球法( s i x - b a l lm e t i l o d ) ，与三线法测量普通螺纹相似，比三线法更精确【强j 。t a d a o k a 西w a d a 分析滚珠丝杠螺母内螺旋滚道的形状特点和磨削方法，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，并研究滚珠丝杠螺母内滚道形状误差的形成 和测量方法1 3 引。 目前，国内厂家针对滚珠丝杠螺纹曲面参数误差测量普遍采用接触测量和投影测量 两种方法。接触测量方法曾采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 度方位。 该方法不完全符台牙形允差定义，不能作出全面定量评定，现很少使用。投影测量方法 6 硕士论文 滚珠丝奉j ：螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 是采用大型光学投影仪把实际的法向截形投影放大、然后与设定的法向截形轮廓线相比 较的方法。但是这些检测方法由于主要依赖人工操作，检测效率低下、检测结果的可靠 性和稳定度下降。后来引进了国外先进的粗糙度仪进行滚珠丝杠螺纹轮廓的检测，如图 1 6 ，缺点是：1 ) 粗糙度仪成本比较高，并且需要针对滚珠丝杠设计专门的夹具或者设 计专门的转换软件；2 ) 螺纹滚道的尺寸较小，不易找到相匹配的测量头，且测量时测 量头随滚珠丝杠的轮廓周期性上下起伏变化，极易造成磨损与跳动，导致测量结果不准 确p 4 j ；3 ) 每次测量前需找到最高点，检测效率低，主要依赖人工操作，易受主观因素 影响；4 ) 能够检测得到的几何参数较少，检测长度受限制，不能反映整根滚珠丝杠螺 纹曲面的几何参数误差。 本文采用非接触的测量方法来实现滚珠丝杠螺纹曲面几何参数检测，可避免接触测 量所带来的缺点。参考螺纹几何参数的检测方法，滚珠丝杠螺旋曲面误差非接触检测技 术主要包括图像处理技术和激光检测技术。 旧 巴f 一：j 嘎 鬟一 l l 、 ，。 l苏x 。纛。茹“：” 醚i一一 嚏鲞】 嗽n 。1 旁 - 。 | 一 t 1 & _ 1 嘲 1 绪论硕士论文 基于图像处理检测技术的缺点是：在试验中发现，采用图像处理技术时焦距的调整、 镜头的畸变、光源的干扰等都会导致测量误差的产生，此外，测量精度受图像采集设备 的分辨率和图像处理算法的限制，有必要通过改善环境、采用先进图像采集设备和引入 新的算法来进一步提高检测精度。 ( 2 ) 激光检测技术 h s u e h l i a n gh u a n g 等提出了一种新颖的基于激光的滚珠丝杠螺纹轮廓测量系统， 系统结构如图1 7 ，采用激光测量单元检测螺纹轮廓的纵向截面，双轴旋转台则移动未 检测的物体，并通过和坐标测量仪器( c m m ) 的比较得出这个非接触测量系统的测量 误差 3 9 1 。实验结果表明测量参数在公差范围之内，证实该系统具有高性能，是提高精密 幺幺杠制造的在线质量控制的有效方法。 图1 7 滚珠丝杠螺纹轮廓测量系统 南京理工大学冯虎田等研究了滚珠丝杠滚道几何参数的测量和计算方法，提出一种 滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测系统。该系统采用非接触式测量方法，通过安装在 测量架上的高精度光幕式传感器沿丝杠方向的移动，实现对丝杠各个滚道参数的测量， 效率高，精度高，能很好地反映丝杠型面误差【4 们。但是这个测量系统实验数据不够充分， 也未能反映系统的重复测量精度。 根据滚珠丝杠螺纹法向截面圆弧半径和接触角对预紧转角的影响，日本n s k 公司 开发出圆弧半径和接触角误差测量仪，以提高滚珠丝杠副传动的平稳性。 对国内外已报道的这些相关研究成果进行分析可得：在滚珠丝杠副螺纹曲面检测方 面，理论研究成果比较少，实验难度大，检测技术存在不足，需要加以完善。 1 3 课题研究意义 现有的滚珠丝杠加工设备与加工工艺使得加工成型后的滚珠丝杠的螺纹曲面不可 避免地存在几何参数误差，这势必会影响滚珠丝杠的定位精度、传动效率、平稳性和灵 活性等性能。并且作为机床的关键功能部件，滚珠丝杠的性能优劣直接影响机床的整体 性能【4 l 4 2 1 。因此，对滚珠丝杠螺纹曲面误差进行高精度的测量与检测是保证滚珠丝杠准 确性、可靠性和一致性的重要措施。 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 基于滚珠丝杠对数控机床的重要性，滚珠丝杠生产厂家和学者致力于滚珠丝杠检测 技术的研究。但是长期以来将研究重点放在滚珠丝杠精度检测上，而在螺纹曲面主要几 何参数检测技术的研究上相对滞后，致使滚珠丝杠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。目前国内还没有关于滚 珠丝杠副螺纹参数误差的国家标准，滚珠丝杠的螺纹参数的检测结果没有一个统一的评 定方法，常会出现滚珠丝杠副虽已达到精度各项指标，但是工作性能却达不到使用要求。 所以研究滚珠丝杠螺纹曲面参数测量系统对弥补当前检测技术不足、提高国内滚珠丝杠 性能、缩短与国外差距都具有非常重要的意义。 1 4 主要研究内容 为避免接触测量所带来的缺点，本论文采用非接触测量方法实现滚珠丝杠螺纹曲面 几何参数的一体化测量，包括数据采集、数据存储和数据分析处理，计算滚珠丝杠螺纹 曲面几何参数及误差。论文共分为五章，主要研究内容如下： 第一章阐述了课题的来源、背景、研究意义和国内外研究现状。介绍了滚珠丝杠螺 纹参数误差对滚珠丝杠性能的影响，并针对滚珠丝杠螺距误差、中径误差、螺纹几何参 数误差和滚珠丝杠螺旋曲面误差的国内外研究现状做了较为全面、详尽地综述。 第二章介绍了滚珠丝杠螺纹曲面误差测量系统整体设计，包括系统的测量方案、硬 件组成和软件设计。 第三章主要对采集得到的位移数据进行处理，设计拟合算法，计算滚珠丝杠螺纹几 何特征值及其误差。算法的优劣直接影响到能否精确地由传感器采集得到的数据得到几 何参数误差，是整个测量系统中最重要的一环。 第四章主要介绍实验对象、实验步骤和实验结果，对采集的实验数据处理后得到实 验结果，对实验结果进行分析。 第五章主要研究影响测量系统误差的因素，以及分析整个系统的重复精度及测量精 度。当测量系统运行时，任一环节的误差都会导致测量误差。 第六章总结本论文的研究成果，并对存在的问题提供进一步的改进方案。 1 5 本章小结 本章首先介绍课题来源和课题的背景，说明滚珠丝杠螺纹曲面几何参数对滚珠丝杠 性能的影响，主要几何参数包括：滚道圆弧半径、接触角、螺距、中径等，并分别阐述 了滚珠丝杠螺距误差、中径误差、螺纹几何参数误差和滚珠丝杠螺旋曲面误差的国内外 研究现状，最后针对实际研究中存在的问题引出了本课题主要的研究内容。 9 2 测量系统总体方案硕士论文 2 测量系统总体方案 2 1 系统测量方案 滚珠丝杠螺旋槽的设计是以法向截面为标准的，螺纹曲面几何参数包含在滚珠丝杠 法向截形曲线中。因此测量系统通过采集滚珠丝杠轮廓数据，重建轮廓曲线，对该曲线 进行分析处理求得滚珠丝杠几何参数，与标准值比较进而得出滚珠丝杠螺纹曲面参数误 差。测量系统总体构成如图2 1 。 纵向f t 移传感器 卜进给电机 卜主轴电机 数控系统 趸夔设习 1 顾飘 塑卿： 一 - - 堑塑田1 眄两蕊利 图2 1 系统总体构成 系统总体设计包括硬件设计和软件设计。测量系统采用数控系统控制主轴电机和进 给电机，带动高精度的位移传感器采集滚珠丝杠螺纹曲面数据点，通过系统软件实现参 数设置、数据采集、数据存储、数据处理和打印报表功能。 滚珠丝杠螺纹曲面非接触测量系统实物如图2 2 ，具体测量方案为：1 ) 安装被测滚 珠丝杠，擦掉滚珠丝杠上残留的油污，减少系统的测量误差；2 ) 滚珠丝杠不动，启动 西门子数控系统，驱动进给电机，带动测量台上的传感器沿轴向匀速移动；3 ) 以一定 采样频率同步读取横向和纵向位移传感器的数据；4 ) 停止采集后显示采集的数据点和 完整的轮廓曲线，并将数据存入数据库：5 ) 设计算法处理数据，计算滚珠丝杠螺纹曲 面几何参数误差，显示与存储分析结果；6 ) 当采集完一条轮廓线之后，反向测量或者 滚珠丝杠旋转一个角度后再测量。 1 0 硕士论文滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 2 2 系统硬件组成 图2 2 测量系统实物图 在系统硬件设计过程中，尽可能选用专业产品，避免自行设计制造，这样不仅确保 系统的可互换性，也保证整个系统的安全性、可靠性。系统硬件由机械系统设计、控制 系统设计和位移传感器组成。 2 2 1 机械系统 测量系统的机械结构和机床很相似，主要包括头架、尾架、床身和测量台四大部分。 对这四部分的设计要求是：1 ) 结构设计合理，精度高；2 ) 静刚度好，受载时变形量小； 3 ) 易于制造和装配，热变形小：4 ) 导轨精度高，耐磨性好【4 3 1 。保证测量系统工作时机 械零部件的相对运动和相对位置之间具有足够的精度。 ( 1 ) 头架 头架固定在床身的左上部，材料为灰铸铁，其内装有主轴及主轴减速机构。头架前 端安装顶尖和拨叉，顶尖用来固定被测丝杠。主轴电机和主轴减速机构之间通过带传动 相连，主轴电机带动从动轴转动，从动轴上的齿轮带动拨盘上的拨叉转动，拨叉则带动 滚珠丝杠做旋转运动。采用过盈密珠轴承，以提高回转精度和刚度。 ( 2 ) 尾架 尾架固定在床身的右上部，材料为灰铸铁，装有主轴、压紧力调节装置及止动装置。 尾架前端安装后顶尖，支承被测丝杠，并调节压紧力装置，保证以恒定压力压紧被测丝 杠。当根据滚珠丝杠长度调节好头架与尾架之间的距离后，按下止动手柄，使尾架固定 不动。同样采用过盈密珠轴承，保证回转精度。 ( 3 ) 床身 测量系统的主要零部件安装在床身上。床身设计要求刚度高、精度高、热变形小， 保证零部件之间的相对位置，提高测量系统的稳定性。床身支架的作用是支撑床身及安 装电机，支架上用四个垫块来调整床身的水平。 ( 4 ) 测量台 2 测量系统总体方案 硕士论文 测量台安装在进给丝杠上，带动传感器沿精密导轨轴向匀速移动，以采集滚珠丝杠 螺纹轮廓曲线。横向位移传感器固定在床身工作台面上，读数头由连接板和测量台可靠 连接，以测量横向位移量。纵向位移传感器安装在测量台上，以测量纵向位移量。为了 测量滚珠丝杠的法向截形，纵向位移传感器需倾斜一个螺旋升角，使纵向位移传感器发 射的光束垂直于滚珠丝杠螺纹法向截面。 由此可知，测量台需要实现的功能是：1 ) 带动传感器沿轴向移动，由进给电机驱 动进给丝杠来实现；2 ) 调整传感器的上下位置，使被检测的螺纹齿形基本处于传感器 的检测中心，以提高测量精度，通过在传感器下面增加高精度的薄垫板来实现；3 ) 调 整纵向位移传感器在水平面内旋转一个螺旋升角，由转角装置来实现，转动的角度精确 到分，测量台的转角装置如图2 3 所示。 图2 3 测量台的转角装置 压紧中 大齿轮 主尺刻线 图2 4 转角装置部件图 转角装置由上盘面、下盘面、中轴、手动轴、大齿轮、小齿轮等组成，部件图如图 2 4 所示。下盘面固定在测量台上，上盘面上有四个螺纹孔，用于将纵向位移传感器安 装在上盘面上，上盘面可以相对下盘面转动。盘面的中心轴线上有一个中轴，将上盘面 套在中轴上，采用键配合，两者之间没有相对转动。上盘面上安装了一个手动轴，通过 1 2 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设汁与分析 转动手动轴，带动小齿轮相对于固定在下盘面上的大齿轮啮合转动，从而使上盘面绕其 中心轴线转动。中轴下端与下盘面之间受力主要是轴向力，可以选择推力球轴承连接。 在上盘面标有游标尺，下盘面上标有主尺，当上盘面相对于下盘面转动时，读出主 尺和标尺的数据即为转动的角度。读数原理与万能角尺的读数原理相同：首先读出主尺 上游标尺的零刻度线所指的位置，然后观察主尺与游标尺，看主尺上的刻线哪个与游标 尺上的刻线重合，读出游标尺上的读数，将二者加在一起就是测量头转过的角度。因为 滚珠丝杠的螺旋升角最大的为十几度，因此在主尺上刻线3 0 0 ，每格为3 0 ，游标尺刻线 取主尺的2 9 0 等分为3 0 格，则游标尺的刻线每格为1 ，即转动装置的准确度为l 。 2 2 2 数控系统 ( 1 ) 数控系统 西门子8 4 0 d 数控系统，体积小，维护方便，功能强大，是一款高性能的数控系统， 可以通过简单的数控编程来控制机械传动【4 4 1 。因此本系统采用西门子8 4 0 d 数控系统来 控制主轴电机和进给电机，操作窗口如图2 5 所示。 图2 5 两门子8 4 0 d 系统操作窗口 ( 2 ) 电机 电机控制系统中的执行部件由两部电机组成，主轴电机和进给电机。主轴电机带动 主轴转动，进给电机驱动进给丝杠，带动测量台轴向运动。 1 ) 主轴电机主轴电机是以角位移为直接控制目标的。当采集完滚珠丝杠的第一条 轮廓曲线后，与主轴连接的主轴电机带动被测丝杠旋转一个角度，进行下一条轮廓曲线 的采集。对主轴电机的要求是角位移控制精确。 2 ) 进给电机进给电机是以输出均匀转速控制为目标。采集数据时，进给电机带动 测量台沿轴向匀速移动，传感器以一定频率采集丝杠轮廓数据。对进给电机的具体要求 是：1 、为了使采集的数据点轴向位移间隔均匀，真实反映丝杠滚道轮廓形状，测量台 需以稳定的速度移动，要求进给电机必须以恒定的转速运转，且运转平稳；2 、由于进 给电机经常处于启动、制动及换向过程，所以要求进给电机具有足够的加速或制动力矩， 2 测量系统总体方案 硕士论文 即输出力矩与转动惯量比值大；3 、为了采集足够多的数据点，有利于数据处理分析， 测量台需以较为缓慢的速度移动，要求进给电机必须能在较小的转速下平稳运转。所以 对进给电机的要求是转速稳定且可调。 2 2 3 位移传感器 位移传感器是测量系统的核心元件，其性能的好坏直接影响系统的测量精度。系统 采用横向位移传感器采集对应滚珠丝杠螺纹轮廓曲线的横向位置数据，纵向位移传感器 采集滚珠丝杠滚道型面螺纹轮廓曲线的纵向位置数据。 ( 1 ) 横向位移传感器 光栅位移传感器( 简称光栅尺) ，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，输 出的信号为数字脉冲，具有易实现数字化、检测范围大、检测精度高( 目前分辨率最高 的可达到纳米级) 、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠、响应速 度快等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。在本测试系统中， 根据系统的功能需要和精度要求，选用h e i d e n h a i n 封闭式光栅尺作为横向位移传感 器，直接采集横向位移数据，保证采集数据的精确性和可靠性。光栅尺实物图如图2 6 。 图2 6 光栅尺实物图 1 ) 测量原理 本系统光栅尺采用成像测量原理，如图2 7 所示。l e d 光源发射到聚光镜形成平行 光，投射到扫描掩膜上，光线透过扫描掩膜到标尺载体上。扫描掩膜和标尺载体上刻有 相同周期的光栅刻线，当扫描掩膜相对于标尺载体运动时，形成明暗相间的莫尔条纹， 再由精密的光电元件将莫尔条纹转换为电信号。扫描掩膜上具有特殊形式的光栅，可以 对光电流进行滤波，使其产生近似正弦输出信号1 4 5 | 。 1 4 图2 7 成像测量原理图 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 2 ) 测量方法 光栅尺的测量方法分为绝对测量方法和增量测量方法。绝对测量方法在光栅尺通电 的同时即可获得位置值，不需要移动坐标轴即可找到参考点的位置。绝对位置值从光栅 刻线上获得。增量式测量方法测量相对于起始点的增量位移值。通过计数到初始点的增 量数( 步距) 获得位移信息。可以根据实际需要选择相对应的测量方法，方便可靠。 3 ) 性能特点 光栅尺不用附加的机械传动元件来确定线性轴的轴向位置，因此排除了一系列 可能出现的误差源：由于滚珠丝杠受热造成的位置误差；反向误差；由于滚珠丝杠的螺 距误差造成的动态误差。 扫描单元的标尺移动时的摩擦很小。有一个连接器将扫描单元与安装快连接， 用来补偿标尺和机床导轨之间的同轴度误差。保证光学机械系统的稳定性，具有优异的 重复定位精度和高等级测量精度。 封闭式光栅尺有一个铝外壳，用以保护标尺、扫描单元及其导轨不受铁屑、灰 尘和喷溅水的损害，具有高水平的抗干扰能力，性能稳定可靠，使用寿命长。 安装方便，只需将光栅尺安装在床身上，然后再几个位置处将光栅尺尺体与导 轨校准即可。 4 ) 技术参数 光栅周期：2 0 肛m ；测量精度为：0 5 岬，热膨胀系数：8 p p 舭； 准确度等级：3 岫，测量长度：1 2 4 0 1 1 u 1 1 ，最大移动速度：1 2 0 州m i n ； 所需推力；4 n ，工作温度：0 5 0 0 c ；输出信号为1 v p p 2 0 肛m ，电源为5 v 。 5 ) 数据采集 当测量台带动光栅读数头每移动一个光栅周期时，就发送一个信号，用计数卡对光 栅发出的信号进行计数，将计数卡的计数乘以光栅周期就是测量台移动的位移量。所以 系统需要计数卡来读取光栅尺的位移数据。该公司出品的i l q 2 0 计数卡能够完全满足本 系统的测量精度要求，图2 8 为i i q 2 0 高速计数卡。 ( 2 ) 纵向位移传感器 图2 8l k 2 2 0 高速计数卡 2 测量系统总体方案硕士论文 纵向位移数据采集丝杠螺纹轮廓曲线的纵向位移数据，其性能的好坏直接影响到测 量仪的测量水平。系统要求纵向位移传感器能够快速而准确的测量位移变化，具有高精 度、高速度和高可靠性。根据系统的功能和精度需要，选择k e y e n c e 绿色l e d 高速 度、高精度数字测微计作为纵轴方向上的位移传感器，如图2 9 。 图2 9 纵向位移传感器实物图 1 ) 测量原理 传感器的发射器上装有高亮度的绿色l e d 光源，专用的散射元件和标准镜将光源 发射出的光线变成平行光，当平行光照射到目标时，接收器接受光线信号，透过的光线 通过远心光学系统将照射到h l c c d 上，检测信号由电缆传输到控制器中，通过处理检 测出c c d 上明亮和黑暗区域之间的边缘，从而得到测量值，例如外径等，数据可以显 示和输出【4 引。传感器测量原理如图2 1 0 所示： 檀用的 器诩曩 图2 1 0 测量原理 2 ) 性能特点 高速度使用h l c c d 的持续曝光测量能进行高速取样，达到了常规速度的两 倍，能够达到2 4 0 0 取样秒的采样频率； 高精度配备最新的光学系统，确保两倍于普通型号的精度和重复精度，精度为 2 m ，重复精度为0 1 5 ”m ； 高耐久度高亮度绿色l e d 和h l c c d 相结合解决了马达耐久度的问题，无马 达结构和长寿命光源确保了优良的耐久度，保持长时间的可靠运行： 1 6 硕士论文 滚珠丝杠螺纹曲面参数非接触测量系统设计与分析 测量点可见嵌入式c m o s 相机能俘获目标的图像，更容易对目标进行定位和 检查测量情况，提高了使用方便性； 多种测量方式可以使用单测量头、两个测量头，可以测量外径、宽度、内径、 间隙、偏心率、运动位置等。 3 ) 功能设置 区域设置 当目标物体位于检测平行光线区域时，部分光线被遮档，这样接收器接收的图像存 在阴影，称阴影的轮廓为“边缘，边缘围绕的为区域。传感器能够测量的区域可以选 择直径( d i a ) 、上边( t - e d g e ) 和底边( b e d g e ) 。如果测量丝杠的上轮廓曲线，选择 t - e d g e ( 上边) 模式。如果测量丝杠的下轮廓曲线，选择底边( b e d g e ) 模式。如果测量 丝杠的直径，则选择直径( d i a ) 模式。 由于系统需要测量滚珠丝杠轴截面位于项部、底部的那条轮廓曲线的位移变化