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南京理t 人学坝：l 学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 摘要 本文的研究对象是“丝杠工件在线磨削补偿系统”中的测量子系统，本文对 在磨削过程中的丝杠精度实时在线测量方法进行了研究，完成了测量系统的设计 与分析。 测量系统共有四路信号采集：光栅测量丝杠长度信号；旋转编码器采集角度 信号；红外传感器采集温度信号及尾栅采集尾架伸长信号。 针对在线测量的实时性特点，根据测量的特点各采样点时间间隔相同， 简化了回归直线的计算，并采用2n 分段法，将有效行程的全长分成若干2n 段， 然后以各个2n 段为单位，计算行程变动量。大大提高了计算的速度。 由于在线测量的特点，磨削温升对测量精度的影响很大，因此，本文对该问 题进行了专项研究，建立了丝杠工件磨削过程的温度场以及其热变形量的计算模 型，并采用有限差分法进行计算。该模型简单、合理、可行，具有很好的使用价 值，为测量结果的修正提供了依据。 另外，本文还对测量系统的动态测量误差补偿进行了初步讨论，对部分误差 源的补偿提出了可实施的补偿方法。 关键词：滚珠丝杠，动态测量，误差补偿，数据采集 a b s t r a c t t h es u b j e c to ft h ep a p e ri st h em e a s u r i n gs y s t e mo ft h eo n l i n ec o m p e n s a t i n g s y s t e m o fb a l ls c r e wg r i n d i n g t h eo n l i n em e a s u r i n gm e t h o d o fb a l ls c r e wi s e x p o u n d e di nt h i sp a p e ra n dam e a s u r i n gs y s t e mi sd e s i g n e do nt h eb a s i so f a b o v e s t u d y i n g t h e r ea r ef o u rs i g n a l st ob ec o l l e c t e d ：s i g n a lo fl e n g t hb yr a s t e r ；s i g n a lo fa n g l e b yr o t a r ye n c o d e r , s i g n a lo ft e m p e r a t u r eb y i n f r a r e ds e n s o r , s i g n a lo fl a t h et a i lb yt a l t o m e e tt h er e a l t i m e r e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，t h ec o m p u t em e t h o d o f r e g r e s s i o n l i n ei s s i m p l i f i e d b a s e do nt h em e a s u r i n gc h a r a c t e r i s t i c a n dt i m ef o r c o m p u t i n g t r a v e lv a r i a t i o ni sr e d u c e db yi n t r o d u c i n g2 s e g m e n t a t i o n ，i nw h i c h t h e t r a v di ss e g m e n t e di n t os e g m e n t si nl e n g 也o f 2 a so d eo fc h a r a c t e r i s t i c so fm e a s u r i n go n l i n e ，t h er i s i n gi nt e m p e r a t u r eo fb a l l s c r e wh a sag r e a ti n f l u e n c eu p o nt h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n g t h e r e f o r et h ep r o b l e m i s a n a l y s e di nd e t a i li nas p e c i a lc h a p t e r a n di nt h ec h a p t e rt h em a t h e m a t i cm o d e l o f t h e r m a ld e f o r m a t i o ni se s t a b l i s h e da n dd i f f e r e n c em e t h o di su s e di nc o m p u t i n gt h e t h e r m a ld e f o r m a t i o n i nd o i n gs o ，t h et h e o r yo f t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o ni se s t a b l i s h e d g e n e r a l l y i na d d i t i o n ，t h ec o m p e n s a t i o no f d y n a m i cm e a s u r e m e n ti s s t u d i e di nt h i sp a p e r t o o k e y w o r d s ：b a l ls c r e w , d y n a m i cm e a s u r e m e m ，e r r o rc o m p e n s a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n y 5 7 1 5 0 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 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 器堑。隆妒呼年7 月p 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：鬈堑陵】。略年瑚户曰 南京理工大学倾十学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 1 绪论 1 1 动态测量简介 1 ) 概述 测量技术在科学研究与生产实践中占据极为重要的作用，“没有测量就没有 科学”是人们经过长期实践作出的科学总结。当今世界已进入信息时代，著名科 学家钱学森指出“信息技术包括测量技术、计算机技术和通讯技术，测量技术是 关键和基础”。由于现代科技的发展对测量技术不断提出新要求，促进了测量技 术向高水平发展，而先进的测量技术则又为现代科技提供了保证。由于新技术在 测量技术中的广泛应用，使测量技术与其一起发生了全方位的深刻变化，并具有 许多新时代的特征，而测量的动态性则是其中重要特点之一。 何谓动态测量或测量的动态性，在学术界目前还未有统一认识和给予严格的 科学定义或表述，近年来我国制定的通用计量术语及定义( j j f l 0 0 1 - - 1 9 9 8 ) 亦未列入这一术语。分析日前对动态测量的认识，可归纳为两种见解，一种是认 为被测量必须是不可重复和不可再现的变化的量；另一种则认为被测量是可以重 复和再现的变化的量，而两者的测量系统在测量全过程皆必须是处于运动状态， 其中包括对被测量的感受采样和测量结果的信号输出全过程。对于几何量的动态 精密测量，显然是属于后者，例如圆度误差的动态测量和齿轮参数误差的自动测 量，般皆认为是动态测量口j 。 基于上述不同认识，尽管对动态测量尚无统一定义，但在测量全过程中的测 量系统必须处于运动状态，这种认识是致的。由于测量误差是产生于测量系统 组成的诸误差源。因此，动态测量系统所产生的动态测量误差必然具有动态性和 时变性，同时迸一步推理可知动态测量误差数列具有随机过程性和误差之间的自 相关性。 2 ) 动态测量的概念与定义 测量是以确定量值为目的的一组操作，测量是对象作用于测量装置并引起其 响应，从中取得被测量的信息。测量可分为静态测量和动态测量，对于静态测量 一般的定义是：测量期间其值可认为恒定的量的测量，对于动态测量，测量装置 在动态下使用的测量即为动态测量，动态是以测量装置输出变化信号为特征的。 即使整个组合测量装置中只有某一部分的状态是动态的，这个组合测量装置( 或 系统) 的状态也被认为是动态的。根据这种看法静态测量和动态测量的划分可按 表1 1 来区分： 南京理工大学硕士学位论文丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 表l - 1 静态测量与动态测量的划分 测量分类被测量性质输入信号输出信号 静态测量 动态测量 注：在表1 中= 表示恒定的，表变化的。 应该注意被测量与输入信号是两个不同的概念，被测量是接受测量的特定 量，输入信号是指被测对象和测量装置的相互作用，引起测量装置输入端上出现 载有被测量信息的信号；同理，测量结果与输出信号也是不同的概念从表中可以 看出，动态测量有两种情况，一种是对恒定量的测量，另一种是对变化量的测量。 对于符合下列条件之一的测量过程都是动态测量： ( 1 ) 被测对象的量值在时域上是变化的： ( 2 ) 被测对象的量值在时间域上是恒定的，但在空间域上是连续( 或间断) 变 化的。而测量系统处于运动状态下对被测量进行测量： ( 3 ) 被测对象的量值在时间域和空间域上都是恒定的，但与被测对象有关的 测量信号是变化的。 对那些测量结果有序列性，能够用动态数据处理方法进行数据处理，而测量 过程是若干静态测量过程的组合，不是动态测量而是静态测量。 综上所述，动态测量具有以下特点：时空性、随机性、相关性和动态性。 1 2 滚珠丝杠副简介 1 ) 滚珠丝杠副结构及其特点 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f 3 】。 滚珠丝杠和螺母的螺纹滚道与钢制滚珠之间运动是滚动摩擦，其摩擦系数仅 为滑动摩擦的2 左右，传动效率提高到0 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，运动中没有阻滞和滑移进给速度稳定，具有很高的定位精度高 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 南京理工大学硕= 匕学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 命较长。 由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，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首选部 件。 2 ) 滚珠丝杠副发展 早在18 7 4 年，滚珠螺旋传动装置就在美国诞生，但精度很低。1 9 1 7 年，螺 纹磨床的问世和螺纹磨削技术的进步，才使滚珠丝杠副在精度和性能上有所提 高。1 9 4 0 年，美国将滚珠丝杠副用于汽车转向机构上，并很快商品化。1 9 4 3 年， 滚珠丝杠副开始用于可靠性要求严格的航空机械上。五十年代，数控机床的发展 大大推动了滚珠丝杠副的专业化生产【4 j 。 当前世界上先进工业国家几乎都有若干个颇具规模的滚珠丝杠副专业生产 厂。如美国的“w a r n e r b e a v e r ”公司，有四个分公司，已有四十年的滚珠 丝杠副生产历史，年产量达3 0 万套以上。日本的“n s k ”公司前桥工场，1 9 6 0 年建厂，1 9 8 0 年滚珠丝杠副产量超过1 2 万套，目前该公司产量已经达到4 0 万 套以上，并大量出口。前苏联“0 3 j i c ”机床厂下设滚珠丝杠副专业生产车问， 年产3 万套以上。英国的“e v a r t ”公司以生产内循环滚珠丝杠副著称。此外， 德国的“n e f f ”、“f a g ”、“r a c o ”，日本的“t h k ”、“t s u b a k t ”、“k u r o d a ”， 法国的“a l m e ”， 意大利的“s k f ”等，都是在国际上都具有一定知名度的 滚珠丝杠副与直线滚动导轨的专业生产厂家。 目前国内三大滚珠丝杠生产企业，济宁丝杠厂、汉江机床厂、南京工艺装备 厂由于滚珠丝杠的磨削仍沿用普通的螺纹磨床，因而仅仅能加工普通精度的滚珠 丝杠，虽经上述企业多年努力，但由于加工手段落后，其精度始终没有大的突破。 国内所需高精度滚珠丝杠多从韩国大宇公司和日本n h k 公司高价进口，所以高 精密丝杠的加工成为我国国家的重点攻关项目之- - 1 5 1 6 1 7 1 。 1 。3 滚珠丝杠加工 1 3 1 目前国内制造高精度滚珠丝杠采用的方法 加工滚珠丝杠通常采用“车一淬一粗磨一精磨”的方法或者“轧一淬一磨” 阻及最新的“旋风铣”工艺，螺纹磨削一般是滚珠丝杠加工的最后一道工序。所 以螺纹磨削精度对丝杠的最终精度是至关重要的。而影响丝杠磨削精度的因素主 要来自三个方面，即传动链误差，工艺系统( 包括工件) 热变形误差及丝杠受力 变形误差和砂轮磨损等。提高制造精度单靠减小传动链误差的方法，既不经济往 往又不能满足设计要求，除工艺上的采用系统误差互相补偿外，普遍在精密磨削 南京理t 大学磺土学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 中采用了误差补偿技术，即在磨削过程中根据检测得到的被加工丝杠的误差反馈 给补偿校正装置以消除当前丝杠误差。 传统加工中一般工厂生产中采用了在结构上设计有效的误差校正机构，其原 理为，通过实际测量或用图解法画出误差曲线，然后把与这条曲线共扼的曲线反 映在某一特定的元件上，通过一定的传动机构带动执行元件从而达到补偿上述误 差的目的，一般采用如下方法： ( 1 ) 对渐进性和大周期误差主要采用校正尺来校正。有丝杠附加窜动式和 螺母附加转动式，两者结构大致相同。校正尺可设计成可调角度的平尺，不可转 角的曲线尺和可调转角的曲线尺三种【8 】，但该法无法补偿小周期内的周期误差。 ( 2 ) 对周期性螺距误差主要校正机构有行星式和偏心轴式校正机构。因只 能校f 同母丝杠同周期或整数倍周期误差，所以最好与渐进性校正机构一起使 用。然上述机械修正法对短周期误差修正效果普遍不显著，对其它的误差修正也 非常有限，更不能修正动态的时变系统，特别是随着数控系统、计算机软硬件的 发展和各种控制算法的逐步成熟己不能满足生产和实际应用需要。 目前为提高加工精度，国内研究和应用的方法主要为基于微机系统的智能误 差补偿方法。主要有基于经典控制理论和基于现代控制理论及人工智能的误差补 偿方法。目前数控机床应用较多是交流伺服电机为驱动装置，以光电编码盘为检 测元件的半闭环位置控制系统，但该系统日益不能满足加工高精度高速度的要求 所以在逐步采用全闭环数字准确控制，对机床运动部件进行数字化驱动，以有效 消除温漂和零漂等的影响，并使被控对象具有较理想的控制结构，半闭环和全闭 环可通过硬件结构米实现，响应时问较快，但这种控制是基于系统的传递函数， 误差补偿也是针对某一类型，其中的结构和参数是不变的，使用范围较窄。当随 机性干扰较强时，就有可能超差。后者主要有基于神经网络和模糊控制的自学习 误差补偿，该类方法根据过程测量信息、工件加工后的误差变化规律通过函数逼 近、不断变换参数来对下次欲知量进行预测，这样可跟踪动态变化，但是函数关 系参数较多，既有系统本身的又有环境外界的，算法复杂，大部分通过软件实现， 内在规律考虑较少，实时性受到限制【9 j 。 1 3 2 丝杠加工精度进一步提高存在的问题 1 ) 丝杠热变形的确定：在由汉江机床厂和华中理工大学联合在“微机补偿 磨削四级精度丝杠的研究”课题中成功地在五级精密机床上稳定地加工出四级精 密丝杠，然在补偿中发现，对传动链误差及丝杠力变形误差比较容易测量和补偿， 但对丝杠热变形造成的误差由于磨削过程中参数的非线性和时变特性面对该误 差不容易控制和补偿。然而在滚珠丝杠的精磨过程中热变形是影响其精度的最主 南京理工大学颤：b 学位论文 丝杠磨剀在线动态测量系统分析与设计 要因素，滚珠丝杠螺距误差的3 0 ，累计误差的7 0 以上来源于热变形，在国 外如日本采用了事先预压处理以达负导程修正，利用内应力消除热膨胀的影响来 达到精度提高的目的，这种技术难度较大。而目前在国内一般的螺纹磨床上针对 这种误差主要采用了局部冷却和全局冷却尽量较小温升从而减小热伸长，但是精 度总达不到预定的精度，因为热源对丝杠螺旋线和精度影响很大，从而提高丝杠 螺旋线精度就必须对工件热伸长变形和机床热变形作定量的研究，由于热变形的 影响因素多，机理复杂，目前的研究主要有预报模型和计算模型。 2 ) 控制系统的建立目前国内的磨床较多是直流伺服电机为驱动装置，以光 电编码盘为检测元件的半闭环为指控制系统。这种系统在技术上是比较成熟的， 稳定性容易得到保证，现场安装调试也比较简单，但是以磨床工作台位移为最终 控制量来看仍属于开环控制，其精度不但与控制系统的性能有关，而且很大程度 上还取决于机械结构，这样系统中信息传递环节的误差、机械传动环节的误差以 及各种非线性因素的影响都会是工作台位移偏高指令值，而开环系统又无法对其 进行有效地校正，因而使得许多数控系统即便使用了高性能的交流伺服系统也难 以达到较高的加工精度，半闭环己越来越难以满足现代数控机床的高速度、高精 度发展的需要，为解决上述问题从发展趋势上来看必须引进闭环控制。该项研究 已在各大学中先后展开，譬如清华大学提出的经济化高精度控制方法和以此为基 础的闭环步进位置控制系统以在多种数控机床上逐步使用，但还有待提高动、稳 态性能及各种干扰和非线性因素对运动部件位移产生影响进行有效动态校正。 滚珠丝杠制造的发展方向突出表现在： 1 ) 产品高精度化：高精度数控机床，多工序自动数控机床，精密机床和精 密测量仪器中使用的螺旋传动，其滚珠丝杠导程精度要求同精密量具一样高，螺 纹磨床性能的提高，加工技术，激光测量与使用测微仅连续自动测试分析处理系 统装置以及低温处理法均质技术的出现，均大大有利于滚珠丝杠及传动的高精度 化。 2 ) 丝杠制造的高效率化：由于目前所有产品更新换代的速度日益提高，丝 杠作为大多数传动的基础元件其需求量及更新率也大大提高。 3 ) 丝杠产品规格的扩大近几年来，滚珠螺旋传动的产品规模向着微型和大 型两个方面不断发展。微型主要用于精密测量仪器，光学器械，半导体加工机械 等设备工作进给传动。大型的主要达到减小驱动力矩，节约动力消耗，延长使用 寿命目的。 4 ) 普通型和特殊型发展并进普通型对其精度要求并不高，丝杠一般采用冷 轧滚压加工，生产率高，价格低廉。为满足低温高温无润滑，水下和露天等特殊 工作环境要求开发了特殊型，目前主要用用于航空和核工业。 皇塞兰三查兰竺主兰垒笙苎 兰垫壁型垄些兰查型墨墨竺坌塑皇! ! 生 1 3 3 国内螺纹磨床简介 我国生产滚珠丝杠的有企业4 8 家，年生产能力产值可达6 5 亿元，生产滚动 直线导轨的企业6 家( 其中4 家同时生产滚珠丝社) ，年生产能力产值可达1 5 亿元。在4 8 家企业中，生产规模大、工艺装备较齐全、产量大、产品品种多的 企业有6 家，而其余绝大分企业规模小、产量不高、品种单一。从全球范围看， 我国滚动功能部件产业虽然是制造厂商最多的国家，但生产不集中、分布不合理， 总产量和产值不高，除少数重点骨干企业的部分产品达到或接近国外先进水平 外，多数企业只能重复生产中、低档产品，品种单一、含金量低。至今尚无一个 在国际上有影响力的知名品牌，尚无一家上市公司”。 我国与海外的主要差距是：专业化生产水平不高：信息化管理滞后：产业化 进程缓慢；个性化服务跟不上。从产品总体水平看，我们处于发达国家名牌产品 之下，发展中国家之上的中偏上水平，其中低档产品与国外同类产品差距较小或 基本持平，但生产效率却远远低于国外。而高性能。高档次的产品( 高速、高精 度、特高精度、低嗓、机电一体化) 与n s k 、t h k 、r e x r o t h 、h i w i n 等知 名企业有明显差距，成为制约国产高档数控机床发展的瓶颈1 9 l 。 1 3 4 国外c n c 螺纹磨床发展 如果以英国m a t r i x 公司1 9 6 8 年推出世界上第一台“b ”系列数控螺纹磨床 为开端，螺纹磨床数控化迄今已有2 0 多年发展史了。据初步统计，目前生产n c 、 c n c 螺纹磨床的国家有英国、瑞士、西德、日本、意大利、西班牙和美国。进 入8 0 年代后，各主要螺纹磨床厂推出的新产品绝大多数是c n c 产品，国外发展 c h c 螺纹磨床的几个特点，c n c 技术的运用使螺纹磨床的性能起了革命性的变 化【6 1 【”。 海外的滚珠丝杠生产厂家总体水平可以概括为以下几方面： ( 1 ) 生产规模大、信息化管理水平高，以大规模集约化制造的成本和速度， 提供全方位满足用户个性化需要的众多系列产品。 ( 2 ) 企业资本雄厚，产业化的速度快。 ( 3 ) 产品原创力强，新产品研发速度快，对市场需求反应十分灵敏，每年 都推出一批具有时代气息和自主知识产权的新品，并迅速申请专利，抢占市场。 ( 4 ) 工艺装备先进、工艺水平高，生产线上的装备数控化率高、生产效率 高。产品质量稳定。 ( 5 ) 拥有先进的检测仪器和产品性能试验设备，为批量生产的产品和新产 南京理工人学颁： ：学位论文 丝枉磨削在线动态测量系统分析与设计 品的研发提供品质保证，用检测数据和性能对比曲线取信用户。 ( 6 ) 不但能向用户提供所需硬件商品，还可为用户提供解决方案的软件服 务。 进入2 l 世纪，海外知名企业都紧跟时代发展的潮流和主机发展的方向，滚 动功能部件产品正沿着高速、精密、重载、复合化、智能化。环保化方向发展。 例如，最近几年开发并推向市场的新产品有：空心强冷。线速度8 0 一1 2 0 r r d m i n 加速度l 1 5 9 的高速精密滚珠丝杠副；滚珠丝杠、滚珠花键、滚动直线导轨一 体化的传动装置；对滚珠丝杠和螺母同时实施强冷的低温高速滚珠丝杠副：自润 式、免维修绿色产品等等。 随着中国加入w t o ，竞争环境进一步严峻。但是，只要我们抓住机遇，加 速新产品开发，加快机制转换，提高竞争水平，国产螺纹磨床必会占领市场一席 之地。 在提高国产螺纹磨床竞争水平的方法中，对现有的普通螺纹磨床进行改造， 实现数控化是一条很有效的方法。而在数控改造的过程中，测定数控系统的位置 和速度，发送反馈信号给c n c ( 计算机数控) 装置构成闭环控制的测量系统则是重 要的一环，需要格外注意 1 q 。 1 4 论文选题的背景 1 4 i 课题来源及所属领域 螺纹磨床在线自动补偿磨削系统的研制属机电一体化研究领域，本课题 是源于工程实际项目“汉江机床厂昆山分厂s - 7 4 2 0 螺纹磨床在线自动补偿磨削 系统”，针对厂方的要求，结合精密测量技术的发展，对原有的螺纹磨床的测量 及控制系统进干亍合理化设计与改造，使得改造后的机床能实现在线自动补偿功 能，从而提高滚珠丝杠和梯形丝杠的精度，大大提高滚珠丝杠的生产效率。 1 4 2 课题的理论意义和实际应用价值 在许多机床、机构和量仪中，丝杠副驱动系统常常是确定线性位移精度的主 要因素，是线性定位精度的基础，随着机床工业的迅速发展，对丝杠的精度要求 越来越高，通常，精磨工序是精密丝杠最终加工工序，对丝杠精度起作决定性的 作用，而螺纹磨床是淬硬螺纹精加工的主要方法之一，螺纹磨床的加工精度直接 影响丝杠的加工质量，直接关系到丝杠产品的市场定位，因此通过对螺纹磨床的 南京理工大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 改造可大大提高丝杠的加工精度。在此系统研究中，将采用误差补偿技术，预测 出加工误差并进行实时补偿，以提高加工精度。 由于国内的普通螺纹磨床用量很大，部存在技术改造和升级问题。如果该系 统研制成功，可为本行业树立一面旗帜，就可以为其他很多厂家进行技术革新， 承担改造任务，可带来可观的直接经济效益，市场前景一片广阔，并能为国家节 省大量外汇。 1 5 论文研究内容 螺纹磨床动态测量与补偿系统中，其核心的补偿算法的依据是： 丝杠磨削过程中，加工出来的实际螺旋线轨迹与理论螺旋线轨迹有一个差 值，这个差值即为螺旋线误差。由于磨削是连续过程，因此，螺旋线误差也是连 续变化的，连续取样点之间的螺旋线误差必然有一定的关系。根据前面n 个取样 点的螺旋线误差，预报下一个点的螺旋线误差也是合理的。根据预报的值调整电 机转速，使得实际磨削出的螺旋线趋近于理论螺旋线，从而提高加工精度。 本测量系统的任务是取样，采集所需数据，并对数据迸行误差修正，尽量减 少温度等对数据的影响，准确计算出各个取样点的行程误差，送到预报程序，为 实时预报提供必要的数据。并在加工完成后在线测量丝杠的加工精度，减少丝杠 上下机床的次数。 本课题的主要工作有： ( 1 ) 参与整个“丝杠在线磨削补偿系统”方案的论证，设计： ( 2 ) 采用高精度的光栅、旋转编码器作为主要测量元件，高速记数卡采集 数据信号，设计数据采集系统： ( 3 ) 讨论滚珠丝杠的验收条件和和检验标准及丝杠误差计算和精度判别的 方法，设计丝杠副导程误差计算及其精度分析软件： ( 4 ) 针对磨削过程中，温度对丝杠加工精度影响很大的现象，建立丝杠热 变形模型，并加以简化； ( 5 ) 对丝杠副误差来源进行分析讨论，并初步探讨动态测量误差的分离与修 正； ( 6 ) 丝杠磨削动态测量系统中的硬件和软件设计应用模块化设计思想，以 缩短设计周期，提高仪器可靠性和维护性。 1 6 论文结构 第一章绪论部分，介绍动态测量的概念，滚珠丝杠的发展及其最终加工工 8 南京理工大学硕：上学位论文丝杠蘑削在线动态测量系统分析与设计 具螺纹磨床的国内外情况。 第二章介绍整个测量系统的总体结构和传感器的选择。 第三章介绍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。 第四章分析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。 第五章分析温度在丝杠加工过程中的影响，在相关理论的基础上，建立了 丝杠加工过程中的温度变化模型和热变形模型。 第六章介绍动态测量误差分离和修正的相关理论，并将该理论运用于本测 量系统，完成了一定的系统误差补偿。 第七章对论文进行总结以及对以后的研究方向作展望。 1 7 本章小结 本章对关键词动态测量、滚珠丝杠进行了简单介绍，分析了制造高精度丝杠 的紧迫性以及国内外丝杠加工的发展方向，同时也分析了国内外丝杠的加工的差 距。由于我国的设备较为陈旧，为了充分利用现有资源，节约资金，改造普通螺 纹磨床，提高其加工精度则成了当前一重大攻关课题。针对其改造，提出本课题 的测量系统的相关问题。 南京理工人学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 2 总体设计 2 1 系统概述 2 1 1s 7 4 2 0 丝杠磨床补偿系统简介 本次改造的对象s 一7 4 2 0 丝杠磨床属于早期产品，控制加工精度的主要方法 是机械校正尺方法。 所谓机械校正尺方法，即由于机床使用要磨损、零件受热要变形，因此靠机 床原有的精度来加工搞精度的滚珠丝杠是困难的，为了减少机床传动误差和温度 变化对滚珠丝杠加工精度的影响，在机床上许附设一个校正尺来提高机床的加工 精度。通过校正尺使最终传动件( 如母丝杆螺母副) 获得一定的附加运动，来校 正各种误差对工件螺距精度的影响i ”】。 校正尺根据螺距误差做成曲线形状和倾斜一角度；通过杠杆使机床的螺母相 对于丝杆作微量的附加转动，从而校正工件螺距累积误差和相邻误差。 幽2 i 校正尺法示意图 图2 1 是s a 7 5 1 2 螺纹磨床校正机构示意图。运动由螺距挂轮传动给丝杆， 由于螺母轴向固定在床身上，故丝杆旋转时，带动工作台同校正尺作纵向移动。 当校正工件螺距累积误差时，将校正尺倾斜个p 角，校正尺移动时，触头在校 正尺的工作表面移动，使螺母产生微量的转动，工作台连同工件纵向移动时便获 得附加运动( 增加或减少) 。 校正工件螺距相邻误差时，校正尺工作表面根据相邻误差和杠杆比挫修成高 低不平的曲线，工作台和校正尺移动时，杠杆时升时降，使螺母产生微量附加转 动。 南京理丁大学硕士学位论文丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 根据被磨工件的螺距累积误差和相邻误差曲线，按放大比画出校正曲线( 如 图2 2 ) ，然后把画好的校正曲线贴在校正尺( 用有机玻璃做，既耐磨又易挫) 上， 挫修到所需要的尺寸。 工件 点 图2 2 校正尺螺距误差校正曲线 可以看出，这种校正尺方法，没有对己加工部分的精度测量，也没有加工误 差的反馈控制，属于开环控制。而且这种对校正尺的操作是磨床工人凭借自己长 期的加工经验来完成的，因此，工人的熟练程度对于丝杠的加工精度影响很大， 不利于大批量高精度生产。 因此，本丝杠磨床在线磨削补偿系统采用了反馈控制，引入了丝杠的在线动 态测量系统。 2 i 2 系统设计特点 由于本测量系统是整个磨削补偿系统的一部分，因此，其最大的特点在于测 量是动态的，即动态测量。测量的对象( 采样点) 是随着加工过程不断变化的， 测量的环境也是不断变化的( 由于丝杠磨削过程中，磨削生热，被加工丝杠的温 度是在不断变化的，丝杠长度也是不断变化的) ，因此，每次测量都不一样，具 有一定的随机性。 本系统与丝杠动态测量仪有很多相似之处，但又有些区别。普通的丝杠动态 测量仪是用于丝杠加工完毕，在计量室里冷却至室温2 0 。c t ，对丝杠精度动态 南京理工大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 进行测量。本系统的测量是在丝杠加工过程中。因此，有四个方面需要注意： 1 ) 随着丝杠的加工，实际行程偏差拟合线是不断变化的，需要不断计算。 2 ) 采集数据时，丝杠温度不是国标规定的测量温度2 0 。c ，而是随着加工过 程逐渐上升的，在计算行程精度的四大指标e a ( 有效行程内平均行程偏差) 、 v u ( 有效行程内行程变动量) 、v 3 0 0 ( 任意3 0 0 m m 行程内行程变动量) 、v 2 ( 2 弧度内行程变动量) ，要注意换算消除掉热变形 3 ) 由于磨削热的原因，丝杠长度不断变化，对测量有一定影响，需要注意。 4 ) 实时性问题。丝杠的加工是连续过程，采样完以后，在计算所需数据时， 耗时不能太多，要给下一步的预报和补偿留有足够的时间。这尤其是在编程中需 耍注意的。 2 1 3 系统基本工作原理 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2 3 给出了测量丝杠螺旋线误差的示意刚1 4 】。 z l 1 厂 i 占一 一 2 n 图2 3 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 式中 z 测量头沿丝杠轴线方向的行程 丁为被测丝杠的导程 目为被测丝杠转过的角度 2 ) 系统基本测量原理简图如图( 2 4 ) 所示。 e ( 2 1 ) 南京理工大学硕士学位论文丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 1 、旋转编码器 2 、被测丝杠3 、螺母 4 、螺母小车 5 、螺母小车带动头6 、测量头 7 、光栅读数头 8 、砂轮 9 、温度测量点l o 、长光栅 】1 、尾架补偿测量仪 图2 4 系统基本补偿原理图 系统测量工作原理介绍如下： 长光栅测量丝杠工件的轴向实际行程：伺服电机驱动器的旋转编码盘测量电 机的旋转角度，作为丝杠精度测量的基准；温度和尾架的测量用来补偿丝杠加工 过程中丝杠的热变形：丝杠工件由采用交流伺服电动机作为驱动装置，由运动控 制器控制其运行，并可以做到无级调速，经过机械传动装置带动主轴及被测丝杠 转动。 丝杠的加工数据经采样和修正后，计算出加工误差，送入实时预报控制系统， 由该系统预报出下一加工点的加工误差，并判断是否要补偿。如果需要补偿，则 送出补偿数据到伺服电机，由其执行加工补偿。 3 ) 系统布局图 商京理工大学顺士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分斩与发t 4 ) 测量系统软件模块图 图2 5 系统布局图 南京理工大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 图2 6 测量系统软件模块图 南京理t 大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 2 2 系统选件 2 2 1 测量元件简介 4 0 多年来世界各国都在致力于发展位置数字测量，研究开发新型的测量元 件和信息处理技术，到目前为止人们所公认并已得到广泛应用的位置测量技术是 光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅和激光，其产品开始应用年代和代表厂商 如表2 1 所示。 表2 1 六种位置测量技术 序号测量技术名称产品开发应用年代代表厂商 1 感应同步器5 0 年代美国f a r r a n d 2 光栅6 0 年代德国h e i d e n h a i n 3磁栅6 0 年代日本s c i n y 4 容栅7 0 年代瑞士t r i m o s 5 球栅7 0 年代英国n e w a l l 6 激光7 0 年代美国h p 目前常用的光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅和激光测量系统的信号周 期( 或节距) 、分辨率和准确度如表2 2 所示。容栅线位移传感器测量长度小于1 m ， 钢带光栅尺测量长度可以到3 0 m 。由于光栅传感器的栅距( 信号周期) l l 其他四种 ( 激光除外) 都小因此光栅测量系统的精度要比其他四种高。 表2 , 2数控机床和测量机常用的检测系统精度 序号测量系统名称信号周期( 或节距)分辨率 准确度 1 光栅 2 0pm0 iu m 2um 2 感应同步器2 0 0 0u l n5um2 0 u m 3 磁栅2 0 0u m1um】0u m 4 容栅5 0 m1 0 um 】0 m 5 球栅1 2 7um5um3 0 “m 6激光h e n e = o 6 3 2 8u m ，1 6 机床的测量系统也是一个不断演变和发展的过程。回顾历史，我们可以清楚 地看到这样一根主线( 表2 3 ) 。 6 南京理工大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 表2 3 机床测量系统演变和发展过程 2 0 世纪5 0 8 0 年代 年代较早的机床2 0 世纪8 0 年代以后的机床当代机床 的机床 主导测量 表盘、 光栅尺、磁栅尺、球掘尺、 同步感应器为主导光栅尺 系统刻度盘同步感应尺等多种形式并存 可见，高精度、高切削速度的数控机床中多采用光栅测量系统。 但在本文中也会对同一检测信号提出不同的检测方法，比较其优劣，以便厂 家选择。 2 2 2 长度信号检测 方案一：采用双频激光干涉检测 双频激光干涉仪以交变信号作为参考信号，可避免零点漂移，有较强的抗干 扰能力，可在现场使用。测量长度可达6 0 m 左右。此外，如配以简单的附件， 还可对角度、直线度等进行测量。 双频激光干涉仪的最小分辨率为o 0 8pm ，最大位移速度为3 0 0 m m s ，其测 量精度已达1 1 0 。7 l ( l 为被测长度) 。 方案二：采用光栅检测 光栅测量系统的长处是性能稳定、可靠性好、精度高、测量范围大、使用方 便、价格适中。和其他测量系统相比有着明显的优势。在当今国际市场上光栅测 量系统要占到8 0 以上。目前光栅测量系统的测量步距已达1 m ( 0 0 0 1um ) ，准 确度达到o 5 um ，测量长度已达3 0 m ，最大移动速度已达4 8 0 m r a i n ，最大加 速度己达2 5 0 m s 2 ，最大传输距离达1 5 0 m 。 方案比较： 由予双频激光干涉仪的检测精度受环境波动的影响很大。对昆山厂的检测车 间的实地考察发现，其车间内人员流动大，造成环境温度波动过大，另外，空气 中油雾密度过大，这些都能造成空气折射率的变化，影响激光的标准波长，从而 直接影响检测精度。考虑到昆山厂检测车间的检测环境已固定，不可能有很大的 改善，故建议选用对环境要求相对较低的长光栅作为位移检测部件。另外，由于 昆山厂曾经使用过德国h e i d e n h a i n 公司生产的长光栅，对其性能、质量表示 认同，故按厂方要求采用方案二。 选用德国h e i d e n h a i n 公司生产的长光栅( 如图2 6 ) ，型号为l s l 0 6 c ，重 要相关参数如下：测量长度1 5 4 0 m m ，刻度周期2 0 p m ，长度热膨胀系数8 p p m k ， 南京理工大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 最大位移速度1 2 0 m m i n ，输出信号周期1 v p p 2 0um ，标尺中间有一个参 考标记。 图2 6 长光栅外观图 对光栅输出信号的检测采用德国h e i d e n h a i n 公司配套生产的计数卡( 如 图2 7 ) 。型号为i k2 2 0 ，它是一种基于p c i 总线的p c 板卡，提供两路计数通道， 内置4 0 9 6 倍频电子细分，为信号的检测提供了方便、可靠的实现方式。 2 2 。3 角度信号检测 图2 7 计数卡外观图 方案一：单独采用磁栅测量 选用德国h e i d e n h a i n 公司生产的圆磁栅，型号为e r m2 8 0 ，重要相关参 数如下：刻线数为1 4 0 0 线周，最高转速1 0 0 0 0 转分，输出信号i v p p ，一 个参考标记本实验室在以前的工程中曾经使用过该元件，从使用效果来看，情 况良好，因此可以在本系统中也采用该检测方式。 方案二：采用伺服控制系统的旋转编码盘测量 由于整个丝杠磨床在线磨削补偿系统在运动执行部件中采用了伺服电机控 制系统，因此，可以通过其附带的旋转编码盘测出电机输出轴的角度变化，即丝 杠的角度信号。本系统旋转编码器的参数为：脉冲数2 5 0 0 p r ，l l 线。 南京理- t 大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分折与设计 本。 图2 8 旋转编码器示意图 在本系统中，采用方案二，因为该方案可以省去专用角度检测元件。降低成 2 2 4 温度信号检测 丝杠磨削过程中，机床、工件温度都会上升，影响加工精度，有必要对其进 行检测并在测量数据中加以处理。 对于机床温度，采用热敏电阻置于床身，直接测量其温度。 对于工件丝杠，能测量工件与砂轮接触面的温度，那是最理想的，然而不论 哪种切削加工，都被砂轮与工件所遮盖，传统的测量磨削温度的方法是在工件或 砂轮中埋置热电偶，但在实际生产中，可说没有哪种工件可以允许在其中或砂轮 中埋置热电偶，这种方法只适用于实验室，不适用于生产条件。因此只好采用磨 屑辐射热作为信号源，用红外探测器拾取信号，可检测性好。红外探测器所拾取 信号经采样，a d 转换，输入数据处理及状态识别系统【j ”。磨削时，磨屑热辐 射流以锥形方式放射出来，并形成火花流在接触面的切线方向密度最大，远离切 线方向愈稀疏( 图2 9 ) 。 仪器共有8 个温度测量点，分别检测环境温度( 3 点) 、丝杠工件磨削处温 度( 红外测量1 点) 、床身温度( 2 点) 、工件温度( 2 点) 。 测量点分布如图( 2 1 0 ) 所示。 所有的温度测量点都由计算机直接采样监控，实时温度显示在显视器上，分 为三个部分，分别为被测工件( 丝杠) 温度、床身温度、环境温度，每一个显示 的温度值为其相关测量点温度的平均值。 9 南京理工大学硕士学位论文丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 y 、| 、a 躺】 k 6 一 渺一 _ _ 一 涓量点面 ji t _ 一 i 小 ： 。， ， ： 图2 9 磨削辐射热信号采集 在水平面 耔 t l 、t 2 工件 t 4 、t 5 床身 t 3 磨削处 t 6 、t 7 、t 8 环境温度 图2 1 0 温度检测点分布示意图 2 2 5 尾架补偿信号检测 它由尾光栅和尾光栅处理仪表组成，型号分别为k d 1 0 2 、k g 1 0 2 a ，其量 程为1 0 毫米，精度为0 5 微米，分辨率为0 1 微米。尾光栅处理仪表通过r s 2 3 2 串行口和工控机进行数据交换，向工控机反馈实时检测值。 2 3 本章小结 本章首先介绍了s - 7 4 2 0 的补偿方法校正尺法，分析了下其需要改进 2 0 南京理工大学硕士学位论文丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 之处。由于校正尺法属于开环控制，因此有必要引入反馈控制系统。作为该控制 系统的一部分测量子系统，由于工作环境的特点，决定了其必然会受到各种 因素的影响。其中，作为一个很大的影响源温度，有必要进行测量补偿。然 后针对丝杠精度测量的特点，设计了四路信号采集，并分别选取了传感器，组成 了测量系统。 南京理工大学硕士学位论文 丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计 3 丝杠精度检测 丝杠副是把主动件的圆周上角位移转换成从动件的轴向线位移，并满足角位 移与线位移的关系为一常数的要求，而上述要求靠丝杠的螺旋面精度来保证，其 中起决定作用的是丝杠的螺旋线精度，因此在j b2 8 8 6 9 2 中把丝杠的螺旋线轴 向公差作为主要指标。 重新修订的j b t1 7 5 8 7 3 1 9 9 8 等效采用了对应的i s o 标准3 4 0 8 3 ：1 9 9 2 ， 在行程精度方面达到了国际先进水平，在表达方式上采用对行程误差曲线的回归 线进行直线性和方向性的控制，推荐采用最小二乘法求回归系数，用行程精度的 四大指标e ( 有效行程内平均行程偏差) 、v u ( 有效行程内行程变动量) 来反映渐 进性误差，v 3 0 0 ( 任意3 0 0 m m 行程内行程变动量) 反映长周期误差、v 2 ( 2 弧 度内行程变动量) 反映短周期误差【1 “。 3 。1 常用丝杠检测方法 丝杠的测量分为静态测量和动态测量。 静态测量指在测量过程中丝杠不动，沿丝杠同一截面逐牙测量的方法。静态 测量所用的仪器种类主要有万能工具显微镜，万能测长机和静态丝杠检查仪。静 态测量的测