（机械工程专业论文）丝杠副动态误差检测与分析的研究.pdf

南衷理丁大学t 程硕学位论文丝孝t 副曲砉误差玲铡j 分析的研究 摘要 本课题结合工程实际项目“滚珠丝杠动态测试系统的改造研制”，采用模块化 硬件和软件重新设计了测量及控制系统，用于丝杠综合导程误差及精度的动态测 量，使其适应现代化生产质量检验、控制与管理的要求。 本文采用同步位移绝对值比较的原理进行丝杠的动态测量。 对测量仪的主轴控制系统改造选用运动控制器件作为伺服电机系统控制器，可 方便地实现对伺服电机的控制。 在滚珠丝杠副的误差评定中，采用最1 b - - 乘法原理求回归系数，行程变动量的 求取采用了一种高速高精度的优化算法缩短了运算时间。 本文对丝杠副行程误差产生的原因进行了探讨分析，给出了误差源分析的方法 及实现的途径，利用频谱分析法、转位分析法及模糊逻辑诊断对各项误差进行诊断 研究。 开发了测量控制系统的软 牛，实现了测量的过程自动化，智能化。 关键词：滚珠丝杠，导程误差，动态测量，误差评定 南京理t 夫学t 捍硕t 学位论文 棼打副动态误荤榆测j 分析的研究 a b s t r a c t i nc o n n e c t i o nw i t ht h ep r o j e c t t e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o no nb a l ls c r e wd y n a m i c m e a s u r i n gs y s t e m ”，t h er e s e a r c hw o r kr e d e s i g n st h em e a s u r i n g a n dc o n t r o l l i n g s y s t e mw i t hm o d u l a r i z e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ed y n a m i cm e a s u r e m e n to ft h r e a d b a ri n t e g r a t i v ee d u c i n gd i s t a n c et o l e r a n c ea n dp r e c i s i o nt om a k ei ta d a p tt ot h ed e m a n d o f q u a l i t yi n s p e c t i o n ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n ti nm o d e r n i z e dp r o d u c t i o n t h ea u t h o rc a r r i e so u tt h ed y n a m i cm e a s u r i n go fb a l ls c r e w se m p l o y i n gt h e p r i n c i p l eo f c o m p a r i n gt h ea b s o l u t ev a l u e so f s y n c h r o n o u sd i s p l a c e m e n t s t h es p e e d c o n t r o lm o d eo fa cs e r v om o t o ri sa p p l i e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e p r i n c i p a la x i sa n dam o t i o nc o n t r o l l e ri sc h o s e na st h ec o n t r o l l e ro fs e r v os y s t e m ，s ot h a t i t sc o n v e n i e n tt or e a l i z et h ec o n t r o lo f s e r v om o t o r i ne r r o re v a l u a t i o no fb a l ls c r e w , l e a s ts q u a r em e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t e r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t ah i g hs p e e dc o m p u t a t i o n a lm e t h e di sp r e s e n t e dt oc o m p u t e e v a l u a t i n gi n d e xo fl e a dp r e c i s i o no fb a l l s c r e wp a i r , w h i c ha l s ep r o v i d eah i g h c o m p u t i n gp r e c i s i o n t h ee r r o rs o u r c eo fs c r e wp a i ra r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d ，m u l t i p ll e v e r 戢 r e r s e p a r e t i o ni sr e a l i z e dt od y n a m i ce r r e rd a t ao fl e a ds c r e w s p e c t r a l a n a l y s i s ，p h a s e t r a n s f o r m ，f u z z yl o g i cd i a g n o s i si sa d o p t e dt od i a g n o s et h ec i t e ro fs c r e w t h es o f t w a r eo fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dw h i c hm a k e s m e a s u r i n gp r o c e s sc o m p l e t e da u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l y k e y w o r d s ：b a l ls c r e w l e a de l t o r d ”a m i cm e a s u r i n g e r r o re v a l u a t i o n 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：村年，o 月鲫日 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：亘! 兰叁泖年，。月帅日 南京理工大学t 程硕卜学位论文丝丰1 剖动备误葺椅捌j 分析的研究 1 绪论 1 , 1 引言 滚珠丝杠副是一种高精度、高效率的传动机构，在滚珠丝杠副中以滚动来代替 普通丝杠副的滑动，传动效率可以提高到9 0 * o p a 上 4 1 。运用高精度螺纹磨床及其他 先进的加工方法和技术途径，使滚珠幺幺杠的精度越来越高。滚珠丝杠与螺母之日j 的 轴向f 日j 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，同时还具育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，具有良好的埘磨性，因而使用寿命较长。 滚珠丝杠副具有其特殊的特性和优点，目前已成为现代机械传动中应用最广的 传动和定位元件之一。在一些工业发达国家如美国、法国、同本、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 副就成功地应用于数控机床上，随之又应用于汽车、航空和制造业中，目前，随着 制造业的不断发展，滚珠丝杠副得到越来越广泛的应用。在我国，陕西汉江机床有 限公司、北京机床研究所、南京工艺装备制造厂等单位，已经进行了系列化的批量 生厂，可以为国内外用户提供不同规格的滚珠丝杠副【2 9 l 。 由于滚珠丝杠具有众多的优点，滚珠丝杠的应用日益广泛。随着我国工业的飞 速发展，滚珠丝杠产量的增加，以及对高精度丝杠的需求扩大，先进便捷的检测手 段成了生产中提高滚珠丝杠质量和产量的可靠保证 5 1 。 1 2 丝杠动态测量系统的国i 孟j # 1 - 研究现状 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。目前，常规的丝杠检测主要有动念测适和静念测量二种方法唧。动态j 9 5 l l 量比传 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 2 s l 。因此，在一些大批量、规模化丝杠系列化的生产安装调试场 合，动态测量已经成为丝杠检测的主要手段。 传统的动态测量方法是由传感器或某些仪表获得信息，再由号门制造的动态测 量仪对信号进行分析处理而获得有限信息来完成的。早期的丝杠动态测量，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较结果，然后由记录仪画出丝杠 的误差曲线。这种动态测阜仪由于受技术条件的限制，尤其是电子技术的制约，其 南京理t 大学t 程碗卜学位论文丝轧副动卷误差椅测0 分析的研究 关键部件一相位计大都由分立元件构成，集成度低，功能单一，自动化程度低， 故障率较高等缺点 8 1 。虽然有些产品采用了厚膜电路和小规模集成电路构成相位计， 使仪器的性能指标有所改进。但从宏观上看仍然沿用早期测量仪的工作模式。 随着电子技术，特别是计算机技术的飞速发展，以计算机为中心的现代检测系 统，采用数据采集系统与传感器相结合的方式，能最大限度地完成检测工作的全过 程。它既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理而获得有用信息。这 就使制造出新型的丝杠动态测量仪在技术上有了保证。动态测量仪虽然在测量原理 上没有新的突破，但在技术实施方案上有了重大的发展。这一时期的动态测量仪圆 周方向上基本部采用高精度圆光栅作为测量基准，长度方向上有些采用高精度光栅 ( 或磁栅) 尺来作为长度基准，也有些采用单频激光或双频激光作为长度基准。而 传统的相位计大都由单板机( 工业控制机) 取代【2 9 1 。 目前，随着全球制造业的不断发展，制造业对我国经济起着举足轻重的作用， 2 l 世纪世界制造业的中心正向中国转移，我国制造业面临着机遇和挑战。2 1 世纪 初机械工程科学发展的总趋势之一是数字、智能化和柔性、集成化。在我国滚珠丝 杠副得到越柬越广泛的应用，滚珠丝杠产量不断增加，对高精度丝杠的需求不断扩 大，对滚珠丝杠精度检测的要求也越束越高。传统的丝杠动态测量仪器由于受技术 条件的限制，测量精度受到限制，测量效率明显偏低，已大大影响了滚珠丝杠的发 展。 近年来，丝杠动念测量仪的丌发和应用，不论在自动化程度上或仪器的无故障 率上都有了很大的提高。激光技术和计算机技术的应用，大大促进了动念检测技术 的迸一步提高。在技术方法上，由于采用了计算机技术，用数字比相技术来代替传 统的模拟比相技术，使仪器的测量精度和抗干扰性能有了进一步的提高。 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、智能化技术、柔性测试、计算机辅助测试等得到了广泛的应 用。仪器与计算机技术的深层次结合，可以十分方便的将多种检测功能集于一体， 形成多功能的集成仪器。利用这种集成仪器的通用硬件平台，调用不同的检测软件， 即可以构成不同的仪器。丝杠动态测试的研究开发也向高精度、快速化、智能化、 模块化的方向发展p o j 当i i 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 3 l 】： ( 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。同一台测量仪可测量多种类型的丝杠，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 2 南京理t 大学t 狸硕t 学位论文 鲐辛t 副动态诶荤拎测j 分析的研究 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。 1 3 丝杠动态测量仪设计应遵循的原则及测量方法 1 3 1 丝杠动态测量仪设计应遵循的原则 设计该类仪器的指导思想是：分析研究国内有关资料，结合使用条件，拟定最 经济的方案，最大限度地满足生产实际对该仪器所提出的静奁精度、动态精度、可 靠性、效率、寿命、操作方式等功能方面的要求。在拟定仪器设计方案时，应满足 下列具体要求； ( 1 ) 经济性要求设计仪器应采用最简单的方案来满足所提出的功能要求， 方案越简单，意味着使用零件越少，元件越少，可靠性越高，成本越低等。则此方 案便是最经济的方案。 ( 2 ) 精度要求根据仪器及滚珠丝杠的测量条件，选用相应的静态精度和动 态精度的各项指标。仪器的精度应根据生产实际中被测对象的精度要求来确定。 ( 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 不仅缩短了测量时日j ，而且减少了温度变化对测量精度的影响。提高了测量效率和 测量精度。 ( 4 ) 可靠性要求是指测量仪器在一定的时间内和条件下，不出故障地发挥其 固定功能的概率。一台仪器的精度无论多高，功能如何齐全，若可靠性达不到要求， 则该仪器就没有使用价值。 ( 5 ) 寿命要求在设计中应注意考虑提高测量仪器寿命的方法，尽量采用高 集成度的模块化部件，各单元尽可能采用技术成熟可靠性高的元件。 1 3 2 丝杠动态测量方法 丝杠的测量方法分为静态测量和动态测量。 静态测量是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力j 能工具显微镜，力能测长机和静态丝杠检查仪。与动 态测量方法比较，静态测量的测量精度低，效率低，劳动强度大，适用于单位小批 量生产及测量精度不太高的丝杠。 动态测量是指丝杠在回转中连续测量丝杠螺距误差和螺旋线误差，并自动记录 误差值。与静态测蕈相比，动态测量具有测量精度高、测量速度快、劳动强度低、 南京理t 大学t 程硕l 学位论文丝打副动态误尊柃测1j 分析的研究 检测自动化程度高等优点，适用于成批生产及精度要求较高的丝杠。 目前，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合，一般都采用动 态测量。 1 3 2 1 丝杠动态测量的基本原理 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比较的方 法来求得被测丝杠的螺旋线误差【3 3 】。图i 3 2 1 给出了测量丝杠螺旋线误差的示意 图。 z i 1 刁j 肜一 2 x r ， 图1 3 2 1丝杠螺旋线误筹图 根掘此原理，可以用下式求得螺旋线误差： 式中 ：z 一旦r 2 万 z 一测量头沿丝杠轴线方向的行程； t - 被测丝杠的导程； 旺被测丝杠转过的角度。 1 3 2 2 丝杠的动态测量方法 e ( 1 3 2 1 ) 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，丝杠动态测量的数据采集技术不断成 熟。传统的动态测量方法从误差信号采集的角度可分为以下三种f 3 3 】。 ( 1 ) 与标准丝杠连续比对法 与标准丝杠连续比对测量丝杠的仪器通常称为丝杠导程仪，是测量丝杠螺旋线 误差的专用仪器。这类仪器通过机械方法指示孜测丝杠相对标准丝杠的误差，虽结 构简单操作方便，但测量精度受标准丝杠精度的限制，且被测丝杠与标准丝杠螺距 4 南京理丁大学丁程硕i 学位论文 錾柯副动态误茸柃删分析的研究 必须相同，只能适用于精度要求不高，单一品种大批量生产的测量。 ( 2 ) 比相法 这是一种在丝杠动态测量中运用较广的方法。比相法的基本工作原理如图 1 3 2 2 所示。 图1 3 2 2 比相法测阜原理示意图 从图中可以看出：丝杠的作用是将角位移转化为直线位移，因此对丝杠的测量 都足基于圆分度的长度测量。测垦丝杠角度位移的基准件有圆光栅，圆磁栅等，测 量轴向长度位移的基准件有磁栅尺，光栅尺，激光光波波长等。 比相法测量时，是将丝杠转动的圆周基准信号和轴向直线位移基准信号分别进 行不同的分频，使两路信号在系统匀速运行和丝杠误差为零的条件下成为同频率信 号，将分频后的两路信号的时问日j 隔作为采样周期，两信号相位差应保持不变，实 际相位差对应于初始相位差的误差反映了被测丝杠的导程误差。 传统的比相法采用分立元件构成的比相器进行模拟式比相，存在可靠性差、分 辨率不高，信号难以保持的缺点。随着电子技术的飞速发展，现代计算机的应用使 数字比相代替模拟比相，实现了大量程，高分辨率的测量，并取得高精度的结果【3 8 l 。 ( 3 ) 记数法 记数法是丝杠上角位移信号每转一周产生n 个角位移脉冲信号，开始测量时轴 向位移信号与角位移脉冲信号同时到达，当丝杠转过聊个角位移脉冲信号后，即转 过m n 转，测量头位移为m p i c n ( p h 为导程) ，若轴向位移信号脉冲波距为九，位 移信号脉冲应有l = m p h n 个，轴向位移实际脉冲个数为，| ，则误差为p ：( ，l - ) 九。 这样以圆周为角度基准信号，测头轴向位移信号为输入，即可测得丝杠导程误差。 南京理t 人学t 稃硕卜学位论史丝打睁j 动各谋荤十争测j 分析的研究 记数法的基本工作原理如图1 3 2 3 所示。 图1 3 2 ，3计数法测量原理示意图 本文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位移信号，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送给计算机系统，由相应的软件将信号转换为 位移量，通过计算机的实时处理计算出丝杠误差值。 上述检测原理如图1 3 2 4 所示，记数卡通过p c i 总线与计算机连接。 图1 3 2 4同步何移绝对值比较原理示意图 1 4 丝杠动态测量的实践意义 这里以丝杠动态测量技术对丝杠加工机床调整的指导作用，简单阐述丝杠动态 测量的实践意义。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 性误差的调整，在生产实践中一般有以下几种情况。 ( 1 ) 当丝杠周期性误差从头架端到尾架为逐牙减少时，主要原因足机床头架 主轴正摆和磨削时夹头的伸出部分被拨盘螺钉夹的过紧所引起的。尤其是工件头架 6 南京理t 大学t 程硕 学位论文丝卡r 副动态误差柃捌j 分析的研究 主轴是活顶尖的螺纹加工机床，周期误差多为这种分布规律。这样可以通过调整工 件主轴的振摆来减少周期性误差。 ( 2 ) 当丝杠周期性误差从头架到尾架足均匀分布并以丝杠一转为周期时，这 种周期误差分布的原因主要是头架主轴的轴向窜动造成的，这种情况下应调整机床 头架主轴的轴向窜动。 ( 3 ) 当丝杠周期性误差从头架到尾架为逐齿增加时，主要原因是由于工件丝 杠尾端顶尖孔尖被破坏了，可通过修磨顶尖减小此项误差。 ( 4 ) 当丝杠周期性误差是多次谐波叠加时，可以发现是工件主轴系统及挂轮 系统造成的误差。 ( 5 ) 当丝杠周期性误差不是按被测丝杠导程周期出现而足按加工母丝杠的旋 转周期出现时，这种周期误差主要是由母丝杠的轴向窜动、丝杠本身的周期误差和 装在母丝杠上转轮系的齿轮偏心造成的。 从上述情况可见：滚珠丝杠副动态误差检测与分析的研究对于丝杠加工生产具 有重要的指导作用，对改善丝杠加工精度，提高产品精度等级具有重大意义，同时 也具有良好的工程价值。 1 5 课题研究背景 1 5 1 课题来源 论文选题以“丝杠动态测量系统”实际科研项目为研究背景，应用先进的精密测 量技术，采用模块化硬件和软件重新设计测量和控制系统，使其提高检测效率，操 作性更强，性能更加稳定可靠，并能适应工厂现代化生产质量检验、控制与管理的 要求，同时能符合i s o 、g b 或行业标准的要求。课题源于工程实际需要，属于先 进检测技术领域。 1 5 2 改造设计方案 在分折丝杠动态测量仪功能、结构、系统、操作基础上，对测量仪的具体情况 提出改进没计方案，保留原有设计效果好的部分，对测量的数据采集系统和控制系 统进行设计研究。 根据丝杠动态测量的实际情况，拟对原有的测量系统作如下几方面改造： ( 1 ) 将激光测长部分改造为长光栅测量，选用德国h e i d d e n h a i n 公司 l s l 8 6 ，4 0 0 3 0 4 0 m m 长光栅。 ( 2 ) 完成测量系统主轴控制系统的设计，选用合适的驱动电机及运动控制方 南京理t 大学t 捍硕 学位论文丝中f 副功态误等柃_ ；勇j j 分析的研究 式，以满足测量系统对主轴的要求。 ( 3 ) 圆光栅原为上海水平仪器厂和上海科大研制的，规格为2 1 6 0 0 条，周。电 气化部分性能老化，改为选用德国h e i d d e n h a i n 公司的圆磁栅系统。 ( 4 ) 在系统控制方面，实现测量仪系统状态运行控制和控制面板的操作。 ( 5 ) 通过对比多种丝杠导程精度的计算方法，选择高效率、高精度的算法， 完成丝杠导程精度的计算。 ( 6 ) 全系统改造后，用计算机进行全面的控制与检测，在数据报表的输出上 与g b 及i s o 标准接轨，且操作方便。系统软件确保界面友好，操作简洁方便，最 大限度地实现计算机辅助的设备控制和管理。 1 6 本论文的研究内容及论文结构 1 6 1 论文研究的内容 本论文主要主要完成以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 探讨丝杠动态测量方法，针对本课题实际情况选择合适的测量方法，并 选择对应的系统配置。 ( 2 ) 采用高精度的光栅、磁栅传感器作为主要的测量元件，高速计数卡采集 数据信号，设计数据采集系统。 ( 3 ) 丝杠动态测量仪的主轴传动系统的驱动选用交流伺服电机，使主轴转动 更加平稳。 ( 4 ) 采用单片机实现测量仪系统状态运行控制，控制面板的操作电路及温度 检测电路设计。 ( 5 ) 通过对比多种丝杠导程精度的计算方法，选择高效率、高精度的算法完 成丝杠导程精度的计算。 ( 6 ) 讨论滚珠丝杠的验收条件和检验标准及丝杠误差计算和精度判别的方法， 数据库方法，设计丝杠副导程误差计算及其精度分析软件。 ( 7 ) 丝杠动态测量仪系统中的硬件和软件设计采用模块化设计思想，以缩短 设计周期，提高仪器可靠性和维护性。 1 6 2 论文各章节内容安排 本文共分为七章，论文体系结构如图1 6 2 1 所示。 第一章绪论主要介绍了丝杠应用情况，丝杠动态测量的方法；第二章介绍了系 统的总体设计；第三章足以运动控制器为伺服电机控制器，设计了测量仪主轴控制 8 南京理t 入学t 程碗卜学位论文丝辛t 副动态误差榆测j 分析的研究 系统；第四章分析了滚珠丝杠最新精度杯准，用一种优化算法进行丝杠副行程误差 主要指标的计算；第五章足对丝杠副误差产生的来源进行了分析，给出了误差源分 析的方法，并探讨了实现途径；第六章设计了丝杠动态测量仪测控软件，误差分析 和精度等级判别软件；第七章是全文的总结和展望。 第一章绪论 l 第二章 测革系统总体设计 第二章 测晕仪土轴控制系统 r 丝杠副导稃误莘分析及诊断i i第四章 i 丝杠副精度标准分析及误芹优化算法 j 第人章 测控系统操作软件 l 第七章 总结与展蠼 图1 6 2 1 论文体系结构图 9 南京理t 大学下程硕+ 学位论文丝轲副功奄误差抟剃j 分析的研究 2 测量系统总体设计 2 1 测量系统总体构成 2 1 1 数据采集系统的构成 测量仪的数据采集系统结构如图2 1 1 1 所示。系统测量部分采用长光栅和圆磁 栅测量方案。 1 圆戤栅 2 、被测丝杠 3 ，螺母4 螺母小车5 带动头 b - 铡量头 7 ，光撮读数头8 ，铡温头g ，光栅尺l o 、尾架补偿仪 图2 1 1 i测晕仪的数据采集系统结构图 下面以滚珠丝杠副的测量介绍其工作过程。 丝杠动态测量系统中，主轴转动采用交流伺服电机作为拖动元件，由运动控制 器控制电机运行，并可以作速度调节，测量时电机经过机械传动装置驱动主轴，圆 磁栅安装在传动主轴上，测量时由拨盘带动被测丝杠和圆磁栅同步转动，丝杠转动 时带动头带动螺母小车沿轨道作轴向运动，光栅尺传感器的读数头随测量头和螺母 小车作轴向移动。 动态测量数据采集信号分为四路。第一路足角度信号，圆磁栅随主轴转动时， 磁头读取圆磁栅信号产生角度基准信号；第二路是轴向位移信号，长光栅传感器作 为测量基准元件，螺母小车移动时光栅读头随测量头移动产生轴向位移信号；第三 路是温度信号，用作温度补偿；第四路是丝杠伸长量尾架补偿信号。所有的信号均 由计算机通过专用采集硬件采样完成，并由相应软件进行处理和运算，获取所需数 据。 测量丝杠行程偏差准确值，系统必须保证角度基准位移信号与轴向位移信号同 1 0 南京理t 大掌t 程硕卜学位论文丝杠副动志误差榆测0 分析的研究 步采集，因此采用了高速记数卡同时采集圆磁栅和光栅尺的信号，记数号接收磁栅 和光栅信号后进行高倍电子细分，以获得高精度数据。 2 1 2 测量仪测控系统的总体构成 测量仪控制系统布局图如图2 1 2 1 所示。主要包括以下几个部分： ( i ) 光栅测长、磁栅测角部分； ( 2 ) 温度采集部分： ( 3 ) 尾架补偿部分； ( 4 ) 误差显示与输出部分； ( 5 ) 主计算机控制部分； ( 6 ) 主轴交流伺服电机驱动部分。 图2 1 2 1 测龉仪拧制系统布局圈 系统采用模块化设计，各部件选用独立功能模块，通过计算机控制组合，这样 南京理t 大学t 程硕 学位论文丝 i 副动态误差柃侧与分析的研究 可以大大简化系统设计，增加了系统的可靠性和灵活性，缩短了设计周期，便于系 统的优化设计。 2 1 3 测量仪测控系统的硬件配置 系统的硬件配置如表2 1 3 1 所示。 表2 1 3 1系圣竞埂什配置 项目 指标及说明 说明 研祥公司集成：控机箱+ 母扳+ 3 5 0 w 电源 p i v 集成主板f s c - - - 1 7 1 3 v n a 工控机 c p u - i n t e l l 2 8 g r a m 一5 1 2 m 内存 硬盘m t 8 0 g 平板显示器l g l 7 寸l c d 激光打印机惠酱公司h p l 0 1 5 圆磁栅德国h e i d d e n h a i n 公司 规格为2 1 6 0 0 条周 长光栅德国h e l d d e n h a i n 公司l s l 8 6 ，4 0 0 3 0 4 0 r a m 高速记数每p c i 1 7 8 4 ( 台湾研华)8 m 外信号输入频率，2 m l e 交信号输入频率 交流伺服电机2 k w 中惯量( 松f ) 交流伺服电机及驱增量式码盘完成侍置反馈 动器交流伺服电机驱动器( 松f ) 交流伺服电机变压器( 松卜) 专用电缆线 围高科技有限公司 电机运动控制号通用电机控制夤，型号：g t - 4 0 0 s v p c i 总线。4 轴控制，1 6 路i o ， 8 路模拟晕输入 研佯智能股份有限公司 多功能i 0 号p c i 7 2 6 ：1 6 通道数字输入，控制面板和记录仪输出 6 通道模拟输出 电源a c d c 开关电源 u p s 电源 山特公司 控制面板 自制 其他接口电路，接插件开关，线等 南京理t 大学t 稃硕 。学位论文 丝打副功态误茸榆删l j 分析的研究 2 2 长光栅测位移及圆光栅测角系统 2 2 1 光栅测量技术简介 计量光栅技术的基础是莫尔条纹，1 8 8 4 年由英国物理学家l r a y l e i g h 首先提出 这种图案的工程价值，直到2 0 世纪5 0 年代人们彳。开始利用光栅的莫尔条纹进行精 密测量。1 9 5 0 年德国h e i d e n h a i n 酋创d i a d u r 复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸 发镀烙的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才 能为用户所接受，进入商品市场。1 9 5 3 年英国f e r r a n t i 公司提出了一个4 相信号系 统，可以在一个莫尔条纹周期实现4 倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4 倍频 鉴相技术，是光栅测量技术的基础，并一直广泛应用至今1 2 0 l 。 近年来，光栅技术发展日渐成熟，精度愈来愈高，应用愈来愈广泛。圆光栅用 于测角仪器还有其独特的优点，如：应用圆周误差的封闭性，采用全积分或多头读 数，可以将圆光栅的刻划误差减小，使系统具有较高的测角精度i 圳。 2 2 2 海德汉光栅尺和圆栅编码器 海德汉( h e i d e n h a i n ) 公司于1 9 6 1 年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制 造出栅距为4 p m ( 2 5 0 线m m ) 的光栅尺和1 0 0 0 0 线转的圆光栅测量系统，能实现 l 微米和1 角秒的测量分辨力。1 9 6 6 年制造出了栅距为2 0 i t m ( 5 0 线r a m ) 的封闭 式直线光栅编码器。在8 0 年代又推出a u r o d u r 工艺，是在钢基材料上制作高反 射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记( 零位) 的基础上增加了距离编 码。在1 9 8 7 年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允 许较宽松的安装。1 9 9 7 年推出用于绝对编码器的e n d a t 双向串行快速连续接口，使 绝对编码器和增量编码器一样很方便的应用于测量系统，角度编码器精度高达土o 2 角秒，绝对式角度编码器位数为2 4 位。现在光栅测量系统己十分完善，应用的领 域非常广泛1 2 1 1 。 光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅( 幅值光栅) 和衍射光栅( 相 位光栅) ，可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅，按形状可分为长光栅和圆 光栅。长光栅用于直线位移测量；圆光栅用于角位移测量，两者工作原理基本相似。 光米级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为1 0 0 p m 至2 0 啪远于光 源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔 条纹，其测量原理称影像原理。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是8 1 u n 或4 b m ，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其 测量原理称干涉原理。现将h e i d e n h a i n 产品采用的3 种测量原理介绍如下【2 ”。 南京理t 大学t 稃硕卜学位论文 丝柙创动态误差检铡t j 分析的研究 ( 1 ) 具有四场扫描的影像测量原理( 透射法) 采用垂直入射光学系统均为4 相信号系统，是将指示光栅( 扫描掩膜) 开四个 窗口分为4 相，每相栅线依次错位四分之一栅距，在接收的4 个光电元件上可得到 理想的4 相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理。h e i d e n h a i n 的l s 系列产 品均采用此原理，其栅距为2 0j _ u n ，测量步距为o 5 1 t i n ，准确度为4 - 1 0 、4 - 5 、+ 3 t m 三种，最大测量长度3 m ，载体为玻璃。 ( 2 ) 有准单场扫描的影像测量原理( 反射法) 反射标尺光栅是采用4 0 p a n 栅距的钢带，指示光栅( 扫描掩膜) 用二个相互交 错并有不同衍射性能的相位光栅组成，这样一来，一个扫描场就可以产生相移为四 分之一栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影像测量原理。由于只用一个扫 描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化是均匀的，并对四个光电接收元件的 影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的 间隙和间隙公差能大一些。h e i d e n h a i nl b 和l i d a 系列的金属反射光栅就是采用这 一原理。l i d a 系列开式光栅其栅距为4 0 1 t i n 和2 0 p a n ，测量步距0 1 p m ，准确度有 士5 1 t m 、a ：3 “m ，测量长度可达3 0 m ，最大速度4 8 0 r r d m i n 。l b 系列闭式光栅栅距都 是4 0 l x m ，最大速度可达1 2 0 m m i n 。 ( 3 ) 单场扫描的干涉测量原理 对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射 的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫 尔条纹，其中+ l 和1 级组干涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅 距足同步对应的。光调制产生3 个相位相差1 2 0 0 的测量信号，由3 个光电元件接收， 随后又转换成通用的相位差9 0 。的正弦信号。h e i d e n h a i nl f 、l i p 、l i f 系列光栅尺 是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产 品都是亚微米和纳米级的，其中最小分辨力达到l 纳米。 本课题测位移及测角度选用的是海德汉公司的l s l 6 8 型号的长光栅和规格为 2 1 6 0 0 条周的圆光栅。该产品具有信号强、反差高、非接触及响应速度快等优点。 2 3 温度采集系统 温度采集系统主要由温度采集测量电路和信号放大电路两部分组成。 2 3 1 温度采集测量电路设计 可供温度测量的传感器品种繁多，所依据的工作原理也各不相同。本课题选用 p t l 0 0 铂电阻作为系统测温敏感元件，完成对温度的测量1 1 6 1 。 1 4 南京理丁大学t 狸硕卜学位论文 丝卡i 副动奋议莩柃测j 分析的研究 2 3 1 1p t l 0 0 温度传感器简介 p t l 0 0 温度传感器c r z 系列薄膜铂热电阻元件，是把金属铂研制成粉浆，采用 先进的激光喷溅薄膜技术，及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上形成膜， 引线经过激光调阻制成。 p t l 0 0 是一种以白金( p t ) 作成的电阻式温度检测器，属于正电阻系数，其原理是 利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行：i 受i 温的，在 0 1 0 0 范围内其温度阻值对应近似关系为 尼= 凰( 1 十，4 什历2 ) ( 2 3 1 1 ) 式中，a 为常数( 彳= 3 9 0 8 x 1 0 。) ； 口为常数( b = 0 5 8 0 2 x 1 0 。6 ) ： r o 为o 时铂电阻的阻值； t 为温度值。 p t l 0 0 温度传感器的主要技术参数如下： 测量范围：- 2 0 0 + 8 5 0 ； 允许偏差值：a 级( o 1 5 + 0 0 0 2i t1 ) ，b 级士( o 3 0 + 0 0 0 5lti ) ： 熟响应时n 2 0 0 m m ： 允通电流 s m a 。 p t l 0 0 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 p t l 0 0 铂电阻的阻值与温度的关系见附录a 。 2 3 1 2 电桥测量电路 通常使用电桥作为p t l 0 0 传感器的测量电路1 2 2 1 ，图3 2 1 1 所示为其电路图。 + s v 图3 2 1 ，i 测茸电路 南京理工大学t 捍颂卜学位论文 丝相副功卷误葺榆铡j 分析的研究 其中，r i r 2 ，r3 、r p t l 0 0 组成电侨，令r l = r 2 = r3 = r0 5 1 0 0 f 2 。为7 避 免流过p t l 0 0 传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，电桥电压不宜 太高，一般要求i m 5 m a ，选电桥电压v b r g = 5 v 。电桥输出压差为： u d = i 南一- 瓦i r 删2 圳u ) ( 2 3 1 1 2 ) 若r p t l 0 0 = r 0 + a r ，则有。 u d = ( 瓦r 面1 一西丽r 2 ) ( 2 n 3 ) 由p t l 0 0 温度阻值对应关系式可知，当温度较低时，p t l 0 0 的阻值变化量a r 相对于r o 较小，则电桥输出压差为： l 蒜备卜 ，_ 。， 由式中可以看出：u d 正比于p t l 0 0 传感器的阻值变化量a r ，也说明温度较低 时，p t l 0 0 传感器的线性度良好；当温度较高时，a r r 0 的值较大，p t l 0 0 传感器的 线性度变差，此时要用软件来较正。 2 3 2 信号放大电路的设计 2 3 2 。1 仪用放大器a d 6 2 0 简介 温度采集系统信号放大电路，经过对比分析选择了a d 6 2 0 仪用放大器作为其 核心器件。a d 6 2 0 是荚国a d i 公司推出的一种低成本、低功耗、高精度的仪表放 大器，它只需外接一只电阻器便可设置l 1 0 0 0 范围内的任何增益。其主要技术指 标如下【2 4 j ： 电源范围：l 2 3 v 士1 8 v ； 电源电流最大为：1 3 m a ； 最大输入失调电压为：1 2 5 t t v ： 最大输入失调漂移为：2 o 一，o c ： 最大输入偏置电流为：2 0 h a ； 最小共模抑制比为：9 3 d b ( o = 1 0 ) 带宽为：1 2 0 k h z ( g = 1 0 0 ) 。 a d 6 2 0 的引脚排列如图2 3 2 1 所示，其引脚功能说明如表2 3 2 1 所示。 1 6 南京理t 大学t 埠颂卜学位论史丝丰l 剖动态误差榆测j 分析的醪究 r g - i n t i n - v s r g + v s o | j t p u t 图2 3 2 1a d 6 2 0 引脚排列 表2 3 2 1a d 6 2 0 功能表 引脚号符号功能说明 ( 1 ) 、( 8 )r o该引唧接不同电阻值电阻时可得到不同增磕 ( 2 )- i n 反相输入端 ( 3 )+ r n 同相输入端 ( 4 ) v s 电源负输入端 ( 5 )r e f 参考瑞 ( 6 )o u t p u t 输出端 ( 7 ) v s 电源正输入端 放大器的增益计算公式为 g ：笠塑+ 1 通常r g 选用精密电阻。 2 3 2 2 温度采集系统原理图 温度采集系统的原理图见图2 3 2 2 所示。 图2 3 2 2 温度采集系统原理图 ( 2 3 2 1 ) 1 7 南京理t 大学t 稗硕卜学位论文丝扫副动态误差榆铡j 分析的研究 2 4 面板控制系统 面板控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，软件是系统 实现控制功能的关键。有了硬件，软件才能有效地运行i ：4 1 。 2 4 1 控制系统功能 图2 4 1 i 为该系统的控制面板。 该系统具有如下功能： 1 进给伺服运动； 2 行程控制； 3 其他功能，例如显示电路、复位电路、时钟电路等。 i 一 一 一 7 ill 、 嚣 3 米幺幺杠动态测量系统 u 一 ， l 加b 柚。乳嗍d 砒m 蚴8 m 恤g 即k m 击 r + 1 fr 习 jl 惫律圆圈 ，一、 广 i 复位ii 左生堵麓le ；j 司【i ；习 l 弋i ii i li ：= i i l ， l、 i 1 2 3 - 嗣 一1 4 3 0 3 一 一i 图2 4 1 1 控制面板图 2 4 2 控制系统硬件电路设计 控制系统硬件电路主要由1 o 接口电路、状态显示电路及辅助电路组成。系统 1 8 南京理二r 大学t 挥硕i 学位论史丝丰t 副动态误荤榆测j 分折的研究 采用了8 9 c 5 1 芯片作为本系统的主控制器， 路。用二位数码管显示当i ； 丝杠的状态值， 8 2 5 5 芯片作为系统的输入输出接口电 系统总体框图如图2 4 2 1 所示【川。 限位电路 o = = = 接口 “、 、j 电路 l 时钟电路i ：一 8 9 c 5 1 单片机 卜统复位电路k 卜、j 显示电路 l 图2 4 2 1 系统总体框图 2 4 2 1 i ，o 接口电路设计 面板控制系统接口电路主要由单片机8 9 c 5 l 和f o 接口8 2 5 5 芯片组成。 1 主要芯片功能介绍 ( 1 ) 8 9 c 5 1 芯片 m c s 5 1 系列单片机是美国i n t e l 公司在1 9 8 0 年推出的高性能8 位单片机，在 目前单片机市场中，8 位单片机仍占主导地位。m c s 5 1 系列单片机以其良好的性 能价格比，仍是目前单片机开发和应用的主流机型。 a t m e l 公司于1 9 9 2 年推出了全球第一个3 v 超低压f l a s h 存储器，并于1 9 9 4 年以e 2 p r o m 技术与i n t e l 公司的8 0 c 3 l 内核进行技术交换，从此拥有了8 0 c 3 1 内 核的使用权，并将a t m e l 公司特有的f l a s h 技术与8 0 c 3 1 内核结合在一起，生产 出a t 8 9 c 5 1 系列单片机。 a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 系列单片机均以m c s 5 1 系列单片机作为内核，同时， 该系列的各种型号的产品又具有十分突出的个体特色，已经成为电子设计和开发的 优选单片机品种。a t 8 9 c 5 1 单片机是一种低功耗高性能c m o s 型8 位单片机，它 除了具有与m c s 5 1 系列单片机完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是其片 内集成了4 k b 的f l a