丁 梅 馮虎田

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

滾珠絲杠在工業(yè)中既可以作為傳動和定位元件，又可以作為測量元件，其加工質(zhì)量直接影響到機械的傳動精度、定位精度、加工精度和測量精度。滾珠絲杠副因其具有優(yōu)異的功能和驅(qū)動方式的多樣性（起動摩擦力矩小，有較高的跟隨精度，靈敏度高，不存在自鎖問題，具有旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的可逆性等）而倍受關(guān)注。在低碳經(jīng)濟時代，作為節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品在大機械產(chǎn)業(yè)鏈中也是技術(shù)含量較高的重要基礎(chǔ)元部件［1－2］。

國外許多制造滾珠絲杠的公司，除了致力于改革加工工藝外，都把檢測手段的更新?lián)Q代放在優(yōu)先的地位。如日本NSK、三井精機、德國林德納公司等早于我國10～15年研制出一系列大型專用檢測儀器［3－4］。我國自上世紀50年代生產(chǎn)滾珠絲杠以來，很長一段時間內(nèi)，對滾珠絲杠精度的檢測都采用靜態(tài)法，嚴重制約了我國滾珠絲杠生產(chǎn)質(zhì)量的提高。上世紀70年代以來，北京機床研究所、漢江機床廠、南京工藝裝備廠等單位先后研制成功絲杠導程精度、綜合行程精度測量儀（2 m、3 m、5 m），動態(tài)空載預緊轉(zhuǎn)矩測量儀（2 m、3 m、5 m），滾動直線導軌副綜合誤差測量儀，傳動效率試驗臺，靜剛度測量儀等。在工作原理、測量精度、數(shù)據(jù)處理、自動化程度等方面都達到國際同類產(chǎn)品的水平［2，4－5］。

現(xiàn)常用的測量儀器主要有高精度的長光柵、磁柵等。但長光柵由于安裝等因素的影響，平行度誤差較大，使測量精度降低;而磁柵由于錄磁信號強度隨時間的延長而不斷地變?nèi)?，需要重新錄磁，給使用帶來了不便，在實際生產(chǎn)中應用不多。近年來，激光技術(shù)因其準確度高、分辨率高、動態(tài)響應快、測量范圍大、非接觸測量、有較強的抗干擾能力等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用［6］。綜合考慮，我們選擇了激光干涉儀作為測量工具。本文主要介紹了絲杠動態(tài)測量原理，系統(tǒng)總布局，激光測量系統(tǒng)、伺服電動機控制系統(tǒng)與測量系統(tǒng)操作流程的設(shè)計，測量儀的檢定規(guī)程與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。檢定表明，該系統(tǒng)已經(jīng)由南京理工大學自行研制成功，并投入使用。

1 絲杠動態(tài)測量原理

采用絲杠的實際螺旋線與標準螺旋線相比較的方法來求得被測絲杠的螺旋線誤差。圖1給出了測量絲杠螺旋線誤差的方法示意圖［7］。

根據(jù)此原理，可由下式求得螺旋線誤差:

式中:Z為測量頭沿絲杠軸線方向的行程;T為被測絲杠的導程;θ為被測絲杠轉(zhuǎn)過的角度。

2 測量系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)布局如圖2所示，該系統(tǒng)由交流伺服工作臺、新型激光測量儀、數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡及控制用的計算機等部分組成。

本測量系統(tǒng)角度測量采用圓光柵，長度測量采用激光測量系統(tǒng)，該激光測量系統(tǒng)具有特有的環(huán)境補償單元RCU10，對氣溫、氣壓和相對濕度進行在線補償，提高了線性定位測量精度。高速計數(shù)卡以一定的采樣間隔同步采集角位移信號和從RCU10補償單元輸出的測頭軸向信號，通過計數(shù)卡本身具有的信號處理系統(tǒng)將兩路信號進行高倍數(shù)電子細分后傳給計算機系統(tǒng)，由相應的軟件將脈沖信號轉(zhuǎn)化為位移量，通過計算機的實時處理計算出絲杠誤差值Δ。

2．1 激光測量系統(tǒng)

本絲杠動態(tài)測量系統(tǒng)采用雷尼紹雙頻激光測量系統(tǒng)作為長度基準，進行長度方向上的測量。其測長系統(tǒng)組成:HS10激光頭，RCU10單軸補償器，空氣溫度傳感器，RCU CS安裝軟件，線性光學器件等。線性定位測量精度取決于激光波長的已知精度，這不僅與激光的穩(wěn)頻精度有關(guān)，而且還與周圍環(huán)境參數(shù)有關(guān)，尤其是氣溫、氣壓和相對濕度將會影響激光光束的波長（在空氣中）。該系統(tǒng)采用RCU10通過埃德倫公式來減小這些誤差，提高了操作精度和重復性。

埃德倫公式:

式中:A、B、C、D、E、F、G 為常量，S=1/λ2;ns為標準空氣的（溫度為10℃，壓力為101 325 Pa下二氧化碳含量為450/106的干燥空氣折射率）;ntp為在溫度t和壓力P情況下的干燥空氣折射率;ntpf為在溫度t、壓力P和濕度f情況下的濕空氣折射率;pv為水蒸汽的部分壓力，Pa;λ為激光的真空波長;p為空氣壓力，Pa;t為空氣溫度，℃。

針對實際情況與性能要求，激光系統(tǒng)安裝布局如圖3所示［8］。該激光系統(tǒng)的分辨率為0.1 μm。

2．2 圓光柵測角系統(tǒng)

雷尼紹公司RESR系列圓光柵為徑向圓光柵，是將兩塊柵線數(shù)目相同的徑向圓光柵偏心疊合形成莫爾條紋。在光柵柵距已知的前提下，只需測量出莫爾條紋移動的條數(shù)，即可得出兩圓光柵相對轉(zhuǎn)動的角度;當圓光柵的轉(zhuǎn)動方向相反時，莫爾條紋的移動方向也相反，從而也可測量轉(zhuǎn)動的方向。

RESR具有以下各種特性:多種直徑和刻線數(shù)，與一系列的工業(yè)標準的控制器兼容（直徑從52～413 mm，刻線數(shù)從4 096～64 800）;零反向間隙;具有專利的錐度基面安裝方式，使安裝簡單、誤差最小。

因此我們選擇RESR圓光柵作為角度測量元件，精度高（最高可達0.01″）。

2．3 主軸伺服電動機控制系統(tǒng)

主軸控制系統(tǒng)的要求:主軸轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，測量速度可調(diào)，對系統(tǒng)出現(xiàn)的故障處理。

根據(jù)方案論證，伺服電動機選用松下2 kW中慣量交流伺服電動機MDMA202A1G，增量式碼盤完成位置反饋，伺服驅(qū)動器選用MDDA203A1A。速度可調(diào)參數(shù)有:電動機加減速時間、速度環(huán)增益、PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)、速度環(huán)前饋控制系數(shù)、速度環(huán)比例控制或PI控制等。通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)設(shè)置，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能。

主軸伺服電動機控制系統(tǒng)采用上下位機的速度控制方式。工業(yè)控制機作為上位控制級計算機，運動控制器作為下位伺服控制級計算機，實現(xiàn)交流伺服電動機的伺服控制。上位計算機選擇研翔工業(yè)控制機。下位計算機選用固高GT－400－SV－PCI運動控制卡（四軸，PCI總線），實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的速度控制和運動控制。

3 測量系統(tǒng)操作流程設(shè)計

測量系統(tǒng)軟件運作流程設(shè)計如下:

（1）絲杠基本參數(shù)的輸入:包括測量長度、導程、螺距、絲杠轉(zhuǎn)速、絲杠旋向（正向或反向）等參數(shù)。

（2）測量過程:采用最小二乘法求取回歸系數(shù)、各行程變動量，可進行在線顯示測量曲線，并且在測量過程中可調(diào)整曲線的顯示比例。

（3）數(shù)據(jù)存儲:以一定的文件名保存在線數(shù)據(jù)文件，以便于數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)用。

（4）數(shù)據(jù)分析與計算:編制程序計算絲杠的各種行程誤差及精度。

（5）打印報表:將數(shù)據(jù)分析計算的結(jié)果以報表形式打印輸出。

（6）數(shù)據(jù)綜合存檔:包括絲杠（副）的基本參數(shù)、測量數(shù)據(jù)、測量曲線、打印報表等。

按照以上思路，測量系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

4 絲杠動態(tài)測量儀檢定規(guī)程與測量數(shù)據(jù)

4．1 技術(shù)要求

測量儀周期誤差測量的示值分散性見表1，一次安裝多次測量重復性見表2，測量總不確定度見表3。

表1 周期誤差測量的示值分散性 μm

表2 一次安裝多次測量重復性 μm

表3 總不確定度μm

4．2 檢定條件

校驗絲杠應為一根經(jīng)過檢定的絲杠。校驗絲杠的精度應符合五級精度的梯形螺紋絲杠的要求，牙形角為15°，外徑為60 mm左右，螺紋的有效長度為600 mm左右。經(jīng)過檢定的校驗絲杠實際螺距偏差值的不確定度見表4。

表4 校驗絲杠螺距偏差值的不確定度

儀器檢定的環(huán)境條件如下:

（1）室內(nèi)應保持清潔，無影響測量精度的振動，電源電壓應符合儀器使用要求，無干擾源。

（2）室內(nèi)溫度要求:對于四級絲杠測量儀，室溫應保持在20±0.5℃，儀器罩內(nèi)的溫度波動不大于0.2℃/h;對于五級絲杠測量儀，室溫應保持在20±1℃，儀器罩內(nèi)的溫度波動不大于0.3℃/h;對于六級絲杠測量儀，室溫應保持在20±1℃，儀器罩內(nèi)的溫度波動不大于0.4℃/h。

（3）校驗絲杠應和測量儀同時恒溫，恒溫時間不少于12 h，絲杠兩端的溫差不大于0.1℃。

4．3 測量數(shù)據(jù)及測量結(jié)果統(tǒng)計分析

主要檢定項目及檢定結(jié)果如下:

（1）周期誤差示值分散性

用陜西漢江機床有限公司的一根標準試驗絲杠（漢江 T50×8 ×1 000）在儀器上通過轉(zhuǎn)位（0°、90°、180°、270°、360°）5 次測量，將相對應的 5 條周期誤差曲線相比較，其分散性應≤1.0 μm，經(jīng)測量，其實測值為1.0 μm，見圖5。

（2）一次安裝多次測量的示值重復性

用標準試驗絲杠（漢江T50×8×1 000）在儀器上一次安裝，將全長范圍內(nèi)4次測量結(jié)果進行比較，其示值變化應≤1.5 μm/1 000 mm，經(jīng)測量，其實測值為1.2 μm/1 000 mm，見圖6。

（3）多次安裝測量的示值重復性

用標準試驗絲杠（漢江T50×8×1 000）在儀器上通過轉(zhuǎn)位（0°、90°、180°、270°、360°）5 次測量，再調(diào)頭一次，共測得10條誤差曲線（如圖7，圖8）。分別求得相應長度（2π、25 mm、100 mm、300 mm、1 000 mm）全長的單次測量值，然后計算出單次測量精度。測量結(jié)果如表5所示。

表5 單次測量精度 μm

（4）儀器總不確定度

用試驗絲杠（漢江T50×8×1 000）對測量儀進行檢定，從測量儀對試驗絲杠測得的誤差曲線中，取出試驗絲杠所給定的母線的實測結(jié)果，并與試驗絲杠所給定的值進行比較，其差值不應超出表6規(guī)定。經(jīng)測量，得測量數(shù)據(jù)如表7。

表6 差值允許值 μm

表7 總不確定度測量值 μm

從以上測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以看出，該測量系統(tǒng)的各項指標滿足驗收標準。

5 結(jié)語

本設(shè)計采用同步位移絕對值比較的原理進行絲杠的動態(tài)測量，角度測量采用圓光柵;長度測量采用雷尼紹雙頻激光測量系統(tǒng)，該激光系統(tǒng)具有環(huán)境補償單元，可進行刻度因素補償、空氣折射系數(shù)補償、編碼器熱膨脹系數(shù)補償、工件熱膨脹補償?shù)榷喾N在線補償，使得測量結(jié)果更加精確。測量系統(tǒng)的主軸控制系統(tǒng)采用交流伺服電動機速度控制方式，選用運動控制器作為伺服系統(tǒng)控制器，可方便地實現(xiàn)對伺服電動機的控制。按照測量驗收要求，參照原有檢測規(guī)程，制定用于滾珠絲杠激光動態(tài)測量儀的檢定規(guī)程，對校驗絲杠、檢定條件等做了嚴格規(guī)定，按照此規(guī)程對該測量系統(tǒng)進行了測量檢定。

該滾珠絲杠激光動態(tài)測量系統(tǒng)已通過漢江機床有限公司的驗收，各項技術(shù)指標均已達到或超過設(shè)計要求，性能穩(wěn)定、運行可靠，能夠滿足工廠實際生產(chǎn)測量的要求。

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