李紅利，敖薈蘭

(廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808)

0 引言

滾珠絲杠副具有高效率、高精度、高剛度等特點，是機(jī)械傳動與定位的首選部件，同樣也是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的核心部件。隨著數(shù)控機(jī)床和工具機(jī)的普及以及系統(tǒng)向高速化的方向發(fā)展，進(jìn)給系統(tǒng)的速度也越來越快,但是滾珠絲杠的高速化運轉(zhuǎn)也引起了其熱變形增大等問題。滾珠絲杠副處于進(jìn)給系統(tǒng)傳動鏈的末端，它的傳動誤差直接影響到機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，而溫升引起的熱變形通常占到絲杠總變形的50%以上，是影響其定位精度的主要因素，因此解決絲杠熱變形引起的定位誤差具有一定的現(xiàn)實意義。

1 技術(shù)背景

絲杠高速傳動過程中因摩擦生熱會引起自身的膨脹變形，尤其是沿著軸線方向上的伸長更為明顯，這樣勢必導(dǎo)致絲杠導(dǎo)程變大從而影響到傳動的定位精度及重復(fù)定位精度。絲杠的導(dǎo)程精度是度量絲杠傳動精度的一個非常關(guān)鍵的指標(biāo)，如果工具機(jī)工作過程中絲杠的導(dǎo)程發(fā)生了變化，而又沒有采取相應(yīng)的措施，那么勢必造成加工精度的損失。針對絲桿工作中的漲縮問題，多年來國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)的技術(shù)人員已對此開展了針對性的研究，他們試圖采用溫度補償或者改進(jìn)絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法對絲杠進(jìn)行傳動誤差的修正。

1.1 溫度補償

絲杠反復(fù)運動會發(fā)熱同時導(dǎo)致絲杠伸長，通過采集大量絲杠溫度與絲桿伸縮長度的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過公式推算進(jìn)行線性補償。絲杠因溫升而產(chǎn)生的長度變化△L(mm)由下式計算：

△L=0.001 2×10×△T×L.

其中：△T為絲杠溫升值,℃;L為絲杠長度；mm。

理論上這種方法很容易實現(xiàn)，但實際操作起來存在許多困難，具體如下：①溫度傳感器布置難度非常大，因為絲杠與螺母旋合的方式?jīng)Q定了傳感器無法用接觸的方式直接安裝在絲杠上，而非接觸式傳感器測量的準(zhǔn)確性差且存在明顯滯后；②傳感器數(shù)目難于確定，因為數(shù)目多會使傳感器放置困難，增加補償時的計算難度，而數(shù)目少又不能精確地反映絲桿的溫升情況進(jìn)而降低了補償效果；③溫度采集實時性準(zhǔn)確性差，絲杠的溫升是一個非常復(fù)雜的過程，除了自身從內(nèi)到外熱傳遞之外還存在著外表面與周圍環(huán)境的熱交換，布置在絲杠外表面的傳感器并不能真實地反映絲杠的溫度變化，另外由于溫度傳感器反應(yīng)的滯后性，給出的溫度并不是實時采集到的溫度。因此采用通過測量溫度進(jìn)行補償來提高絲杠傳動精度的方法效果并不明顯。

1.2 優(yōu)化絲杠結(jié)構(gòu)

為了減少絲杠工作過程中受熱膨脹引起的變形問題，絲杠研發(fā)者、制造者不斷從絲杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇及處理、制造工藝等方面對其進(jìn)行優(yōu)化。比如采用熱膨漲系數(shù)小的材料或者采用內(nèi)部中空的絲杠，將低溫冷卻液或者空氣通入中空絲杠內(nèi)部進(jìn)行強制冷卻循環(huán)，降低溫升。這種方法是有效的，但這無疑會大大增加絲杠的制造成本且會因為冷卻液的引入造成結(jié)構(gòu)龐大的同時帶來一定的安全隱患。

實際生產(chǎn)中，因為找不到解決絲杠熱膨脹的有效方法，而為了保證工具機(jī)的加工精度，目前主要采用的方法是：提前開機(jī)暖機(jī)(讓環(huán)境溫度達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，同時讓絲杠的膨脹也達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，此過程通常耗費2 h)，使得整個工作系統(tǒng)達(dá)到一種相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，同時采用光柵尺等進(jìn)行全閉環(huán)控制以及在機(jī)器裝配時提前對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸來減少絲杠膨脹伸長引起的傳動精度下降問題。該方法從一定程度上解決了一些問題，但是對于一些加工平臺，由于其本身就工作在150 ℃的高溫環(huán)境下，光柵尺本身也會有明顯的漲縮，因此其已經(jīng)不能作為一個精密度量的反饋檢測元件。

2 測量方法與補償方法

在實際生產(chǎn)中，環(huán)境溫度的波動、絲杠兩端固定方式、光柵尺與運動軸的夾角以及光柵尺承載物的漲縮都會導(dǎo)致絲杠到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間存在偏差。通過對GCr15SiMn材料的絲杠實測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絲杠水平固定且兩端都采用支撐的方式固定時，溫度每升高1 ℃，每米絲杠的伸長量達(dá)到12 μm。

針對這一問題，提出了一種測量方法：用視覺系統(tǒng)在線監(jiān)測與絲杠相連接的一固定mark點中心坐標(biāo)在視覺系統(tǒng)中像素坐標(biāo)的變化，并將變化量與絲杠系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量關(guān)聯(lián)起來，從而建立一種補償方法。這種方法可以有效地解決絲杠因為漲縮引起的定位精度及重復(fù)定位精度下降的問題。

首先對視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，建立視覺系統(tǒng)與機(jī)床系統(tǒng)之間的坐標(biāo)系，此時視覺坐標(biāo)系沿絲杠方向的坐標(biāo)軸與機(jī)床坐標(biāo)沿絲杠軸線方向的坐標(biāo)軸的方向恰好相反；同時視覺系統(tǒng)要遠(yuǎn)離熱源，如果在溫度比較高的環(huán)境中可以選擇自帶冷卻的視覺系統(tǒng)，以保證視覺系統(tǒng)在不同時間內(nèi)采集標(biāo)定片上固定點坐標(biāo)的一致性。

絲杠傳動系統(tǒng)如圖1所示，在絲杠螺母連接板上選擇一連接件，上有一mark點A,此連接件與絲杠螺母相關(guān)聯(lián)，但是與加工平臺并不連接，可以直接反映出絲杠的漲縮，但是不受加工平臺漲縮的影響(此處是為了矯正絲杠的漲縮，避免其他因素的干擾)。在固定絲杠之外的上方選擇一點B，此位置用于固定視覺檢測系統(tǒng)，且要保證絲杠在帶動平臺往復(fù)運動的過程中,運動控制卡或者PLC發(fā)送同樣的脈沖時A點可以落在視覺系統(tǒng)中并且能夠清晰成像。當(dāng)運動控制卡或者PLC發(fā)送同樣的脈沖數(shù)時，如果絲杠沒有明顯伸縮，則A點每次經(jīng)過視覺檢測系統(tǒng)正下方，其中心沿絲杠軸線方向上的坐標(biāo)是不變的；但是當(dāng)絲杠伸長時，也就是說絲杠的導(dǎo)程變大，那么電機(jī)接收同樣的脈沖數(shù)，螺母沿著絲杠軸線方向走的距離就變大，也就是說A點的中心在視覺系統(tǒng)中沿絲杠軸線方向的坐標(biāo)也會變小，反之就變大。

據(jù)此我們也可以認(rèn)為發(fā)送同樣的脈沖數(shù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)走的距離發(fā)生了變化，也就是說脈沖當(dāng)量發(fā)生了變化，那么如果能夠?qū)崟r更新脈沖當(dāng)量，就能夠糾正因絲杠伸縮帶來的定位誤差。

3 實驗驗證

將測試的絲杠傳動軸稱作y軸，沿絲杠軸線方向按照要求貼裝光柵尺，此光柵尺遠(yuǎn)離熱源，保證不會發(fā)生明顯的漲縮，此處光柵尺不做閉環(huán)控制，只作為一個標(biāo)尺即度量平臺實際定位偏差的工具。運動控制卡或者PLC根據(jù)平臺運動的位置發(fā)出相應(yīng)的脈沖數(shù)，使平臺到達(dá)指令位置，此實驗中指令位置為380 mm，視覺系統(tǒng)固定不動。

實驗過程中，當(dāng)y軸絲杠帶動平臺反復(fù)移動時，標(biāo)記點A會經(jīng)過視覺系統(tǒng)下方，視覺系統(tǒng)會進(jìn)行拍照并計算出A點在視覺系統(tǒng)中的像素坐標(biāo)及此時的光柵坐標(biāo)，并對比光柵尺監(jiān)測系統(tǒng)與視覺監(jiān)測系統(tǒng)測量變化的一致性(這里A點沿絲杠軸線方向的坐標(biāo)通過視覺系統(tǒng)連續(xù)拍5次圖片，計算出中心坐標(biāo)，舍棄最大與最小值，取另外3次的平均值)。系統(tǒng)每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集10次數(shù)據(jù)累計100 min，分析光柵尺和視覺系統(tǒng)中A點沿絲杠軸線坐標(biāo)的讀數(shù)變化；在第11次數(shù)據(jù)采集時用預(yù)先編寫好的軟件通過視覺系統(tǒng)坐標(biāo)的變化修正脈沖當(dāng)量，觀察修正脈沖當(dāng)量之后光柵尺數(shù)據(jù)的變化。圖1中，A′為絲杠伸長后A點的位置。

圖1 絲杠傳動系統(tǒng)

初始基準(zhǔn)坐標(biāo)采集：絲杠剛開始工作還沒有明顯的伸長，運動平臺回零，控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖指令要求絲杠螺母移動到380 mm行程的位置，此時光柵尺讀數(shù)為380；平臺往復(fù)運動5次，視覺系統(tǒng)采集A點沿絲杠軸線方向坐標(biāo)為：Y1=520.119 6、Y2=520.056 5、Y3=520.094 1、Y4=520.025 5、Y5=520.097 6、Y均值=520.082。A點初始狀態(tài)在光柵尺和視覺系統(tǒng)下沿絲杠軸線方向的中心坐標(biāo)為光柵尺：380、視覺系統(tǒng)：520.082。實驗測量得到的平臺根據(jù)運動指令的實際運動位置如表1所示。

表1 測量得到的平臺根據(jù)運動指令的實際運動位置

由表1可以看出：在連續(xù)100 min的數(shù)據(jù)采集中，光柵尺數(shù)據(jù)一直變大，視覺系統(tǒng)的坐標(biāo)一直在變小(坐標(biāo)系標(biāo)定的時候已經(jīng)說明視覺系統(tǒng)坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)軸方向相反)。這說明絲杠測量系統(tǒng)和光柵尺測量系統(tǒng)測量出的結(jié)果是一致的，都說明絲杠是一直在變長。在第11次測試中，我們根據(jù)視覺系統(tǒng)當(dāng)前采集的坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)的變化修正脈沖當(dāng)量(脈沖當(dāng)量在絲杠伸長時小于1，縮短時大于1)，發(fā)現(xiàn)第12次采集的數(shù)據(jù)中光柵尺的讀數(shù)為380.000 8 mm,非常接近當(dāng)初設(shè)定值380 mm,且修正之后采樣點在視覺系統(tǒng)中的坐標(biāo)也接近基準(zhǔn)坐標(biāo)。實驗證明其接近的程度取決于脈沖當(dāng)量更新的頻率，每次脈沖當(dāng)量的更新都是以上一次采樣的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的。

4 結(jié)論

實驗表明，通過視覺系統(tǒng)實時檢測A點沿絲杠軸線方向坐標(biāo)的變化，可實時反映出絲杠膨脹伸縮的變化；同時根據(jù)上一次采集的數(shù)據(jù)實時修正脈沖當(dāng)量系數(shù)，可方便有效地糾正絲杠漲縮的定位偏差，在有視覺系統(tǒng)的場合可以有效地提高絲杠的定位精度和重復(fù)定位精度。