莊皓然，歐 屹，吳 劍，馮虎田，周長(zhǎng)光，錢(qián)超群

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

滾珠絲杠副作為傳遞力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有定位精度高、響應(yīng)迅速、傳動(dòng)能量損失少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)[1]。與國(guó)外THK、NSK等公司生產(chǎn)的絲杠副相比，我國(guó)滾珠絲杠副振動(dòng)噪聲仍較大，這直接限制了國(guó)產(chǎn)絲杠副在中高檔數(shù)控機(jī)床中的推廣應(yīng)用[2]。絲杠滾道表面波紋度是影響振動(dòng)噪聲的重要因素之一，但在滾珠絲杠副滾道表面波紋度的檢測(cè)裝置研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)幾乎是空白?，F(xiàn)有的接觸式輪廓檢測(cè)裝置，當(dāng)觸針探頭與被測(cè)工件表面直接接觸時(shí)，會(huì)刮傷工件表面；若操作不當(dāng)，極易損壞探頭[3]。同時(shí)國(guó)內(nèi)非接觸式檢測(cè)技術(shù)普遍針對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)整個(gè)工件表面進(jìn)行一次性評(píng)價(jià)，高精度檢測(cè)設(shè)備又幾乎被國(guó)外壟斷，檢測(cè)設(shè)備價(jià)格非常高昂，因而希望開(kāi)發(fā)一種能夠檢測(cè)絲杠滾道表面波紋度的檢測(cè)裝置，為國(guó)產(chǎn)絲杠表面質(zhì)量提供波紋度評(píng)價(jià)[4]。

綜上，本文針對(duì)絲杠滾道表面波紋度的檢測(cè)需求設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)裝置。首先根據(jù)散射光傳感器非接觸檢測(cè)原理設(shè)計(jì)了檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)傳感設(shè)備的測(cè)試系統(tǒng)，最后設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的測(cè)量軟件[5-6]。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副絲杠滾道表面波紋度檢測(cè)裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)試系統(tǒng)組成[7]。機(jī)械機(jī)構(gòu)是進(jìn)行波紋度檢測(cè)工作的基礎(chǔ)硬件，包括為待測(cè)絲杠提供支撐的頭尾架、為工作臺(tái)提供直線運(yùn)動(dòng)的高精度十字線性模組、讓傳感器繞B軸旋轉(zhuǎn)的水平角度微調(diào)機(jī)構(gòu)以及為頭架提供動(dòng)力源的伺服電機(jī)。有了機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，傳感器的運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的收集功能便可以在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

1—大理石床身；2—尾架；3—待測(cè)絲杠；4—散射光傳感器；5—雞心夾頭；6—頭架；7—傳感器水平角度微調(diào)機(jī)構(gòu)；8—十字線性模組；9—頭架伺服電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)；10—工控機(jī)

1.2 檢測(cè)裝置測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由工控機(jī)、固高控制卡、安川變頻器、變頻電機(jī)等組成。

安川電機(jī)有著完整的配套硬件，可以和同廠生產(chǎn)的變頻器良好匹配。同時(shí)電機(jī)有著剛性調(diào)校好、對(duì)檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可保證檢測(cè)裝置在檢測(cè)過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的速度控制。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

工控機(jī)給固高控制卡發(fā)出啟動(dòng)或者停止信號(hào)，固高控制卡控制3個(gè)電機(jī)(主軸電機(jī)1和十字線性模組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)①、②)，輸出6路信號(hào)，其中2路控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)①、②的啟停，2路驅(qū)動(dòng)電機(jī)①、②的換向，2路控制主軸電機(jī)1的啟停和換向。

首先調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)①、②，讓散射光傳感器處于合適的檢測(cè)位置。然后工控機(jī)中發(fā)出同步的啟停信號(hào)，固高控制卡對(duì)應(yīng)端口輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，使主軸電機(jī)1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)②同步啟動(dòng)或者停止。

已知散射光傳感器測(cè)量速度為每秒K次，保證光斑不重疊，得被測(cè)絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)速N1(r/min)為：

現(xiàn)在，賣糧時(shí)最常出現(xiàn)的騙局就出現(xiàn)在地磅上。最近幾年收糧食的人，從過(guò)去的用包收、現(xiàn)場(chǎng)稱，變成了現(xiàn)在的用炮車收。炮車是用三輪車改裝特制的，車上安裝的吸管可以把糧食直接吸上車。裝完之后，直接去地磅上一稱就知道裝了多少糧食。省時(shí)省力，極大地提高了工作效率。

(1)

其中被測(cè)絲杠與滾珠接觸點(diǎn)處的直徑Di(mm)為

Di=Dpw-Dwcosα

(2)

式中：d11為散射光傳感器光斑直徑，mm；Dpw為被測(cè)絲杠節(jié)圓直徑，mm；Dw為被測(cè)絲杠滾珠直徑，mm；α為被測(cè)絲杠接觸角，(°)；P1為被測(cè)絲杠導(dǎo)程，mm。

考慮到主軸電機(jī)1與頭架之間皮帶輪傳動(dòng)比i不為1，得主軸電機(jī)1的實(shí)際轉(zhuǎn)速N0(r/min)為：

N0=N1i

(3)

根據(jù)散射光傳感器沿X軸移動(dòng)過(guò)程中光斑完整掃略滾道且光斑在滾道上不重疊的要求，得驅(qū)動(dòng)電機(jī)②的實(shí)際轉(zhuǎn)速N2(r/min)為：

(4)

式中：P2為線性模組絲杠導(dǎo)程，mm。

1.2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、固高控制卡、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、散射光傳感器組成。

工作原理：1)工控機(jī)控制程序發(fā)出一道指令給固高控制卡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)②的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令改變脈沖的位置調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)②的轉(zhuǎn)速，從而間接確定散射光傳感器Z軸的實(shí)際位置；然后工控機(jī)控制程序發(fā)出一道指令給固高控制卡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)①的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令改變脈沖的位置調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)①的轉(zhuǎn)速，從而間接確定散射光傳感器X軸的實(shí)際位置，具體位置需要人工輔助確定。2)工控機(jī)控制程序同一時(shí)間發(fā)出2道指令給控制卡，主軸電機(jī)1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)②的驅(qū)動(dòng)器收到控制程序指令后，通過(guò)分別改變兩電機(jī)的脈沖位置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)持續(xù)發(fā)出脈沖，使兩電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到接收到0脈沖，兩電機(jī)停止工作。

1.2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò) PC 接口總線將處理后的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理[8]。首先，傳感器將散射光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化(硅光電池接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出)，接著通過(guò)放大電路輸出到濾波器進(jìn)行濾波處理，最后A/D轉(zhuǎn)換器將濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)據(jù)量通常都比較大，因此要求主機(jī)性能良好，能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出快速響應(yīng)，并及時(shí)進(jìn)行分析和處理[9]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

檢測(cè)裝置進(jìn)行絲杠表面波紋度檢測(cè)時(shí)，工控機(jī)通過(guò)GT運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)②的運(yùn)動(dòng)。首先A/D轉(zhuǎn)換器接收到散射光傳感器發(fā)出的模擬輪廓信號(hào)，將模擬信號(hào)傳輸成數(shù)字信號(hào)；接著濾波器接收到數(shù)字輪廓信號(hào)，并去除輪廓信號(hào)中包含的噪聲噪點(diǎn)、粗糙度和形狀信號(hào)；最后信號(hào)包含的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，得到所需要的絲杠滾道表面波紋度參數(shù)評(píng)價(jià)。

2 測(cè)量系統(tǒng)軟件

根據(jù)試驗(yàn)要求，波紋度檢測(cè)裝置的測(cè)控軟件包括試驗(yàn)大綱、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析計(jì)算3個(gè)部分。針對(duì)本檢測(cè)裝置所要實(shí)現(xiàn)的功能，將待測(cè)絲杠型號(hào)參數(shù)(如螺旋角、頭數(shù)、公稱直徑等參數(shù))輸入到參數(shù)設(shè)置板塊，測(cè)量軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算，并確定待測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)速、傳感器的移動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊則根據(jù)接收到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成對(duì)待測(cè)絲杠檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)控制。

數(shù)據(jù)分析模塊主要是對(duì)采集到的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出所需要的波紋度評(píng)價(jià)參數(shù)結(jié)果，并通過(guò)顯示模塊在界面上顯示出來(lái)。

2.1 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，首先打開(kāi)電源控制柜，設(shè)備通電；然后打開(kāi)軟件調(diào)用測(cè)試程序，測(cè)試設(shè)備是否正常，如有異常，檢查原因，如無(wú)異常則調(diào)整傳感器到試驗(yàn)初始位置；接著輸入需要的試驗(yàn)參數(shù)，啟動(dòng)檢測(cè)程序，驅(qū)動(dòng)電機(jī)②帶動(dòng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；最后分析所得數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)異常，則檢查原因，如無(wú)異常則進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，得出所需的波紋度評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 試驗(yàn)大綱界面

程序主界面上有數(shù)據(jù)檔案(存儲(chǔ)以往運(yùn)行數(shù)據(jù))、查詢(以往每次檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù))、電機(jī)測(cè)試(檢測(cè)裝置試驗(yàn)前，進(jìn)行是否正常工作測(cè)試)、系統(tǒng)維護(hù)、退出系統(tǒng)等常用功能按鈕，易懂實(shí)用，操作簡(jiǎn)便，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)大綱界面

2.3 參數(shù)設(shè)置界面

檢測(cè)所需參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示，用戶在這個(gè)界面填寫(xiě)待測(cè)絲杠的各種必需參數(shù)。

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

2.4 數(shù)據(jù)分析計(jì)算頁(yè)面

如圖8所示，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中波紋度參數(shù)的變化，對(duì)采集到的重要指標(biāo)參數(shù)Wa(波紋度輪廓的算數(shù)平均偏差)、Wq(波紋度輪廓的均方根偏差)、以及Wc(波紋度輪廓不平度的平均高度)等相關(guān)值進(jìn)行重復(fù)性分析[10]。

圖8 數(shù)據(jù)分析計(jì)算頁(yè)面

2.5 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理軟件采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存試驗(yàn)過(guò)程中的原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到較好的擬合曲線，使后續(xù)計(jì)算、分析數(shù)據(jù)更快捷。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)滾珠絲杠副絲杠滾道表面波紋度檢測(cè)裝置所需要實(shí)現(xiàn)的功能問(wèn)題，對(duì)其測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并結(jié)合散射光傳感器檢測(cè)原理提出了檢測(cè)裝置測(cè)控系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案，為絲杠波紋度參數(shù)結(jié)果評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的滾珠絲杠副絲杠滾道表面波紋度檢測(cè)裝置能更快捷完成絲杠滾道表面波紋度的檢測(cè)，滿足生產(chǎn)廠家的檢測(cè)需求，對(duì)推動(dòng)絲杠表面質(zhì)量的提升具有重要意義。