基于滚珠丝杠的测量系统的设计及实现Word格式.docx
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InChina,staticmeasurementhasbeenwidelyusedforalongtime,whichislowefficientandcanbringman-madeerror.Recently,thedynamicmeasurementsystemusedinChinausuallyadoptsthedoublefrequencyinterferometersaslengthbenchmarkandroundrasterasanglebenchmark.Thedefectofthesystemisthat,itcanmeasureonlyonegeneratrixoftheballscrewshaft.Itcan’tsyntheticallyanalyesthemultiplegeneratrixesofballscrewshaft.Inthispaperwewilluseanewmethodtomeasurethepitcherrorofballscrewshaft.
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ballscrewshaft;
rasterdisplacementsensor;
multiplegeneratrixmeasurem
第一章引言
1.1本文研究的目的及意义
滚珠丝杠作为机床主要的传动、定位装置，其制造精度决定了机床加工的精度，所以，要提高机床的加工精度，一种办法是要提高滚珠丝杠的制造精度，另一种办法就是要准确的测量出滚珠丝杠各种指标的误差，为机床加工误差的补偿提供可靠的信息，从而达到提高机床加工参数的目的。
以现今的制造工艺和制造水平，滚珠丝杠的加工制造精度已经相当高，因此想要继续提高其制造精度就变的极其困难。
所以，要提高数控机床的加工精度，最适合的办法就是在补偿机床加工误差上想办法，准确的滚珠丝杠测量方法能够为使用被测滚珠丝杠的数控机床的误差补偿提供可靠而实用的信息，使机床能够在加工过程中根据测量出的滚珠丝杠的误差量进行相应的误差补偿，从而，在不必提高丝杠的精度的情况下，使数控机床的加工精度大大改善[1]。
另外，制造商在制造滚珠丝杠的过程中，由于制造工艺和制造手段的限制，生产出来的产品不一定都能够满足相关标准的要求，而要将不合乎标准的产品从众多的合格产品中挑选出来，高效率、高精度的测量设备就成为了重要的挑选手段。
因此，一台好的滚珠丝杠测量设备不但能够检验滚珠丝杠是否合格，而且能够为后续的数控机床的误差补偿提供数据资料。
这便是一台好的滚珠丝杠测量仪的意义所在。
1.2滚珠丝杠副测量方法发展现状
滚珠丝杠检测是丝杠制造过程中的重要部分，是检验滚珠丝杠是否合格的主要手段，也是现代机床加工过程中机床误差补偿的信息来源。
国内外主要的丝杠制造企业以及许多著名的大学，都把丝杠参数误差的测量作为重要的研究课题，常年进行深入的研究。
经过了多年的研究与开发，形成了一套完整的检测方法和体系。
它们包括有:
导程精度测量仪、动态预紧力矩仪、寿命试验机和接触刚度测量机等。
这些检测仪器都有几个值得注意的特点[2]：
1．采用微处理机（如单片机，嵌入式设备）或计算机进行检测数据的采集和处理如日本的NSK公司，在LMS型3m激光丝杠动态测量仪上加了一套“导程精度自动评定系统”（LeadAccuracyMeasuringSystem）。
它具有三个功用：
①迅速完成数据处理，输出导程误差曲线，并根据ISO滚珠丝杠标准判断出精度等；
②通过图形放大、滤波获得精确数据，对误差做出统计分析；
③对导程误差曲线进行谐波分析。
微处理机或计算机的引入大大提高了测量系统的数据采集和运算速度，提高了检测效率；
减少了人工计算，杜绝了人为因素对测量结果的影响，提高了检测精度；
扩展了测量系统的功能，为以后的全功能测量打下了良好的基础[4]。
2.测量仪器的多功能化
例如，德国林德纳公司研制的GMM-4导程测量机，对于各种不同牙型的丝杠，可以同时完成螺纹中径、单面导程误差及双面导程误差的测量。
而且，还能够对装配后的滚珠丝杠副，同时进行综合导程精度和空载预紧力矩的测量。
测量仪器的多功能化使检测的效率得到了进一步的提高，节省了检测仪器的费用，同时，为综合各项误差，得到最终误差补偿参数提供了可能[3]。
3.测量方式向动态连续自动化方向发展
测量方式采用动态连续测量，是为了获得与滚珠丝杠工作状态接近的各种性能数据。
如日本NSK公司研制了卧式连续动态预紧力矩测量机，安装在生产现场的装配工段，使用时，可以自动的使滚珠丝杠仪300m/min的速度跑合50吉个回合，然后自动转入低速并开始自动测量和记录[3]。
1.3本论文的内容
1．对滚珠丝杠测量仪的测量原理进行设计：
设计测量仪的测量原理和方法，实现滚珠丝杠的多母线测量。
2．确定测量仪的机械结构：
根据已经设计好测量方法和设计规则，设计出相应的系统机械机构。
3．对根据测量原理和机械结构选择适当的传感器和驱动部件，确定数据采集方式，采集电路，驱动电路，并给出干扰源及抗干扰措施。
4．对测量系统软件进行设计：
根据测量原理，设计出相应的软件。
5．查找系统误差源，并给出误差的补偿方法。
第二章系统方案分析
2.1滚珠丝杠测量仪的设计规则
丝杠动态测量仪是典型的精密检测仪器，它的设计必须遵循精密测量仪器设计的原则。
仪器设计时应遵循减少仪器误差或测量误差的原则。
（1）阿贝原则
阿贝原则即被测工件与标准尺必须处在测量方向的同一直线上。
采用阿贝原则能避免一次误差，得到较高的测量精度。
（2）最小变形原则
仪器部件及零件的变形是仪器误差的主要来源之一，仪器设计时应保证变形最小。
仪器的变形受温度和力的影响。
设计中假定测量仪工作的标准温度为20℃，工作中的温度如果不是标准温度，则会产生测量误差，因此必须进行温度补偿。
丝杠测量仪作为一种精密测量仪器，对温度变化有着极高的要求；
另外，在高精度测量时，还应考虑到测量力促使测头和被测之间产生的挤压变形和测头自身的变形直接导致的测量误差。
（3）最短测量链原则
从被测尺寸到仪器最终显示的传动链，属于直接传递被测尺寸变化的环节，称为广义测量链，它包括测量部分和放大指示两部分。
其误差直接影响仪器的测量误差。
为了提高精度降低成本，在仪器设计时应尽可能使测量链最短，即测量链最短原则。
当各环节制造误差相等时，最靠近被测尺寸的环节，其误差对仪器示值的影响最大。
因此，为了获得高精度仪器，必须对靠近被测尺寸的环节提出较高的精度要求，缩小其制造公差，对非测量链环节不提出过高的要求。
（4）基面统一原则
基面选择不当便会产生测量误差。
基面统一原则要求被测件的各种基面包第一章绪论括设计基面、工艺基面、装配基面和测量基面都应该是统一基面，这样就不会因定位误差而引起测量误差[12]。
2.2现有的滚珠丝杠副测量方法分析
常规的丝杠检测仪使用的方法有动态法和静态法。
（1）静态法
该方法属于间断测量，对丝杠上的某一条或者数条母线进行测量，对应的整条母线的螺旋线误差值就作为整根丝杠的最终测量结果。
由于测量方式比较简单，测量的数据量比较少，所以可以用万能工具显微镜等工具进行测量。
对于长丝杠的测量，采用分段测量法（例如每隔200mm测量一次），测量完一段并对下一段进行测量时，将前段的末尾几个螺牙作为下一段的开头进行重复测量，避免粗大误差。
根据被测丝杠的精度要求，静态测量可以选用以下几种测量方法。
a.影像法
在万能工具显微镜上，首先调整好仪器的焦距，根据中径和牙型半角选择适当的光圈，并按螺纹升角和螺旋方向将立柱倾斜一个角度，使主显微镜的主光轴与中径上的螺旋线方向一致，然后移动仪器的滑板，使被测工件牙型进入目镜视场内，即可开始对螺纹各项参数进行测量。
如图2-1所示。
图2-1影像测量法
测螺距或螺距累积误差时，将目镜米字刻线在图示位置Ⅰ与螺纹牙型轮廓影象重合，此时从纵向读数显微镜里读一数据，保持横向滑板固定不动，然后移动纵向滑板（相当几个螺距的距离），使牙测轮廓与米字刻线在位置Ⅱ重合，读出同名牙型的纵向坐标值。
两次读数之差就是n个螺距的实际值PΣ，n个螺距累积误差为：
△PΣ=|PΣ-nP|（2-1）
为了消除安装误差的影响，应分别测出左右n个螺距值：
PΣ左，PΣ右并取两者的平均值作为测量结果：
（2-2）
b.轴切法
在万能工具显微镜上测量螺距时，利用测量刀紧靠在螺纹牙型面上，按测量刀上的细刻线进行瞄准。
瞄准时，使目镜中的米字刻线的0.3mm或0.9mm距离刻线与测量刀上的细线重合，如图2-2所示。
这种方法的压线误差较小，因此测量精度比影像法高。
轴切法的测量步骤与影像法基本相同，这里不在叙述。
图2-2轴切法测量
除了以上两种方法外，还有许多其他的静态测量方法，如印模法，专用测量机上测量。
（2）动态法
丝杠动态测量基本工作原理。
理论上，丝杠的螺旋线可以用下列关系式表示:
（2-3）
其中，θ为丝杠与螺母之间的相对转角，S为与θ相对应的理论轴向位移，P为丝杠的螺距，z为螺旋线头数。
对于理想的丝杠,转角和位移始终保持式（2-1）的关系。
为了叙述方便，只讨论单头丝杠，即z=1，如果用一个角坐标反映丝杠的转角θ，即可得出对应的理论轴向位移S为：
（2-4）
根据误差定义：
（2-5）
其中:
S′为对应θ的实测轴向位移[10]。
根据以上理论，一般的测量方法为：
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方法示意图[9]。
图2-3丝杠螺旋线误差图
根据这个原理，可以由下式求得螺旋线误差：
（2-7）
其中：
Z—测量头沿丝杠轴线方向的行程；
T—被测丝杠的导程；
θ—被测丝杠转过的角度。
丝杠动态测量方法：
传统动态测量的方法从误差信号采集的角度可分为如下几种[15]：
a.与标准丝杠连续比对测量
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式指示被测丝杠相对于标准丝杠的误差，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必须相同，只适用于精度要求不高，单一品种大批量生产的测量。
b.比相法
图2-4相比法测量原理示意图
丝杠动态测量中运用较多的是比相法。
基本原理见图2-4。
丝杠的作用是将角位移转化为轴向直线位移，因此对丝杠的测量都是基于圆分度的长度测量。
测量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间间隔作为采样周期，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。
传统的比相方法采用分立元件比相器进行模拟式比相，存在可靠性差、分辨率受到限制、信号难以保持的缺点。
计算机的应用使数字比相代替模拟比相，取消了分频器、比相器、积分器、采样及保持电路，实现了大量程、高分辨率的测量，并得到高精度的结果。
c.记数法
图2-5记数法测量示意图
记数法测量原理如图2-5。
角位移信号每转一周产生N个角脉冲信号，开始测量时轴向位移信号与角位移脉冲同时到达，当丝杠转过M个角脉冲信号后，即转过M/N转，测量头位移为m.Ph/N（Ph为导程），若轴向位移信号脉冲波长为λ，位移信号脉冲应有l=m.Ph/N/λ个，由于导程误差的存在，测量头实际位移的与理论位移不一致，轴向位移实际脉冲个数为l1，则误差为e=（l1-l）λ。
这样以圆周为角度基准信号，测头轴向位移信号为输入，即可测量出丝杠导程误差[5]。
我国自从50年代开始生产滚珠丝杠以来，不但致力于滚珠丝杠制造工艺和制造技术的不断提高，而且还在滚珠丝杠检测技术方面做了巨大的努力。
在很长的一段时间里，我国使用的丝杠检测方法只有静态法，由于这种检测方法的第二章系统方案分析落后，我国的滚珠丝杠制造工业受到了严重的制约。
70年代以来，很多工厂，学校和研究机构纷纷加入到滚珠丝杠测量仪的研究与制造中来。
逐渐实现了从单纯的静态法测量，过度到科技含量高的动态法测量中来。
两种方法的对比如表2-1所示。
表2-1丝杠测量动态法与静态法比较
项目
静态测量法
动态测量法
测量精度
测量结果和丝杠的实际精度不完全符合:
只能测量一、二个轴向截面内的螺距误差；
避免测量时间长会导致人的疲劳以及环境的变化等对测量结果产生的影响，长丝杠须采用跨牙测量。
而英制螺纹尺是半英寸一条刻线，只能每半英寸或一英寸测量一个数据。
因此可能漏掉误差较大的测量点；
测量单圈螺旋线误差时，需将圆周有限等份，等份越少误差越大，等份圆周划分相位时将产生随即误差。
测量结果和实际精度一致，提高了测量精度:
可以连续测量，确定任意轴向截面的螺距误差；
由测量人员的对线读书变为自动记录，避免了人为的随即误差。
通过基准件参数的合理选择，对各种螺纹的丝杠都可以由逐牙或跨牙测量变为连续自动测量，不会漏掉测量点，测得的丝杠误差符合实际；
测量螺旋线误差时，由等分圆周对少数点的测量变为连续测量，避免了分点过少及划分相位时带来的随机误差。
测量效率
（1）每测量一个数据都要读数显微镜对线一次或几次，因此测量n场）低。
由于测量效率低，环境温度波动的影响较大，尤其在测量长丝杠时，容易产生误差；
（2）加工丝杠时，机床的加工和调整时间长，机床生产效率低；
（3）生产加工机床时，试磨样件的刀具多，装配和调整的周期长，不利于机床产量和质量的提高；
（4）劳动强度大，长时间测读易疲劳，从而增大对线误差。
（1）由逐点M量改为连续M量，效率提高7-9倍；
（2）缩短了丝杠加工机床的调整和加工时间，提高了机床的生产效率；
（3）生产加工机床时，减少了试磨样件的刀具数，缩短了机床装配和调整的时间，促进了机床产量和质量的提高；
（4）减少了测量人员，降低了劳动强度，实现了测量过程的自动化。
由于效率提高，减少了环境A度波动的影响，有利于提高测量精度。
测量设备
静态测量设备多用万能性的设备，维护方便。
动态测量设备为复杂的专用设备，价格昂贵，电子设备的维护也比较麻烦。
适用范围
适用于单件小批量生产及测量精度不太高的丝杠。
适用于成批生产及精度要求较高的丝杠。
由以上对比可以看出，动态测量较之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[13]，因此，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合，动态测量已基本取代了静态测量，成为丝杠检测的主要手段。
传统的动态测量方法是由专门制造的动态测量仪来完成的。
这一时期的动态测量仪由于受技术条件的限制，尤其是电子技术发展的制约，其关键部件大都由分立元件构成，因而功能单一，自动化程度较低，仪器故障率也较高。
虽然其后的有些产品采用了厚膜电路和小规模集成电路构成的相位计，使仪器的性能指标有所改进，但从宏观上看仍没有走出早期测量仪工作的模式。
随着电子技术，特别是计算机技术的发展，使制造出新一代的丝杠动态测量仪在技术上成为了可能。
动态测量仪虽然在测量原理方面没有新的突破，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都采用高精度圆光栅作为基准，长度方向有些采用高精度光栅（或磁栅）尺，有些则采用单频激光或双频激光作为基准，而传统的相位计大都由单片机（或工业控制机）取代[16]。
目前开发应用的丝杠动态测量仪，不论是在测量精度还是在自动化程度或者仪器的无故障率方面，都比早期的测量仪有了很大的提高。
激光技术和计算机技术的应用，使动态测量技术进一步提高。
在技术方法上，由于采用了计算机技术，因而突破了传统的模拟比相方法而采用数字比相技术，这使仪器的测量精度和抗干扰性能有了进一步的提高。
有些仪器己经采用显示器来显示测量的误差曲线，并同时可由记录仪来画出误差曲线[16]。
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、图象显示技术、自动化技术得到了广泛的应用，智能化技术、柔性测试、计算机辅助测试等也得到广泛的发展及应用，丝杠动态测量仪的研究开发也向高精度、快速化、智能化、模块化的方向发展[17]。
2.3系统方案的提出
2.3.1问题的提出
在绪论中已经叙述过，滚珠丝杠的测量可以由静态法或者动态法进行测量，两种方法的优劣性也在上文中做了比较。
静态法测量一条或多条母线的螺旋线误差，采用这种方法可以达到一定的精度，但测量效率过低，不能发现周期性的误差；
动态测量方法是利用螺旋线的运动规律来实现测量的，由传动装置带动被测丝杠转动，并用适当的方式对螺旋线的误差进行测量，这种方式可以得到较好的精度，而且测量效率也得到了较大的提高，但由于测量方法的要求，动态测量仪要有检测螺杆旋转角度的传感器（一般使用圆光栅），还需要有检测螺旋线轴向变化的测量设备（一般采用长光栅尺或者双频激光干涉仪），这样的系统通常有个问题：
无论是采用长光栅或是激光双频干涉仪作为轴向位移的测量设备，其局限性是显而易见的：
他们都只能测量滚珠丝杠副上一条母线的轴向误差，若想测量多条母线的轴向行程误差则需要进行多次的测量，这样就无形中降低了测量设备的测量效率，不利于对同一滚珠丝杠副的多条母线螺距误差的测量。
2.3.2问题的分析与解决
上面已经说到了现在使用比较广泛的滚珠丝杠动态测量仪所面临的问题。
下面，就将根据所提出的问题进行系统的分析。
从绪论里我们可以看到，静态法虽然效率低，但它有一个明显的优点：
就是能测量多条母线的螺旋线行程误差，这是滚珠丝杠动态测量仪所不具备的。
滚珠动态测量仪是通过被测丝杠的转动来带动与丝杠点接触且连接到光栅尺上的测量头，从而测量出测量头的轴向位移，然后由圆光栅上得到的转动角度，根据式（2-2）得出标准的轴向位移，从而得到螺旋线行程误差。
使用激光干涉仪进行轴向位移测量的动态测量仪，是利用双频激光，利用其频率之差，采集记录激光干涉测量的脉冲数，就可以实现长度的测量。
激光双频干涉仪同光栅尺测量一样，也是对单一的母线进行测量，不能实现对多条母线的测量。
现在应该做的，就是由静态测量法的启发，进而得到一个能够对丝杠牙型上任意的一条母线进行测量的方法。
在绪论中的静态法描述中，我们注意到影象测量法是对同一母线上同侧牙型的两个点进行测量，得到n个螺距的测量值。
我们也可以想一种方式，对牙型上的点进行测量，然后对同一母线上的同侧点进行距离测量，既而得到n个螺距的测量值。
与静态法不同的是，我们要利用电子计算机技术，对牙型上的点进行测量，并加以数据处理与数据输出，实现测量的自动化。
2.3.3系统方案的分析
1．系统测量方案分析
基于以上的叙述，我们初步确定以下的测量方案。
对滚珠丝杠的轴向截面的轮廓进行测量，我们知道，对于点的位置的确定，在三维坐标内，应该有x、y、z三个坐标值，对于二维坐标，则需要有x、y两个坐标值。
对于本课题的项目，我们需要测量的点都在滚珠丝杠的轴向截面之内，也就是说，所有的测量点都在一个平面之内，所以我们就可以建立一个虚拟的二维坐标系，在此二维坐标系平面内对牙型轮廓进行逐点的测量，通过使用适当的位移传感器得到每个点在这个虚拟的空间坐标系内的坐标值。
又由于所测量的点都是是在轴向截面的二维平面内，所以我们只需要两个位移传感器，一个用来测量轴向的位移x，另一个测量纵向的位移y。
2．系统机械结构方案分析
（1）系统中应有提供被测丝杠
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