宋現春，魯苑凱，徐加壘，姜洪奎，許向榮，馬洪君

（山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101）

滾珠絲杠副運動精度在線測量系統(tǒng)設計與分析

宋現春，魯苑凱，徐加壘，姜洪奎，許向榮，馬洪君

（山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101）

滾珠絲杠副運動精度是試驗臺檢測的主要指標，而現在的檢測手段多為離線檢測，操作復雜且定位難度較高。通過設計開發(fā)一種滾珠絲杠副運動精度在線測量系統(tǒng)，可以實現其在線檢測，對于提高檢測效率和檢測精度具有重要意義。文章圍繞在線測量系統(tǒng)的硬件、原理、通訊、測量界面與結構，設計了一種滾珠絲杠副運動精度在線測量系統(tǒng)，并與3 m激光行程誤差測量儀對同一根絲杠進行精度檢測試驗，對其測量值進行對比分析。結果表明：設計的在線測量系統(tǒng)與3m激光行程誤差測量儀相比較，前者對環(huán)境要求不高、偶然性誤差小，測量曲線相對平滑，而后者測量曲線波動比較密集；兩者測量曲線特征值差值小于1μm，在容許誤差范圍內。

滾珠絲杠副；在線測量系統(tǒng)；設計；運動精度

0 引言

滾珠絲杠副可以將轉動轉化為直線運動，是數控機床的進給驅動系統(tǒng)的主要形式，其運動精度很大程度上決定了數控機床的加工精度。隨著數控機床的應用越來越廣泛，人們對機床高速化、高精度化提出越來越高的要求，目前衡量數控機床性能優(yōu)劣的重要指標就是數控機床的運動精度。但是因為國內生產水平相對較弱，國產絲杠的運動精度始終不如國外發(fā)達國家生產的高［1］。而且大量國外廠家或外資企業(yè)在國內建廠，導致大量國外高端滾珠絲杠流入國內，嚴重擠壓了國內高端滾珠絲杠產品的生存空間，對中國自主研發(fā)高端數控裝備和設備技術國產化產生了嚴重的影響。因此，國產滾動功能部件生產企業(yè)為增強產品競爭力，應把重點放在提高滾動功能部件的性能和質量。唐旭華等設計的滾珠絲杠副運動精度測試系統(tǒng)［2］和丁聰等設計的滾珠絲杠副精度保持性加載裝置對提高滾動功能部件的性能和質量做出了貢獻，促進了我國機床行業(yè)和裝備制造業(yè)的發(fā)展［3］。滾珠絲杠副的精度則是滾動功能部件性能的重要體現，其檢測將成為提高滾動功能部件性能的重要手段。通過對絲杠運動精度等參數的檢測對尋找影響其精度的因素起到非常重要的幫助，找到影響國產絲杠精度的主要因素并掌握提高絲杠精度的關鍵技術，不斷加強精度系統(tǒng)研究和技術攻關，對突破國產絲杠質量差、精度不高起到重要作用。

當前測量絲杠運動精度的方法主要有：塊規(guī)法、線紋法、激光干涉儀測量法和直線光柵尺測量法，其中后2種方法應用較為廣泛且測量精度較高［4］。激光干涉儀測量法測量精度高、敏感度高，易受外界環(huán)境影響，測量時需要將絲杠從機床上取下，安裝在激光測量儀上，操作較為復雜且定位相對麻煩復雜；直線光柵尺測量法可直接進行直線位置測量，無額外機械傳動件，無需拆卸絲杠，操作較為簡便，受外界影響較小且對位置值的測量時沒有漂移，同樣也能夠滿足對高精度定位的要求［5］。文章選擇了直線光柵尺作為測量工具，設計開發(fā)一種滾珠絲杠副運動精度在線測量系統(tǒng)，并與JCS-040 3 m激光行程誤差測量儀進行試驗對比分析，驗證了滾珠絲杠副運動精度在線檢測的優(yōu)越性，對于提高檢測效率和檢測精度具有重要意義。

1 滾珠絲杠副運動精度在線測量系統(tǒng)設計

1.1 螺旋線精度測量系統(tǒng)硬件設計

螺旋線精度在線測量系統(tǒng)是在跑合機床的基礎上進行改造的，被測絲杠采用一端固定，另一端支撐的方式安裝，圓光柵尺安裝在絲杠的支撐端，并通過聯軸器與絲杠相聯接，直光柵尺則安裝在被測絲杠下方的床身上，伺服電機安裝在絲杠的固定端，并通過聯軸器與絲杠相聯接［6］。固定端的軸承同時承受徑向力和軸向力，起到固定絲杠的作用，支承端的軸承只承受徑向力，使得絲杠軸在受熱后能夠沿軸向向一端延長，不僅

可以有效減少或者避免因絲杠自重而出現的彎曲，同時也避免了絲杠在長時間跑合后溫度升高而導致的絲杠應力過大引發(fā)的振動或者變形。伺服系統(tǒng)按照預設速度驅動伺服電機旋轉，驅動被測絲杠做順時針或者逆時針轉動，伺服電機的順逆旋轉通過滾珠絲杠副轉換為加載平臺的直線往復運動［7］?？紤]到盡可能減小伺服電機和圓光柵尺引起的振動影響試驗結果，所有的聯軸器選擇彈性聯軸器，螺旋線精度在線測量試驗臺采用GOX—1440—5光柵尺和S—5000圓光柵作為測量元件。試驗臺測量系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 試驗臺測量系統(tǒng)流程圖

1.2 螺旋線精度測量系統(tǒng)原理

如圖2所示，滾珠絲杠副在運行過程中，絲杠帶動圓光柵轉動，圓光柵將絲杠的旋轉角度轉化為脈沖信號記錄下來，同時光柵尺將螺母軸向移動的位移信號轉化為脈沖信號記錄下來。兩路脈沖信號由PCI計數采集卡同時進行采集并發(fā)送至工控機。安裝在工控機里的軟件按照需要在不同時間同時讀取兩個通道的計數值，軟件根據不同型號的圓光柵和光柵尺根據其參數不同按照公式將計數值轉換成轉動角度和位移量［8］，絲杠轉動角度可以根據絲杠的導程轉化為位移量，計算的位移量和光柵尺測量的位移量之差就為滾珠絲杠副的移動誤差值。通過測量整個行程上移動誤差值，就可以求取滾珠絲杠副在整個行程中的行程變化量。工控機軟件在計算出行程誤差的同時，將實際測量位移量作為x軸數據，將行程誤差作為y軸數據生成xy波形圖，直觀的顯示移動過程中的行程誤差變化。移動誤差值由式（1）表示為

式中：Δ為移動誤差值，mm；L為螺母實際位移測量值，mm；θ為滾珠絲杠轉角測量值，rad；p為滾珠絲杠導程，mm。

圖2 螺旋線精度在線測量系統(tǒng)原理圖

1.3 軟件與硬件通訊

根據PCI2394采集卡官方驅動為labview提供的函數調用方式進行硬件配置［9］，CreateDevice函數通過設置當前采集卡ID來指定函數操作的采集卡，ID號由工控機默認分配，在工控機只有一個采集卡時默認為0。通過SetTimer函數進行采集卡時鐘源設置，根據試驗需要，選擇50 Hz時鐘源，并將時鐘源頻率分成5部分，實現10 Hz的時鐘頻率。為防止前面的測量數據干擾后續(xù)測量，還需清除兩通道的寄存數值，通過ResetDeviceCNT函數重置采集卡的0、1兩個計數通道。結構體PARA_CNT的參數主要控制計時器輸入模式、計數器復位值以及鎖存模式，配置完成后，InitDevice函數就會得到硬件的參數設置，從而完成初始化0、1兩個計數通道。

1.4 測量界面與參數設置

圖3為測量軟件的初始運行界面，運用狀態(tài)機結構，成功實現了開始測量、測量停止、數據處理、報告預覽和數據保存等功能，為確保使用人員在操作時的先后順序，在未開始測量前，除開始以為其他選項禁用并變灰，避免了程序執(zhí)行錯誤［10］。

圖3 測量軟件初始界面圖

圖4為參數設置界面，通過改變參數可以檢測不同規(guī)格的滾珠絲杠副螺旋線精度，并且輸入的參數會保存并傳送到打印界面，以備查閱和后期數據對比。同時，也可根據測量精度以及其他要求更換光柵尺，更換后只需要改變光柵尺分辨率的數據即可，提高了軟件的普適性。

圖4 測量軟件參數設定界面圖

1.5 軟件主要結構

軟件結構部分主要運用狀態(tài)機和生產者／消費者模式，圖5為狀態(tài)機基本框架，由枚舉常量列出整個狀態(tài)機的所有狀態(tài)，以測量軟件初始界面為例，初始界面包括6種狀態(tài)：開始、結束、位移檢測、螺旋線精度檢測、參數設置、讀取歷史。軟件處于某一狀態(tài)時，狀態(tài)機便運行相對應的程序，即響應相對應的狀態(tài)，事件發(fā)生變化時，枚舉常量值也隨之改變，狀態(tài)機響應的程序也會發(fā)生變化［11］。狀態(tài)機結構程序簡明且運行較為流暢，軟件可讀性較高，便于后期修改。

圖5 狀態(tài)機基本框架圖

圖6為生產者／消費者模式基本框架，生產者／消費者模式同時進行數據采集和數據處理，將采集到的數據和待處理數據進行排隊，避免的數據沖突，極大的保證了數據的真實性。

生產者循環(huán)是通過使用元素入隊列函數將采集的數據不斷地排列成隊，而消費者循環(huán)則是用元素出隊列函數不斷的從已排列的數據中讀取數據，不僅可以實時讀取數據進行處理，還縮短的采樣時間，提高了數據處理的效率。

圖6 生產者／消費者模式基本框架圖

2 滾珠絲杠副運動精度在線測量系統(tǒng)試驗分析

2.1 在線測量系統(tǒng)試驗

如圖7所示，滾珠絲杠副螺旋線精度常用的測量指標有每圈最大行程變動量V2π、實際移動量線la、基準移動量目標值T、基準移動量線ls、公稱移動量線lo、最大行程變動量 Vμ、代表性移動量線 lm、300 mm最大行程變動量V300、代表性移動量誤差ep、移動量誤差 E［12］。

圖7 螺旋線精度測量指標說明圖

測量系統(tǒng)選取 E、Vμ、V300、V2π等 4個特征值，對被測滾珠絲杠副螺旋線精度進行描述。其中，E為公稱移動量與代表性移動量的差值，且E＝ep+T；Vμ為最大行程變動量，即實際移動量曲線的代表性移動量線所對應的兩條平行線之間的豎直距離；V300為有效行程內，任意300 mm行程中的實際移動量的最大幅度；V2π為實際移動量在有效行程內任意一圈中最大幅度。對于這4個特征值，先在加載試驗臺上進行測定，獲得試驗數據后拆下絲杠，并安裝在JCS—040 3 m激光測量儀上進行測量，測量完畢后，比較試驗臺和3 m激光測量儀的檢測結果［13］。若結果相同，則可以證明實驗臺的測量結果是準確可靠的。

選用國外某公司生產的FDI4010×2000型號滾珠絲杠進行螺旋線精度第一次測量試驗，其過程為（1）測定試驗環(huán)境，確保溫度、濕度適宜以及沒有其他干擾源，然后將絲杠在設計的在線測量系統(tǒng)試驗臺上進行跑合一段時間，充分磨合后，待絲杠溫度穩(wěn)定，再使用在線測量系統(tǒng)檢測絲杠的運動精度。（2）將被測絲杠從試驗臺取下，安裝在 JCS—040 3 m激光行程誤差測量儀上，并在絲杠的螺母上安裝溫度傳感器［14］，為保證測量可靠性，需要嚴格按照（1）的試驗溫度、濕度等條件進行檢測，驅動絲杠轉動待溫度與（1）溫度相同時，檢測絲杠的螺旋線精度。

為排除試驗的偶然性，進行一組對比試驗，選取國內博特公司生產的FDI4010×2000型號的滾珠絲杠進行螺旋線精度測量試驗，與第一次試驗同樣的操作方式，在確保試驗環(huán)境和條件不變的情況下進行第二次試驗。

2.2 對比試驗結果與分析

第一次試驗的測量結果如圖8所示。

根據圖8對第一次試驗的螺旋線精度測量結果進行對比，見表1。

圖8 第一次試驗結果圖

表1 第一次試驗螺旋線精度測量結果對比／μm

由圖8和表1可以看出，在第一組試驗中，JCS-040測量儀離線檢測結果與試驗臺的在線檢測結果基本一致，2次運動精度檢測的測量曲線走勢基本一致，曲線特征值相差也在1之內［15］，在容許誤差范圍內，因此檢測結果有效。

第二次測量結果如圖9所示。

圖9 第二次試驗結果圖

根據圖9對第二次試驗的螺旋線精度測量結果進行對比，見表2。

表2 第二次試驗螺旋線精度測量結果對比／μm

由圖9和表2可以看出，在第二組試驗中，JCS—040測量儀離線檢測與試驗臺在線檢測的檢測結果基本一致，其運動精度檢測曲線走勢基本一致，曲線特征值相差也在1之內，因此試驗結果有效。

3 結論

通過上述研究可知：

（1）設計的在線測量系統(tǒng)試驗臺采用光柵尺測量，可以有效減少不必要的干擾，檢測時不需要取下絲杠，保證了原有的定位精度，偶然性誤差小，且操作簡便高效。在線測量系統(tǒng)與JCS—040 3 m激光行程誤差測量儀相比較，前者測量曲線平滑，更容易進行數據分析，后者曲線波動比較密集。

（2）對同一根絲杠，設計的在線測量系統(tǒng)螺旋線精度檢測結果與JCS-040 3 m激光行程誤差測量儀離線檢測結果基本一致，曲線特征值相差1以內，在容許誤差范圍內，表明試驗臺的在線測量系統(tǒng)測量數據可靠有效。

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Screw motion precision on-linemeasurement system design and experimental analysis

Song Xianchun，Lu Yuankai，Xu Jialei，et al.
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Precision ball screw pair ofmovement is themajor indexes of the test bench testing，but the existing testing means are more for offline testing with complex operation and great positioning difficulty.The design and development of a kind of ball screw pair movement precision of online measuring system can realize the online detection，and is of great significance to improve the detection efficiency and accuracy.The paper designs a kind of ball screw pair movement precision of online measuring system according to the hardware，principle，communication，measuring interface and structure of online measurement system and at the same time to use the 3 m laser stroke error measuring instrument to test the same root screw accuracy，and analyzes themeasured values.Results show that，by comparing the designed online measuring system with the 3 m laser stroke error measuring instrument，the requirements of the former to the environment is lower，the accidental error of the former is smaller，and themeasuring curve of the former is relatively smoother while the latter hasmore intensive measurement curve fluctuation，and that the measured curve characteristic value difference of both is less than 1μm，in the range of allowable error.

precision ball screw pair；onlinemeasurement system；design；movement accuracy

TH132

A

1673-7644（2017）05-0409-05

10.12077／sdjz.2017.05.001

2017-08-05

國家自然科學基金項目（51375279，51475267）；“高檔數控機床與裝備制造基礎”國家重大科技專項資助項目（2012ZX04002013）

宋現春（1965-），男，教授，博士，主要從事機電一體化技術、數控機床功能部件等方面的研究.E-mail：songxch＠sdjzu.edu.cn［*

］

（學科責編：趙成龍）