滾珠絲杠螺旋線誤差動態(tài)測量控制系統(tǒng)的設(shè)計word版

1、青島理工大學畢 業(yè) 設(shè) 計題目：滾珠絲杠螺旋線誤差動態(tài)測量控制系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名： 許忠奎 學生學號： 201281023 院系名稱： 機電工程系 專業(yè)班級： 機電一體化121班 指導教師： 張強 2015年6 月 16 日 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書專業(yè) ：機電一體化 班級 ： 機電121 姓名： XXXX 下發(fā)日期 2015-3-9 題目滾珠絲杠螺旋線誤差動態(tài)測量控制系統(tǒng)的設(shè)計專題滾珠絲杠螺旋線設(shè)計主要內(nèi)容及要求內(nèi)容：滾珠絲杠螺旋線誤差動態(tài)測量控制系統(tǒng)方案設(shè)計； 系統(tǒng)測量硬件電路設(shè)計； 系統(tǒng)測量軟件設(shè)計； 實際應(yīng)用。要求： （1）在教師指導下，獨立完成設(shè)計任務(wù)，培養(yǎng)較強的創(chuàng)新意識和學習能力，得到基本的

2、訓練。（2）收集相關(guān)的資料和闡述設(shè)計的思維。 （3）熟悉系統(tǒng)整體設(shè)計，了解各部分性能。主要技術(shù)參數(shù)檢測范圍：0100cm；檢測精度：±5CM；進度及完成日期4月06日-4月19日 查閱國內(nèi)外文獻,上交開題報告。4月20日5月10日系統(tǒng)方案選擇與論證,軟硬件設(shè)計。5月11日5月20日主要參數(shù)計算及元器件的選擇,上交中期審核表。5月22日6月02日完成畢業(yè)設(shè)計論文書的撰寫,上交初稿。6月03日6月10日根據(jù)老師意見進行修改完善。6月11日6月16日論文打印,完成答辯PPT,準備答辯。系主任簽字日 期教研室主任簽字日 期指導教師簽字日 期 指 導 教 師 評 語 設(shè)計選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標畢

3、業(yè)設(shè)計，能夠達到綜合訓練目標，題目有難度，工作量較大，選題具有一定實踐指導意義。該生查閱文獻能力較強，能較為全面收集關(guān)于考試系統(tǒng)的資料，寫作過程中能綜合運用考試系統(tǒng)知識，全面分析考試系統(tǒng)問題，綜合運用知識能力較強。文章篇幅完全符合學院規(guī)定，內(nèi)容較為完整，層次結(jié)構(gòu)安排科學，語言表達流暢，格式比較符合規(guī)范要求，參考了較為豐富的文獻資料，其時效性較強。 綜合看來，本人認為，該設(shè)計達到了?？飘厴I(yè)水平，同意設(shè)計答辯。 指導教師: 年 月 日 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱意見表設(shè)計（論文）題目滾珠絲杠螺旋線誤差動態(tài)測量控制系統(tǒng)的設(shè)計評價項目評價標準（A級）滿分評 分ABCDE文獻資料利用能力能獨立地利

4、用多種方式查閱中外文獻；能正確翻譯外文資料；能正確有效地利用各種規(guī)范、設(shè)計手冊等。10109876綜合運用能力研究方案設(shè)計合理；設(shè)計方法科學；技術(shù)線路先進可行；理論分析和計算正確；動手能力強；能獨立完成設(shè)計（論文）；能綜合運用所學知識發(fā)現(xiàn)和解決實際問題；研究結(jié)果客觀真實。20192017181516131412設(shè)計（論文）質(zhì)量設(shè)計（論文）結(jié)構(gòu)嚴謹；邏輯性強；語言文字表準確流暢；格式、圖、表規(guī)范；有一定的學術(shù)水平或?qū)嶋H價值4037-4032-3628-3125-2724創(chuàng)新能力有較強的創(chuàng)新意識；所做工作有較大突破；設(shè)計（論文）有獨到見解151513-1411-12109工作量工作量飽滿；圓滿完成

5、了任務(wù)書所規(guī)定的各項任務(wù)。151513-1411-12109總分是否同意將該設(shè)計（論文）提交答辯：是（ ） 否（ )具體評閱及修改意見： 評閱人： 年 月 日注：1.請按照A級標準，評出設(shè)計（論文）各項目的具體得分，并填寫在相應(yīng)項目的評分欄中； 2.計算出總分。若總分<60分，“設(shè)計（論文）質(zhì)量”<24分，建議不能提交論文評閱乃至答辯。該設(shè)計（論文）須限期修改合格后重新申請答辯。 3.評閱意見欄不夠可另附頁。答 辯 委 員 會 評 語評定成績周 記說明書(或論文)圖 紙答 辯總 評答辯委員會主席簽字日 期（5%）（65%）（30%）百分制等級制 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計摘 要 精密滾珠

6、絲杠副是數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件，其螺旋線精度對數(shù)控機床的定位精度有較大影響本課題結(jié)合工程項目“滾珠絲杠動態(tài)測量儀技術(shù)改造對原有測量儀器的測量系統(tǒng)行了技術(shù)改造，提高了儀器的測量精度，測量過程更加智能化。 滾珠絲杠是將角位移轉(zhuǎn)化為線位移，或?qū)⒕€位移轉(zhuǎn)化為角位移的理想產(chǎn)品，可以使傳動和定位在同一零件上得到實現(xiàn)。另外，滾珠絲杠不但能夠作為定位，傳動零件，還可以起到定位的作用。由于使用滾珠作為其傳遞運動的媒介，使得滑動運動變?yōu)闈L動運動，從而大大的減少了摩擦作用，提高的傳動的效率。滾珠絲杠有效率高、精度高、微給進、使用壽命長等特點，因此，它成為了工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件。在現(xiàn)代數(shù)控機床中，滾

7、珠絲杠起了極其重要的作用。它作為數(shù)控機床運動系統(tǒng)中的傳動，定位部件，其精度的高低往往直接決定著數(shù)控機床的加工精度。由于制造工藝和制造手段的限制，滾珠絲杠制造精度的提高已經(jīng)變得十分困難，所以，高精度的滾珠絲杠檢測手段就成為了補償數(shù)控機床加工誤差，提高機床加工精度的重要方式。另外，出于滿足滾珠絲杠制造商對其出廠產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的需要，設(shè)計一種高性能的絲杠檢驗設(shè)備也是十分必要的。我國對滾珠絲杠的檢測長期使用靜態(tài)法，效率低下，且容易人為的引入誤差。而現(xiàn)今國內(nèi)使用的動態(tài)絲杠測量儀多采用單頻、雙頻激光作為長度基準，圓光柵作為角度基準，共同作用來測量滾珠絲杠的行程誤差。但其缺點是成本較高，只能對滾珠絲杠的一條母

8、線進行測量，而不能對絲杠徑向上的多條母線進行綜合的評定。關(guān)鍵詞： 滾珠絲杠，螺旋誤差，數(shù)據(jù)采集，誤差分析，多母線測量數(shù)控I ABSTRACTBall screw shaft is a ideal product to turn angle displacement to line displacement, or line displacement to angle. It can implement both driving and locating at the same time. Besides driving and locating, it can be a measuring p

9、iece.Because of the use of ball as the media, it reduces the function of friction significantly, and improves the efficiency. Ball screw shaft has the virtue of high efficiency and precision, micro-diving, long life-span etc, therefore it becomes the most popular driving piece in tool-machine and pr

10、ecision-machine.In modern NC machine tool, ball screw shaft plays a very important role. As the driving and locating piece of the mobile system in NC machine tool, the pricison of ball screw shaft always affects the precision of machine tool. Because of the limit of manufacturing process and method,

11、 it is very difficult to improve the precision of the ball screw shaft. The measurement of ball screw shaft with high precision is the important approach to optimize the parameter of manufacture and improve the precision of NC machine tool。Key word：ball screw，spiral error，data collection，error analy

12、sis，multi bus measure numerical controlII 目 錄摘 要IABSTRACTII前 言1第1章 系統(tǒng)方案分析21.1滾珠絲杠測量儀的設(shè)計規(guī)則21.2現(xiàn)有的滾珠絲杠副測量方法分析31.3系統(tǒng)方案的提出101.3.1問題的提出101.3.2問題的分析與解決111.3.3系統(tǒng)方案的分析11第2章 系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇162.1系統(tǒng)測量元件的選擇162.1.1軸向位移傳感器的選擇162.1.2縱向位移傳感器的選擇182.2系統(tǒng)運動部件的選擇21第3章 滾珠絲杠測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計223.1步進電機的控制223.2步進電機的驅(qū)動233.3系統(tǒng)測量頭自鎖問題

13、的解決243.4測量系統(tǒng)的抗干擾253.4.1干擾的來源253.4.2抗干擾措施26第4章 滾珠絲杠測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計274.1測量儀的程序模塊274.2測量儀的軟件設(shè)計284.3測量程序部分31結(jié) 論33I 致 謝34參考文獻35附錄一37附錄二41II 前 言滾珠絲杠作為機床主要的傳動、定位裝置，其制造精度決定了機床加工的精度，所以，要提高機床的加工精度，一種辦法是要提高滾珠絲杠的制造精度，另一種辦法就是要準確的測量出滾珠絲杠各種指標的誤差，為機床加工誤差的補償提供可靠的信息，從而達到提高機床加工參數(shù)的目的。以現(xiàn)今的制造工藝和制造水平，滾珠絲杠的加工制造精度已經(jīng)相當高，因此想要繼續(xù)提高其制

14、造精度就變的極其困難。所以，要提高數(shù)控機床的加工精度，最適合的辦法就是在補償機床加工誤差上想辦法，準確的滾珠絲杠測量方法能夠為使用被測滾珠絲杠的數(shù)控機床的誤差補償提供可靠而實用的信息，使機床能夠在加工過程中根據(jù)測量出的滾珠絲杠的誤差量進行相應(yīng)的誤差補償，從而，在不必提高絲杠的精度的情況下，使數(shù)控機床的加工精度大大改善1。另外，制造商在制造滾珠絲杠的過程中，由于制造工藝和制造手段的限制，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不一定都能夠滿足相關(guān)標準的要求，而要將不合乎標準的產(chǎn)品從眾多的合格產(chǎn)品中挑選出來，高效率、高精度的測量設(shè)備就成為了重要的挑選手段。因此，一臺好的滾珠絲杠測量設(shè)備不但能夠檢驗滾珠絲杠是否合格，而且能夠

15、為后續(xù)的數(shù)控機床的誤差補償提供數(shù)據(jù)資料。這便是一臺好的滾珠絲杠測量儀的意義所在。第1章 系統(tǒng)方案分析1.1滾珠絲杠測量儀的設(shè)計規(guī)則絲杠動態(tài)測量儀是典型的精密檢測儀器，它的設(shè)計必須遵循精密測量儀器設(shè)計的原則。儀器設(shè)計時應(yīng)遵循減少儀器誤差或測量誤差的原則。(1)阿貝原則阿貝原則即被測工件與標準尺必須處在測量方向的同一直線上。采用阿貝原則能避免一次誤差，得到較高的測量精度。(2)最小變形原則儀器部件及零件的變形是儀器誤差的主要來源之一，儀器設(shè)計時應(yīng)保證變形最小。儀器的變形受溫度和力的影響。設(shè)計中假定測量儀工作的標準溫度為20，工作中的溫度如果不是標準溫度，則會產(chǎn)生測量誤差，因此必須進行溫度補償。絲杠

16、測量儀作為一種精密測量儀器，對溫度變化有著極高的要求；另外，在高精度測量時，還應(yīng)考慮到測量力促使測頭和被測之間產(chǎn)生的擠壓變形和測頭自身的變形直接導致的測量誤差。(3)最短測量鏈原則從被測尺寸到儀器最終顯示的傳動鏈，屬于直接傳遞被測尺寸變化的環(huán)節(jié)，稱為廣義測量鏈，它包括測量部分和放大指示兩部分。其誤差直接影響儀器的測量誤差。為了提高精度降低成本，在儀器設(shè)計時應(yīng)盡可能使測量鏈最短，即測量鏈最短原則。當各環(huán)節(jié)制造誤差相等時，最靠近被測尺寸的環(huán)節(jié)，其誤差對儀器示值的影響最大。因此，為了獲得高精度儀器，必須對靠近被測尺寸的環(huán)節(jié)提出較高的精度要求，縮小其制造公差，對非測量鏈環(huán)節(jié)不提出過高的要求。(4)基面

17、統(tǒng)一原則基面選擇不當便會產(chǎn)生測量誤差?；娼y(tǒng)一原則要求被測件的各種基面包第一章緒論括設(shè)計基面、工藝基面、裝配基面和測量基面都應(yīng)該是統(tǒng)一基面，這樣就不會因定位誤差而引起測量誤差。1.2現(xiàn)有的滾珠絲杠副測量方法分析常規(guī)的絲杠檢測儀使用的方法有動態(tài)法和靜態(tài)法。（1）靜態(tài)法該方法屬于間斷測量，對絲杠上的某一條或者數(shù)條母線進行測量，對應(yīng)的整條母線的螺旋線誤差值就作為整根絲杠的最終測量結(jié)果。由于測量方式比較簡單，測量的數(shù)據(jù)量比較少，所以可以用萬能工具顯微鏡等工具進行測量。對于長絲杠的測量，采用分段測量法（例如每隔200mm測量一次），測量完一段并對下一段進行測量時，將前段的末尾幾個螺牙作為下一段的開頭進行

18、重復測量，避免粗大誤差。根據(jù)被測絲杠的精度要求，靜態(tài)測量可以選用以下幾種測量方法。a.影像法在萬能工具顯微鏡上，首先調(diào)整好儀器的焦距，根據(jù)中徑和牙型半角選擇適當?shù)墓馊?，并按螺紋升角和螺旋方向?qū)⒘⒅鶅A斜一個角度，使主顯微鏡的主光軸與中徑上的螺旋線方向一致，然后移動儀器的滑板，使被測工件牙型進入目鏡視場內(nèi)，即可開始對螺紋各項參數(shù)進行測量。如圖2-1所示。圖1.1影像測量法測螺距或螺距累積誤差時，將目鏡米字刻線在圖示位置與螺紋牙型輪廓影象重合，此時從縱向讀數(shù)顯微鏡里讀一數(shù)據(jù)，保持橫向滑板固定不動，然后移動縱向滑板（相當幾個螺距的距離），使牙測輪廓與米字刻線在位置重合，讀出同名牙型的縱向坐標值。兩次讀

19、數(shù)之差就是n個螺距的實際值P，n個螺距累積誤差為： P =|P - nP| (2-1)為了消除安裝誤差的影響，應(yīng)分別測出左右n個螺距值：P左，P右并取兩者的平均值作為測量結(jié)果： (2-2)b.軸切法在萬能工具顯微鏡上測量螺距時，利用測量刀緊靠在螺紋牙型面上，按測量刀上的細刻線進行瞄準。瞄準時，使目鏡中的米字刻線的0.3mm或0.9mm距離刻線與測量刀上的細線重合，如圖2-2所示。這種方法的壓線誤差較小，因此測量精度比影像法高。軸切法的測量步驟與影像法基本相同，這里不在敘述。圖1.2軸切法測量除了以上兩種方法外，還有許多其他的靜態(tài)測量方法，如印模法，專用測量機上測量。（2）動態(tài)法絲杠動態(tài)測量基本

20、工作原理。理論上，絲杠的螺旋線可以用下列關(guān)系式表示: (2-3)其中，為絲杠與螺母之間的相對轉(zhuǎn)角，S為與相對應(yīng)的理論軸向位移，P為絲杠的螺距，z為螺旋線頭數(shù)。對于理想的絲杠,轉(zhuǎn)角和位移始終保持式(2-1)的關(guān)系。為了敘述方便，只討論單頭絲杠，即z=1，如果用一個角坐標反映絲杠的轉(zhuǎn)角，即可得出對應(yīng)的理論軸向位移S為： (2-4)根據(jù)誤差定義： (2-5)其中:S為對應(yīng)的實測軸向位移10。根據(jù)以上理論，一般的測量方法為：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2-3給出了測量絲杠螺旋線誤差的方法示意圖9。圖1.3絲杠螺旋線誤差圖根據(jù)這個原理，可以由下式求得螺旋線誤

21、差： (2-7)其中：Z測量頭沿絲杠軸線方向的行程；T被測絲杠的導程；被測絲杠轉(zhuǎn)過的角度。絲杠動態(tài)測量方法：傳統(tǒng)動態(tài)測量的方法從誤差信號采集的角度可分為如下幾種15：a.與標準絲杠連續(xù)比對測量與標準絲杠連續(xù)比對測量絲杠的儀器通常稱為絲杠導程儀，是測量絲杠螺旋線誤差的專用儀器。這類儀器通過機械方式指示被測絲杠相對于標準絲杠的誤差，雖結(jié)構(gòu)簡單操作方便，但測量精度受標準絲杠精度的限制，且被測絲杠與標準絲杠螺距必須相同，只適用于精度要求不高，單一品種大批量生產(chǎn)的測量。b.比相法圖1.4 相比法測量原理示意圖位差對應(yīng)于初始相位差的誤差反映了被測絲杠的導程誤差。傳統(tǒng)的比相方法采用分立絲杠動態(tài)測量中運用較多

22、的是比相法?；驹硪妶D2-4。絲杠的作用是將角位移轉(zhuǎn)化為軸向直線位移，因此對絲杠的測量都是基于圓分度的長度測量。測量絲杠角度位移的基準件有圓光柵、圓磁柵等，測量軸向長度位移的基準件有磁柵尺、光柵尺、激光光波波長等。比相法測量時將絲杠轉(zhuǎn)動的圓周基準信號和軸向直線位移基準信號分別進行不同的分頻，使兩路信號在系統(tǒng)勻速運行和絲杠誤差為零的條件下成為同頻率信號，將分頻后的兩路信號的時間間隔作為采樣周期，兩信號相位差應(yīng)保持不變，實際相元件比相器進行模擬式比相，存在可靠性差、分辨率受到限制、信號難以保持的缺點。計算機的應(yīng)用使數(shù)字比相代替模擬比相，取消了分頻器、比相器、積分器、采樣及保持電路，實現(xiàn)了大量程、

23、高分辨率的測量，并得到高精度的結(jié)果。c.記數(shù)法圖1.5記數(shù)法測量示意圖記數(shù)法測量原理如圖2-5。角位移信號每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生N個角脈沖信號，開始測量時軸向位移信號與角位移脈沖同時到達，當絲杠轉(zhuǎn)過M個角脈沖信號后，即轉(zhuǎn)過M/N轉(zhuǎn)，測量頭位移為m.Ph /N(Ph為導程)，若軸向位移信號脈沖波長為，位移信號脈沖應(yīng)有l(wèi)=m .Ph /N/個，由于導程誤差的存在，測量頭實際位移的與理論位移不一致，軸向位移實際脈沖個數(shù)為l1，則誤差為e =( l1-l)。這樣以圓周為角度基準信號，測頭軸向位移信號為輸入，即可測量出絲杠導程誤差5。我國自從50年代開始生產(chǎn)滾珠絲杠以來，不但致力于滾珠絲杠制造工藝和制造技術(shù)的不斷

24、提高，而且還在滾珠絲杠檢測技術(shù)方面做了巨大的努力。在很長的一段時間里，我國使用的絲杠檢測方法只有靜態(tài)法，由于這種檢測方法的第二章系統(tǒng)方案分析落后，我國的滾珠絲杠制造工業(yè)受到了嚴重的制約。70年代以來，很多工廠，學校和研究機構(gòu)紛紛加入到滾珠絲杠測量儀的研究與制造中來。逐漸實現(xiàn)了從單純的靜態(tài)法測量，過度到科技含量高的動態(tài)法測量中來。兩種方法的對比如表2-1所示。表1-1絲杠測量動態(tài)法與靜態(tài)法比較項目靜態(tài)測量法動態(tài)測量法測量精度測量結(jié)果和絲杠的實際精度不完全符合:只能測量一、二個軸向截面內(nèi)的螺距誤差；避免測量時間長會導致人的疲勞以及環(huán)境的變化等對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，長絲杠須采用跨牙測量。而英制螺紋尺

25、是半英寸一條刻線，只能每半英寸或一英寸測量一個數(shù)據(jù)。因此可能漏掉誤差較大的測量點；測量單圈螺旋線誤差時，需將圓周有限等份，等份越少誤差越大，等份圓周劃分相位時將產(chǎn)生隨即誤差。測量結(jié)果和實際精度一致，提高了測量精度:可以連續(xù)測量，確定任意軸向截面的螺距誤差；由測量人員的對線讀書變?yōu)樽詣佑涗?，避免了人為的隨即誤差。通過基準件參數(shù)的合理選擇，對各種螺紋的絲杠都可以由逐牙或跨牙測量變?yōu)檫B續(xù)自動測量，不會漏掉測量點，測得的絲杠誤差符合實際；測量螺旋線誤差時，由等分圓周對少數(shù)點的測量變?yōu)檫B續(xù)測量，避免了分點過少及劃分相位時帶來的隨機誤差。測量效率（1)每測量一個數(shù)據(jù)都要讀數(shù)顯微鏡對線一次或幾次，因此測量n

26、場)低。由于測量效率低，環(huán)境溫度波動的影響較大，尤其在測量長絲杠時，容易產(chǎn)生誤差；(2)加工絲杠時，機床的加工和調(diào)整時間長，機床生產(chǎn)效率低；(3)生產(chǎn)加工機床時，試磨樣件的刀具多，裝配和調(diào)整的周期長，不利于機床產(chǎn)量和質(zhì)量的提高；(4)勞動強度大，長時間測讀易疲勞，從而增大對線誤差。(1)由逐點M量改為連續(xù)M量，效率提高7-9倍；(2)縮短了絲杠加工機床的調(diào)整和加工時間，提高了機床的生產(chǎn)效率；(3)生產(chǎn)加工機床時，減少了試磨樣件的刀具數(shù)，縮短了機床裝配和調(diào)整的時間，促進了機床產(chǎn)量和質(zhì)量的提高；(4)減少了測量人員，降低了勞動強度，實現(xiàn)了測量過程的自動化。由于效率提高，減少了環(huán)境A度波動的影響，有

27、利于提高測量精度。測量設(shè)備靜態(tài)測量設(shè)備多用萬能性的設(shè)備，維護方便。動態(tài)測量設(shè)備為復雜的專用設(shè)備，價格昂貴，電子設(shè)備的維護也比較麻煩。適用范圍適用于單件小批量生產(chǎn)及測量精度不太高的絲杠。適用于成批生產(chǎn)及精度要求較高的絲杠。由以上對比可以看出，動態(tài)測量較之傳統(tǒng)的靜態(tài)測量具有測量精度高、重復性好、效率高、檢測人員勞動強度低13，因此，在一些大批量、規(guī)模化絲杠系列的生產(chǎn)與安裝調(diào)試場合，動態(tài)測量已基本取代了靜態(tài)測量，成為絲杠檢測的主要手段。傳統(tǒng)的動態(tài)測量方法是由專門制造的動態(tài)測量儀來完成的。這一時期的動態(tài)測量儀由于受技術(shù)條件的限制，尤其是電子技術(shù)發(fā)展的制約，其關(guān)鍵部件大都由分立元件構(gòu)成，因而功能單一，自

28、動化程度較低，儀器故障率也較高。雖然其后的有些產(chǎn)品采用了厚膜電路和小規(guī)模集成電路構(gòu)成的相位計，使儀器的性能指標有所改進，但從宏觀上看仍沒有走出早期測量儀工作的模式。隨著電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，使制造出新一代的絲杠動態(tài)測量儀在技術(shù)上成為了可能。動態(tài)測量儀雖然在測量原理方面沒有新的突破，但在技術(shù)實施方案上有了重大的發(fā)展。這一時期的動態(tài)測量儀圓周方向上基本都采用高精度圓光柵作為基準，長度方向有些采用高精度光柵(或磁柵)尺，有些則采用單頻激光或雙頻激光作為基準，而傳統(tǒng)的相位計大都由單片機(或工業(yè)控制機)取代16。目前開發(fā)應(yīng)用的絲杠動態(tài)測量儀，不論是在測量精度還是在自動化程度或者儀器的無故障率

29、方面，都比早期的測量儀有了很大的提高。激光技術(shù)和計算機技術(shù)的應(yīng)用，使動態(tài)測量技術(shù)進一步提高。在技術(shù)方法上，由于采用了計算機技術(shù)，因而突破了傳統(tǒng)的模擬比相方法。而采用數(shù)字比相技術(shù)，這使儀器的測量精度和抗干擾性能有了進一步的提高。有些儀器己經(jīng)采用顯示器來顯示測量的誤差曲線，并同時可由記錄儀來畫出誤差曲線16。隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的快速發(fā)展，光電技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、微處理技術(shù)、圖象顯示技術(shù)、自動化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，智能化技術(shù)、柔性測試、計算機輔助測試等也得到廣泛的發(fā)展及應(yīng)用，絲杠動態(tài)測量儀的研究開發(fā)也向高精度、快速化、智能化、模塊化的方向發(fā)展17。1.3系統(tǒng)方案的提出1.3.1問題的提出在緒論中已經(jīng)敘

30、述過，滾珠絲杠的測量可以由靜態(tài)法或者動態(tài)法進行測量，兩種方法的優(yōu)劣性也在上文中做了比較。靜態(tài)法測量一條或多條母線的螺旋線誤差，采用這種方法可以達到一定的精度，但測量效率過低，不能發(fā)現(xiàn)周期性的誤差；動態(tài)測量方法是利用螺旋線的運動規(guī)律來實現(xiàn)測量的，由傳動裝置帶動被測絲杠轉(zhuǎn)動，并用適當?shù)姆绞綄β菪€的誤差進行測量，這種方式可以得到較好的精度，而且測量效率也得到了較大的提高，但由于測量方法的要求，動態(tài)測量儀要有檢測螺桿旋轉(zhuǎn)角度的傳感器（一般使用圓光柵），還需要有檢測螺旋線軸向變化的測量設(shè)備（一般采用長光柵尺或者雙頻激光干涉儀），這樣的系統(tǒng)通常有個問題：無論是采用長光柵或是激光雙頻干涉儀作為軸向位移的測

31、量設(shè)備，其局限性是顯而易見的：他們都只能測量滾珠絲杠副上一條母線的軸向誤差，若想測量多條母線的軸向行程誤差則需要進行多次的測量，這樣就無形中降低了測量設(shè)備的測量效率，不利于對同一滾珠絲杠副的多條母線螺距誤差的測量。1.3.2問題的分析與解決上面已經(jīng)說到了現(xiàn)在使用比較廣泛的滾珠絲杠動態(tài)測量儀所面臨的問題。下面，就將根據(jù)所提出的問題進行系統(tǒng)的分析。從緒論里我們可以看到，靜態(tài)法雖然效率低，但它有一個明顯的優(yōu)點：就是能測量多條母線的螺旋線行程誤差，這是滾珠絲杠動態(tài)測量儀所不具備的。滾珠動態(tài)測量儀是通過被測絲杠的轉(zhuǎn)動來帶動與絲杠點接觸且連接到光柵尺上的測量頭，從而測量出測量頭的軸向位移，然后由圓光柵上得

32、到的轉(zhuǎn)動角度，根據(jù)式（2-2）得出標準的軸向位移，從而得到螺旋線行程誤差。使用激光干涉儀進行軸向位移測量的動態(tài)測量儀，是利用雙頻激光，利用其頻率之差，采集記錄激光干涉測量的脈沖數(shù)，就可以實現(xiàn)長度的測量。激光雙頻干涉儀同光柵尺測量一樣，也是對單一的母線進行測量，不能實現(xiàn)對多條母線的測量?，F(xiàn)在應(yīng)該做的，就是由靜態(tài)測量法的啟發(fā)，進而得到一個能夠?qū)z杠牙型上任意的一條母線進行測量的方法。在緒論中的靜態(tài)法描述中，我們注意到影象測量法是對同一母線上同側(cè)牙型的兩個點進行測量，得到n個螺距的測量值。我們也可以想一種方式，對牙型上的點進行測量，然后對同一母線上的同側(cè)點進行距離測量，既而得到n個螺距的測量值。與靜

33、態(tài)法不同的是，我們要利用電子計算機技術(shù)，對牙型上的點進行測量，并加以數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)輸出，實現(xiàn)測量的自動化。1.3.3系統(tǒng)方案的分析1系統(tǒng)測量方案分析基于以上的敘述，我們初步確定以下的測量方案。對滾珠絲杠的軸向截面的輪廓進行測量，我們知道，對于點的位置的確定，在三維坐標內(nèi)，應(yīng)該有x、y、z三個坐標值，對于二維坐標，則需要有x、y兩個坐標值。對于本課題的項目，我們需要測量的點都在滾珠絲杠的軸向截面之內(nèi)，也就是說，所有的測量點都在一個平面之內(nèi)，所以我們就可以建立一個虛擬的二維坐標系，在此二維坐標系平面內(nèi)對牙型輪廓進行逐點的測量，通過使用適當?shù)奈灰苽鞲衅鞯玫矫總€點在這個虛擬的空間坐標系內(nèi)的坐標值。又由

34、于所測量的點都是是在軸向截面的二維平面內(nèi)，所以我們只需要兩個位移傳感器，一個用來測量軸向的位移x，另一個測量縱向的位移y。2系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)方案分析（1）系統(tǒng)中應(yīng)有提供被測絲杠與傳感器運動的裝置，且此裝置的設(shè)計能夠利于控制被測絲杠與傳感器相對運動的距離。這樣做，一方面可以方便工作論文人員的測量，一般對滾珠絲杠的測量，我們都是要對絲杠的某一段長度進行測量（如任意100mm行程內(nèi)的行程變動量，任意250mm行程內(nèi)的行程變動量等等），若我們采用能夠根據(jù)已知的測量長度進行控制的運動系統(tǒng)，就可以避免工作人員對測量距離的目測，從而減輕工作人員的勞動強度。另一方面，可以準確的把握已測量的距離，避免少測量或多測量

35、一段距離，造成測量的失效或冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。例如，我們要測量滾珠絲杠100mm行程內(nèi)的行程變動量。若只測量了90mm的行程運動系統(tǒng)便停止工作，勢必引起測量數(shù)據(jù)的不足，造成本次測量的失敗。如果測量了150mm的行程，便會產(chǎn)生多余的測量數(shù)據(jù)，不但加大了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量，而且也增加了測量過程的時間，不利于測量效率的提高。（2） 系統(tǒng)應(yīng)盡量滿足阿貝原則。在緒論中我們已經(jīng)提出過阿貝原則，即測工件與標準尺必須處在測量方向的同一直線上。采用阿貝原則能避免一次誤差，得到較高的測量精度。如果系統(tǒng)的設(shè)計不能完全滿足阿貝原則的要求，為了減小阿貝誤差，我們可以對阿貝原則進行擴展，即在測量過程中，使測量線和基準線盡量靠近

36、，并保證沒有角運動，即保證兩條線平行11。這樣，我們就應(yīng)該在設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時候使其盡量滿足阿貝原則。根據(jù)以上分析，我們確定以下的機械結(jié)構(gòu)方案，如圖2-6圖1.6系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡圖在此系統(tǒng)中，伺服電機用來控制傳動絲杠的旋轉(zhuǎn)，從而控制移動機架帶著被測絲杠移動，移動機架下固定著橫向位移傳感器的移動端，當固定機架移動時，橫向位移傳感器也隨之移動，測量出被測絲杠的軸向位移。另外，在被測絲杠的正上方（在絲杠的軸向橫截面內(nèi)），相對機架固定不動的位置安裝一個縱向位移傳感器，可以測量絲杠牙型輪廓縱向的坐標。由于可能產(chǎn)生測量頭的自鎖問題，具體的縱向位移傳感器機構(gòu)將在本文后面的敘述中給出。夾具采用兩塊V型鐵，用上下兩

37、塊鋼板并配以m10的螺栓加以固定，這樣的夾具可以做到對滾珠絲杠的夾持固定，有較好的定位效果。夾具示意圖如圖2-7。圖1.7夾具示意圖3系統(tǒng)電路方案分析機械結(jié)構(gòu)確定以后，我們就要來設(shè)計系統(tǒng)的電路方案。本課題所涉及的系統(tǒng)電路應(yīng)有以下幾個模塊：傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊；運動裝置控制模塊；計算機接口模塊。根據(jù)以上的分析，我們確定以下的系統(tǒng)電路框圖，如圖2-8。圖1.8系統(tǒng)電路框圖（1）傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊傳感器是測量系統(tǒng)中重要的組成部分，是進行測量的直接的功能元件，在本設(shè)計中，傳感器依然起著決定性的作用。前面已經(jīng)提到，在本課題的設(shè)計中，我們需要測量的主要有兩個參數(shù)，滾珠絲杠軸向截面輪廓上點的橫、縱

38、坐標。這樣，我們就需要兩個位移傳感器，用來測量所需要的參數(shù)。另外，由于不同的傳感器輸出信號的種類不同，受到的干擾也不同，這就需要有適合的信號處理電路，以便濾去夾雜在信號中的干擾，并將有用信號提取出來提供給其他裝置進行后續(xù)的處理。具體的傳感器的選擇和信號處理電路的設(shè)計我們將在后面給出。（2）運動裝置控制模塊前面我們已經(jīng)說到，為了減少工作人員工作量和提高測量的效率，測量系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)已經(jīng)測量的絲杠長度來控制部件運動。在測量系統(tǒng)中，我們將用步進電機控制傳動絲杠，進而使固定在移動機架上的被測絲杠沿其軸向方向運動，實現(xiàn)輪廓點的測量。我們可以通過控制步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)，來控制傳動絲杠的轉(zhuǎn)數(shù)，從而得到我們所需要

39、的被測絲杠的測量長度。（3）計算機接口模塊傳感器信號經(jīng)過采集處理之后，要傳入計算機進行數(shù)據(jù)的分析，處理，計算，以得到最后的測量結(jié)果；當被測絲杠的測量長度達到要求時，計算機要輸出一個信號，停止伺服電機的轉(zhuǎn)動。這都需要一個接口模塊來連接傳感器處理電路和伺服電機控制電路。4測量系統(tǒng)的抗干擾方案任何電子電氣設(shè)備都會受到各種各樣的外界干擾，如雷擊，電網(wǎng)干擾，電磁干擾等。這些干擾有些是能夠?qū)x器造成巨大損壞的，如雷擊，有些則會減少儀器的使用壽命，如電網(wǎng)的干擾，有些則會對儀器的可靠性，精度等使用性能產(chǎn)生不良的影響。在現(xiàn)代的電子電氣儀器設(shè)計中，抗干擾設(shè)計成為了極為重要的一環(huán)，抗干擾設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到電子電氣

40、儀器的安全性，使用壽命，使用性能等眾多方面的能力。在本課題中設(shè)計的絲杠測量儀同樣也使用了電子器件，另外，由于本課題設(shè)計的絲杠測量儀可能會使用在干擾源更多更復雜的工廠中，因此抗干擾方案同樣是不可或缺的。5算法方案從傳感器來的數(shù)據(jù)僅僅是單個輪廓點相對于設(shè)定的虛擬坐標系的坐標值，僅僅憑借這些坐標值是不能夠得到不同母線上的螺距誤差的，這里，我們可以采用些圖象處理的思想，將離散的單一的輪廓點用數(shù)值計算的方法，擬合出輪廓曲線，形成分段的函數(shù)方程，這樣就可以求解出實際中的滾珠絲杠n個螺距值。再根據(jù)測量長度中包含的螺距的數(shù)量，得到標準絲杠的螺距值，兩值相減就可以得到n個螺距的誤差。另外，由于安裝或制造可能產(chǎn)生

41、誤差，在設(shè)計中也要進行軟、硬件的誤差補償。第2章 系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇2.1系統(tǒng)測量元件的選擇測控系統(tǒng)是一臺測控儀器的核心，其中，測量元件又起著不可或缺的作用，正是各種測量傳感器的存在，才使得被測量（如位移，壓力，扭矩等）轉(zhuǎn)化為我們能夠采集和處理的電信號，因此傳感技術(shù)，通訊技術(shù)和計算機技術(shù)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，分別構(gòu)成信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。2.1.1軸向位移傳感器的選擇軸向位移傳感器在本系統(tǒng)中是用來測量被測滾珠絲杠沿其軸向方向移動的位移，作為被測量點在虛擬的二維坐標系里的x軸坐標值。此測量值經(jīng)過處理采集之后，用于在計算機內(nèi)進行后續(xù)的數(shù)據(jù)計算，曲線擬合，計算

42、結(jié)果與分析。在本課題中，需要測量的軸向位移范圍根據(jù)使用情況的不同可以從十幾個毫米到300毫米，因此位移傳感器的測量范圍要滿足此要求。這里，我們要使用的是直線位移傳感器，常用的直線位移傳感器有：光柵，磁柵，容柵，球柵傳感器和感應(yīng)同步器，進十年來，隨著光電子技術(shù)逐漸成為高科技產(chǎn)業(yè)的主導技術(shù)，各種光電子、光學相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，這就直接的成就了了光柵的迅速發(fā)展，使時光柵技術(shù)逐漸成為了位移測量（包括直線位移測量和角位移測量）主要技術(shù)。隨著數(shù)控技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器也向高精度、高速度、智能化和集成化方向發(fā)展，并且特別注重產(chǎn)品的高質(zhì)量、實用性和經(jīng)濟性。2001年以來，當今世界生

43、產(chǎn)光第三章系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇及其電路設(shè)計柵傳感器的主要廠家FAGOR，三豐（MITUTOYO）、雙葉（UFTABA）逐漸走向一致的規(guī)范?，F(xiàn)在生產(chǎn)磁柵的SONY、球柵的NEWALL也將應(yīng)用參數(shù)向光柵靠攏。本測量系統(tǒng)采用中科院長春光學精密機械研究所研制的光柵傳感器。利用光柵傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電信號并由數(shù)顯表內(nèi)可逆計數(shù)器產(chǎn)生的BCD碼，可通過LED數(shù)碼管顯示移動機架的位移量，通過I/O卡可將可逆計數(shù)器上的BCD碼讀入計算機，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送入數(shù)據(jù)處理程序子模塊。從精度、分辨率、經(jīng)濟性、可靠性等方面考慮，我們決定采用光柵傳感器，它是以高精度光柵作為檢測元件的精密測量裝置，優(yōu)點是測量值數(shù)字化顯示

44、、精度高、穩(wěn)定可靠和抗干擾強。并可與北京中科恒業(yè)中自技術(shù)有限公司研制開發(fā)的GS8220系列數(shù)顯表（新型）雙坐標光柵數(shù)顯表配套使用，組成高精度數(shù)字化測量儀器。1光柵傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：量程：500mm；柵距：0.02mm(50線對/毫米)；精度：±0.004mm/1000mm；相應(yīng)速度：25米/分；工作溫度：0o C40oC；輸出信號：相位依次相差90o幅值大于500mv的二路或四路正弦信號；參考標記：間隔50毫米；全量程位置任意一點；設(shè)絕對位置參考點（ABS）。2光柵數(shù)顯表由于光柵傳感器輸出的是四路正弦信號，而且柵距為0.02，而量儀的分辨率為0.002，所以必須對光柵傳感器信號

45、進行細分、整形、辨向等處理。本論文中采用的是北京中科恒業(yè)中自技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GS8220系列數(shù)顯表。它全部由硬件組成，信息處理速度快，允許輸入正弦頻率到50KHz，可直接配接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數(shù)顯表的長度分辨率（步距）取決于其倍頻數(shù)和光柵的柵距。表2-1正弦波輸入信號的傳感器引腳插頭號123456789功能0°180°+5V0V90°270°ABS空屏蔽接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數(shù)顯表的長度分辨率（步距）取決于其倍頻數(shù)和光柵的柵距為： (2-1)它把光柵傳感器輸入的的相位依次差90o的正弦信號，通過放大、整形、鑒向后，由可

46、逆計數(shù)器產(chǎn)生BCD碼，并用LED數(shù)碼管顯示相對位移量，與傳感器的連接和信號采用九芯插座連接，見表3-1所示。通過此數(shù)顯表的連接，一方面我們可以直接從數(shù)顯表的LED數(shù)碼顯示管處直接讀得相對的位移量，另一方面，其內(nèi)部的細分、整形、辨向處理功能節(jié)省了設(shè)計制作數(shù)據(jù)采集處理電路的工作，由于是專業(yè)化的設(shè)計和生產(chǎn)，所以其抗干擾能力和數(shù)據(jù)處理能力比較強。2.1.2縱向位移傳感器的選擇本課題中，縱向位移傳感器用來測量輪廓點的縱向相對坐標，以進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。要求傳感器有足夠的測量范圍和精度，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集方便，數(shù)據(jù)處理電路簡單。電感傳感器是一種建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈的自感或互感的變化原理來實現(xiàn)

47、非電量電測量的傳感器。傳感器測頭檢測到被測物體的位移，通過測桿帶動銜鐵產(chǎn)生移動，從而使線圈的電感或互感系數(shù)產(chǎn)生變化，自感或互感信號在通過引線接入測量電路進行測量。電感傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，當一次測線圈接入激勵電源以后，二次線圈就將感應(yīng)產(chǎn)生的電壓輸出?；ジ凶兓瘯r，輸出電壓將做相應(yīng)的變化，這就是電感位移傳感器的基本原理。該位移傳感器采用中國水利水電科學研究院開發(fā)的高精度傳感器，位移測量范圍±2mm，線性度小于0.05%，測量精度±0.1m，額定信號輸出±5V，工作電源±9V。外型尺寸9015，該位移傳感器輸出信號紋波干擾很低，并備有15位BCD8

48、421串行數(shù)字數(shù)顯裝置，但由于我們選用486機型作為控制機，如再選用數(shù)顯裝置既不經(jīng)濟，又增加了處理環(huán)節(jié)，所以我們改用TLC7135雙重積分型A/D板把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號直接供計算機處理。被測工件可能存在表面質(zhì)量問題，所獲得的采樣值可能發(fā)生突變，影響數(shù)據(jù)處理的準確率，本文采用中值濾波技術(shù)以克服這些尖點的突變影響，中值濾波對于緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的抑制作用。電感位移傳感器使用TLC7135型A/D轉(zhuǎn)換板，TLC7135有BCD和STB選通信號輸出，與單片機接口十分方便，而利用TLC7135的“Busy”端，只要兩個I/O接口和單片機內(nèi)部一個定時器就可把TLC713

49、5的數(shù)據(jù)送入單片機。TLC7135的轉(zhuǎn)換周期分為三個階段：1自動調(diào)零階段；2被測電壓積分階段；3對基準電壓進行反積分階段。以輸入電壓Vx為例，TLC7135的“Busy”輸出端高電平寬度等于積分和反積分時間之和，TLC內(nèi)部規(guī)定積分時間固定為10000個時鐘脈沖時間，反積分時間長度與被測電壓的大小成比例。利用單片機內(nèi)部的計數(shù)器對TLC7135的時鐘脈沖計數(shù)，利用“Busy”作為計數(shù)器門控制信號，計數(shù)器以方式“1”工作，定時器控制位置為“1”，這時計數(shù)器只能在“Busy”為高電平時計數(shù)，將這段“Busy”高電平時間內(nèi)計數(shù)器數(shù)值減去10000，其余數(shù)便是等于被測電壓的數(shù)值，POL端口是輸入電壓極性位

50、，“1”為正電壓，“0”為負電壓。論文轉(zhuǎn)換電壓公式為： （2-2）在A/D卡主電路圖中，單片機的時鐘采用11.0592MHz的晶體。在不執(zhí)行MOVX指令的情況下，ALE輸出的頻率穩(wěn)定在1.8432MHz，經(jīng)過4位計數(shù)器74LS161四分頻可得到460.8kHz的穩(wěn)定頻率，供給TLC7135的示眾輸入端，使TLC7135的轉(zhuǎn)換速率為每秒11.52次。選用這一轉(zhuǎn)換頻率，一方面照顧TLC7135的轉(zhuǎn)換精度，另一方面為了盡量少的占用AT89C52的資源。圖中單片機的P10口用于啟動A/D芯片的采樣，P16則用于接收A/D芯片采樣電壓的極性。在本課題中，電感位移傳感器是要測量絲杠牙型輪廓，故電感傳感器的

51、測量頭必須能夠充分的接觸絲杠牙型的各個點，另外，由于是接觸式的測量，傳感器的測量頭的結(jié)構(gòu)要能夠耐磨損。除了滿足以上的要求以外，測量頭的形狀也要在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中能夠易于補償，所以電感位移傳感器測量頭即不能采用易磨損的尖頂，也不應(yīng)該使用不易于形狀補償?shù)钠降?，在本課題中使用的電感位移傳感器采用球型測量頭。使用耐磨、具有一定剛度的材料以及尺寸大小合適的球型測量頭既可以充分的測量到絲杠牙型的各個位置，又不易于磨損，并且，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，算法設(shè)計中更容易進行補償。電感位移傳感器模擬量輸出范圍-5V到+5V，而TCL7135模擬量的輸入范圍為-2V到+2V，為了使傳感器電路與轉(zhuǎn)換電路相匹配，電感位移傳感

52、器輸出量經(jīng)過反向放大電路轉(zhuǎn)換成TLC7135能接受的電壓量才能進行滿量程轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換公式為： （2-3）這里的VOUT就是式（3-2）中的Vi， VIN為傳感器的輸出電壓。 （2-4）將式（3-2）、（3-3）代入式（3-4）中，有： （2-5）因為計數(shù)值一定大于等于10000，所以式（3-5）的值恒為負，位移S的正負由TLC7135的極性端口狀態(tài)來確定。當極性端口為“0”時，式（3-5）要加上負號。直線電機驅(qū)動實現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動，避免了滾珠絲杠、齒輪和齒條傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點，可獲得高精度的高速移動，并具有極好的穩(wěn)定性。直線電機的實質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機徑向剖切開，然后拉直演變而成。直線電機的轉(zhuǎn)子和工作臺固定聯(lián)結(jié)，定子則安裝在機床床身上，在機床進給系統(tǒng)中采用直線電機后可以把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，從而實現(xiàn)所謂的“零傳動”。直線電機的結(jié)構(gòu)本身也存在著一些不利因素，如直線電機的磁場是敞開的，尤其是采用永磁式直線電機時，要在機床床身上安裝一排磁力強大的永久磁鐵。因此必須采取適當?shù)母舸糯胧駝t對其磁場周圍的灰塵和切屑有吸收作用。與同容量的旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機的效率和功率因數(shù)要低。尤其在低速時比較明顯，但從整個裝置和系統(tǒng)來