孫志平，韓 軍，馮虎田

（南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

滾珠絲杠副精度測量系統(tǒng)設計及實驗分析*

孫志平，韓 軍，馮虎田

（南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

針對滾珠絲桿副精度測量的要求，設計了滾珠絲桿副精度檢測系統(tǒng)。介紹了試驗臺的硬件組成及數據采集流程。根據已有的設備制定了兩種實驗方案，對比分析后采用更符合實際工況的試驗方案二對漢江生產的FYND-50×12-4-3型P3級精度絲杠進行了精度檢測。根據機床檢驗通則對實驗數據進行了分析，該絲杠滿足P3級精度標準。

滾珠絲杠副；精度；測控系統(tǒng)

0　引言

數控機床的定位精度是指機床各坐標軸在數控裝置控制下運動所能達到的位置精度［1］。作為數控機床的傳動部件，絲杠副的精度和性能直接影響到數控機床的精度。過去，為了獲得高的定位精度，主要通過提高滾珠絲杠副本身的精度來實現［2］，因此對滾珠絲杠副的導程累積誤差要求很高，給滾珠絲桿副的制造帶來困難。隨著科技的發(fā)展，人們掌握了數控補償技術［3］，只需知道絲杠副的精度誤差通過數控補償同樣可以給系統(tǒng)本身很高的精度，高效測定絲杠副［4-8］的定位精度和重復定位精度就尤為重要。絲杠副精度測量方法分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量；靜態(tài)測量是指測量過程中絲杠不動，沿絲杠同一截面逐個牙測量的方法［9］。動態(tài)測量是指絲桿在回轉中連續(xù)測量絲杠螺距誤差和螺旋線誤差，并自動記錄誤差值。本試驗臺采用效率較高的動態(tài)測量方法進行精度檢測。

1　測控系統(tǒng)硬件組成

測控系統(tǒng)主要由驅動部分，控制部分，數據采集三部分組成。驅動選用西門子伺服電動機，最大轉速可達6000轉/分，功率13kW，自帶2048刻線的增量式編碼器；控制系統(tǒng)選用西門子828D半閉環(huán)控制系統(tǒng)，接受碼盤反饋信號用于主軸伺服控制的位置反饋，此外數控系統(tǒng)中配有輸入輸出模塊，它接入828D物理運算處理器（PPU）中，此PPU含有一個快速輸出接口，將此接口信號接入測試系統(tǒng)的數據采集卡中；數據采集選用海德漢直線光柵，柵距20μm，直接安裝在試驗臺的下床身上，讀數頭通過轉接板與螺母滑座固連，可直接檢測螺母的實時位置；海德漢圓磁柵，1024刻線，通過微量過盈與電機套筒配合，并且使用螺釘安裝在電機套筒上隨電機輸出軸轉動，用于實時檢測絲杠旋轉的角度；海德漢計數器，通過PCI總線接到工控機上；床身兩端裝有接觸式限位開關，用于零點調試和預防系統(tǒng)過沖。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1　精度檢測系統(tǒng)硬件框圖

2　測控系統(tǒng)軟件

2.1試驗方案選擇

滾珠絲杠副精度動態(tài)測量的基本原理是通過用模擬工作臺的實際位置與目標位置進行比較，求得被測絲杠的定位精度。根據定位精度的定義以及不同測量方式的比較，高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統(tǒng)采用“同步位移絕對值比較法”進行定位精度的測量。

試驗方案一：連續(xù)測量方式。以圓磁柵測得數值轉換的位置做理論位置，以直線光柵測得數值轉換的位置作為測量的實際位置。測量過程中，伺服電機持續(xù)轉動，實時采集圓光柵的數據，當圓光柵的測得值與理論測量位置相同時，記錄下長光柵的測量值。對每個理論位置向做正向趨近和反向趨近各5次，記錄每次趨近的真實位置。

試驗方案二：停車測量方式。測量時以伺服電機碼盤反饋的位置作為理論位置，真實位置還是以直線光柵測量值換算得到。試驗時先對數控系統(tǒng)進行編程，使其到達理論測試位置時控制電機停裝，同時發(fā)出一個數字信號；通過PCI板卡將數控系統(tǒng)發(fā)出的信號傳輸到工控機，工控機采集到數控系統(tǒng)的發(fā)出指令后即讀取計數卡內長光柵脈沖數并存儲到相應數據庫中。

方案一采用連續(xù)測量，測量效率高，數控程序簡單，只需控制絲杠副在一個區(qū)間內正反向轉動；但數據采集過程中，絲杠仍然在高速運轉，測控系統(tǒng)判斷采集的圓光柵信號與理論測量位置相同發(fā)出采集直線光柵信號指令需消耗一定時間，這段時間由于絲杠副仍然在轉動，這將會使測量的真實位置與理論位置的偏差加大，影響測量結果的真實性。方案二采用停止測量，與方案一相比，數控程序相對比較繁瑣，需要在理論位置控制電機停轉采集直線光柵信號，理論位置由數控碼盤的反饋信號來確定，相對于圓光柵精度較低。不過方案二測量更符合實際工況，測量過程中，絲杠高速運轉，到達理論點時，又需要急停，不僅考慮絲杠本身的精度，還考慮了其剛度對精度的影響，同時方案二還避免了方案一的測量誤差，因此采集得出的精度檢測結果更可靠。最終選擇方案二進行數據采集。

2.2數據采集流程

選用VB作為編程軟件，根據測量絲杠副的有效螺紋長度確定測量點數。若有效螺紋長度小于1000mm，則測量5個點；反之按200mm間隔確定測量點。理論測量位置由隨機函數產生。根據國標要求測量點需分部均勻，確定測量位置時先確定測量點總數i，求得測量點之間的平均間隔P，理論測量位置滿足（i -1）p+r，r是由隨機函數生成的在0到p之間的數。

程序設計時定義變量LM為絲杠有效行程；變量Wz用于存儲由直線光柵返回的脈沖數信號；變量Pd用于存儲上一次采集的直線光柵的脈沖數，變量Pd與Wz做比較判斷絲桿副是正向運轉還是反向運轉。變量n表示采集的第n個理論位置；變量i表示第i次趨近某一理論位置。到達理論點時，數控系統(tǒng)通過快速輸出端口輸出電壓信號，工控機采集到該信號后即采集直線光柵的位置信號。數據采集流程如圖2所示。

圖2　程序設計流程圖

3　試驗結果分析

本次試驗對象為漢江生產的FYND-50×12-4-3型P3級精度滾珠絲杠副以5m/min最大線速度，1g加速度條件下運行檢測。

3.1位置偏差

位置偏差Xij是運動部件到達實際位置減去目標位置之差。

符號↑表示從正方向趨近所得的參數；符號↓表示從負方向趨近所得的參數。某一位置的單向平均位置偏差是由n次單向趨近某一位置Pi所得的位置偏差的算術平均值。某一位置的雙向平均位置偏差是從兩個方向趨近某一位置Pi所得的單向平均位置偏差的算術平均值。測得位置偏差曲線如圖3所示。

圖3　偏差曲線

3.2反向差值

某一位置的反向差值Bi是從兩個方向趨近某一位置時兩單向平均位置偏差之差。軸線反向差值B是沿軸線的目標位置的反向差值的絕對值|Bi|中的最大值。軸線平均反向差值B：沿軸線的各個目標位置反向差值Bi的算術平均值，反向差值曲線如圖4所示。

圖4　反向差值曲線

3.3擴展不確定度

定量地確定一個測量結果的區(qū)間，該區(qū)間期望包含大部分的數值分布。在某一位置的單向定位標準不確定度的估算值Si↑或Si↓：通過對某一位置Pi的n次單向趨近所獲得的位置偏差標準不確定度的估算值。擴展不確定度曲線如圖5所示。

圖5　擴展部確定度曲線

3.4重復定位精度

單向重復定位精度由某一位置Pi的單向位置偏差的擴展不確定度確定的范圍，覆蓋因子為2，即Ri↑=4Si↑和Ri↓=4Si↓

雙向重復定位精度Ri滿足：

系統(tǒng)軸線雙向重復定位精度R是沿軸線的任一位置Pi的重復定位精度的最大值。測量結果如圖6所示。

圖6　重復定位精度曲線

3.5軸線雙向定位系統(tǒng)偏差E

軸線雙向系統(tǒng)偏差E由沿軸線的任一位置Pi上雙向趨近的某向平均位置偏差和的最大值與最小值的代數差。

3.6軸線雙向定位精度A

軸線雙向定位精度由雙向定位系統(tǒng)偏差和雙向定位標準不確定度估算值的2部組合來確定的范圍。

圖7　正向趨近極限偏差圖

圖8　反向趨近極限偏差圖

4　結論

按GB/T17421.2-2000《機床檢驗通則第2部分：數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》中第5章的規(guī)定，測量有效行程800～1250的P3級高速精密滾珠絲杠副允差，雙向定位精度A為0.042mm，雙向重復定位精度R為0.030mm，平均反向差值B為0.006mm。測得試驗絲桿的雙向定位進度為0.013mm，重復定位精度為0.0046mm，平均反向差值為0.0023mm，滿足精度標準。

［1］張宇清.滾珠絲杠副剛度對其定位精度的影響［D］.濟南：山東建筑大學，2009.

［2］王淑坤.滾珠絲杠進給系統(tǒng)定位精度分析［D］.大連：大連理工大學，2006.

［3］吳茂，曾小慧.半閉環(huán)數控系統(tǒng)滾珠絲杠副的誤差補償［J］.機床與液壓，2007，35（8）：52-53，56.

［4］孫麗霞.絲杠副動態(tài)誤差檢測與分析的研究［D］.南京：南京理工大學，2005.

［5］洪宇.高速滾珠絲杠副綜合性能測量系統(tǒng)設計［D］.南京：南京理工大學，2006.

［6］丁梅.十米激光滾珠絲杠綜合行程誤差動態(tài)測量系統(tǒng)設計與精度分析［D］.南京：南京理工大學，2012.

［7］印書范.2米滾珠絲杠（副）動態(tài)測量系統(tǒng)設計與分析［D］.南京：南京理工大學，2004.

［8］張振宇.高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統(tǒng)開發(fā)與應用［D］.南京：南京理工大學，2008.

［9］Fan X G，Wang X，Lu Y，et al.The Design of the Dynamic Detection System for the Screw's Lead Precision Testing［J］.Advanced Materials Research，2013.

（編輯 趙蓉）

Design of Precision Measurement System for Ball Screwand Experimental Analysis

SUN Zhi-Ping，HAN Jun，FENG Hu-tian
（School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Based on ball screw measurement accuracy requirements，a precision ball screw detection system has been designed.Describes the hardware components and data acquisition processes.Two experimental programswere developed in accordance with existing equipments.According to the comparative analysis of the test programs，the second program is more in line with the actual condition with which the Han River products FYND-50×12-4-3 type P3 level precision screw were conducted for accuracy testing.According to the analysis of General machine test experimental data，the conclusions were drawn that it is acceptable.

ball screw；accuracy；control system

TH132；TG659

A

1001-2265（2015）02-0125-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.035

2014-06-11

孫志平（1989—），江蘇南通人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為滾動功能部件試驗技術、精密機電測控技術，（E-mail）sunzhiping -2008@163.com；通訊作者：韓軍（1963—），女，南京人，南京理工大學副教授，碩士，研究方向為機器人技術、精密機電測控技術，（E-mail）hanjun7045@163.com。