楊 蕾，王禹林，韓 軍，馮虎田

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

滾珠絲杠副靜剛度試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊 蕾，王禹林，韓 軍，馮虎田

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

針對滾珠絲杠副軸向靜剛度及靜載荷試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)了一套專用測控系統(tǒng)，闡述了其硬件環(huán)境，包括加載控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并提出了控制軟件的設(shè)計(jì)方案，并對此測控系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)具有測量和控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作方便等特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案為滾珠絲杠副靜剛度的測量提供了軟硬件基礎(chǔ)。

滾珠絲杠副；靜剛度；測控系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)

0　引言

滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其各項(xiàng)性能，尤其是軸向靜剛度將直接影響到數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度［1］。為提高滾珠絲杠副軸向靜剛度除了致力于滾珠絲杠的加工工藝外，靜剛度測量手段的更新?lián)Q代也被放在了重要位置。目前國內(nèi)已有部分學(xué)者對滾珠絲杠副軸向靜剛度的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究。然而，采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行滾珠絲杠副的軸向加載［2-3］的最大軸向負(fù)荷較小，加載系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，技術(shù)手段不成熟；利用專用夾具進(jìn)行滾珠絲杠副軸向的拉力測試［4-5］的可測量直徑系列少，通用性較低，加載時(shí)只能拉伸不能施壓，形式單一。針對此狀況，筆者實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了拉壓兼顧的高精度、高載荷、高通用性、多測量位置的試驗(yàn)機(jī)-滾珠絲杠副軸向靜剛度及靜載荷試驗(yàn)臺［6］。現(xiàn)根據(jù)此試驗(yàn)臺測量原理設(shè)計(jì)了一套測控系統(tǒng)，并運(yùn)用此系統(tǒng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，效果良好。下面分別從軟件和硬件兩方面闡述設(shè)計(jì)思路。

1　測量裝置

滾珠絲杠副軸向靜剛度及靜載荷試驗(yàn)臺采用雙絲杠立式加載，固定被測螺母，施壓被測絲杠，并通過一次調(diào)裝完成被測滾珠絲杠副拉壓方向軸向靜剛度測量，最大加載力為600kN［7］。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　滾珠絲杠副軸向靜剛度試驗(yàn)臺

此測量裝置包括加載組件、防轉(zhuǎn)組件、測量組件以及支撐組件等，測量組件包括力傳感器和位移傳感器。根據(jù)滾珠絲杠副軸向靜剛度試驗(yàn)規(guī)范所述，位移傳感器的量程應(yīng)不小于4mm，分辨率不低于0.2μm，線性不低于0.1%FS；力傳感器的量程應(yīng)大于額定動載荷的30%，精度不低于0.3‰，測量范圍應(yīng)大于2%～100%FS。所以特選用日本MAT輪輻式測力傳感器TRLF，其非線性度為0.03%，量程為10t，其可將壓力線性轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號，后面連接線性度為0.02%的日本MAT高精度放大器MAT-528，最終輸出電壓為0～10V DC；而微位移傳感器采用的是瑞士PRETEC公司的pretec2940N的筆式傳感器，其量程為4mm，軸向微位移測量精度是0.2mm。其中，力傳感器安裝在試驗(yàn)臺的移動橫梁上，試驗(yàn)臺通過橫梁帶動傳感器上下移動實(shí)現(xiàn)加載力的測量。位移傳感器通過磁性表座安裝在臺面板上，在被測絲杠軸端光軸部分安裝有測量環(huán)，在其關(guān)于軸線對稱的位置布置了2個(gè)位移傳感器作為位移測量點(diǎn)，最終位移值取兩位移值的平均值，以提高測量精度。

2　測控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺的測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)規(guī)范，功能完善，抗干擾能力強(qiáng)。為滿足設(shè)計(jì)要求采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，配以固高運(yùn)動控制器、加載電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器等構(gòu)成的控制加載裝置；IMBus采集模塊、PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡等數(shù)據(jù)采集處理裝置。

整個(gè)系統(tǒng)的測量原理是：由工控機(jī)控制軟件發(fā)送運(yùn)動控制指令給運(yùn)動控制卡，運(yùn)動控制卡接收到運(yùn)動指令后向驅(qū)動器發(fā)送方向和脈沖信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)的輸出軸通過由行星減速機(jī)、無間隙圓弧同步帶組成的高效減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)過減速后帶動加載絲杠轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)移動橫梁的上下移動，完成力的加載。硬件控制原理圖如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)控制原理圖

2.1控制加載裝置的設(shè)計(jì)

考慮到滾珠絲杠副軸向靜剛度試驗(yàn)臺的技術(shù)要求，并考慮各種型號的絲杠的預(yù)緊力情況，通過電機(jī)選型的理論計(jì)算，選用三菱交流伺服電機(jī)（MDME202GCG）和伺服驅(qū)動器（MEDHT7364E）。

固高運(yùn)動控制器采用高速DSP指令連續(xù)取數(shù)，而DSP指令的執(zhí)行時(shí)間是納秒級，因而可以認(rèn)為試驗(yàn)臺的響應(yīng)性能、運(yùn)動速度、加速度具有實(shí)時(shí)性［8］。高頻率，大量的數(shù)據(jù)采集，采樣時(shí)間短，這樣能保證實(shí)時(shí)采集到大量樣本進(jìn)行運(yùn)算分析。

運(yùn)動控制器與電機(jī)工作于脈沖/方向信號模式，控制器通過對電機(jī)驅(qū)動器的控制實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制（連接圖見圖3），控制器的管腳9和22與驅(qū)動器的管腳5和6連接，輸入的是差動的運(yùn)動方向控制信號，其中高電平是控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電平是反轉(zhuǎn)；控制器的管腳23和11與驅(qū)動器的管腳3和4連接，輸入的是差動脈沖控制信號，脈沖的頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的大小。

圖3　運(yùn)動控制器與驅(qū)動器連接圖

2.2采集處理模塊的設(shè)計(jì)

微位移的采集是使用的是瑞士PRETEC公司的IMBus采集模塊，它有多個(gè)數(shù)據(jù)通道可以將兩個(gè)位移傳感器的數(shù)值分別采集出來，然后通過USB接口與工控機(jī)連接。

對樣件進(jìn)行軸向應(yīng)力加載時(shí)，加載力要求按一定的比例連續(xù)或斷續(xù)加載，位移傳感器能實(shí)時(shí)測量位移的變化。所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)滿足兩個(gè)要求：一是高速型，用來保證采樣和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性；二是大容量，高速數(shù)據(jù)采集必然帶來巨大的數(shù)據(jù)流量，大容量是為解決采樣數(shù)據(jù)的存儲問題。試驗(yàn)臺采用的研華公司推出的PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡具有16位的A/D轉(zhuǎn)換器，1K的FIFO緩沖器，能夠達(dá)到250ks/s的采樣速率［9］。它可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，可以單一使用也可以組合輸入。它帶有2個(gè)16位D/A輸出通道、16路數(shù)字量輸入/輸出通道和一個(gè)10MHz的16位計(jì)數(shù)器通道，可以滿足高速和大容量的要求。以PCI-1716L為硬件平臺，通過32位33MHz的PCI總線與工控機(jī)相連，利用工控機(jī)的大內(nèi)存作為采樣數(shù)據(jù)的海量緩沖存儲器，借助研華32位DLL驅(qū)動程序提供的接口。采用VB 6.0高級語言編程，實(shí)現(xiàn)對PCI-1716L和IMBus的硬件控制，完成數(shù)據(jù)高速采集傳輸及存儲，構(gòu)建高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測控系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動試驗(yàn)臺的測試和試驗(yàn)臺的控制工作，要求功能完善、操作簡單、適應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)場、人機(jī)接口良好和運(yùn)行穩(wěn)定可靠；包括測控軟件的交互界面和功能布局、實(shí)現(xiàn)作用力和接觸變形采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和保存、歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用、自動生成檢測報(bào)告以及打印功能等。軟件的主控程序要統(tǒng)一協(xié)調(diào)、控制和調(diào)用各個(gè)窗體、模塊和函數(shù)等，完成測控系統(tǒng)中I/O設(shè)備的管理與控制。它要求能反映現(xiàn)場的真實(shí)情況，所以在主界面我們利用Lable、TextBox等控件實(shí)時(shí)顯示文本數(shù)據(jù)，利用aplot控件來顯示現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動畫。操作界面如圖4所示。

圖4　操作界面

主程序的表單中添加了Timer控件，以20ms為一個(gè)采樣周期對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集到的信號首先剔去較大毛刺，然后每25個(gè)電壓信號取均值，將得到的電壓通過公式計(jì)算轉(zhuǎn)換成力值。為獲取準(zhǔn)確的位移值，將此載荷保持5s，然后讀取位移值，最后將位移與力的值顯示在aplot控件上，以最小二乘法獲取擬合直線，y=ax+b，其中

由此得出剛度，最后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中儲存起來，用data report控件做成報(bào)表，以備之后查找或分析使用.整個(gè)程序分為七大塊（流程圖見圖5），各模塊的主要功能如下：

圖5　軟件控制流程圖

（1）控制功能：可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載、階梯加載控制；可在未做試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行多種速度切換，以準(zhǔn)確合理的調(diào)節(jié)試驗(yàn)前或更換工裝時(shí)的衡量位置同時(shí)節(jié)約時(shí)間。

（2）監(jiān)控報(bào)警功能：對加載力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)防超過預(yù)設(shè)最大載荷損壞工裝，造成危險(xiǎn)。

（3）參數(shù)設(shè)置功能：根據(jù)絲杠型號的不同，對絲杠的導(dǎo)程、螺旋角、公稱直徑、有效螺紋圈數(shù)等各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)手動，半自動或全自動的更改。

（4）顯示功能：根據(jù)測量要求以趨勢曲線、數(shù)據(jù)等多種形式顯示示值。

（5）繪圖功能：可繪制載荷與時(shí)間曲線、兩位移傳感器變形與時(shí)間曲線、載荷與變形曲線。

（6）打印功能：根據(jù)要求可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)打印、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打印、曲線打印。

（7）數(shù)據(jù)庫管理功能：包括試驗(yàn)基本信息數(shù)據(jù)庫、參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫、試驗(yàn)信息數(shù)據(jù)庫、綜合數(shù)據(jù)庫。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的可行性，現(xiàn)通過試驗(yàn)臺對型號為FYND-4010-6的內(nèi)循環(huán)雙螺母滾珠絲杠副進(jìn)行剛度試驗(yàn)，其具體參數(shù)公稱直徑為40mm，導(dǎo)程是10mm，有效滾珠圈數(shù)為6圈，螺旋升角為4.33。，試驗(yàn)的試驗(yàn)力范圍是滾珠絲杠副額定動載荷的1%～30%。

在本次試驗(yàn)中，滾珠絲杠副軸向靜剛度試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)正常工作，成功的對壓力和位移采樣，且示值穩(wěn)定。測控系統(tǒng)記錄的加載和卸載兩個(gè)過程的載荷與變形信息如圖6所示，其中卸載時(shí)軸向靜剛度為3.4 kN/μm，加載時(shí)軸向靜剛度為3.2 kN/μm。由于變形恢復(fù)有些延遲，所以卸載時(shí)比加載時(shí)剛度略高，但總體可以看出加載和卸載時(shí)靜剛度的重復(fù)度很高。因剛度測量在彈性變形階段，所以力與變形是線性，圖示所示直線即為剛度擬合直線。

圖6　載荷與變形曲線圖

5　結(jié)束語

基于滾珠絲杠副軸向靜剛度及額定靜載荷試驗(yàn)臺開發(fā)出的測控系統(tǒng)，從硬件選型和軟件控制兩方面著手，考慮各方面影響因素，結(jié)合適當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)處理算法，以提高剛度的準(zhǔn)確性和精度。最終的試驗(yàn)結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)能很好的對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及將準(zhǔn)確剛度值反映給操作者，證明了該測控方法設(shè)計(jì)的可行性。

［1］許向榮，宋現(xiàn)春，姜洪奎，等.提高數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛度的措施［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2008（8）：1-4.

［2］張玉清.滾珠絲杠副剛度及其對定位精度的影響［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2009.

［3］張玉清，李玉鳳，宋現(xiàn)春，等.基于sTc89c52單片機(jī)的滾珠絲杠副剛度檢測系統(tǒng)［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（2）：1ll-114.

［4］陳晶晶.滾珠絲杠副性能測試平臺及軸向靜剛度的研究［D］.南京：東南大學(xué)，2010.

［5］李東君.滾珠絲杠副軸向靜剛度測試方案研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（10）：112-114.

［6］徐鳳翔，王禹林，馮虎田.滾珠絲杠副軸向靜剛度立臥監(jiān)測方案對比分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013.

［7］徐鳳翔.滾珠絲杠副軸向靜剛度理論分析及試驗(yàn)平臺開發(fā)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.

［8］蔣仕龍，張清平.高速滾珠絲杠副試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的研制［J］.伺服控制，2005（11）：66-69.

［9］葉果，李威，王禹橋，等.基于PCL-1716高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（2-1）：86-87.

（編輯 趙蓉）

Design of Control System of Ball Screw

YANG Lei，WANG Yu-lin，HAN Jun，F(xiàn)ENG Hu-tian
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

This paper introduces a dedicated control system to the static rigidity and the dynamic load rating of ball screwwhich includes the load control system and data acquisition system（DAS）， exponents its hardware environment.The testing programwas also proposed，in addition，a test was conducted to verify the feasibility of the testing program.Results indicated that the control system has high measurement and control accuracy，steady and reliable operation，and easy operation.This testing programprovides a good software and hardware base for the measurement of the static rigidityof ball screw.

ball screw；static rigidity；control system；software design

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）02-0128-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.036

2014-05-05；

2014-05-31

國家科技重大專項(xiàng)（2012ZX04002021）

楊蕾（1989—），女，山東德州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，主要從事滾珠絲杠副軸向靜剛度及靜載荷的研究，（E-mail）yanglei1413@ 126.com；通訊作者：王禹林（1981—），男，南京人，南京理工大學(xué)教師，研究方向?yàn)槁菁y加工，精密測控技術(shù)，（E-mail）wyl-sjtu@126. com。