絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量方法的研究

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(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第205研究所,陜西 西安 710065)

絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量方法的研究

王青1，朱凌健1，張福財(cái)2

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第205研究所,陜西 西安 710065)

絲杠是工業(yè)生產(chǎn)中重要的傳動(dòng)部件，其自身精度往往對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度起著決定作用。因此，絲杠螺旋線誤差的測(cè)量有著重要實(shí)際價(jià)值。針對(duì)目前絲杠螺旋線誤差檢測(cè)系統(tǒng)的不足，對(duì)以往的測(cè)量方法進(jìn)行了改近，設(shè)計(jì)了以雙頻激光干涉儀作為長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，以圓光柵作為轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)處理上利用可編程邏輯器件(CPLD)為核心電路的計(jì)算機(jī)測(cè)量方案。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究和試運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果證明，測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)2級(jí)以上絲杠螺旋線誤差的動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有測(cè)量效率較高，能夠?qū)Νh(huán)境造成的偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。

絲杠;精度;雙頻激光干涉儀;動(dòng)態(tài)測(cè)量

0 引言

絲杠在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用很廣，是重要的機(jī)械部件，特別是高精密的絲杠，不僅是精密的傳動(dòng)元件而且常用作精密的測(cè)量元件，許多精密機(jī)床，如螺紋磨床、坐標(biāo)鏜床等，其傳動(dòng)精度、定位精度、加工精度和一些儀器的測(cè)量精度都與精密絲杠的精度有著直接關(guān)系。因此，高精度絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置顯得尤其重要。目前，常用的絲杠螺旋線誤差測(cè)量方法均屬于手動(dòng)的靜態(tài)測(cè)量方法，存在測(cè)量效率較低、自動(dòng)化水平較低、肉眼視差不確定等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，給出了一種以雙頻激光干涉儀[1]作為長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)、以圓光柵作為轉(zhuǎn)動(dòng)角度基準(zhǔn)的測(cè)量裝置方案，通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，證明該裝置能夠較大地提高測(cè)量精度和效率。

1 絲杠測(cè)量原理

1.1 絲杠螺旋線理論

絲杠的螺旋線可以用下列關(guān)系式表示為[2-4]：

(1)

θ為絲杠和螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角；S為與θ對(duì)應(yīng)的軸向位移；P為絲杠的螺距；Z為螺旋線頭數(shù)。

對(duì)于理想的絲杠來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)角和位移始終保持著式(1)的關(guān)系。為了敘述方便，這里只討論單頭絲杠即Z=1時(shí)的情形。如果用一個(gè)角坐標(biāo)反映絲杠的轉(zhuǎn)角θ，即可得出對(duì)應(yīng)的理論軸向位移為：

(2)

根據(jù)誤差的定義：

(3)

S′為對(duì)應(yīng)的實(shí)際軸向位移,式(3)中，P為已知值，只要知道了θ及其對(duì)應(yīng)的S′就可得出相應(yīng)的誤差ΔE。

1.2 螺旋線測(cè)量原理

從式(3)可得出，測(cè)量絲杠螺旋線軸向誤差實(shí)際上就是測(cè)θ及S′這2個(gè)坐標(biāo)值。因此，系統(tǒng)方案將圍繞這2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其工作原理如圖1所示。

圖1 裝置工作原理

對(duì)于圓光柵，一個(gè)周期莫爾條紋信號(hào)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為：

(4)

Nm為圓光柵刻線數(shù)。

經(jīng)過(guò)分頻器后一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為：

(5)

NF為分頻系數(shù)。

絲杠與螺母的相對(duì)轉(zhuǎn)角為：

(6)

Nθ為分頻后脈沖個(gè)數(shù)。

軸向位移S′采用雙頻激光干涉儀測(cè)量，假設(shè)激光波長(zhǎng)為λ，光程差每變化一個(gè)λ則光電接收器輸出信號(hào)變化一個(gè)周期。由激光測(cè)量原理圖可知，光程差變化一個(gè)λ對(duì)應(yīng)于絲杠軸向位移變化λ/2，如果光電接收元件的一個(gè)原始周期信號(hào)經(jīng)電路處理后對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，假設(shè)在絲杠轉(zhuǎn)過(guò)角度θ時(shí)，雙頻激光干涉儀計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值變化量為NS，則與θ對(duì)應(yīng)的實(shí)際軸向位移為：

(7)

把式(6)及式(7)代入式(3)，可得到在該測(cè)量長(zhǎng)度內(nèi)，絲杠螺旋線軸向誤差為：

(8)

利用分頻器產(chǎn)生的脈沖作為鎖存信號(hào)及中斷信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中，保存當(dāng)前鎖存器的值，供后續(xù)軟件處理，可畫(huà)出絲杠螺旋線的動(dòng)態(tài)誤差曲線，得出相應(yīng)項(xiàng)目的誤差值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

測(cè)量時(shí)雙頻激光干涉儀的兩路信號(hào)需要進(jìn)行同步、對(duì)消和對(duì)減等處理，需要的邏輯處理比較復(fù)雜，故選用Altera公司的芯片EP4CE15F17C8N作為邏輯處理器，編程實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的邏輯關(guān)系，簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)。此外，需要實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并且需要和計(jì)算機(jī)通訊的數(shù)據(jù)量比較大，所以把處理電路集成在PCI板卡上，板卡選用Xilinx公司的PCI協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI9052實(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議，縮短開(kāi)發(fā)周期。最終完成的電路系統(tǒng)框圖如圖2所示[5-6]。

圖2 電路系統(tǒng)原理

激光干涉儀接收到的干涉信號(hào)通過(guò)光柵照射到光電池表面時(shí)光電池產(chǎn)生電流，經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換后輸出一個(gè)隨光強(qiáng)而變化的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)后面的跟隨和放大以后作為比較器的輸入信號(hào)，經(jīng)比較器整形后得到一個(gè)方波信號(hào)，激光干涉儀光電轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。該信號(hào)與另外一路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)都作為CPLD的計(jì)數(shù)信號(hào)，根據(jù)這兩路信號(hào)可以計(jì)算出絲杠軸向行進(jìn)的距離。

光柵信號(hào)的采集信號(hào)如圖4所示，主光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)光電信號(hào)透過(guò)主光柵上的小孔透射到光電三極管上并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后面的整形后送入8254進(jìn)行計(jì)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)值即與光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 激光干涉儀光電轉(zhuǎn)換電路

圖4 光柵信號(hào)采集電路

CPLD把上述的兩類信號(hào)進(jìn)行處理后并經(jīng)過(guò)PCI9052向PC機(jī)申請(qǐng)中斷，由PC上的上位機(jī)服務(wù)程序讀取并完成數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)功能。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序通過(guò)板卡驅(qū)動(dòng)程序，把數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，數(shù)據(jù)采集完成后，處理數(shù)據(jù)，畫(huà)出誤差曲線圖，給出相應(yīng)項(xiàng)目的誤差值，打印檢測(cè)報(bào)告[7-9]。

3 測(cè)量結(jié)果

圖5為應(yīng)用該系統(tǒng)檢測(cè)絲杠的實(shí)時(shí)部分測(cè)量誤差曲線擬合圖。從圖中可以看出，誤差曲線的波動(dòng)性還是比較大的，這主要是由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度(t)、濕度(f)和氣壓(p)的不斷變化而引起的誤差變化，同時(shí)被測(cè)物也會(huì)發(fā)生熱脹冷縮效應(yīng)，這些都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的偏差。因此，必須對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[10-11]。

圖5 部分測(cè)量誤差曲線擬合

4 誤差補(bǔ)償

誤差補(bǔ)償主要分為兩個(gè)方面，一是由于測(cè)試環(huán)境溫度、濕度和氣壓等因素變化，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公示表示為：

Δlptf=[-0.3(p-p0)+930(t-20)+

0.04(f-f0)]×10-2

(9)

t為測(cè)試環(huán)境溫度；f為濕度；f0為標(biāo)準(zhǔn)濕度；p為氣壓；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓氣壓；Δlptf為由于上述3種因素引起的長(zhǎng)度誤差。

二是由于工件熱脹冷縮效應(yīng)引起的誤差表示為[12]：

Δlα=L×α(t-20)

(10)

L為測(cè)量絲杠的長(zhǎng)度；α為絲杠的溫度系數(shù)；t為測(cè)試環(huán)境溫度；Δlα為工件熱脹冷縮效應(yīng)引起的長(zhǎng)度誤差。

經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)方面的修正后得到的測(cè)量誤差曲線如圖6所示。比較圖5和圖6，不難看出，對(duì)于上述的誤差修正還是非常有必要的。比較這兩個(gè)圖時(shí)，由于顯示的原因，其縱坐標(biāo)是有所區(qū)別的，這一點(diǎn)要注意。

圖6 補(bǔ)償后誤差曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的以雙頻激光干涉儀作為長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)的測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絲杠動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，是一種可行的方法，有一定的實(shí)際價(jià)值。在對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度、濕度、氣壓等因素進(jìn)行修正和補(bǔ)償后獲得了較為理想的測(cè)試效果。另外，由于測(cè)量裝置在過(guò)程中的振動(dòng)、阿貝誤差等影響因素的影響，在絲杠超過(guò)2 m時(shí)，誤差會(huì)偏大。

總的來(lái)講，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)2級(jí)以上絲杠螺旋線誤差的動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量效率高，可操作性強(qiáng)，能夠提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)先后在西北機(jī)器有限公司和兵工集團(tuán)205所試用，試用結(jié)果表明，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)行程測(cè)量?jī)x的精度要求，可以實(shí)現(xiàn)2級(jí)以上絲杠螺旋線誤差的動(dòng)態(tài)測(cè)量,測(cè)量效率較高，人工操作簡(jiǎn)單。該套測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了絲杠螺旋線誤差實(shí)時(shí)檢測(cè)與誤差分析，為生產(chǎn)廠家及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)滾珠絲杠加工中存在的工藝問(wèn)題，提供了參考依據(jù)和技術(shù)保證，有利于提高滾珠絲杠的加工精度和檢測(cè)效率。

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Research on Precision of Screw Shaft Dynamic Measurement Method

WANGQing1,ZHULingjian1,ZHANGFucai2

(1.Shaanxi Institute of Technology,Xi’an 710300,China;2.The No.205 Institute of China Ordnance Industry Corporation Group,Xi’an 710065,China)

Screw shaft is important transmission components in industry and it plays a decisive role to the precision in the whole system,therefore,the detection precision of screw shaft has extremely important practical value.In view of the current shortage of detection system of screw shaft detection system,it design a scheme with the conventional modified measurement method,the dual frequency laser interferometer as the length of measurement standards,the circular grating as a standard measurement of the rotation angle and the data processing by using programmable logic device (CPLD) as the core circuit.On the basis of this,experiments and test running are carried out to study the prototype,the running results show that the dynamic measurement system can achieve more than level 2 screw shaft and has a feature of high measurement efficiency,the deviation compensation caused by the environment.

screw shaft;precision;dual frequency laser;dynamic measurement

2014-05-19

TP212

A

1001-2257(2014)11-0057-04

王青(1982-),女，陜西西安人，碩士, 研究方向?yàn)闄C(jī)械電子;朱凌健(1978-)男，陜西西安人，碩士,研究方向?yàn)閮x器儀表。