滚珠丝杠副运动精度在线测量系统设计与分析
宋现春，鲁苑凯，徐加垒，姜洪奎，许向荣，马洪君
【摘 要】摘要：滚珠丝杠副运动精度是试验台检测的主要指标，而现在的检测手段多为离线检测，操作复杂且定位难度较高。通过设计开发一种滚珠丝杠副运动精度在线测量系统，可以实现其在线检测，对于提高检测效率和检测精度具有重要意义。文章围绕在线测量系统的硬件、原理、通讯、测量界面与结构，设计了一种滚珠丝杠副运动精度在线测量系统，并与3 m激光行程误差测量仪对同一根丝杠进行精度检测试验，对其测量值进行对比分析。结果表明：设计的在线测量系统与3m激光行程误差测量仪相比较，前者对环境要求不高、偶然性误差小，测量曲线相对平滑，而后者测量曲线波动比较密集；两者测量曲线特征值差值小于1μm，在容许误差范围内。 【期刊名称】山东建筑大学学报 【年(卷),期】2017(032)005 【总页数】5
【关键词】滚珠丝杠副；在线测量系统；设计；运动精度
0 引言
滚珠丝杠副可以将转动转化为直线运动，是数控机床的进给驱动系统的主要形式，其运动精度很大程度上决定了数控机床的加工精度。随着数控机床的应用越来越广泛，人们对机床高速化、高精度化提出越来越高的要求，目前衡量数控机床性能优劣的重要指标就是数控机床的运动精度。但是因为国内生产水平相对较弱，国产丝杠的运动精度始终不如国外发达国家生产的高［1］。而且大量国外厂家或外资企业在国内建厂，导致大量国外高端滚珠丝杠流入国内，严
重挤压了国内高端滚珠丝杠产品的生存空间，对中国自主研发高端数控装备和设备技术国产化产生了严重的影响。因此，国产滚动功能部件生产企业为增强产品竞争力，应把重点放在提高滚动功能部件的性能和质量。唐旭华等设计的滚珠丝杠副运动精度测试系统［2］和丁聪等设计的滚珠丝杠副精度保持性加载装置对提高滚动功能部件的性能和质量做出了贡献，促进了我国机床行业和装备制造业的发展［3］。滚珠丝杠副的精度则是滚动功能部件性能的重要体现，其检测将成为提高滚动功能部件性能的重要手段。通过对丝杠运动精度等参数的检测对寻找影响其精度的因素起到非常重要的帮助，找到影响国产丝杠精度的主要因素并掌握提高丝杠精度的关键技术，不断加强精度系统研究和技术攻关，对突破国产丝杠质量差、精度不高起到重要作用。
当前测量丝杠运动精度的方法主要有：块规法、线纹法、激光干涉仪测量法和直线光栅尺测量法，其中后2种方法应用较为广泛且测量精度较高［4］。激光干涉仪测量法测量精度高、敏感度高，易受外界环境影响，测量时需要将丝杠从机床上取下，安装在激光测量仪上，操作较为复杂且定位相对麻烦复杂；直线光栅尺测量法可直接进行直线位置测量，无额外机械传动件，无需拆卸丝杠，操作较为简便，受外界影响较小且对位置值的测量时没有漂移，同样也能够满足对高精度定位的要求［5］。文章选择了直线光栅尺作为测量工具，设计开发一种滚珠丝杠副运动精度在线测量系统，并与JCS-040 3 m激光行程误差测量仪进行试验对比分析，验证了滚珠丝杠副运动精度在线检测的优越性，对于提高检测效率和检测精度具有重要意义。
1 滚珠丝杠副运动精度在线测量系统设计
1.1 螺旋线精度测量系统硬件设计
螺旋线精度在线测量系统是在跑合机床的基础上进行改造的，被测丝杠采用一端固定，另一端支撑的方式安装，圆光栅尺安装在丝杠的支撑端，并通过联轴器与丝杠相联接，直光栅尺则安装在被测丝杠下方的床身上，伺服电机安装在丝杠的固定端，并通过联轴器与丝杠相联接［6］。固定端的轴承同时承受径向力和轴向力，起到固定丝杠的作用，支承端的轴承只承受径向力，使得丝杠轴在受热后能够沿轴向向一端延长，不仅
可以有效减少或者避免因丝杠自重而出现的弯曲，同时也避免了丝杠在长时间跑合后温度升高而导致的丝杠应力过大引发的振动或者变形。伺服系统按照预设速度驱动伺服电机旋转，驱动被测丝杠做顺时针或者逆时针转动，伺服电机的顺逆旋转通过滚珠丝杠副转换为加载平台的直线往复运动［7］。考虑到尽可能减小伺服电机和圆光栅尺引起的振动影响试验结果，所有的联轴器选择弹性联轴器，螺旋线精度在线测量试验台采用GOX—1440—5光栅尺和S—5000圆光栅作为测量元件。试验台测量系统流程图如图1所示。 1.2 螺旋线精度测量系统原理
如图2所示，滚珠丝杠副在运行过程中，丝杠带动圆光栅转动，圆光栅将丝杠的旋转角度转化为脉冲信号记录下来，同时光栅尺将螺母轴向移动的位移信号转化为脉冲信号记录下来。两路脉冲信号由PCI计数采集卡同时进行采集并发送至工控机。安装在工控机里的软件按照需要在不同时间同时读取两个通道的计数值，软件根据不同型号的圆光栅和光栅尺根据其参数不同按照公式将计数值转换成转动角度和位移量［8］，丝杠转动角度可以根据丝杠的导程转化为位移量，计算的位移量和光栅尺测量的位移量之差就为滚珠丝杠副的移动误差值。通过测量整个行程上移动误差值，就可以求取滚珠丝杠副在整个行程中的行程
滚珠丝杠副运动精度在线测量系统设计与分析
