滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统的设计

1、毕 业 设 计题目：滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统的设计业 ：机电一体化 班级 ： 机电121 姓名： XXXX 下发日期 2015-3-9 题目滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统的设计专题滚珠丝杠螺旋线设计主要内容及要求内容：滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统方案设计； 系统测量硬件电路设计； 系统测量软件设计； 实际应用。要求： （1）在教师指导下，独立完成设计任务，培养较强的创新意识和学习能力，得到基本的训练。（2）收集相关的资料和阐述设计的思维。 （3）熟悉系统整体设计，了解各部分性能。主要技术参数检测范围：0100cm；检测精度：±5CM；进度及完成日期4-4月19日

2、查阅国内外文献,上交开题报告。4月20日5月10日系统方案选择与论证,软硬件设计。5月11日5月20日主要参数计算及元器件的选择,上交中期审核表。5月22日6月02日完成毕业设计论文书的撰写,上交初稿。6月03日6月10日根据老师意见进行修改完善。6月11日6月16日论文打印,完成答辩PPT,准备答辩。系主任签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期指 导 教 师 评 语 设计选题符合专业培养目标毕业设计，能够达到综合训练目标，题目有难度，工作量较大，选题具有一定实践指导意义。该生查阅文献能力较强，能较为全面收集关于考试系统的资料，写作过程中能综合运用考试系统知识，全面分析考试系统问题，

3、综合运用知识能力较强。文章篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，语言表达流畅，格式比较符合规范要求，参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强。 综合看来，本人认为，该设计达到了专科毕业水平，同意设计答辩。 指导教师: 年 月 日青岛理工大学毕业设计（论文）评阅意见表设计（论文）题目滚珠丝杠螺旋线误差动态测量控制系统的设计评价项目评价标准（A级）满分评 分ABCDE文献资料利用能力能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。10109876综合运用能力研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能

4、独立完成设计（论文）；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。20192017181516131412设计（论文）质量设计（论文）结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值4037-4032-3628-3125-2724创新能力有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计（论文）有独到见解151513-1411-12109工作量工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。151513-1411-12109总分是否同意将该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ )具体评阅及修改意见： 评阅人： 年 月 日注：1.请按照A级标准，评出设计（论

5、文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中； 2.计算出总分。若总分<60分，“设计（论文）质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。该设计（论文）须限期修改合格后重新申请答辩。 3.评阅意见栏不够可另附页。答 辩 委 员 会 评 语评定成绩周 记说明书(或论文)图 纸答 辩总 评答辩委员会主席签字日 期（5%）（65%）（30%）百分制等级制摘 要 质量检验的需要，设计一种高性能的丝杠检验设备也是十分必要的。我国对滚珠丝杠的检测长期使用静态法，效率低下，且容易人为的引入误差。而现今国内使用的动态丝杠测量仪多采用单频、双频激光作为长度基准，圆光栅作为角度基准，共同作用来测

6、量滚珠丝杠的行程误差。但其缺点是成本较高，只能对滚珠丝杠的一条母线进行测量，而不能对丝杠径向上的多条母线进行综合的评定。关键词： ABSTRACTKey word：ball screw，spiral error，data collection，error analysis，multi bus measure numerical control目 录摘 要IABSTRACTII前 言1第1章 系统方案分析21.1滚珠丝杠测量仪的设计规则21.2现有的滚珠丝杠副测量方法分析31.3系统方案的提出101.3.1问题的提出101.3.2问题的分析与解决111.3.3系统方案的分析11第2章 系统测量元

7、件与运动元件的选择162.1系统测量元件的选择162.1.1轴向位移传感器的选择162.1.2纵向位移传感器的选择182.2系统运动部件的选择21第3章 滚珠丝杠测量系统的硬件电路设计223.1步进电机的控制223.2步进电机的驱动233.3系统测量头自锁问题的解决243.4测量系统的抗干扰253.4.1干扰的来源253.4.2抗干扰措施26第4章 滚珠丝杠测量系统的软件设计274.1测量仪的程序模块274.2测量仪的软件设计284.3测量程序部分31结 论33致 谢34参考文献35附录一37附录二41前 言滚珠丝杠作为机床主要的传动、定位装置，其制造精度决定了机床加工的精度，所以，要提高机床

8、的加工精度，一种办法是要提高滚珠丝杠的制造精度，另一种办法就是要准确的测量出滚珠丝杠各种指标的误差，为机床加工误差的补偿提供可靠的信息，从而达到提高机床加工参数的目的。以现今的制造工艺和制造水平，滚珠丝杠的加工制造精度已经相当高，因此想要继续提高其制造精度就变的极其困难。所以，要提高数控机床的加工精度，最适合的办法就是在补偿机床加工误差上想办法，准确的滚珠丝杠测量方法能够为使用被测滚珠丝杠的数控机床的误差补偿提供可靠而实用的信息，使机床能够在加工过程中根据测量出的滚珠丝杠的误差量进行相应的误差补偿，从而，在不必提高丝杠的精度的情况下，使数控机床的加工精度大大改善1。另外，制造商在制造滚珠丝杠的

9、过程中，由于制造工艺和制造手段的限制，生产出来的产品不一定都能够满足相关标准的要求，而要将不合乎标准的产品从众多的合格产品中挑选出来，高效率、高精度的测量设备就成为了重要的挑选手段。因此，一台好的滚珠丝杠测量设备不但能够检验滚珠丝杠是否合格，而且能够为后续的数控机床的误差补偿提供数据资料。这便是一台好的滚珠丝杠测量仪的意义所在。第1章 系统方案分析1.1滚珠丝杠测量仪的设计规则1.2现有的滚珠丝杠副测量方法分析a.影像法图1.1影像测量法积误差为： P =|P - nP| (2-1)为了消除安装误差的影响，应分别测出左右n个螺距值：P左，P右并取两者的平均值作为测量结果： (2-2)b.轴切法

10、在万能工具显微镜上测量螺距时，利用测量刀紧靠在螺纹牙型面上，按测量刀上的细刻线进行瞄准。瞄准时，使目镜中的米字刻线的0.3mm或0.9mm距离刻线与测量刀上的细线重合，如图2-2所示。这种方法的压线误差较小，因此测量精度比影像法高。轴切法的测量步骤与影像法基本相同，这里不在叙述。图1.2轴切法测量除了以上两种方法外，还有许多其他的静态测量方法，如印模法，专用测量机上测量。（2）动态法丝杠动态测量基本工作原理。理论上，丝杠的螺旋线可以用下列关系式表示: (2-3)其中，为丝杠与螺母之间的相对转角，S为与相对应的理论轴向位移，P为丝杠的螺距，z为螺旋线头数。对于理想的丝杠,转角和位移始终保持式(2

11、-1)的关系。为了叙述方便，只讨论单头丝杠，即z=1，如果用一个角坐标反映丝杠的转角，即可得出对应的理论轴向位移S为： (2-4)根据误差定义： (2-5)其中:S为对应的实测轴向位移10。根据以上理论，一般的测量方法为：采用丝杠的实际螺旋线与标准螺旋线相比较的方法来求得被测丝杠的螺旋线误差。图2-3给出了测量丝杠螺旋线误差的方法示意图9。图1.3丝杠螺旋线误差图根据这个原理，可以由下式求得螺旋线误差： (2-7)其中：Z测量头沿丝杠轴线方向的行程；T被测丝杠的导程；被测丝杠转过的角度。丝杠动态测量方法：传统动态测量的方法从误差信号采集的角度可分为如下几种15：a.与标准丝杠连续比对测量与标准

12、丝杠连续比对测量丝杠的仪器通常称为丝杠导程仪，是测量丝杠螺旋线误差的专用仪器。这类仪器通过机械方式指示被测丝杠相对于标准丝杠的误差，虽结构简单操作方便，但测量精度受标准丝杠精度的限制，且被测丝杠与标准丝杠螺距必须相同，只适用于精度要求不高，单一品种大批量生产的测量。b.比相法图1.4 相比法测量原理示意图位差对应于初始相位差的误差反映了被测丝杠的导程误差。传统的比相方法采用分立丝杠动态测量中运用较多的是比相法。基本原理见图2-4。丝杠的作用是将角位移转化为轴向直线位移，因此对丝杠的测量都是基于圆分度的长度测量。测量丝杠角度位移的基准件有圆光栅、圆磁栅等，测量轴向长度位移的基准件有磁栅尺、光栅尺

13、、激光光波波长等。比相法测量时将丝杠转动的圆周基准信号和轴向直线位移基准信号分别进行不同的分频，使两路信号在系统匀速运行和丝杠误差为零的条件下成为同频率信号，将分频后的两路信号的时间间隔作为采样周期，两信号相位差应保持不变，实际相元件比相器进行模拟式比相，存在可靠性差、分辨率受到限制、信号难以保持的缺点。计算机的应用使数字比相代替模拟比相，取消了分频器、比相器、积分器、采样及保持电路，实现了大量程、高分辨率的测量，并得到高精度的结果。c.记数法图1.5记数法测量示意图记数法测量原理如图2-5。角位移信号每转一周产生N个角脉冲信号，开始测量时轴向位移信号与角位移脉冲同时到达，当丝杠转过M个角脉冲

14、信号后，即转过M/N转，测量头位移为m.Ph /N(Ph为导程)，若轴向位移信号脉冲波长为，位移信号脉冲应有l=m .Ph /N/个，由于导程误差的存在，测量头实际位移的与理论位移不一致，轴向位移实际脉冲个数为l1，则误差为e =( l1-l)。这样以圆周为角度基准信号，测头轴向位移信号为输入，即可测量出丝杠导程误差5。我国自从50年代开始生产滚珠丝杠以来，不但致力于滚珠丝杠制造工艺和制造技术的不断提高，而且还在滚珠丝杠检测技术方面做了巨大的努力。在很长的一段时间里，我国使用的丝杠检测方法只有静态法，由于这种检测方法的第二章系统方案分析落后，我国的滚珠丝杠制造工业受到了严重的制约。70年代以来

15、，很多工厂，学校和研究机构纷纷加入到滚珠丝杠测量仪的研究与制造中来。逐渐实现了从单纯的静态法测量，过度到科技含量高的动态法测量中来。两种方法的对比如表2-1所示。表1-1丝杠测量动态法与静态法比较由以上对比可以看出，动态测量较之传统的静态测量具有测量精度高、重复性好、效率高、检测人员劳动强度低13，因此，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合，动态测量已基本取代了静态测量，成为丝杠检测的主要手段。传统的动态测量方法是由专门制造的动态测量仪来完成的。这一时期的动态测量仪由于受技术条件的限制，尤其是电子技术发展的制约，其关键部件大都由分立元件构成，因而功能单一，自动化程度较低，仪器故障率

16、也较高。虽然其后的有些产品采用了厚膜电路和小规模集成电路构成的相位计，使仪器的性能指标有所改进，但从宏观上看仍没有走出早期测量仪工作的模式。随着电子技术，特别是计算机技术的发展，使制造出新一代的丝杠动态测量仪在技术上成为了可能。动态测量仪虽然在测量原理方面没有新的突破，但在技术实施方案上有了重大的发展。这一时期的动态测量仪圆周方向上基本都采用高精度圆光栅作为基准，长度方向有些采用高精度光栅(或磁栅)尺，有些则采用单频激光或双频激光作为基准，而传统的相位计大都由单片机(或工业控制机)取代16。目前开发应用的丝杠动态测量仪，不论是在测量精度还是在自动化程度或者仪器的无故障率方面，都比早期的测量仪有

17、了很大的提高。激光技术和计算机技术的应用，使动态测量技术进一步提高。在技术方法上，由于采用了计算机技术，因而突破了传统的模拟比相方法。而采用数字比相技术，这使仪器的测量精度和抗干扰性能有了进一步的提高。有些仪器己经采用显示器来显示测量的误差曲线，并同时可由记录仪来画出误差曲线16。随着现代测试技术的快速发展，光电技术、数字化技术、微处理技术、图象显示技术、自动化技术得到了广泛的应用，智能化技术、柔性测试、计算机辅助测试等也得到广泛的发展及应用，丝杠动态测量仪的研究开发也向高精度、快速化、智能化、模块化的方向发展171.3系统方案的提出1.3.1问题的提出绪论中已经叙述过，滚珠丝杠的测量可以由静

18、态法或者动态法进行测量，两种方法的优劣性也在上文中做了比较。静态法测量一条或多条母线的螺旋线误差，采用这种方法可以达到一定的精度，但测量效率过低，不能发现周期性的误差；动态测量方法是利用螺旋线的运动规律来实现测量的，由传动装置带动被测丝杠转动，并用适当的方式对螺旋线的误差进行测量，这种方式可以得到较好的精度，而且测量效率也得到了较大的提高，但由于测量方法的要求，动态测量仪要有检测螺杆旋转角度的传感器（一般使用圆光栅），还需要有检测螺旋线轴向变化的测量设备（一般采用长光栅尺或者双频激光干涉仪），这样的系统通常有个问题：无论是采用长光栅或是激光双频干涉仪作为轴向位移的测量设备，其局限性是显而易见的

19、：他们都只能测量滚珠丝杠副上一条母线的轴向误差，若想测量多条母线的轴向行程误差则需要进行多次的测量，这样就无形中降低了测量设备的测量效率，不利于对同一滚珠丝杠副的多条母线螺距误差的测量。1.3.2问题的分析与解决面已经说到了现在使用比较广泛的滚珠丝杠动态测量仪所面临的问题。下面，就将根据所提出的问题进行系统的分析。从绪论里我们可以看到，静态法虽然效率低，但它有一个明显的优点：就是能测1.3.3系统方案的分析值，对于二维坐标，则需要有x、y两个坐标值。对于本课题的项目，我们需要测量的点都在滚珠丝杠的轴向截面之内，也就是说，所有的测量点都在一个平面之内，所以我们就可以建立一个虚拟的二维坐标系，在此

20、二维坐标系平面内对牙型轮廓进行逐点的测量，通我们只需要两个位移传感器，一个用来测量轴向的位移x，另一个测量纵向的位移y。2系统机械结构方案分析（1）系统中应有提供被测丝果测量了150mm的行程，便会产生多余的测量数据，不但加大了系统的数据处理量，而且也增加了测量过程的时间，不利于测量效率的提高。（2） 系统应尽量满足阿贝原则。在绪论中我们已经提出过阿贝原则，即测工件与标准尺必须处在测量方向的同一直线上。采用阿贝原则能避免一次误差，得到较高的测量精度。如果系统的设计不能完全满足阿贝原则的要求，为了减小阿贝误差，我们可以对阿贝原则进行扩展，即在测量过程中，使测量线和基准线尽量靠近，并保证没有角运动

21、，即保证两条线平行11。这样，我们就应该在设计系统结构的时候使其尽量满足阿贝原则。根据以上分析，我们确定以下的机械结构方案，如图2-6图1.6系统机械结构简图在此系统中，伺服电机用来控制传动丝杠的旋转，从而控制移动机架带着被测丝杠移动，移动机架下固定着横向位移传感器的移动端，当固定机架移动时，横向位移传感器也随之移动，测量出被测丝杠的轴向位移。另外，在被测丝杠的正上方（在丝杠的轴向横截面内），相对机图1.7夹具示意图图1.8系统电路框图（1）传感器数据采集及处理模块传感器是测量系统中重要的组成部分，是进行测量的直接的功能元件，在本设计中，传感器依然起着决定性的作用。前面已经提到，在本课题的设计

22、中，我们需要测量的主要有两个参数，滚珠丝杠轴向截面轮廓上点的横、纵坐标。这样，我们就需要两个位移传感器，用来测量所需要的参数。另外，由于不同的传感器输出信号的种类不同，受到的干扰也不同，这就需要有适合的信号处理电路，以便滤去夹杂在信号中的干扰，并将有用信号提取出来提供给其他装置进行后续的处理。具体的传感器的选择和信号处理电路的设计我们将在后面给出。（2）运动装置控制模块前面我们已经说到，为了减少工作人员工作量和提高测量的效率，测量系统应能够根据已经测量的丝杠长度来控制部件运动。在测量系统中，我们将用步进电机控制传动丝杠，进而使固定在移动机架上的被测丝杠沿其轴向方向运动，实现轮廓点的测量。我们可

23、以通过控制步进电机的转数，来控制传动丝杠的转数，从而得到我们所需要的被测丝杠的测量长度。（3）计算机接口模块传感器信号经过采集处理之后，要传入计算机进行数据的分析，处理，计算，以得到最后的测量结果；当被测丝杠的测量长度达到要求时，计算机要输出一个信号，停止伺服电机的转动。这都需要一个接口模块来连接传感器处理电路和伺服电机控制电路。4测量系统的抗干扰方案任何电子电气设备都会受到各种各样的外界干扰，如雷击，电网干扰，电磁干扰等。这些干扰有些是能够对仪器造成巨大损坏的，如雷击，有些则会减少仪器的使用寿命，如电网的干扰，有些则会对仪器的可靠性，精度等使用性能产生不良的影响。在现代的电子电气仪器设计中，

24、抗干扰设计成为了极为重要的一环，抗干扰设计的优劣直接影响到电子电气仪器的安全性，使用寿命，使用性能等众多方面的能力。在本课题中设计的丝杠测量仪同样也使用了电子器件，另外，由于本课题设计的丝杠测量仪可能会使用在干扰源更多更复杂的工厂中，因此抗干扰方案同样是不可或缺的。5算法方案从传感器来的数据仅仅是单个轮廓点相对于设定的虚拟坐标系的坐标值，仅仅凭借这些坐标值是不能够得到不同母线上的螺距误差的，这里，我们可以采用些图象处理的思想，将离散的单一的轮廓点用数值计算的方法，拟合出轮廓曲线，形成分段的函数方程，这样就可以求解出实际中的滚珠丝杠n个螺距值。再根据测量长度中包含的螺距的数量，得到标准丝杠的螺距

25、值，两值相减就可以得到n个螺距的误差。另外，由于安装或制造可能产生误差，在设计中也要进行软、硬件的误差补偿。第2章 系统测量元件与运动元件的选择2.1系统测量元件的选择2.1.1轴向位移传感器的选择表2-1正弦波输入信号的传感器引脚2.1.2纵向位移传感器的选择2.2系统运动部件的选择第3章 滚珠丝杠测量系统的硬件电路设计3.1步进电机的控制图3.1步进电机控制框图表3-1步进电机脉冲分配图PA2PA1PA0通电相控制数据旋转方向CBA1 10A0EH正反转转100AB0CH101B0DH001BC09H011 C0BH010CA0AH3.2步进电机的驱动图3.2单电压步进电机驱动方式由于测量仪器需要运行平稳，不宜采用太高的运行频率，经过实验确定步进电机以200HZ以下的频率运行较为理