滾珠絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)word版

1、青島理工大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目：滾珠絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 許忠奎 學(xué)生學(xué)號(hào)： 201281023 院系名稱： 機(jī)電工程系 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)電一體化121班 指導(dǎo)教師： 張強(qiáng) 2015年6 月 16 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)專業(yè) ：機(jī)電一體化 班級(jí) ： 機(jī)電121 姓名： XXXX 下發(fā)日期 2015-3-9 題目滾珠絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專題滾珠絲杠螺旋線設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求內(nèi)容：滾珠絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)測(cè)量硬件電路設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)測(cè)量軟件設(shè)計(jì)； 實(shí)際應(yīng)用。要求： （1）在教師指導(dǎo)下，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)能力，得到基本的

2、訓(xùn)練。（2）收集相關(guān)的資料和闡述設(shè)計(jì)的思維。 （3）熟悉系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，了解各部分性能。主要技術(shù)參數(shù)檢測(cè)范圍：0100cm；檢測(cè)精度：±5CM；進(jìn)度及完成日期4月06日-4月19日 查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),上交開(kāi)題報(bào)告。4月20日5月10日系統(tǒng)方案選擇與論證,軟硬件設(shè)計(jì)。5月11日5月20日主要參數(shù)計(jì)算及元器件的選擇,上交中期審核表。5月22日6月02日完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文書(shū)的撰寫,上交初稿。6月03日6月10日根據(jù)老師意見(jiàn)進(jìn)行修改完善。6月11日6月16日論文打印,完成答辯PPT,準(zhǔn)備答辯。系主任簽字日 期教研室主任簽字日 期指導(dǎo)教師簽字日 期 指 導(dǎo) 教 師 評(píng) 語(yǔ) 設(shè)計(jì)選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)畢

3、業(yè)設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到綜合訓(xùn)練目標(biāo)，題目有難度，工作量較大，選題具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義。該生查閱文獻(xiàn)能力較強(qiáng)，能較為全面收集關(guān)于考試系統(tǒng)的資料，寫作過(guò)程中能綜合運(yùn)用考試系統(tǒng)知識(shí)，全面分析考試系統(tǒng)問(wèn)題，綜合運(yùn)用知識(shí)能力較強(qiáng)。文章篇幅完全符合學(xué)院規(guī)定，內(nèi)容較為完整，層次結(jié)構(gòu)安排科學(xué)，語(yǔ)言表達(dá)流暢，格式比較符合規(guī)范要求，參考了較為豐富的文獻(xiàn)資料，其時(shí)效性較強(qiáng)。 綜合看來(lái)，本人認(rèn)為，該設(shè)計(jì)達(dá)到了?？飘厴I(yè)水平，同意設(shè)計(jì)答辯。 指導(dǎo)教師: 年 月 日 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱意見(jiàn)表設(shè)計(jì)（論文）題目滾珠絲杠螺旋線誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（A級(jí)）滿分評(píng) 分ABCDE文獻(xiàn)資料利用能力能獨(dú)立地利

4、用多種方式查閱中外文獻(xiàn)；能正確翻譯外文資料；能正確有效地利用各種規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)等。10109876綜合運(yùn)用能力研究方案設(shè)計(jì)合理；設(shè)計(jì)方法科學(xué)；技術(shù)線路先進(jìn)可行；理論分析和計(jì)算正確；動(dòng)手能力強(qiáng)；能獨(dú)立完成設(shè)計(jì)（論文）；能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題；研究結(jié)果客觀真實(shí)。20192017181516131412設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量設(shè)計(jì)（論文）結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)；邏輯性強(qiáng)；語(yǔ)言文字表準(zhǔn)確流暢；格式、圖、表規(guī)范；有一定的學(xué)術(shù)水平或?qū)嶋H價(jià)值4037-4032-3628-3125-2724創(chuàng)新能力有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)；所做工作有較大突破；設(shè)計(jì)（論文）有獨(dú)到見(jiàn)解151513-1411-12109工作量工作量飽滿；圓滿完成

5、了任務(wù)書(shū)所規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù)。151513-1411-12109總分是否同意將該設(shè)計(jì)（論文）提交答辯：是（ ） 否（ )具體評(píng)閱及修改意見(jiàn)： 評(píng)閱人： 年 月 日注：1.請(qǐng)按照A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)出設(shè)計(jì)（論文）各項(xiàng)目的具體得分，并填寫在相應(yīng)項(xiàng)目的評(píng)分欄中； 2.計(jì)算出總分。若總分<60分，“設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量”<24分，建議不能提交論文評(píng)閱乃至答辯。該設(shè)計(jì)（論文）須限期修改合格后重新申請(qǐng)答辯。 3.評(píng)閱意見(jiàn)欄不夠可另附頁(yè)。答 辯 委 員 會(huì) 評(píng) 語(yǔ)評(píng)定成績(jī)周 記說(shuō)明書(shū)(或論文)圖 紙答 辯總 評(píng)答辯委員會(huì)主席簽字日 期（5%）（65%）（30%）百分制等級(jí)制 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要 精密滾珠

6、絲杠副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其螺旋線精度對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度有較大影響本課題結(jié)合工程項(xiàng)目“滾珠絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x技術(shù)改造對(duì)原有測(cè)量?jī)x器的測(cè)量系統(tǒng)行了技術(shù)改造，提高了儀器的測(cè)量精度，測(cè)量過(guò)程更加智能化。 滾珠絲杠是將角位移轉(zhuǎn)化為線位移，或?qū)⒕€位移轉(zhuǎn)化為角位移的理想產(chǎn)品，可以使傳動(dòng)和定位在同一零件上得到實(shí)現(xiàn)。另外，滾珠絲杠不但能夠作為定位，傳動(dòng)零件，還可以起到定位的作用。由于使用滾珠作為其傳遞運(yùn)動(dòng)的媒介，使得滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而大大的減少了摩擦作用，提高的傳動(dòng)的效率。滾珠絲杠有效率高、精度高、微給進(jìn)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此，它成為了工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，滾

7、珠絲杠起了極其重要的作用。它作為數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)，定位部件，其精度的高低往往直接決定著數(shù)控機(jī)床的加工精度。由于制造工藝和制造手段的限制，滾珠絲杠制造精度的提高已經(jīng)變得十分困難，所以，高精度的滾珠絲杠檢測(cè)手段就成為了補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床加工誤差，提高機(jī)床加工精度的重要方式。另外，出于滿足滾珠絲杠制造商對(duì)其出廠產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)一種高性能的絲杠檢驗(yàn)設(shè)備也是十分必要的。我國(guó)對(duì)滾珠絲杠的檢測(cè)長(zhǎng)期使用靜態(tài)法，效率低下，且容易人為的引入誤差。而現(xiàn)今國(guó)內(nèi)使用的動(dòng)態(tài)絲杠測(cè)量?jī)x多采用單頻、雙頻激光作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，圓光柵作為角度基準(zhǔn)，共同作用來(lái)測(cè)量滾珠絲杠的行程誤差。但其缺點(diǎn)是成本較高，只能對(duì)滾珠絲杠的一條母

8、線進(jìn)行測(cè)量，而不能對(duì)絲杠徑向上的多條母線進(jìn)行綜合的評(píng)定。關(guān)鍵詞： 滾珠絲杠，螺旋誤差，數(shù)據(jù)采集，誤差分析，多母線測(cè)量數(shù)控I ABSTRACTBall screw shaft is a ideal product to turn angle displacement to line displacement, or line displacement to angle. It can implement both driving and locating at the same time. Besides driving and locating, it can be a measuring p

9、iece.Because of the use of ball as the media, it reduces the function of friction significantly, and improves the efficiency. Ball screw shaft has the virtue of high efficiency and precision, micro-diving, long life-span etc, therefore it becomes the most popular driving piece in tool-machine and pr

10、ecision-machine.In modern NC machine tool, ball screw shaft plays a very important role. As the driving and locating piece of the mobile system in NC machine tool, the pricison of ball screw shaft always affects the precision of machine tool. Because of the limit of manufacturing process and method,

11、 it is very difficult to improve the precision of the ball screw shaft. The measurement of ball screw shaft with high precision is the important approach to optimize the parameter of manufacture and improve the precision of NC machine tool。Key word：ball screw，spiral error，data collection，error analy

12、sis，multi bus measure numerical controlII 目 錄摘 要IABSTRACTII前 言1第1章 系統(tǒng)方案分析21.1滾珠絲杠測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)規(guī)則21.2現(xiàn)有的滾珠絲杠副測(cè)量方法分析31.3系統(tǒng)方案的提出101.3.1問(wèn)題的提出101.3.2問(wèn)題的分析與解決111.3.3系統(tǒng)方案的分析11第2章 系統(tǒng)測(cè)量元件與運(yùn)動(dòng)元件的選擇162.1系統(tǒng)測(cè)量元件的選擇162.1.1軸向位移傳感器的選擇162.1.2縱向位移傳感器的選擇182.2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的選擇21第3章 滾珠絲杠測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)223.1步進(jìn)電機(jī)的控制223.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)233.3系統(tǒng)測(cè)量頭自鎖問(wèn)題

13、的解決243.4測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾253.4.1干擾的來(lái)源253.4.2抗干擾措施26第4章 滾珠絲杠測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)274.1測(cè)量?jī)x的程序模塊274.2測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)284.3測(cè)量程序部分31結(jié) 論33I 致 謝34參考文獻(xiàn)35附錄一37附錄二41II 前 言滾珠絲杠作為機(jī)床主要的傳動(dòng)、定位裝置，其制造精度決定了機(jī)床加工的精度，所以，要提高機(jī)床的加工精度，一種辦法是要提高滾珠絲杠的制造精度，另一種辦法就是要準(zhǔn)確的測(cè)量出滾珠絲杠各種指標(biāo)的誤差，為機(jī)床加工誤差的補(bǔ)償提供可靠的信息，從而達(dá)到提高機(jī)床加工參數(shù)的目的。以現(xiàn)今的制造工藝和制造水平，滾珠絲杠的加工制造精度已經(jīng)相當(dāng)高，因此想要繼續(xù)提高其制

14、造精度就變的極其困難。所以，要提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，最適合的辦法就是在補(bǔ)償機(jī)床加工誤差上想辦法，準(zhǔn)確的滾珠絲杠測(cè)量方法能夠?yàn)槭褂帽粶y(cè)滾珠絲杠的數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償提供可靠而實(shí)用的信息，使機(jī)床能夠在加工過(guò)程中根據(jù)測(cè)量出的滾珠絲杠的誤差量進(jìn)行相應(yīng)的誤差補(bǔ)償，從而，在不必提高絲杠的精度的情況下，使數(shù)控機(jī)床的加工精度大大改善1。另外，制造商在制造滾珠絲杠的過(guò)程中，由于制造工藝和制造手段的限制，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品不一定都能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而要將不合乎標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品從眾多的合格產(chǎn)品中挑選出來(lái)，高效率、高精度的測(cè)量設(shè)備就成為了重要的挑選手段。因此，一臺(tái)好的滾珠絲杠測(cè)量設(shè)備不但能夠檢驗(yàn)滾珠絲杠是否合格，而且能夠

15、為后續(xù)的數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)資料。這便是一臺(tái)好的滾珠絲杠測(cè)量?jī)x的意義所在。第1章 系統(tǒng)方案分析1.1滾珠絲杠測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)規(guī)則絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x是典型的精密檢測(cè)儀器，它的設(shè)計(jì)必須遵循精密測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的原則。儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循減少儀器誤差或測(cè)量誤差的原則。(1)阿貝原則阿貝原則即被測(cè)工件與標(biāo)準(zhǔn)尺必須處在測(cè)量方向的同一直線上。采用阿貝原則能避免一次誤差，得到較高的測(cè)量精度。(2)最小變形原則儀器部件及零件的變形是儀器誤差的主要來(lái)源之一，儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證變形最小。儀器的變形受溫度和力的影響。設(shè)計(jì)中假定測(cè)量?jī)x工作的標(biāo)準(zhǔn)溫度為20，工作中的溫度如果不是標(biāo)準(zhǔn)溫度，則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，因此必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。絲杠

16、測(cè)量?jī)x作為一種精密測(cè)量?jī)x器，對(duì)溫度變化有著極高的要求；另外，在高精度測(cè)量時(shí)，還應(yīng)考慮到測(cè)量力促使測(cè)頭和被測(cè)之間產(chǎn)生的擠壓變形和測(cè)頭自身的變形直接導(dǎo)致的測(cè)量誤差。(3)最短測(cè)量鏈原則從被測(cè)尺寸到儀器最終顯示的傳動(dòng)鏈，屬于直接傳遞被測(cè)尺寸變化的環(huán)節(jié)，稱為廣義測(cè)量鏈，它包括測(cè)量部分和放大指示兩部分。其誤差直接影響儀器的測(cè)量誤差。為了提高精度降低成本，在儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使測(cè)量鏈最短，即測(cè)量鏈最短原則。當(dāng)各環(huán)節(jié)制造誤差相等時(shí)，最靠近被測(cè)尺寸的環(huán)節(jié)，其誤差對(duì)儀器示值的影響最大。因此，為了獲得高精度儀器，必須對(duì)靠近被測(cè)尺寸的環(huán)節(jié)提出較高的精度要求，縮小其制造公差，對(duì)非測(cè)量鏈環(huán)節(jié)不提出過(guò)高的要求。(4)基面

17、統(tǒng)一原則基面選擇不當(dāng)便會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差?；娼y(tǒng)一原則要求被測(cè)件的各種基面包第一章緒論括設(shè)計(jì)基面、工藝基面、裝配基面和測(cè)量基面都應(yīng)該是統(tǒng)一基面，這樣就不會(huì)因定位誤差而引起測(cè)量誤差。1.2現(xiàn)有的滾珠絲杠副測(cè)量方法分析常規(guī)的絲杠檢測(cè)儀使用的方法有動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。（1）靜態(tài)法該方法屬于間斷測(cè)量，對(duì)絲杠上的某一條或者數(shù)條母線進(jìn)行測(cè)量，對(duì)應(yīng)的整條母線的螺旋線誤差值就作為整根絲杠的最終測(cè)量結(jié)果。由于測(cè)量方式比較簡(jiǎn)單，測(cè)量的數(shù)據(jù)量比較少，所以可以用萬(wàn)能工具顯微鏡等工具進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于長(zhǎng)絲杠的測(cè)量，采用分段測(cè)量法（例如每隔200mm測(cè)量一次），測(cè)量完一段并對(duì)下一段進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將前段的末尾幾個(gè)螺牙作為下一段的開(kāi)頭進(jìn)行

18、重復(fù)測(cè)量，避免粗大誤差。根據(jù)被測(cè)絲杠的精度要求，靜態(tài)測(cè)量可以選用以下幾種測(cè)量方法。a.影像法在萬(wàn)能工具顯微鏡上，首先調(diào)整好儀器的焦距，根據(jù)中徑和牙型半角選擇適當(dāng)?shù)墓馊?，并按螺紋升角和螺旋方向?qū)⒘⒅鶅A斜一個(gè)角度，使主顯微鏡的主光軸與中徑上的螺旋線方向一致，然后移動(dòng)儀器的滑板，使被測(cè)工件牙型進(jìn)入目鏡視場(chǎng)內(nèi)，即可開(kāi)始對(duì)螺紋各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。如圖2-1所示。圖1.1影像測(cè)量法測(cè)螺距或螺距累積誤差時(shí)，將目鏡米字刻線在圖示位置與螺紋牙型輪廓影象重合，此時(shí)從縱向讀數(shù)顯微鏡里讀一數(shù)據(jù)，保持橫向滑板固定不動(dòng)，然后移動(dòng)縱向滑板（相當(dāng)幾個(gè)螺距的距離），使牙測(cè)輪廓與米字刻線在位置重合，讀出同名牙型的縱向坐標(biāo)值。兩次讀

19、數(shù)之差就是n個(gè)螺距的實(shí)際值P，n個(gè)螺距累積誤差為： P =|P - nP| (2-1)為了消除安裝誤差的影響，應(yīng)分別測(cè)出左右n個(gè)螺距值：P左，P右并取兩者的平均值作為測(cè)量結(jié)果： (2-2)b.軸切法在萬(wàn)能工具顯微鏡上測(cè)量螺距時(shí)，利用測(cè)量刀緊靠在螺紋牙型面上，按測(cè)量刀上的細(xì)刻線進(jìn)行瞄準(zhǔn)。瞄準(zhǔn)時(shí)，使目鏡中的米字刻線的0.3mm或0.9mm距離刻線與測(cè)量刀上的細(xì)線重合，如圖2-2所示。這種方法的壓線誤差較小，因此測(cè)量精度比影像法高。軸切法的測(cè)量步驟與影像法基本相同，這里不在敘述。圖1.2軸切法測(cè)量除了以上兩種方法外，還有許多其他的靜態(tài)測(cè)量方法，如印模法，專用測(cè)量機(jī)上測(cè)量。（2）動(dòng)態(tài)法絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量基本

20、工作原理。理論上，絲杠的螺旋線可以用下列關(guān)系式表示: (2-3)其中，為絲杠與螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，S為與相對(duì)應(yīng)的理論軸向位移，P為絲杠的螺距，z為螺旋線頭數(shù)。對(duì)于理想的絲杠,轉(zhuǎn)角和位移始終保持式(2-1)的關(guān)系。為了敘述方便，只討論單頭絲杠，即z=1，如果用一個(gè)角坐標(biāo)反映絲杠的轉(zhuǎn)角，即可得出對(duì)應(yīng)的理論軸向位移S為： (2-4)根據(jù)誤差定義： (2-5)其中:S為對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)軸向位移10。根據(jù)以上理論，一般的測(cè)量方法為：采用絲杠的實(shí)際螺旋線與標(biāo)準(zhǔn)螺旋線相比較的方法來(lái)求得被測(cè)絲杠的螺旋線誤差。圖2-3給出了測(cè)量絲杠螺旋線誤差的方法示意圖9。圖1.3絲杠螺旋線誤差圖根據(jù)這個(gè)原理，可以由下式求得螺旋線誤

21、差： (2-7)其中：Z測(cè)量頭沿絲杠軸線方向的行程；T被測(cè)絲杠的導(dǎo)程；被測(cè)絲杠轉(zhuǎn)過(guò)的角度。絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量方法：傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法從誤差信號(hào)采集的角度可分為如下幾種15：a.與標(biāo)準(zhǔn)絲杠連續(xù)比對(duì)測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)絲杠連續(xù)比對(duì)測(cè)量絲杠的儀器通常稱為絲杠導(dǎo)程儀，是測(cè)量絲杠螺旋線誤差的專用儀器。這類儀器通過(guò)機(jī)械方式指示被測(cè)絲杠相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)絲杠的誤差，雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便，但測(cè)量精度受標(biāo)準(zhǔn)絲杠精度的限制，且被測(cè)絲杠與標(biāo)準(zhǔn)絲杠螺距必須相同，只適用于精度要求不高，單一品種大批量生產(chǎn)的測(cè)量。b.比相法圖1.4 相比法測(cè)量原理示意圖位差對(duì)應(yīng)于初始相位差的誤差反映了被測(cè)絲杠的導(dǎo)程誤差。傳統(tǒng)的比相方法采用分立絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量中運(yùn)用較多

22、的是比相法。基本原理見(jiàn)圖2-4。絲杠的作用是將角位移轉(zhuǎn)化為軸向直線位移，因此對(duì)絲杠的測(cè)量都是基于圓分度的長(zhǎng)度測(cè)量。測(cè)量絲杠角度位移的基準(zhǔn)件有圓光柵、圓磁柵等，測(cè)量軸向長(zhǎng)度位移的基準(zhǔn)件有磁柵尺、光柵尺、激光光波波長(zhǎng)等。比相法測(cè)量時(shí)將絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周基準(zhǔn)信號(hào)和軸向直線位移基準(zhǔn)信號(hào)分別進(jìn)行不同的分頻，使兩路信號(hào)在系統(tǒng)勻速運(yùn)行和絲杠誤差為零的條件下成為同頻率信號(hào)，將分頻后的兩路信號(hào)的時(shí)間間隔作為采樣周期，兩信號(hào)相位差應(yīng)保持不變，實(shí)際相元件比相器進(jìn)行模擬式比相，存在可靠性差、分辨率受到限制、信號(hào)難以保持的缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使數(shù)字比相代替模擬比相，取消了分頻器、比相器、積分器、采樣及保持電路，實(shí)現(xiàn)了大量程、

23、高分辨率的測(cè)量，并得到高精度的結(jié)果。c.記數(shù)法圖1.5記數(shù)法測(cè)量示意圖記數(shù)法測(cè)量原理如圖2-5。角位移信號(hào)每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生N個(gè)角脈沖信號(hào)，開(kāi)始測(cè)量時(shí)軸向位移信號(hào)與角位移脈沖同時(shí)到達(dá)，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)過(guò)M個(gè)角脈沖信號(hào)后，即轉(zhuǎn)過(guò)M/N轉(zhuǎn)，測(cè)量頭位移為m.Ph /N(Ph為導(dǎo)程)，若軸向位移信號(hào)脈沖波長(zhǎng)為，位移信號(hào)脈沖應(yīng)有l(wèi)=m .Ph /N/個(gè)，由于導(dǎo)程誤差的存在，測(cè)量頭實(shí)際位移的與理論位移不一致，軸向位移實(shí)際脈沖個(gè)數(shù)為l1，則誤差為e =( l1-l)。這樣以圓周為角度基準(zhǔn)信號(hào)，測(cè)頭軸向位移信號(hào)為輸入，即可測(cè)量出絲杠導(dǎo)程誤差5。我國(guó)自從50年代開(kāi)始生產(chǎn)滾珠絲杠以來(lái)，不但致力于滾珠絲杠制造工藝和制造技術(shù)的不斷

24、提高，而且還在滾珠絲杠檢測(cè)技術(shù)方面做了巨大的努力。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我國(guó)使用的絲杠檢測(cè)方法只有靜態(tài)法，由于這種檢測(cè)方法的第二章系統(tǒng)方案分析落后，我國(guó)的滾珠絲杠制造工業(yè)受到了嚴(yán)重的制約。70年代以來(lái)，很多工廠，學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)紛紛加入到滾珠絲杠測(cè)量?jī)x的研究與制造中來(lái)。逐漸實(shí)現(xiàn)了從單純的靜態(tài)法測(cè)量，過(guò)度到科技含量高的動(dòng)態(tài)法測(cè)量中來(lái)。兩種方法的對(duì)比如表2-1所示。表1-1絲杠測(cè)量動(dòng)態(tài)法與靜態(tài)法比較項(xiàng)目靜態(tài)測(cè)量法動(dòng)態(tài)測(cè)量法測(cè)量精度測(cè)量結(jié)果和絲杠的實(shí)際精度不完全符合:只能測(cè)量一、二個(gè)軸向截面內(nèi)的螺距誤差；避免測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致人的疲勞以及環(huán)境的變化等對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響，長(zhǎng)絲杠須采用跨牙測(cè)量。而英制螺紋尺

25、是半英寸一條刻線，只能每半英寸或一英寸測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)。因此可能漏掉誤差較大的測(cè)量點(diǎn)；測(cè)量單圈螺旋線誤差時(shí)，需將圓周有限等份，等份越少誤差越大，等份圓周劃分相位時(shí)將產(chǎn)生隨即誤差。測(cè)量結(jié)果和實(shí)際精度一致，提高了測(cè)量精度:可以連續(xù)測(cè)量，確定任意軸向截面的螺距誤差；由測(cè)量人員的對(duì)線讀書(shū)變?yōu)樽詣?dòng)記錄，避免了人為的隨即誤差。通過(guò)基準(zhǔn)件參數(shù)的合理選擇，對(duì)各種螺紋的絲杠都可以由逐牙或跨牙測(cè)量變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)測(cè)量，不會(huì)漏掉測(cè)量點(diǎn)，測(cè)得的絲杠誤差符合實(shí)際；測(cè)量螺旋線誤差時(shí)，由等分圓周對(duì)少數(shù)點(diǎn)的測(cè)量變?yōu)檫B續(xù)測(cè)量，避免了分點(diǎn)過(guò)少及劃分相位時(shí)帶來(lái)的隨機(jī)誤差。測(cè)量效率（1)每測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)都要讀數(shù)顯微鏡對(duì)線一次或幾次，因此測(cè)量n

26、場(chǎng))低。由于測(cè)量效率低，環(huán)境溫度波動(dòng)的影響較大，尤其在測(cè)量長(zhǎng)絲杠時(shí)，容易產(chǎn)生誤差；(2)加工絲杠時(shí)，機(jī)床的加工和調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)床生產(chǎn)效率低；(3)生產(chǎn)加工機(jī)床時(shí)，試磨樣件的刀具多，裝配和調(diào)整的周期長(zhǎng)，不利于機(jī)床產(chǎn)量和質(zhì)量的提高；(4)勞動(dòng)強(qiáng)度大，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)讀易疲勞，從而增大對(duì)線誤差。(1)由逐點(diǎn)M量改為連續(xù)M量，效率提高7-9倍；(2)縮短了絲杠加工機(jī)床的調(diào)整和加工時(shí)間，提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率；(3)生產(chǎn)加工機(jī)床時(shí)，減少了試磨樣件的刀具數(shù)，縮短了機(jī)床裝配和調(diào)整的時(shí)間，促進(jìn)了機(jī)床產(chǎn)量和質(zhì)量的提高；(4)減少了測(cè)量人員，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化。由于效率提高，減少了環(huán)境A度波動(dòng)的影響，有

27、利于提高測(cè)量精度。測(cè)量設(shè)備靜態(tài)測(cè)量設(shè)備多用萬(wàn)能性的設(shè)備，維護(hù)方便。動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備為復(fù)雜的專用設(shè)備，價(jià)格昂貴，電子設(shè)備的維護(hù)也比較麻煩。適用范圍適用于單件小批量生產(chǎn)及測(cè)量精度不太高的絲杠。適用于成批生產(chǎn)及精度要求較高的絲杠。由以上對(duì)比可以看出，動(dòng)態(tài)測(cè)量較之傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量具有測(cè)量精度高、重復(fù)性好、效率高、檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低13，因此，在一些大批量、規(guī)?；z杠系列的生產(chǎn)與安裝調(diào)試場(chǎng)合，動(dòng)態(tài)測(cè)量已基本取代了靜態(tài)測(cè)量，成為絲杠檢測(cè)的主要手段。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法是由專門制造的動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x來(lái)完成的。這一時(shí)期的動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x由于受技術(shù)條件的限制，尤其是電子技術(shù)發(fā)展的制約，其關(guān)鍵部件大都由分立元件構(gòu)成，因而功能單一，自

28、動(dòng)化程度較低，儀器故障率也較高。雖然其后的有些產(chǎn)品采用了厚膜電路和小規(guī)模集成電路構(gòu)成的相位計(jì)，使儀器的性能指標(biāo)有所改進(jìn)，但從宏觀上看仍沒(méi)有走出早期測(cè)量?jī)x工作的模式。隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使制造出新一代的絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x在技術(shù)上成為了可能。動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x雖然在測(cè)量原理方面沒(méi)有新的突破，但在技術(shù)實(shí)施方案上有了重大的發(fā)展。這一時(shí)期的動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x圓周方向上基本都采用高精度圓光柵作為基準(zhǔn)，長(zhǎng)度方向有些采用高精度光柵(或磁柵)尺，有些則采用單頻激光或雙頻激光作為基準(zhǔn)，而傳統(tǒng)的相位計(jì)大都由單片機(jī)(或工業(yè)控制機(jī))取代16。目前開(kāi)發(fā)應(yīng)用的絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，不論是在測(cè)量精度還是在自動(dòng)化程度或者儀器的無(wú)故障率

29、方面，都比早期的測(cè)量?jī)x有了很大的提高。激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步提高。在技術(shù)方法上，由于采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，因而突破了傳統(tǒng)的模擬比相方法。而采用數(shù)字比相技術(shù)，這使儀器的測(cè)量精度和抗干擾性能有了進(jìn)一步的提高。有些儀器己經(jīng)采用顯示器來(lái)顯示測(cè)量的誤差曲線，并同時(shí)可由記錄儀來(lái)畫出誤差曲線16。隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，光電技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、微處理技術(shù)、圖象顯示技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，智能化技術(shù)、柔性測(cè)試、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試等也得到廣泛的發(fā)展及應(yīng)用，絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x的研究開(kāi)發(fā)也向高精度、快速化、智能化、模塊化的方向發(fā)展17。1.3系統(tǒng)方案的提出1.3.1問(wèn)題的提出在緒論中已經(jīng)敘

30、述過(guò)，滾珠絲杠的測(cè)量可以由靜態(tài)法或者動(dòng)態(tài)法進(jìn)行測(cè)量，兩種方法的優(yōu)劣性也在上文中做了比較。靜態(tài)法測(cè)量一條或多條母線的螺旋線誤差，采用這種方法可以達(dá)到一定的精度，但測(cè)量效率過(guò)低，不能發(fā)現(xiàn)周期性的誤差；動(dòng)態(tài)測(cè)量方法是利用螺旋線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)被測(cè)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，并用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)螺旋線的誤差進(jìn)行測(cè)量，這種方式可以得到較好的精度，而且測(cè)量效率也得到了較大的提高，但由于測(cè)量方法的要求，動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x要有檢測(cè)螺桿旋轉(zhuǎn)角度的傳感器（一般使用圓光柵），還需要有檢測(cè)螺旋線軸向變化的測(cè)量設(shè)備（一般采用長(zhǎng)光柵尺或者雙頻激光干涉儀），這樣的系統(tǒng)通常有個(gè)問(wèn)題：無(wú)論是采用長(zhǎng)光柵或是激光雙頻干涉儀作為軸向位移的測(cè)

31、量設(shè)備，其局限性是顯而易見(jiàn)的：他們都只能測(cè)量滾珠絲杠副上一條母線的軸向誤差，若想測(cè)量多條母線的軸向行程誤差則需要進(jìn)行多次的測(cè)量，這樣就無(wú)形中降低了測(cè)量設(shè)備的測(cè)量效率，不利于對(duì)同一滾珠絲杠副的多條母線螺距誤差的測(cè)量。1.3.2問(wèn)題的分析與解決上面已經(jīng)說(shuō)到了現(xiàn)在使用比較廣泛的滾珠絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x所面臨的問(wèn)題。下面，就將根據(jù)所提出的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的分析。從緒論里我們可以看到，靜態(tài)法雖然效率低，但它有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：就是能測(cè)量多條母線的螺旋線行程誤差，這是滾珠絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x所不具備的。滾珠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x是通過(guò)被測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)與絲杠點(diǎn)接觸且連接到光柵尺上的測(cè)量頭，從而測(cè)量出測(cè)量頭的軸向位移，然后由圓光柵上得

32、到的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)式（2-2）得出標(biāo)準(zhǔn)的軸向位移，從而得到螺旋線行程誤差。使用激光干涉儀進(jìn)行軸向位移測(cè)量的動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，是利用雙頻激光，利用其頻率之差，采集記錄激光干涉測(cè)量的脈沖數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的測(cè)量。激光雙頻干涉儀同光柵尺測(cè)量一樣，也是對(duì)單一的母線進(jìn)行測(cè)量，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)多條母線的測(cè)量?，F(xiàn)在應(yīng)該做的，就是由靜態(tài)測(cè)量法的啟發(fā)，進(jìn)而得到一個(gè)能夠?qū)z杠牙型上任意的一條母線進(jìn)行測(cè)量的方法。在緒論中的靜態(tài)法描述中，我們注意到影象測(cè)量法是對(duì)同一母線上同側(cè)牙型的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到n個(gè)螺距的測(cè)量值。我們也可以想一種方式，對(duì)牙型上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)同一母線上的同側(cè)點(diǎn)進(jìn)行距離測(cè)量，既而得到n個(gè)螺距的測(cè)量值。與靜

33、態(tài)法不同的是，我們要利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)牙型上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并加以數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)輸出，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化。1.3.3系統(tǒng)方案的分析1系統(tǒng)測(cè)量方案分析基于以上的敘述，我們初步確定以下的測(cè)量方案。對(duì)滾珠絲杠的軸向截面的輪廓進(jìn)行測(cè)量，我們知道，對(duì)于點(diǎn)的位置的確定，在三維坐標(biāo)內(nèi)，應(yīng)該有x、y、z三個(gè)坐標(biāo)值，對(duì)于二維坐標(biāo)，則需要有x、y兩個(gè)坐標(biāo)值。對(duì)于本課題的項(xiàng)目，我們需要測(cè)量的點(diǎn)都在滾珠絲杠的軸向截面之內(nèi)，也就是說(shuō)，所有的測(cè)量點(diǎn)都在一個(gè)平面之內(nèi)，所以我們就可以建立一個(gè)虛擬的二維坐標(biāo)系，在此二維坐標(biāo)系平面內(nèi)對(duì)牙型輪廓進(jìn)行逐點(diǎn)的測(cè)量，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)奈灰苽鞲衅鞯玫矫總€(gè)點(diǎn)在這個(gè)虛擬的空間坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。又由

34、于所測(cè)量的點(diǎn)都是是在軸向截面的二維平面內(nèi)，所以我們只需要兩個(gè)位移傳感器，一個(gè)用來(lái)測(cè)量軸向的位移x，另一個(gè)測(cè)量縱向的位移y。2系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)方案分析（1）系統(tǒng)中應(yīng)有提供被測(cè)絲杠與傳感器運(yùn)動(dòng)的裝置，且此裝置的設(shè)計(jì)能夠利于控制被測(cè)絲杠與傳感器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離。這樣做，一方面可以方便工作論文人員的測(cè)量，一般對(duì)滾珠絲杠的測(cè)量，我們都是要對(duì)絲杠的某一段長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量（如任意100mm行程內(nèi)的行程變動(dòng)量，任意250mm行程內(nèi)的行程變動(dòng)量等等），若我們采用能夠根據(jù)已知的測(cè)量長(zhǎng)度進(jìn)行控制的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，就可以避免工作人員對(duì)測(cè)量距離的目測(cè)，從而減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面，可以準(zhǔn)確的把握已測(cè)量的距離，避免少測(cè)量或多測(cè)量

35、一段距離，造成測(cè)量的失效或冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。例如，我們要測(cè)量滾珠絲杠100mm行程內(nèi)的行程變動(dòng)量。若只測(cè)量了90mm的行程運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)便停止工作，勢(shì)必引起測(cè)量數(shù)據(jù)的不足，造成本次測(cè)量的失敗。如果測(cè)量了150mm的行程，便會(huì)產(chǎn)生多余的測(cè)量數(shù)據(jù)，不但加大了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量，而且也增加了測(cè)量過(guò)程的時(shí)間，不利于測(cè)量效率的提高。（2） 系統(tǒng)應(yīng)盡量滿足阿貝原則。在緒論中我們已經(jīng)提出過(guò)阿貝原則，即測(cè)工件與標(biāo)準(zhǔn)尺必須處在測(cè)量方向的同一直線上。采用阿貝原則能避免一次誤差，得到較高的測(cè)量精度。如果系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能完全滿足阿貝原則的要求，為了減小阿貝誤差，我們可以對(duì)阿貝原則進(jìn)行擴(kuò)展，即在測(cè)量過(guò)程中，使測(cè)量線和基準(zhǔn)線盡量靠近

36、，并保證沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)，即保證兩條線平行11。這樣，我們就應(yīng)該在設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)候使其盡量滿足阿貝原則。根據(jù)以上分析，我們確定以下的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，如圖2-6圖1.6系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在此系統(tǒng)中，伺服電機(jī)用來(lái)控制傳動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)，從而控制移動(dòng)機(jī)架帶著被測(cè)絲杠移動(dòng)，移動(dòng)機(jī)架下固定著橫向位移傳感器的移動(dòng)端，當(dāng)固定機(jī)架移動(dòng)時(shí)，橫向位移傳感器也隨之移動(dòng)，測(cè)量出被測(cè)絲杠的軸向位移。另外，在被測(cè)絲杠的正上方（在絲杠的軸向橫截面內(nèi)），相對(duì)機(jī)架固定不動(dòng)的位置安裝一個(gè)縱向位移傳感器，可以測(cè)量絲杠牙型輪廓縱向的坐標(biāo)。由于可能產(chǎn)生測(cè)量頭的自鎖問(wèn)題，具體的縱向位移傳感器機(jī)構(gòu)將在本文后面的敘述中給出。夾具采用兩塊V型鐵，用上下兩

37、塊鋼板并配以m10的螺栓加以固定，這樣的夾具可以做到對(duì)滾珠絲杠的夾持固定，有較好的定位效果。夾具示意圖如圖2-7。圖1.7夾具示意圖3系統(tǒng)電路方案分析機(jī)械結(jié)構(gòu)確定以后，我們就要來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路方案。本課題所涉及的系統(tǒng)電路應(yīng)有以下幾個(gè)模塊：傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊；運(yùn)動(dòng)裝置控制模塊；計(jì)算機(jī)接口模塊。根據(jù)以上的分析，我們確定以下的系統(tǒng)電路框圖，如圖2-8。圖1.8系統(tǒng)電路框圖（1）傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中重要的組成部分，是進(jìn)行測(cè)量的直接的功能元件，在本設(shè)計(jì)中，傳感器依然起著決定性的作用。前面已經(jīng)提到，在本課題的設(shè)計(jì)中，我們需要測(cè)量的主要有兩個(gè)參數(shù)，滾珠絲杠軸向截面輪廓上點(diǎn)的橫、縱

38、坐標(biāo)。這樣，我們就需要兩個(gè)位移傳感器，用來(lái)測(cè)量所需要的參數(shù)。另外，由于不同的傳感器輸出信號(hào)的種類不同，受到的干擾也不同，這就需要有適合的信號(hào)處理電路，以便濾去夾雜在信號(hào)中的干擾，并將有用信號(hào)提取出來(lái)提供給其他裝置進(jìn)行后續(xù)的處理。具體的傳感器的選擇和信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)我們將在后面給出。（2）運(yùn)動(dòng)裝置控制模塊前面我們已經(jīng)說(shuō)到，為了減少工作人員工作量和提高測(cè)量的效率，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)已經(jīng)測(cè)量的絲杠長(zhǎng)度來(lái)控制部件運(yùn)動(dòng)。在測(cè)量系統(tǒng)中，我們將用步進(jìn)電機(jī)控制傳動(dòng)絲杠，進(jìn)而使固定在移動(dòng)機(jī)架上的被測(cè)絲杠沿其軸向方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪廓點(diǎn)的測(cè)量。我們可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，來(lái)控制傳動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)數(shù)，從而得到我們所需要

39、的被測(cè)絲杠的測(cè)量長(zhǎng)度。（3）計(jì)算機(jī)接口模塊傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)采集處理之后，要傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，處理，計(jì)算，以得到最后的測(cè)量結(jié)果；當(dāng)被測(cè)絲杠的測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)到要求時(shí)，計(jì)算機(jī)要輸出一個(gè)信號(hào)，停止伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這都需要一個(gè)接口模塊來(lái)連接傳感器處理電路和伺服電機(jī)控制電路。4測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾方案任何電子電氣設(shè)備都會(huì)受到各種各樣的外界干擾，如雷擊，電網(wǎng)干擾，電磁干擾等。這些干擾有些是能夠?qū)x器造成巨大損壞的，如雷擊，有些則會(huì)減少儀器的使用壽命，如電網(wǎng)的干擾，有些則會(huì)對(duì)儀器的可靠性，精度等使用性能產(chǎn)生不良的影響。在現(xiàn)代的電子電氣儀器設(shè)計(jì)中，抗干擾設(shè)計(jì)成為了極為重要的一環(huán)，抗干擾設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到電子電氣

40、儀器的安全性，使用壽命，使用性能等眾多方面的能力。在本課題中設(shè)計(jì)的絲杠測(cè)量?jī)x同樣也使用了電子器件，另外，由于本課題設(shè)計(jì)的絲杠測(cè)量?jī)x可能會(huì)使用在干擾源更多更復(fù)雜的工廠中，因此抗干擾方案同樣是不可或缺的。5算法方案從傳感器來(lái)的數(shù)據(jù)僅僅是單個(gè)輪廓點(diǎn)相對(duì)于設(shè)定的虛擬坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，僅僅憑借這些坐標(biāo)值是不能夠得到不同母線上的螺距誤差的，這里，我們可以采用些圖象處理的思想，將離散的單一的輪廓點(diǎn)用數(shù)值計(jì)算的方法，擬合出輪廓曲線，形成分段的函數(shù)方程，這樣就可以求解出實(shí)際中的滾珠絲杠n個(gè)螺距值。再根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度中包含的螺距的數(shù)量，得到標(biāo)準(zhǔn)絲杠的螺距值，兩值相減就可以得到n個(gè)螺距的誤差。另外，由于安裝或制造可能產(chǎn)生

41、誤差，在設(shè)計(jì)中也要進(jìn)行軟、硬件的誤差補(bǔ)償。第2章 系統(tǒng)測(cè)量元件與運(yùn)動(dòng)元件的選擇2.1系統(tǒng)測(cè)量元件的選擇測(cè)控系統(tǒng)是一臺(tái)測(cè)控儀器的核心，其中，測(cè)量元件又起著不可或缺的作用，正是各種測(cè)量傳感器的存在，才使得被測(cè)量（如位移，壓力，扭矩等）轉(zhuǎn)化為我們能夠采集和處理的電信號(hào)，因此傳感技術(shù)，通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，分別構(gòu)成信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。2.1.1軸向位移傳感器的選擇軸向位移傳感器在本系統(tǒng)中是用來(lái)測(cè)量被測(cè)滾珠絲杠沿其軸向方向移動(dòng)的位移，作為被測(cè)量點(diǎn)在虛擬的二維坐標(biāo)系里的x軸坐標(biāo)值。此測(cè)量值經(jīng)過(guò)處理采集之后，用于在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)計(jì)算，曲線擬合，計(jì)算

42、結(jié)果與分析。在本課題中，需要測(cè)量的軸向位移范圍根據(jù)使用情況的不同可以從十幾個(gè)毫米到300毫米，因此位移傳感器的測(cè)量范圍要滿足此要求。這里，我們要使用的是直線位移傳感器，常用的直線位移傳感器有：光柵，磁柵，容柵，球柵傳感器和感應(yīng)同步器，進(jìn)十年來(lái)，隨著光電子技術(shù)逐漸成為高科技產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)，各種光電子、光學(xué)相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，這就直接的成就了了光柵的迅速發(fā)展，使時(shí)光柵技術(shù)逐漸成為了位移測(cè)量（包括直線位移測(cè)量和角位移測(cè)量）主要技術(shù)。隨著數(shù)控技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器也向高精度、高速度、智能化和集成化方向發(fā)展，并且特別注重產(chǎn)品的高質(zhì)量、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。2001年以來(lái)，當(dāng)今世界生

43、產(chǎn)光第三章系統(tǒng)測(cè)量元件與運(yùn)動(dòng)元件的選擇及其電路設(shè)計(jì)柵傳感器的主要廠家FAGOR，三豐（MITUTOYO）、雙葉（UFTABA）逐漸走向一致的規(guī)范?，F(xiàn)在生產(chǎn)磁柵的SONY、球柵的NEWALL也將應(yīng)用參數(shù)向光柵靠攏。本測(cè)量系統(tǒng)采用中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的光柵傳感器。利用光柵傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并由數(shù)顯表內(nèi)可逆計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的BCD碼，可通過(guò)LED數(shù)碼管顯示移動(dòng)機(jī)架的位移量，通過(guò)I/O卡可將可逆計(jì)數(shù)器上的BCD碼讀入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)據(jù)處理程序子模塊。從精度、分辨率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面考慮，我們決定采用光柵傳感器，它是以高精度光柵作為檢測(cè)元件的精密測(cè)量裝置，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量值數(shù)字化顯示

44、、精度高、穩(wěn)定可靠和抗干擾強(qiáng)。并可與北京中科恒業(yè)中自技術(shù)有限公司研制開(kāi)發(fā)的GS8220系列數(shù)顯表（新型）雙坐標(biāo)光柵數(shù)顯表配套使用，組成高精度數(shù)字化測(cè)量?jī)x器。1光柵傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：量程：500mm；柵距：0.02mm(50線對(duì)/毫米)；精度：±0.004mm/1000mm；相應(yīng)速度：25米/分；工作溫度：0o C40oC；輸出信號(hào)：相位依次相差90o幅值大于500mv的二路或四路正弦信號(hào)；參考標(biāo)記：間隔50毫米；全量程位置任意一點(diǎn)；設(shè)絕對(duì)位置參考點(diǎn)（ABS）。2光柵數(shù)顯表由于光柵傳感器輸出的是四路正弦信號(hào)，而且柵距為0.02，而量?jī)x的分辨率為0.002，所以必須對(duì)光柵傳感器信號(hào)

45、進(jìn)行細(xì)分、整形、辨向等處理。本論文中采用的是北京中科恒業(yè)中自技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GS8220系列數(shù)顯表。它全部由硬件組成，信息處理速度快，允許輸入正弦頻率到50KHz，可直接配接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數(shù)顯表的長(zhǎng)度分辨率（步距）取決于其倍頻數(shù)和光柵的柵距。表2-1正弦波輸入信號(hào)的傳感器引腳插頭號(hào)123456789功能0°180°+5V0V90°270°ABS空屏蔽接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數(shù)顯表的長(zhǎng)度分辨率（步距）取決于其倍頻數(shù)和光柵的柵距為： (2-1)它把光柵傳感器輸入的的相位依次差90o的正弦信號(hào)，通過(guò)放大、整形、鑒向后，由可

46、逆計(jì)數(shù)器產(chǎn)生BCD碼，并用LED數(shù)碼管顯示相對(duì)位移量，與傳感器的連接和信號(hào)采用九芯插座連接，見(jiàn)表3-1所示。通過(guò)此數(shù)顯表的連接，一方面我們可以直接從數(shù)顯表的LED數(shù)碼顯示管處直接讀得相對(duì)的位移量，另一方面，其內(nèi)部的細(xì)分、整形、辨向處理功能節(jié)省了設(shè)計(jì)制作數(shù)據(jù)采集處理電路的工作，由于是專業(yè)化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，所以其抗干擾能力和數(shù)據(jù)處理能力比較強(qiáng)。2.1.2縱向位移傳感器的選擇本課題中，縱向位移傳感器用來(lái)測(cè)量輪廓點(diǎn)的縱向相對(duì)坐標(biāo)，以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。要求傳感器有足夠的測(cè)量范圍和精度，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集方便，數(shù)據(jù)處理電路簡(jiǎn)單。電感傳感器是一種建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈的自感或互感的變化原理來(lái)實(shí)現(xiàn)

47、非電量電測(cè)量的傳感器。傳感器測(cè)頭檢測(cè)到被測(cè)物體的位移，通過(guò)測(cè)桿帶動(dòng)銜鐵產(chǎn)生移動(dòng)，從而使線圈的電感或互感系數(shù)產(chǎn)生變化，自感或互感信號(hào)在通過(guò)引線接入測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量。電感傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，當(dāng)一次測(cè)線圈接入激勵(lì)電源以后，二次線圈就將感應(yīng)產(chǎn)生的電壓輸出?；ジ凶兓瘯r(shí)，輸出電壓將做相應(yīng)的變化，這就是電感位移傳感器的基本原理。該位移傳感器采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的高精度傳感器，位移測(cè)量范圍±2mm，線性度小于0.05%，測(cè)量精度±0.1m，額定信號(hào)輸出±5V，工作電源±9V。外型尺寸9015，該位移傳感器輸出信號(hào)紋波干擾很低，并備有15位BCD8

48、421串行數(shù)字?jǐn)?shù)顯裝置，但由于我們選用486機(jī)型作為控制機(jī)，如再選用數(shù)顯裝置既不經(jīng)濟(jì)，又增加了處理環(huán)節(jié)，所以我們改用TLC7135雙重積分型A/D板把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)直接供計(jì)算機(jī)處理。被測(cè)工件可能存在表面質(zhì)量問(wèn)題，所獲得的采樣值可能發(fā)生突變，影響數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確率，本文采用中值濾波技術(shù)以克服這些尖點(diǎn)的突變影響，中值濾波對(duì)于緩慢變化的信號(hào)中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的抑制作用。電感位移傳感器使用TLC7135型A/D轉(zhuǎn)換板，TLC7135有BCD和STB選通信號(hào)輸出，與單片機(jī)接口十分方便，而利用TLC7135的“Busy”端，只要兩個(gè)I/O接口和單片機(jī)內(nèi)部一個(gè)定時(shí)器就可把TLC713

49、5的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。TLC7135的轉(zhuǎn)換周期分為三個(gè)階段：1自動(dòng)調(diào)零階段；2被測(cè)電壓積分階段；3對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反積分階段。以輸入電壓Vx為例，TLC7135的“Busy”輸出端高電平寬度等于積分和反積分時(shí)間之和，TLC內(nèi)部規(guī)定積分時(shí)間固定為10000個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)間，反積分時(shí)間長(zhǎng)度與被測(cè)電壓的大小成比例。利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對(duì)TLC7135的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，利用“Busy”作為計(jì)數(shù)器門控制信號(hào)，計(jì)數(shù)器以方式“1”工作，定時(shí)器控制位置為“1”，這時(shí)計(jì)數(shù)器只能在“Busy”為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，將這段“Busy”高電平時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器數(shù)值減去10000，其余數(shù)便是等于被測(cè)電壓的數(shù)值，POL端口是輸入電壓極性位

50、，“1”為正電壓，“0”為負(fù)電壓。論文轉(zhuǎn)換電壓公式為： （2-2）在A/D卡主電路圖中，單片機(jī)的時(shí)鐘采用11.0592MHz的晶體。在不執(zhí)行MOVX指令的情況下，ALE輸出的頻率穩(wěn)定在1.8432MHz，經(jīng)過(guò)4位計(jì)數(shù)器74LS161四分頻可得到460.8kHz的穩(wěn)定頻率，供給TLC7135的示眾輸入端，使TLC7135的轉(zhuǎn)換速率為每秒11.52次。選用這一轉(zhuǎn)換頻率，一方面照顧TLC7135的轉(zhuǎn)換精度，另一方面為了盡量少的占用AT89C52的資源。圖中單片機(jī)的P10口用于啟動(dòng)A/D芯片的采樣，P16則用于接收A/D芯片采樣電壓的極性。在本課題中，電感位移傳感器是要測(cè)量絲杠牙型輪廓，故電感傳感器的

51、測(cè)量頭必須能夠充分的接觸絲杠牙型的各個(gè)點(diǎn)，另外，由于是接觸式的測(cè)量，傳感器的測(cè)量頭的結(jié)構(gòu)要能夠耐磨損。除了滿足以上的要求以外，測(cè)量頭的形狀也要在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中能夠易于補(bǔ)償，所以電感位移傳感器測(cè)量頭即不能采用易磨損的尖頂，也不應(yīng)該使用不易于形狀補(bǔ)償?shù)钠降祝诒菊n題中使用的電感位移傳感器采用球型測(cè)量頭。使用耐磨、具有一定剛度的材料以及尺寸大小合適的球型測(cè)量頭既可以充分的測(cè)量到絲杠牙型的各個(gè)位置，又不易于磨損，并且，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，算法設(shè)計(jì)中更容易進(jìn)行補(bǔ)償。電感位移傳感器模擬量輸出范圍-5V到+5V，而TCL7135模擬量的輸入范圍為-2V到+2V，為了使傳感器電路與轉(zhuǎn)換電路相匹配，電感位移傳感

52、器輸出量經(jīng)過(guò)反向放大電路轉(zhuǎn)換成TLC7135能接受的電壓量才能進(jìn)行滿量程轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換公式為： （2-3）這里的VOUT就是式（3-2）中的Vi， VIN為傳感器的輸出電壓。 （2-4）將式（3-2）、（3-3）代入式（3-4）中，有： （2-5）因?yàn)橛?jì)數(shù)值一定大于等于10000，所以式（3-5）的值恒為負(fù)，位移S的正負(fù)由TLC7135的極性端口狀態(tài)來(lái)確定。當(dāng)極性端口為“0”時(shí)，式（3-5）要加上負(fù)號(hào)。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸直接驅(qū)動(dòng)，避免了滾珠絲杠、齒輪和齒條傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn)，可獲得高精度的高速移動(dòng)，并具有極好的穩(wěn)定性。直線電機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖切開(kāi)，然后拉直演變而成。直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子和工作臺(tái)固定聯(lián)結(jié)，定子則安裝在機(jī)床床身上，在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中采用直線電機(jī)后可以把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，從而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”。直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)本身也存在著一些不利因素，如直線電機(jī)的磁場(chǎng)是敞開(kāi)的，尤其是采用永磁式直線電機(jī)時(shí)，要在機(jī)床床身上安裝一排磁力強(qiáng)大的永久磁鐵。因此必須采取適當(dāng)?shù)母舸糯胧?，否則對(duì)其磁場(chǎng)周圍的灰塵和切屑有吸收作用。與同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)要低。尤其在低速時(shí)比較明顯，但從整個(gè)裝置和系統(tǒng)來(lái)