职称：五米激光滚珠丝杠副动态测量系统设计(一)

摘要 本文结合工程实际项目“汉江机床有限公司HJY-012五米激光滚珠丝杠（副）动态测量系统的改造研制”，在公司现有5m激光丝杠动态测量仪的基础上，进行技术改造，用于5m丝杠（副）综合导程误差及精度的动态测量，使其适应工厂现代化生产质量检验、控制与管理的要求。
关键词 滚珠丝杠  动态测量  双频激光  伺服电机  运动控制  导程误差
1 丝杠测量国内外研究概况及发展趋势
 丝杠检测是丝杠加工中的重要一环，它直接影响到丝杠系列产品的精度和质量。国外许多制造滚珠丝杠的公司，除了致力于改革加工工艺外，都把检测手段的更新换代放在优先的地位。经过多年的开发和试验，已形成了一套较为完整的检测体系，它们包括有：导程精度测量仪、触针式轮廓测量仪、动态预紧力矩仪、寿命试验机和接触刚度测量机等。这些检测仪器都有几个值得注意的特点：
    1）采用微处理机或计算机，对检测数据自动判别和处理
 如日本NSK公司，在LMS型3m激光丝杠动态测量仪上加了一套“导程精度自动评定系统”（Lead Accuracy Measuring System）。它具有三个功用：
迅速完成数据处理，输出导程误差曲线，并根据JIS或ISO滚珠丝杠标准判断出精度等；
通过图形放大、滤波获得精确数据，对误差作出统计分析；
对导程误差曲线进行谐波分析。
    2）测量仪器多功能化
       联邦德国林德纳公司研制的GMM－4导程测量机，对于各种不同牙型的丝杠，可以同时完成螺纹中径、单面导程误差及双面导程误差的测量。而且，还能够对装配后的滚珠丝杠副，同时进行综合导程精度和空载预紧力矩的测量。
    3）测量方式向动态连续自动化方向发展
       测量方式采用动态连续测量，是为了获得与滚珠丝杠工作状态接近的各种性能数据。如日本NSK公司研制了卧式连续动态预紧力矩测量机，安装在生产现场的装配工段，使用时，可以自动的使滚珠丝杠仪300m／min的速度跑合50个回合，然后自动转入低速并开始自动测量和记录。
 我国自50年代生产滚珠丝杠以来，对滚珠丝杠精度的检测工作同时也在摸索中前进。很长一段时间内，对滚珠丝杠精度的检测都采用静态法，由于检测手段的落后，严重制约了我国滚珠丝杠生产质量的提高。70年代以来，有关的生产、研究单位纷纷致力于滚珠丝杠动态测量仪的研制工作，从而实现了从静态测量到动态测量的跨越。
 当前国内外滚珠丝杠动态测量仪发展，主要有以下几个方面：
 (1)仪器能适应最新的国家标准和ISO标准，为企业技术改造提供依据，推动生产的进步，提高产品工艺水平和产品质量，为产品走向国际市场提供依据和保证。
 (2)测量功能集成化。同一台测量仪可测多种类型的丝杠，既可测滚珠丝杠，也可测梯形丝杠，既能测量综合导程精度，又能测量动态预紧力矩，从而大大降低了检测成本。
 (3)广泛采用计算机处理系统，用动态测量代替静态测量，测量的自动化程度不断提高，数据采集和计算处理向高效率、智能化的方向发展。
2 丝杠动态测量
2.1 丝杠的动态测量方法
 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：
 (1) 与标准丝杠连续比对测量
 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。
 (2) 比相法
 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。
 (3) 记数法
 记数法测量原理，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个角脉冲信号后，即转过m/N转，测量头位移为mPh/N（Ph为导程），若轴向位移信号脉冲波长为λ,位移信号脉冲应有个，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，则误差为。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。
2.2 系统布局
 根据国内外滚珠丝杠动态测量系统及相关技术，制定系统布局如图1所示。
2.3 雷尼绍激光测长系统
2.3.1激光系统组成
 英国雷尼绍公司的激光测长系统组成如下：HS10激光头，RCU10单轴补偿器，空气温度传感器，RCU CS 安装软件，线性光学器件。另外，还有一些可选部件：PC机、参考标记开关、HS10调准盘、材料温度传感器、电缆等。
2.3.2 激光系统布局 
 针对本项目的实际情况与性能要求，激光系统安装布局如图2所示。该激光系统的分辨率为0.1um。
 

图1系统布局图
图2 激光系统安装布局图
3 测量系统的主轴控制系统
3.1 对主轴控制系统的要求
主轴转速平稳
 在丝杠误差采集过程中，是以一定采样周期采集位置和角度信息的，要求采样点的位置间隔均匀，才能更准确地反映丝杠导程误差的真实情况。对丝杠进行误差回归分析、频谱分析、相关分析等数据处理时，实现数据从空间域到时域的转换，也是建立在采样点是等间隔的基础上的。
 丝杠转速不稳定对丝杠副螺母转动会产生一定的影响，如温差变化大，测量数据不稳定，这就要求主轴转速必须平稳。
测量速度可调
 丝杠测量理想的情况是在低速下测量，在不同转速下测量对测量结果也有一定的影响，例如转速增加，丝杠副转动时产生的温差变大，会影响测量精度。但考虑到丝杠有众多种类和系列，其导程和长度各不相同，用途不同，则其精度要求也就不同，为了适应不同丝杠的测量要求，同时具备较高的测量效率，系统必须能在不同的测量速度下测量，因此要求主轴的转动速度必须能够调节，并且在低速下速度稳定。
对系统出现的故障处理
 在丝杠测量过程中出现的异常情况，要求系统能及时判断响应，并作相应处理。如系统发生机械故障，测量头到达限位位置时，系统必须能够及时控制电机停止转动或反向转动，并作相应处理。
3.2电机选型
 根据以上条件，伺服电机选用松下2KW中惯量交流伺服电机MDMA202A1G，增量式码盘完成位置反馈，伺服驱动器选用MDDA203A1A。速度可调参数有：电机加减速时间、速度环增益、PI调节器积分时间常数、转速反馈系数、速度环前馈控制系数、速度环比例控制或PI控制等。通过调节以上参数设置，可获得优良的调速性能。
3.3 主轴伺服电机控制系统设计
3.3.1 控制方式选择
 伺服电机

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