滾珠絲杠" title="滾珠絲杠">滾珠絲杠副是一種高精度、高效率的傳動機(jī)構(gòu)。絲杠的精度檢測是絲杠加工中的重要一環(huán)，它直接影響到絲杠系列產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。目前常規(guī)的絲杠檢測方法主要有動態(tài)測量" title="動態(tài)測量">動態(tài)測量與靜態(tài)測量兩種。其中，動態(tài)測量較傳統(tǒng)的靜態(tài)測量具有測量精度高、重復(fù)性好、效率高、檢測人員勞動強(qiáng)度低、檢測自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在一些大批量、規(guī)?；z杠系列的生產(chǎn)與安裝調(diào)試場合，動態(tài)測量已基本取代了靜態(tài)測量，成為絲杠檢測的主要手段。本文結(jié)合科研項(xiàng)目開發(fā)了基于DSP運(yùn)動控制器的絲杠副動態(tài)測控系統(tǒng)，使絲杠副檢測的效率得到了提高，使用效果良好。
1 絲杠動態(tài)誤差測量系統(tǒng)基本原理
　　絲杠動態(tài)測量是指絲杠在回轉(zhuǎn)中連續(xù)測量絲杠螺距誤差和螺旋線" title="螺旋線">螺旋線誤差，并自動記錄下誤差值。與靜態(tài)測量相比，動態(tài)測量具有精度高、測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，并且可大大減輕勞動強(qiáng)度。
　　絲杠動態(tài)測量的基本工作原理是通過絲杠的實(shí)際螺旋線與標(biāo)準(zhǔn)螺旋線相比較來求得被測絲杠的螺旋線誤差。圖1給出了被測絲杠的螺旋線誤差示意圖。
　　螺旋線誤差△可由式(1)求得：
　　
　　其中， Z——測量頭沿絲杠軸線方向的行程
　　T——被測絲杠的導(dǎo)程
　　θ——被測絲杠轉(zhuǎn)過的角度
　　本測量系統(tǒng)采用“同步位移絕對值比較法”進(jìn)行測量，其原理如圖2所示。具體方法為：記數(shù)卡以一定采樣間隔同步采集角位移信號和測頭軸向位移信號，通過記數(shù)卡本身所具有的信號處理系統(tǒng)將兩路信號進(jìn)行高倍數(shù)電子細(xì)分后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再由相應(yīng)的軟件將信號轉(zhuǎn)換為位移量，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理計(jì)算出絲杠誤差值。兩路信號在計(jì)算機(jī)處理之前未發(fā)生任何聯(lián)系，通過計(jì)算機(jī)處理使它們成為絲杠螺旋線的角度基準(zhǔn)量和軸向位移量，并通過比較計(jì)算出誤差值。

2 絲杠副動態(tài)測控系統(tǒng)硬件
2.1 基于DSP的運(yùn)動控制器MCT8000F4簡介
　　深圳摩信科技公司的MCT8000系列智能運(yùn)動控制器包括主控制板、接口板以及控制軟件等，具有開放式結(jié)構(gòu)、高速、高精度、網(wǎng)際在線控制、多軸同步控制、可重構(gòu)、高度集成、高度可靠和安全等特點(diǎn)，是新一代開放式結(jié)構(gòu)的高性能可編程運(yùn)動控制器。
　　根據(jù)系統(tǒng)需要選用MCT8000F4四軸運(yùn)動控制器。圖3為DSP多軸運(yùn)動器的硬件原理圖。圖中增量編碼器的A0(/A0)、B0(/B0)、C0(/C0)信號作為位置反饋信號，運(yùn)動控制器通過四倍頻、加減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際的位置，實(shí)際位置信息被存在位置寄存器中，計(jì)算機(jī)可以通過控制寄存器進(jìn)行讀取。運(yùn)動控制器的目標(biāo)位置通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到位置誤差值，再經(jīng)過加減速控制和數(shù)字濾波后送到D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、運(yùn)算放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)等硬件處理電路，處理后輸出伺服電機(jī)的控制信號或PWM信號。各個(gè)控制軸可以獨(dú)立完成伺服控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)插補(bǔ)控制。

　　MCT8000F4運(yùn)動控制器具有如下特征：
　　·網(wǎng)際浮動式操作界面，方便遠(yuǎn)程在線、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)，支持遠(yuǎn)程調(diào)試和故障診斷；
　　·開放式結(jié)構(gòu)，可隨意增加外部傳感器，擴(kuò)展系統(tǒng)功能；
　　·高可靠性雙CPU結(jié)構(gòu)，下位機(jī)可脫離上位機(jī)工作；
　　·每軸10μs的高伺服更新速度，可直接控制DD(Direct Drive)臂機(jī)器人和高速直線電機(jī)；
　　·優(yōu)良的軟硬件重構(gòu)特性，便于技術(shù)升級和維護(hù)；
　　·兼容性好，配備摩信科技公司生產(chǎn)的運(yùn)動控制模塊，可以控制多種機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及其它過程控制系統(tǒng)。
　　MCT8000F4運(yùn)動控制器技術(shù)參數(shù)為：
　　·四通道0～2MHz的正負(fù)步進(jìn)脈沖輸出，作為正負(fù)方向控制信號。
　　·四通道12位模擬量輸出，輸出范圍為-10V～+10V，工作頻率為100kHz。
　　·四通道光電編碼器接口，24位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)頻率17MHz，差動或單端輸入，Index信號，內(nèi)部數(shù)字濾波。
　　·與主機(jī)連接方式：標(biāo)準(zhǔn)PCI總線高速接口。
　　·支持單主機(jī)多塊控制板同時(shí)工作。
　　·操作系統(tǒng)：Windows 95/98/NT/Linux。
2.2 絲杠副動態(tài)誤差測控系統(tǒng)組成
　　絲杠副動態(tài)誤差測控系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖4所示，主要包括以下幾個(gè)部分：(1)光柵測長、磁柵測角部分；(2)溫度采集部分；(3)尾架補(bǔ)償部分；(4)誤差顯示與輸出部分；(5)主計(jì)算機(jī)控制部分；(6)主軸交流伺服電機(jī)驅(qū)動部分。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各部件選用獨(dú)立功能模塊，通過計(jì)算機(jī)控制組合，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

　　根據(jù)系統(tǒng)對主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)的要求，主軸伺服電機(jī)控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)控制方式。上位機(jī)選用研祥工控機(jī)，該工控機(jī)不但作為上位伺服控制級，同時(shí)也作為絲杠動態(tài)誤差測控系統(tǒng)的控制主機(jī)。下位機(jī)選用深圳摩信公司生產(chǎn)的基于DSP技術(shù)的四軸運(yùn)動控制器MCT8000F4作為下位伺服控制級，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的速度和位置控制。上、下位機(jī)通過總線形式連接，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸及控制。這是一種以PC機(jī)作為信息處理平臺、將運(yùn)動控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，即“PC機(jī)+運(yùn)動控制器”模式的開放式伺服控制系統(tǒng)。它將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動控制器的運(yùn)動軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。
　　絲杠副動態(tài)誤差測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。在該系統(tǒng)中，主軸轉(zhuǎn)動采用交流伺服電機(jī)作為拖動元件并由運(yùn)動控制器控制電機(jī)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)，這種辦法還可以進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。電機(jī)經(jīng)過機(jī)械傳動裝置驅(qū)動主軸，圓磁柵安裝于傳動主軸上，測量時(shí)由撥盤帶動被測絲杠和圓磁柵同步轉(zhuǎn)動，絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)由帶動頭帶動螺母小車沿導(dǎo)軌做軸向運(yùn)動，光柵尺傳感器的讀數(shù)頭隨測量頭和螺母小車做軸向移動。

3 絲杠副動態(tài)測控系統(tǒng)軟件
3.1軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)的軟件功能包括：初始化、編碼器信號接收處理、控制算法計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)檢測與監(jiān)控、與控制級的聯(lián)絡(luò)及信息交換、自檢與保護(hù)。初始化模塊在運(yùn)動控制器開始工作之前進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、設(shè)備的診斷、伺服組件的啟動及設(shè)置，最后進(jìn)入正常工作。光電編碼器的信號通過反饋通道接口卡進(jìn)行整形、濾波與計(jì)數(shù)后，實(shí)現(xiàn)速度、位置信號的檢測。為了便于控制算法計(jì)算及增加信號的可靠性，需進(jìn)行速度信號、位置信號的預(yù)處理，得到的信號分別存在速度信號緩沖區(qū)和位置信號緩沖區(qū)。這就是編碼器信號接收處理模塊要做的工作?？刂扑惴ㄓ?jì)算模塊根據(jù)得到的速度給定信號、位置速度反饋信號進(jìn)行校正計(jì)算，結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)，啟動信息交換模塊，將速度反饋信號發(fā)送到上位計(jì)算機(jī)。聯(lián)絡(luò)及信息交換模塊的主要任務(wù)是接收上位機(jī)送來的命令與數(shù)據(jù)，進(jìn)行命令處理及數(shù)據(jù)處理與保存，根據(jù)需要向下位機(jī)伺服控制級發(fā)送有關(guān)信息。
　　本系統(tǒng)軟件以VB為開發(fā)工具，圖6為軟件模塊結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測量信息數(shù)據(jù)庫、精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理軟件，用于保存絲杠的參數(shù)信息、動態(tài)測量原始數(shù)據(jù)、誤差評定結(jié)果、精度等級評定結(jié)果等。

3.2 主要軟件模塊流程圖
　　動態(tài)誤差測量模塊流程圖見圖7。動態(tài)誤差測量模塊由參數(shù)輸入模塊輸入用戶參數(shù)，包括絲杠參數(shù)、采集參數(shù)，并判斷參數(shù)的合理性。動態(tài)誤差測量模塊具有以下功能：根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速和采樣周期；控制電機(jī)驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動使絲杠按給定速度轉(zhuǎn)動；數(shù)據(jù)采集，包括長光柵、圓磁柵、溫度、尾架補(bǔ)償量；進(jìn)行實(shí)時(shí)的誤差計(jì)算與誤差補(bǔ)償，計(jì)算出導(dǎo)程誤差；顯示誤差曲線，并可在記錄儀上繪出誤差曲線；測量結(jié)束后將所測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件。
　　動態(tài)誤差分析模塊流程圖見圖8。誤差分析采用最小二乘法求出回歸系數(shù)，用行程精度四大精度指標(biāo)Ea、Vup、V2π、V300反映各誤差量。