摘 要:針對滾珠絲杠副溫位移測量的要求，設計了滾珠絲桿副熱伸長測量系統(tǒng)。介紹了試驗臺的硬件組成及數據采集流程。根據已有的設備制定了 2 種實驗方案，對比分析后采用更符合實際工況的試驗方案 2，對漢江生產的某型號 P3 級精度絲杠的熱伸長量進行了檢測。運用最小二乘法對實驗數據進行了處理分析，得出絲杠溫升與伸長的關系。
關鍵詞:滾珠絲杠副; 熱伸長; 測控系統(tǒng)
0 引言
數控機床的定位精度是反映機床性能的一項重要指標［1］。作為數控機床的傳動部件，滾珠絲杠副絲杠與螺母、支撐軸承間的摩擦將產生熱變形，影響數控系統(tǒng)的定位精度。針對熱變形問題，常見的有誤差預防和誤差補償兩種解決方案［2］。誤差預防是通過改進設計和制造途徑消除或減少可能的熱誤差源，提高制造精度，或者控制溫度來滿足加工精度要求。誤差補償是人為的制造新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差［3］，達到減小加工誤差的目的。誤差預防常用方法有空心絲杠冷卻系統(tǒng)［4］，雖能一定程度上減少熱變形，但仍存在較大誤差。相對誤差預防，誤差補償［5］投入的費用少，性價比高。誤差補償法需知溫升與伸長量的關系，采取計算法時一般利用熱傳導方程［6－7］( 簡化為一維或二維) 首先計算絲杠長度方向各點的溫度分布 θ( x，t) ，然后根據溫度分布計算變形量Δι［8－9］; 實測法［10］是在絲杠末端安裝位移傳感器，實際測出溫升與伸長量的關系。現采用實測法測量絲杠熱位移。
1 、測量系統(tǒng)硬件設計
測控系統(tǒng)主要由驅動，控制和數據采集 3 部分組成，如圖 1 所示。驅動選用西門子伺服電動機，最大轉速可達6 000 r/min，功率 13 kW; 控制系統(tǒng)選用西門子 828D 半閉環(huán)控制系統(tǒng)，接受碼盤反饋信號用于主軸伺服控制的位置反饋; 數據采集選用海德漢圓磁柵，1024 刻線，通過微量過盈與電機套筒配合，并且使用螺釘安裝在電機套筒上隨
電機輸出軸轉動，用于實時檢測絲杠旋轉的角度; 海德漢計數器通過 PCI 總線接到工控機上; 激光位移傳感器，通過支座安裝在絲杠尾架，可實時監(jiān)測絲杠的伸長; 床身兩端裝有接觸式限位開關，用于零點調試和預防系統(tǒng)過沖。如圖 2 所示。
圖1 測控系統(tǒng)硬件框圖
1．1 支撐方式選擇
滾珠絲杠副常見支撐方式有 3 種: 1) 一端固定一端自由; 2) 一端固定一端支撐; 3) 兩端固定。
圖 2 測控系統(tǒng)硬件圖
由于該試驗臺用于測量絲杠副的熱伸長量，所以選擇一端固定一端支撐的安裝方式。
1．2 傳感器安裝
激光位移傳感器的測量范圍是 28 mm ～ 32 mm ，安裝時注意使激光頭到絲杠末端的距離為 30 mm，合理使用傳感器。由于絲杠加工時采用雙頂尖支撐方式，絲杠末端中
心處有頂尖支撐的孔洞，激光位移傳感器發(fā)出的光束需避開中心孔，安裝時將傳感器安裝支座傾斜一定角度。傳感器安裝圖如圖 3 所示。
圖 3 位移傳感器安裝原理圖
2 、 測控系統(tǒng)軟件
2．1 軟件選擇
滾珠絲杠副熱伸長測量軟件是在 Windows 操作系統(tǒng)下采用 Visual Basic6．0 進行編寫的。利用 Visual Basic 可視化程序設計和事件驅動的編程概念，能夠非常方便快速的建立人機交互界面。
2．2 試驗方案確定
方案 1: 采用自動測量方式，程序啟動后先連續(xù)采集50 個數據點，按大小排序后取中間 20 個點取均值作為起始位置。伺服電機啟動，采集程序根據設定的采樣周期自動采集激光位移傳感器的信號，同時通過 ＲS232 串口向溫度變送器發(fā)送指令讀取溫度傳感器的值。
方案 2: 采用中斷采集方式，程序啟動后以電動機啟動為信號啟動中斷采集程序，中斷程序以固定的采樣周期采集 100 個點，這 100 個點作為初始測量位置，絲杠往返運行 5 次后再次啟動中斷程序，采集絲杠圓周方向對應位置的 100 個點，與初始位置 100 個位置的熱伸長信號做差，結果按大小排序后取中間 40 個數值做平均值計算得出伸長量。
方案 1 測點過程中只需按周期采集激光位移傳感器的信號，測量程序簡單，操作方便。絲杠生產過程中對軸端的端面跳動并無要求，采用方案 1 連續(xù)測量時端面的跳動的變化量也算入絲杠伸長量中，隨機誤差過大，無法濾除。方案 2 測量選用中斷采集的方式，將絲杠端面按周向平均劃分為 100 個點，中斷啟動前采集圓磁柵信號，判斷絲杠周向轉動到相同位置后啟動中斷采集，如此每次采集的 100 個點，均為相同位置的點，測量精度將有大的提升，最終選擇方案 2 測量。
2．3 試驗程序設計
監(jiān)測系統(tǒng)啟動測量前應對絲杠的基本參數進行設置，初始化設置界面如圖 4 所示。測量啟動后檢測伺服系統(tǒng)是否啟動，伺服電機轉動前則將圓光柵計數清零，確保圓光柵能精確反應絲杠圓周方向位置。伺服電機啟動到勻速轉動需有加速過程，因此要等轉速平穩(wěn)后再采集初始溫度值及絲杠末端初始位置。初始溫度及位置信號采集完成后，絲杠副每運轉 5 個來回，點擊測定按鈕采集該時刻的溫度及位置信號，單擊測定完成按鈕完成對該產品的檢驗，程序采集界面如圖 5 所示，程序操作流程如圖 6 所示。
圖 4 參數設置界面
圖 5 試驗檢測界面
圖 6 數據采集流程圖
3、 試驗數據處理與分析
3．1 試驗數據處理
采集 50 個數據點后，分別做出絲杠的溫升曲線( 圖7) 和絲杠末端伸長量曲線( 圖 8) ，再以溫升作為橫坐標， 對應的伸長量作為縱坐標繪制絲杠伸長量與溫升的關系
曲線( 圖 9) 。
圖 7 絲杠溫升曲線
圖 8 絲杠末端伸長曲線
圖 9 絲杠溫升與伸長量的關系曲線
3．2 試驗結果分析
使用本試驗臺對漢江某型號絲杠做了溫升與伸長關系試驗，共采集了 50 個數據點，去掉其中有明顯錯誤的12 個點后，對剩余數據點做溫升與伸長的關系曲線，利用最小二乘法計算得出絲杠溫度每升高 1 ℃，絲杠末端伸長量為 11．4 μm。
因此數控系統(tǒng)采用該型號絲杠作為傳動元件生產加工時，溫度每升高 1 ℃，螺距補償 Δp 等于 11．4 μm 除以絲杠全長 L，再乘以絲杠導程 P。
4 、結語
針對絲杠副熱伸長影響加工精度的問題，設計了絲杠副熱伸長測量系統(tǒng)。利用激光位移傳感器采集絲杠末端的位置信號，同時使用 Pt100 溫度傳感器采集溫度信號。上位機采用 Visual Basic6．0 編制了數據采集系統(tǒng)，對漢江某型號絲杠進行了測試，得出了絲杠溫升與伸長的關系曲線，并對試驗結果進行了分析。
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