摘（zhāi） 要:針對滾珠絲杠副（fù）溫位移測量的要求，設計（jì）了滾珠絲杆副熱伸長測量係統。介（jiè）紹了（le）試驗台的硬件組成及數據采集流程。根據已有的（de）設備製（zhì）定了 2 種實驗方案，對（duì）比（bǐ）分析後采用更符（fú）合（hé）實際工況的試驗方案 2，對漢江生產的某型號 P3 級精度絲（sī）杠的（de）熱伸（shēn）長量進（jìn）行了檢測。運用最小二乘法對實驗數（shù）據進行了處理分（fèn）析，得出絲杠溫升與伸長的關係。
 
       關鍵詞:滾珠絲杠副; 熱伸長; 測控係統
 
       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（zuò）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（de）摩擦將產生熱變形，影（yǐng）響（xiǎng）數控係統的定位精度。針對熱變形問題，常見的有誤（wù）差預防和誤差補償（cháng）兩種解決（jué）方案［2］。誤差預防是通過改進設計和製造途徑消除或減少可能的熱誤差源，提高製造精度，或者控製溫度來滿足加工精度要求。誤差補償是人為的製造新（xīn）的誤差去抵消當前成為問題的原（yuán）始誤差［3］，達到減小（xiǎo）加工誤（wù）差（chà）的目的。誤差預防常用方法有空心絲杠冷卻係統（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（yù）防，誤差補償［5］投入的（de）費用少，性價比高。誤（wù）差補償（cháng）法需知溫升與伸長量的關係，采取計算法時一般利用熱傳導（dǎo）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（bù） θ( x，t) ，然後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係。現采用實測法測量絲杠熱位移。
 
       1 、測量係統硬件設計
 
      測控係統主要由驅動，控製和數（shù）據（jù）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（gōng）率（lǜ） 13 kW; 控製係統選用西門子 828D 半閉環控製係統，接受碼盤（pán）反饋信號用於主軸伺服控製的（de）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，並且使用螺釘（dìng）安裝在電機套筒上隨
電機輸出軸轉動，用於實時檢測絲杠旋轉的角度; 海（hǎi）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（shí）時監測絲杠的伸長; 床（chuáng）身兩端裝有接觸式限位開關，用於零（líng）點調（diào）試和預防係統過衝。如圖 2 所示（shì）。
  
   

     
  
      圖1 測控係統硬件框圖
 
      1．1 支撐方式選擇
 
      滾珠絲杠副常見支（zhī）撐方式有（yǒu） 3 種（zhǒng）: 1) 一端（duān）固定一端自由; 2) 一端（duān）固定一端支撐; 3) 兩端（duān）固定。
  

     
  
       圖 2 測控（kòng）係統硬件圖
 
 
      由（yóu）於該（gāi）試驗台用於測量絲杠副的熱伸長量，所以選（xuǎn）擇一端固定一端支撐的安（ān）裝方式。
 
      1．2 傳感器安裝
 
      激光位移傳感（gǎn）器的測量範圍是 28 mm ～ 32 mm ，安裝時（shí）注意使激光頭到絲杠末端的距離為 30 mm，合（hé）理使用傳感器。由於絲杠加工時采用雙頂尖支撐方式，絲杠末端中
心處有頂（dǐng）尖支撐的孔洞，激光位移傳感器發出的光束需避開（kāi）中心孔，安裝時（shí）將傳感器安裝支（zhī）座（zuò）傾斜一定角度。傳感器安（ān）裝圖如圖（tú） 3 所示（shì）。
  

     
  
      圖 3 位移傳感器安裝原理圖
 
 
      2 、 測控係統軟件
 
      2．1 軟件選擇
 
      滾珠絲杠副熱伸長測量軟件是在 Windows 操作係統下采用 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（fāng）便快速的建立人機交互界麵。
 
      2．2 試（shì）驗方案確定
 
      方案 1: 采用自動測量方式，程序啟動後先連續采集50 個數據點，按大小排序後取中間 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（zì）動采集激（jī）光位移傳（chuán）感器的信號（hào），同時通過 ＲS232 串口向溫度變送器（qì）發送指令讀取（qǔ）溫度傳感器的值。
 
      方案 2: 采用中斷采集方式，程序啟動後以電動（dòng）機啟動為信號啟動（dòng）中斷采（cǎi）集程序，中斷程序以（yǐ）固定的采（cǎi）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 次後再次（cì）啟動中斷程序（xù），采集絲杠圓周方向對（duì）應位置的 100 個點，與初始位置 100 個位置的熱伸長信號做差，結果按大小排序後取中間 40 個數值做（zuò）平均值計算得出伸長量。
 
      方案 1 測點過程中隻需按（àn）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麵跳（tiào）動並無要求，采用方案 1 連續測量時端（duān）麵的跳動的變化量也算入絲杠伸長量中，隨機誤差過大（dà），無法濾除。方案 2 測（cè）量選用中斷采集的方式（shì），將絲杠端麵按周向平均劃分為 100 個點，中斷啟動前（qián）采（cǎi）集圓磁柵信（xìn）號，判斷絲杠周向轉動（dòng）到相同位置（zhì）後啟動中斷（duàn）采集，如（rú）此每次采集的（de） 100 個點，均為相（xiàng）同（tóng）位（wèi）置的點，測量精度（dù）將有大的提升，最終選擇方案 2 測量。
 
      2．3 試驗程序設（shè）計
 
      監測係統啟動測量前應對絲杠的基本參數進行設（shè）置，初始化設置界麵如（rú）圖 4 所示。測量啟動後檢測伺服係統是否（fǒu）啟動，伺服電機轉（zhuǎn）動前則將圓（yuán）光柵計數清零，確保圓光柵能（néng）精確反應絲（sī）杠圓周方（fāng）向位置。伺服電機啟動到勻速轉動需（xū）有（yǒu）加速過程，因此要等轉速平穩後再采集初始溫度值及絲（sī）杠末端初始位（wèi）置。初始溫度及位置信號采集完（wán）成後，絲杠副每運轉 5 個來回，點擊（jī）測定按鈕（niǔ）采集該時刻的溫度及位置信號（hào），單擊測定完成按鈕完成對該（gāi）產品的檢驗，程序采（cǎi）集界（jiè）麵如圖 5 所示，程序操作流程如圖 6 所示。
  

     
  
      圖 4 參數設置界麵
  

     
  
      圖 5 試驗檢測界麵
 

      圖 6 數據采集流程圖
 
 
      3、 試驗數據處理（lǐ）與分析
 
      3．1 試驗數據處理
 
      采集 50 個數據點（diǎn）後，分（fèn）別做出絲杠的溫升曲線( 圖7) 和絲杠末端伸長量（liàng）曲線( 圖（tú） 8) ，再以溫升作（zuò）為橫坐標， 對應的伸長量作（zuò）為（wéi）縱坐標繪製（zhì）絲杠伸長量與溫升的關係
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（guān）係曲線
 
 
      3．2 試驗結（jié）果分析
   
      使用本試驗台對漢江某型號絲（sī）杠（gàng）做了溫升與伸長關係試驗（yàn），共采集了 50 個數據點，去掉（diào）其（qí）中有明顯錯誤的12 個（gè）點後，對剩餘數據點做溫升與伸長的關係曲線，利用最小二乘法計算得出（chū）絲（sī）杠溫度每升高（gāo） 1 ℃，絲杠末端伸長量為 11．4 μm。
 
      因此數控係統采用該型號絲杠作為傳動元件（jiàn）生產加工時，溫度每升高 1 ℃，螺距補償 Δp 等於 11．4 μm 除以絲杠全長 L，再乘（chéng）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係統（tǒng）。利用激光位移傳感器采集絲杠末端（duān）的位置信號（hào），同時使用 Pt100 溫度（dù）傳感器采集溫度（dù）信號。上位（wèi）機采用 Visual Basic6．0 編製了數據（jù）采集係統，對漢江某型號絲杠進（jìn）行了測試，得出了絲杠溫升（shēng）與伸長的關係曲（qǔ）線，並對試驗結果進（jìn）行（háng）了分析。