摘 要:针对滚珠丝杠副温位移测量的要求，设计了滚珠丝杆副热伸长测量系统。介绍了试验台的硬件组成及数据采集流程。根据已有的设备制定了 2 种实验方案，对比分析后采用更符合实际工况的试验方案 2，对汉江生产的某型号 P3 级精度丝杠的热伸长量进行了检测。运用最小二乘法对实验数据进行了处理分析，得出丝杠温升与伸长的关系。
 
       关键词:滚珠丝杠副; 热伸长; 测控系统
 
       0 引言
 
       数控机床的定位精度是反映机床性能的一项重要指标［1］。作为数控机床的传动部件，滚珠丝杠副丝杠与螺母、支撑轴承间的摩擦将产生热变形，影响数控系统的定位精度。针对热变形问题，常见的有误差预防和误差补偿两种解决方案［2］。误差预防是通过改进设计和制造途径消除或减少可能的热误差源，提高制造精度，或者控制温度来满足加工精度要求。误差补偿是人为的制造新的误差去抵消当前成为问题的原始误差［3］，达到减小加工误差的目的。误差预防常用方法有空心丝杠冷却系统［4］，虽能一定程度上减少热变形，但仍存在较大误差。相对误差预防，误差补偿［5］投入的费用少，性价比高。误差补偿法需知温升与伸长量的关系，采取计算法时一般利用热传导方程［6－7］( 简化为一维或二维) 首先计算丝杠长度方向各点的温度分布 θ( x，t) ，然后根据温度分布计算变形量Δι［8－9］; 实测法［10］是在丝杠末端安装位移传感器，实际测出温升与伸长量的关系。现采用实测法测量丝杠热位移。
 
       1 、测量系统硬件设计
 
      测控系统主要由驱动，控制和数据采集 3 部分组成，如图 1 所示。驱动选用西门子伺服电动机，最大转速可达6 000 r/min，功率 13 kW; 控制系统选用西门子 828D 半闭环控制系统，接受码盘反馈信号用于主轴伺服控制的位置反馈; 数据采集选用海德汉圆磁栅，1024 刻线，通过微量过盈与电机套筒配合，并且使用螺钉安装在电机套筒上随
电机输出轴转动，用于实时检测丝杠旋转的角度; 海德汉计数器通过 PCI 总线接到工控机上; 激光位移传感器，通过支座安装在丝杠尾架，可实时监测丝杠的伸长; 床身两端装有接触式限位开关，用于零点调试和预防系统过冲。如图 2 所示。
  
   

     
  
      图1 测控系统硬件框图
 
      1．1 支撑方式选择
 
      滚珠丝杠副常见支撑方式有 3 种: 1) 一端固定一端自由; 2) 一端固定一端支撑; 3) 两端固定。
  

     
  
       图 2 测控系统硬件图
 
 
      由于该试验台用于测量丝杠副的热伸长量，所以选择一端固定一端支撑的安装方式。
 
      1．2 传感器安装
 
      激光位移传感器的测量范围是 28 mm ～ 32 mm ，安装时注意使激光头到丝杠末端的距离为 30 mm，合理使用传感器。由于丝杠加工时采用双顶尖支撑方式，丝杠末端中
心处有顶尖支撑的孔洞，激光位移传感器发出的光束需避开中心孔，安装时将传感器安装支座倾斜一定角度。传感器安装图如图 3 所示。
  

     
  
      图 3 位移传感器安装原理图
 
 
      2 、 测控系统软件
 
      2．1 软件选择
 
      滚珠丝杠副热伸长测量软件是在 Windows 操作系统下采用 Visual Basic6．0 进行编写的。利用 Visual Basic 可视化程序设计和事件驱动的编程概念，能够非常方便快速的建立人机交互界面。
 
      2．2 试验方案确定
 
      方案 1: 采用自动测量方式，程序启动后先连续采集50 个数据点，按大小排序后取中间 20 个点取均值作为起始位置。伺服电机启动，采集程序根据设定的采样周期自动采集激光位移传感器的信号，同时通过 ＲS232 串口向温度变送器发送指令读取温度传感器的值。
 
      方案 2: 采用中断采集方式，程序启动后以电动机启动为信号启动中断采集程序，中断程序以固定的采样周期采集 100 个点，这 100 个点作为初始测量位置，丝杠往返运行 5 次后再次启动中断程序，采集丝杠圆周方向对应位置的 100 个点，与初始位置 100 个位置的热伸长信号做差，结果按大小排序后取中间 40 个数值做平均值计算得出伸长量。
 
      方案 1 测点过程中只需按周期采集激光位移传感器的信号，测量程序简单，操作方便。丝杠生产过程中对轴端的端面跳动并无要求，采用方案 1 连续测量时端面的跳动的变化量也算入丝杠伸长量中，随机误差过大，无法滤除。方案 2 测量选用中断采集的方式，将丝杠端面按周向平均划分为 100 个点，中断启动前采集圆磁栅信号，判断丝杠周向转动到相同位置后启动中断采集，如此每次采集的 100 个点，均为相同位置的点，测量精度将有大的提升，最终选择方案 2 测量。
 
      2．3 试验程序设计
 
      监测系统启动测量前应对丝杠的基本参数进行设置，初始化设置界面如图 4 所示。测量启动后检测伺服系统是否启动，伺服电机转动前则将圆光栅计数清零，确保圆光栅能精确反应丝杠圆周方向位置。伺服电机启动到匀速转动需有加速过程，因此要等转速平稳后再采集初始温度值及丝杠末端初始位置。初始温度及位置信号采集完成后，丝杠副每运转 5 个来回，点击测定按钮采集该时刻的温度及位置信号，单击测定完成按钮完成对该产品的检验，程序采集界面如图 5 所示，程序操作流程如图 6 所示。
  

     
  
      图 4 参数设置界面
  

     
  
      图 5 试验检测界面
 

      图 6 数据采集流程图
 
 
      3、 试验数据处理与分析
 
      3．1 试验数据处理
 
      采集 50 个数据点后，分别做出丝杠的温升曲线( 图7) 和丝杠末端伸长量曲线( 图 8) ，再以温升作为横坐标， 对应的伸长量作为纵坐标绘制丝杠伸长量与温升的关系
曲线( 图 9) 。
  

     
  
      图 7 丝杠温升曲线
 

      图 8 丝杠末端伸长曲线
 

      图 9 丝杠温升与伸长量的关系曲线
 
 
      3．2 试验结果分析
   
      使用本试验台对汉江某型号丝杠做了温升与伸长关系试验，共采集了 50 个数据点，去掉其中有明显错误的12 个点后，对剩余数据点做温升与伸长的关系曲线，利用最小二乘法计算得出丝杠温度每升高 1 ℃，丝杠末端伸长量为 11．4 μm。
 
      因此数控系统采用该型号丝杠作为传动元件生产加工时，温度每升高 1 ℃，螺距补偿 Δp 等于 11．4 μm 除以丝杠全长 L，再乘以丝杠导程 P。
   
      4 、结语
 
      针对丝杠副热伸长影响加工精度的问题，设计了丝杠副热伸长测量系统。利用激光位移传感器采集丝杠末端的位置信号，同时使用 Pt100 温度传感器采集温度信号。上位机采用 Visual Basic6．0 编制了数据采集系统，对汉江某型号丝杠进行了测试，得出了丝杠温升与伸长的关系曲线，并对试验结果进行了分析。