【文章內(nèi)容簡介】 局限性是顯而易見的：他們都只能測量滾珠絲杠副上一條母線的軸向誤差，若想測量多條母線的軸向行程誤差則需要進行多次的測量，這樣就無形中降低了測量設備的測量效率，不利于對同一滾珠絲杠副的多條母線螺距誤差的測量。上面已經(jīng)說到了現(xiàn)在使用比較廣泛的滾珠絲杠動態(tài)測量儀所面臨的問題。下面，就將根據(jù)所提出的問題進行系統(tǒng)的分析。從緒論里我們可以看到，靜態(tài)法雖然效率低，但它有一個明顯的優(yōu)點：就是能測量多條母線的螺旋線行程誤差，這是滾珠絲杠動態(tài)測量儀所不具備的。滾珠動態(tài)測量儀是通過被測絲杠的轉動來帶動與絲杠點接觸且連接到光柵尺上的測量頭，從而測量出測量頭的軸向位移，然后由圓光柵上得到的轉動角度，根據(jù)式（22）得出標準的軸向位移，從而得到螺旋線行程誤差。使用激光干涉儀進行軸向位移測量的動態(tài)測量儀，是利用雙頻激光，利用其頻率之差，采集記錄激光干涉測量的脈沖數(shù)，就可以實現(xiàn)長度的測量。激光雙頻干涉儀同光柵尺測量一樣，也是對單一的母線進行測量，不能實現(xiàn)對多條母線的測量。現(xiàn)在應該做的，就是由靜態(tài)測量法的啟發(fā)，進而得到一個能夠對絲杠牙型上任意的一條母線進行測量的方法。在緒論中的靜態(tài)法描述中，我們注意到影象測量法是對同一母線上同側牙型的兩個點進行測量，得到n個螺距的測量值。我們也可以想一種方式，對牙型上的點進行測量，然后對同一母線上的同側點進行距離測量，既而得到n個螺距的測量值。與靜態(tài)法不同的是，我們要利用電子計算機技術，對牙型上的點進行測量，并加以數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)輸出，實現(xiàn)測量的自動化。1．系統(tǒng)測量方案分析基于以上的敘述，我們初步確定以下的測量方案。對滾珠絲杠的軸向截面的輪廓進行測量，我們知道，對于點的位置的確定，在三維坐標內(nèi)，應該有x、y、z三個坐標值，對于二維坐標，則需要有x、y兩個坐標值。對于本課題的項目，我們需要測量的點都在滾珠絲杠的軸向截面之內(nèi)，也就是說，所有的測量點都在一個平面之內(nèi)，所以我們就可以建立一個虛擬的二維坐標系，在此二維坐標系平面內(nèi)對牙型輪廓進行逐點的測量，通過使用適當?shù)奈灰苽鞲衅鞯玫矫總€點在這個虛擬的空間坐標系內(nèi)的坐標值。又由于所測量的點都是是在軸向截面的二維平面內(nèi)，所以我們只需要兩個位移傳感器，一個用來測量軸向的位移x，另一個測量縱向的位移y。2．系統(tǒng)機械結構方案分析（1）系統(tǒng)中應有提供被測絲杠與傳感器運動的裝置，且此裝置的設計能夠利于控制被測絲杠與傳感器相對運動的距離。這樣做，一方面可以方便工作論文人員的測量，一般對滾珠絲杠的測量，我們都是要對絲杠的某一段長度進行測量（如任意100mm行程內(nèi)的行程變動量，任意250mm行程內(nèi)的行程變動量等等），若我們采用能夠根據(jù)已知的測量長度進行控制的運動系統(tǒng)，就可以避免工作人員對測量距離的目測，從而減輕工作人員的勞動強度。另一方面，可以準確的把握已測量的距離，避免少測量或多測量一段距離，造成測量的失效或冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。例如，我們要測量滾珠絲杠100mm行程內(nèi)的行程變動量。若只測量了90mm的行程運動系統(tǒng)便停止工作，勢必引起測量數(shù)據(jù)的不足，造成本次測量的失敗。如果測量了150mm的行程，便會產(chǎn)生多余的測量數(shù)據(jù)，不但加大了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量，而且也增加了測量過程的時間，不利于測量效率的提高。（2）系統(tǒng)應盡量滿足阿貝原則。在緒論中我們已經(jīng)提出過阿貝原則，即測工件與標準尺必須處在測量方向的同一直線上。采用阿貝原則能避免一次誤差，得到較高的測量精度。如果系統(tǒng)的設計不能完全滿足阿貝原則的要求，為了減小阿貝誤差，我們可以對阿貝原則進行擴展，即在測量過程中，使測量線和基準線盡量靠近，并保證沒有角運動，即保證兩條線平行[11]。這樣，我們就應該在設計系統(tǒng)結構的時候使其盡量滿足阿貝原則。根據(jù)以上分析，我們確定以下的機械結構方案，如圖26。圖26系統(tǒng)機械結構簡圖在此系統(tǒng)中，伺服電機用來控制傳動絲杠的旋轉，從而控制移動機架帶著被測絲杠移動，移動機架下固定著橫向位移傳感器的移動端，當固定機架移動時，橫向位移傳感器也隨之移動，測量出被測絲杠的軸向位移。另外，在被測絲杠的正上方（在絲杠的軸向橫截面內(nèi)），相對機架固定不動的位置安裝一個縱向位移傳感器，可以測量絲杠牙型輪廓縱向的坐標。由于可能產(chǎn)生測量頭的自鎖問題，具體的縱向位移傳感器機構將在本文后面的敘述中給出。夾具采用兩塊V型鐵，用上下兩塊鋼板并配以m10的螺栓加以固定，這樣的夾具可以做到對滾珠絲杠的夾持固定，有較好的定位效果。夾具示意圖如圖27。圖27夾具示意圖3．系統(tǒng)電路方案分析機械結構確定以后，我們就要來設計系統(tǒng)的電路方案。本課題所涉及的系統(tǒng)電路應有以下幾個模塊：傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊；運動裝置控制模塊；計算機接口模塊。根據(jù)以上的分析，我們確定以下的系統(tǒng)電路框圖，如圖28。圖28系統(tǒng)電路框圖（1）傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊傳感器是測量系統(tǒng)中重要的組成部分，是進行測量的直接的功能元件，在本設計中，傳感器依然起著決定性的作用。前面已經(jīng)提到，在本課題的設計中，我們需要測量的主要有兩個參數(shù)，滾珠絲杠軸向截面輪廓上點的橫、縱坐標。這樣，我們就需要兩個位移傳感器，用來測量所需要的參數(shù)。另外，由于不同的傳感器輸出信號的種類不同，受到的干擾也不同，這就需要有適合的信號處理電路，以便濾去夾雜在信號中的干擾，并將有用信號提取出來，提供給其他裝置進行后續(xù)的處理。具體的傳感器的選擇和信號處理電路的設計我們將在后面給出。（2）運動裝置控制模塊前面我們已經(jīng)說到，為了減少工作人員工作量和提高測量的效率，測量系統(tǒng)應能夠根據(jù)已經(jīng)測量的絲杠長度來控制部件運動。在測量系統(tǒng)中，我們將用步進電機控制傳動絲杠，進而使固定在移動機架上的被測絲杠沿其軸向方向運動，實現(xiàn)輪廓點的測量。我們可以通過控制步進電機的轉數(shù)，來控制傳動絲杠的轉數(shù)，從而得到我們所需要的被測絲杠的測量長度。（3）計算機接口模塊傳感器信號經(jīng)過采集處理之后，要傳入計算機進行數(shù)據(jù)的分析，處理，計算，以得到最后的測量結果；當被測絲杠的測量長度達到要求時，計算機要輸出一個信號，停止伺服電機的轉動。這都需要一個接口模塊來連接傳感器處理電路和伺服電機控制電路。4．測量系統(tǒng)的抗干擾方案任何電子電氣設備都會受到各種各樣的外界干擾，如雷擊，電網(wǎng)干擾，電磁干擾等。這些干擾有些是能夠對儀器造成巨大損壞的，如雷擊，有些則會減少儀器的使用壽命，如電網(wǎng)的干擾，有些則會對儀器的可靠性，精度等使用性能產(chǎn)生不良的影響。在現(xiàn)代的電子電氣儀器設計中，抗干擾設計成為了極為重要的一環(huán)，抗干擾設計的優(yōu)劣直接影響到電子電氣儀器的安全性，使用壽命，使用性能等眾多方面的能力。在本課題中設計的絲杠測量儀同樣也使用了電子器件，另外，由于本課題設計的絲杠測量儀可能會使用在干擾源更多更復雜的工廠中，因此抗干擾方案同樣是不可或缺的。5．算法方案從傳感器來的數(shù)據(jù)僅僅是單個輪廓點相對于設定的虛擬坐標系的坐標值，僅僅憑借這些坐標值是不能夠得到不同母線上的螺距誤差的，這里，我們可以采用些圖象處理的思想，將離散的單一的輪廓點用數(shù)值計算的方法，擬合出輪廓曲線，形成分段的函數(shù)方程，這樣就可以求解出實際中的滾珠絲杠n個螺距值。再根據(jù)測量長度中包含的螺距的數(shù)量，得到標準絲杠的螺距值，兩值相減就可以得到n個螺距的誤差。另外，由于安裝或制造可能產(chǎn)生誤差，在設計中也要進行軟、硬件的誤差補償。3系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇測控系統(tǒng)是一臺測控儀器的核心，其中，測量元件又起著不可或缺的作用，正是各種測量傳感器的存在，才使得被測量（如位移，壓力，扭矩等）轉化為我們能夠采集和處理的電信號，因此傳感技術，通訊技術和計算機技術被稱為現(xiàn)代信息技術的三大基礎，分別構成信息技術系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。軸向位移傳感器在本系統(tǒng)中是用來測量被測滾珠絲杠沿其軸向方向移動的位移，作為被測量點在虛擬的二維坐標系里的x軸坐標值。此測量值經(jīng)過處理采集之后，用于在計算機內(nèi)進行后續(xù)的數(shù)據(jù)計算，曲線擬合，計算結果與分析。在本課題中，需要測量的軸向位移范圍根據(jù)使用情況的不同可以從十幾個毫米到300毫米，因此位移傳感器的測量范圍要滿足此要求。這里，我們要使用的是直線位移傳感器，常用的直線位移傳感器有：光柵，磁柵，容柵，球柵傳感器和感應同步器，進十年來，隨著光電子技術逐漸成為高科技產(chǎn)業(yè)的主導技術，各種光電子、光學相關的產(chǎn)品和技術如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，這就直接的成就了了光柵的迅速發(fā)展，使時光柵技術逐漸成為了位移測量（包括直線位移測量和角位移測量）主要技術。隨著數(shù)控技術和信息技術的發(fā)展，光柵傳感器也向高精度、高速度、智能化和集成化方向發(fā)展，并且特別注重產(chǎn)品的高質(zhì)量、實用性和經(jīng)濟性。2001年以來，當今世界生產(chǎn)光第三章系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇及其電路設計柵傳感器的主要廠家FAGOR，三豐（MITUTOYO）、雙葉（UFTABA）逐漸走向一致的規(guī)范?，F(xiàn)在生產(chǎn)磁柵的SONY、球柵的NEWALL也將應用參數(shù)向光柵靠攏。本測量系統(tǒng)采用中科院長春光學精密機械研究所研制的光柵傳感器。利用光柵傳感器將位移量轉換成電信號并由數(shù)顯表內(nèi)可逆計數(shù)器產(chǎn)生的BCD碼，可通過LED數(shù)碼管顯示移動機架的位移量，通過I/O卡可將可逆計數(shù)器上的BCD碼讀入計算機，經(jīng)過轉換后送入數(shù)據(jù)處理程序子模塊。從精度、分辨率、經(jīng)濟性、可靠性等方面考慮，我們決定采用光柵傳感器，它是以高精度光柵作為檢測元件的精密測量裝置，優(yōu)點是測量值數(shù)字化顯示、精度高、穩(wěn)定可靠和抗干擾強。并可與北京中科恒業(yè)中自技術有限公司研制開發(fā)的GS8220系列數(shù)顯表（新型）雙坐標光柵數(shù)顯表配套使用，組成高精度數(shù)字化測量儀器。1．光柵傳感器主要技術參數(shù)如下：量程：500mm；柵距：(50線對/毫米)；精度：177。；相應速度：25米/分；工作溫度：0o C~40oC；輸出信號：相位依次相差90o幅值大于500mv的二路或四路正弦信號；參考標記：間隔50毫米；全量程位置任意一點；設絕對位置參考點（ABS）。2．光柵數(shù)顯表由于光柵傳感器輸出的是四路正弦信號，，所以必須對光柵傳感器信號進行細分、整形、辨向等處理。本論文中采用的是北京中科恒業(yè)中自技術有限公司生產(chǎn)的GS8220系列數(shù)顯表。它全部由硬件組成，信息處理速度快，允許輸入正弦頻率到50KHz，可直接配接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數(shù)顯表的長度分辨率（步距）取決于其倍頻數(shù)和光柵的柵距。表31正弦波輸入信號的傳感器引腳插頭號123456789功能0176。180176。+5V0V90176。270176。ABS空屏蔽接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數(shù)顯表的長度分辨率（步距）取決于其倍頻數(shù)和光柵的柵距為： (31)它把光柵傳感器輸入的的相位依次差90o的正弦信號，通過放大、整形、鑒向后，由可逆計數(shù)器產(chǎn)生BCD碼，并用LED數(shù)碼管顯示相對位移量，與傳感器的連接和信號采用九芯插座連接，見表31所示。通過此數(shù)顯表的連接，一方面我們可以直接從數(shù)顯表的LED數(shù)碼顯示管處直接讀得相對的位移量，另一方面，其內(nèi)部的細分、整