三米滚珠丝杠螺距精度动态测量系统研究.doc
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三米滚珠丝杠螺距精度动态测量系统研究,字数34491 摘 要攻读硕士学位期间发表的学术论文精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，研究高精度的丝杠螺距精度动态测量方法和仪器组成具有重要的理论意义和实际应用价值。论文首先介绍了丝杠的发展现状和常用丝杠精度的动态测量方法，详细叙述了测量仪中使用的高频脉冲细分计数法的测量原理。...
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三米滚珠丝杠螺距精度动态测量系统研究
字数 34491
摘 要
攻读硕士学位期间发表的学术论文
精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，研究高精度的丝杠螺距精度动态测量方法和仪器组成具有重要的理论意义和实际应用价值。
论文首先介绍了丝杠的发展现状和常用丝杠精度的动态测量方法，详细叙述了测量仪中使用的高频脉冲细分计数法的测量原理。
研制了专门的相位差测量电路，完成了相位差自动测量。测量过程不需要处理器干预，并且测量电路由逻辑电路组成，实时性高，因此具有很高的测量精度。
并且设计了两路独立的脉冲发生器代替实际圆光栅和直光栅传感器信号，来校验测量仪的精度。多次试验表明该测量仪具有很高的精度，理论上测量系统的分辨精度可达0.1微米。
对现有的测量数据处理系统进行了修改完善，增加了系统的错误诊断功能。操作人员可以根据提示，及时排除仪器故障。
最后利用VB软件的定时器产生一组变化已知的数据来模拟螺距误差，对丝杠精度分析部分进行了精度验证。实验表明该软件算法正确。
对影响螺距精度动态测量仪精度的因素进行了理论分析，分析计算了测量仪的综合测量精度，结果表明其精度在设计要求之内。该测量仪可以测量三米长度内的螺距累积误差，具有较大的实际应用价值。
关键词：滚珠丝杠；螺距精度；动态测量；脉冲细分比相；相位差测量
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1滚珠丝杠发展现状 1
1.1.1滚珠丝杠副的主要发展方向 1
1.1.2 当前丝杠行业发展存在的问题 3
1.2 丝杠动态测量系统的概况和现状 3
1.3 测量方法综述 5
1.3.1 动态测量方法原理 5
1.3.2 比相测量方法 6
1.3.3 计数测量方法 9
1.3.4 本测量仪选用的方法 10
1.4 课题来源 10
1.5 论文结构 11
第二章 丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 12
2.1 床身部分方案确定 12
2.1.1床身选材 12
2.1.2 螺母小车结构改造 12
2.1.3 转角和位移传感器选择 12
2.1.4 测量仪整体结构设计 13
2.1.5 光栅位移检测装置介绍 14
2.2 误差测量部分方案设计 15
2.2.1 测量仪硬件系统方案设计 15
2.2.2 计数器D71054工作原理 16
2.2.3 JK触发器74LS112工作原理 20
2.3 本章小结 22
第三章 丝杠螺距精度动态测量仪硬件电路设计 23
3.1测量方法简介 23
3.1.1 传统脉冲细分测量方法 23
3.1.2 测量仪中微机细分计数测量方法 24
3.2相位差测量电路设计 25
3.2.1相位t1、 测量过程 25
3.2.2 相位t2、 细分脉冲测量 27
3.2.3传感器信号的测量电路 29
3.2.4 相位测量电路初始化程序 30
3.3 单片机应用系统设计 33
3.3.1 单片机选型 33
3.3.2 数码显示电路设计 34
3.3.3 按键扩展电路设计 36
3.3.4 串行通讯接口设计 37
3.4 误差测量过程中问题分析解决 38
3.4.1 计数器D71054方式2工作特点 38
3.4.2 细分脉冲测量过程中问题解决 38
3.4.3传感器信号实际测量过程中问题解决 39
3.4.4 采样时刻CLK电平状态的检测 41
3.5 模拟光栅信号发生器设计 41
3.6相位测量电路误差分析 43
3.7系统程序流程 44
3.8 测量仪电路抗干扰设计 45
3.8.1 抑制干扰源 45
3.8.2 切断干扰传播路径的常用措施 45
3.8.3 提高敏感器件的抗干扰性能 46
3.9 本章小结 46
第四章 丝杠螺距精度动态测量仪软件系统设计 47
4.1 测量仪软件系统介绍 47
4.2 VB串口通讯部分程序设计 48
4.2.1 串行口控件MSComm初始化程序 48
4.2.2 串口中断处理程序 48
4.3 误差曲线实时显示程序 49
4.4 误差分析与计算 50
4.4.1 滚珠丝杠主要参数分析及计算 50
4.4.2 丝杠副行程变动量求取的优化算法 51
4.4.3 误差分析计算程序设计 53
4.5 本章小结 55
第五章 丝杠螺距精度动态测量仪精度分析 56
5.1 影响丝杠螺距误差测量精度的主要因素 56
5.1.1 与丝杠长度无关的误差 56
5.1.2 与丝杠长度有关的误差 56
5.2 测量误差分析 57
5.2.1.测量仪工作台运动平稳性对丝杠螺距测量精度的影响 57
5.2.2.测量仪主轴径向跳动引起的螺距测量误差 58
5.2.3.丝杠的轴向窜动和径向跳动引起的测量误差 59
5.2.4.阿贝误差 59
5.2.5.测量系统：角度和直线传感器总误差（圆光栅，长光栅） 60
5.2.6.丝杠由于温度变化引起的测量误差。 63
5.2.7.丝杠与主轴偏心所带来的误差 64
5.2.8.工件变形误差 65
5.2.9.头尾架顶尖连线与工作台移动的不平行度 65
5.3 丝杠测量仪的总体精度分析 66
5.4 本章小结 67
结 论 68
参考文献 69
致 谢 73
74
参考文献
[1] Ninomiya M, Miyaguchi K. Recent technical trend in ball screws.
Motion Control, NSK Ltd 1998,(4):1–12.
[2] 李培生.螺纹智能磨削的研究[J]，机械工程学报，1992，(2)
[3] Hongzan Bin, etc. Computer-based improvement of transmission accuracy of leadscew grinder.Proceeding of first international conference on computer-aided production engineering, April, 1986, Edinburgh,p391
[4] Hongzan Bin, etc. Computer compension for high precision leadscrew grinding errors.Proceeding of the International Conference of Production Engineering-ICPE’88, Bingjing
[5] 宋现春.精密滚珠丝杠磨削误差及其激光反馈补偿系统研究[D]. 山东大学，博士学位论文，2001，4
字数 34491
摘 要
攻读硕士学位期间发表的学术论文
精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，研究高精度的丝杠螺距精度动态测量方法和仪器组成具有重要的理论意义和实际应用价值。
论文首先介绍了丝杠的发展现状和常用丝杠精度的动态测量方法，详细叙述了测量仪中使用的高频脉冲细分计数法的测量原理。
研制了专门的相位差测量电路，完成了相位差自动测量。测量过程不需要处理器干预，并且测量电路由逻辑电路组成，实时性高，因此具有很高的测量精度。
并且设计了两路独立的脉冲发生器代替实际圆光栅和直光栅传感器信号，来校验测量仪的精度。多次试验表明该测量仪具有很高的精度，理论上测量系统的分辨精度可达0.1微米。
对现有的测量数据处理系统进行了修改完善，增加了系统的错误诊断功能。操作人员可以根据提示，及时排除仪器故障。
最后利用VB软件的定时器产生一组变化已知的数据来模拟螺距误差，对丝杠精度分析部分进行了精度验证。实验表明该软件算法正确。
对影响螺距精度动态测量仪精度的因素进行了理论分析，分析计算了测量仪的综合测量精度，结果表明其精度在设计要求之内。该测量仪可以测量三米长度内的螺距累积误差，具有较大的实际应用价值。
关键词：滚珠丝杠；螺距精度；动态测量；脉冲细分比相；相位差测量
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1滚珠丝杠发展现状 1
1.1.1滚珠丝杠副的主要发展方向 1
1.1.2 当前丝杠行业发展存在的问题 3
1.2 丝杠动态测量系统的概况和现状 3
1.3 测量方法综述 5
1.3.1 动态测量方法原理 5
1.3.2 比相测量方法 6
1.3.3 计数测量方法 9
1.3.4 本测量仪选用的方法 10
1.4 课题来源 10
1.5 论文结构 11
第二章 丝杠螺距精度动态测量仪整体方案设计 12
2.1 床身部分方案确定 12
2.1.1床身选材 12
2.1.2 螺母小车结构改造 12
2.1.3 转角和位移传感器选择 12
2.1.4 测量仪整体结构设计 13
2.1.5 光栅位移检测装置介绍 14
2.2 误差测量部分方案设计 15
2.2.1 测量仪硬件系统方案设计 15
2.2.2 计数器D71054工作原理 16
2.2.3 JK触发器74LS112工作原理 20
2.3 本章小结 22
第三章 丝杠螺距精度动态测量仪硬件电路设计 23
3.1测量方法简介 23
3.1.1 传统脉冲细分测量方法 23
3.1.2 测量仪中微机细分计数测量方法 24
3.2相位差测量电路设计 25
3.2.1相位t1、 测量过程 25
3.2.2 相位t2、 细分脉冲测量 27
3.2.3传感器信号的测量电路 29
3.2.4 相位测量电路初始化程序 30
3.3 单片机应用系统设计 33
3.3.1 单片机选型 33
3.3.2 数码显示电路设计 34
3.3.3 按键扩展电路设计 36
3.3.4 串行通讯接口设计 37
3.4 误差测量过程中问题分析解决 38
3.4.1 计数器D71054方式2工作特点 38
3.4.2 细分脉冲测量过程中问题解决 38
3.4.3传感器信号实际测量过程中问题解决 39
3.4.4 采样时刻CLK电平状态的检测 41
3.5 模拟光栅信号发生器设计 41
3.6相位测量电路误差分析 43
3.7系统程序流程 44
3.8 测量仪电路抗干扰设计 45
3.8.1 抑制干扰源 45
3.8.2 切断干扰传播路径的常用措施 45
3.8.3 提高敏感器件的抗干扰性能 46
3.9 本章小结 46
第四章 丝杠螺距精度动态测量仪软件系统设计 47
4.1 测量仪软件系统介绍 47
4.2 VB串口通讯部分程序设计 48
4.2.1 串行口控件MSComm初始化程序 48
4.2.2 串口中断处理程序 48
4.3 误差曲线实时显示程序 49
4.4 误差分析与计算 50
4.4.1 滚珠丝杠主要参数分析及计算 50
4.4.2 丝杠副行程变动量求取的优化算法 51
4.4.3 误差分析计算程序设计 53
4.5 本章小结 55
第五章 丝杠螺距精度动态测量仪精度分析 56
5.1 影响丝杠螺距误差测量精度的主要因素 56
5.1.1 与丝杠长度无关的误差 56
5.1.2 与丝杠长度有关的误差 56
5.2 测量误差分析 57
5.2.1.测量仪工作台运动平稳性对丝杠螺距测量精度的影响 57
5.2.2.测量仪主轴径向跳动引起的螺距测量误差 58
5.2.3.丝杠的轴向窜动和径向跳动引起的测量误差 59
5.2.4.阿贝误差 59
5.2.5.测量系统：角度和直线传感器总误差（圆光栅，长光栅） 60
5.2.6.丝杠由于温度变化引起的测量误差。 63
5.2.7.丝杠与主轴偏心所带来的误差 64
5.2.8.工件变形误差 65
5.2.9.头尾架顶尖连线与工作台移动的不平行度 65
5.3 丝杠测量仪的总体精度分析 66
5.4 本章小结 67
结 论 68
参考文献 69
致 谢 73
74
参考文献
[1] Ninomiya M, Miyaguchi K. Recent technical trend in ball screws.
Motion Control, NSK Ltd 1998,(4):1–12.
[2] 李培生.螺纹智能磨削的研究[J]，机械工程学报，1992，(2)
[3] Hongzan Bin, etc. Computer-based improvement of transmission accuracy of leadscew grinder.Proceeding of first international conference on computer-aided production engineering, April, 1986, Edinburgh,p391
[4] Hongzan Bin, etc. Computer compension for high precision leadscrew grinding errors.Proceeding of the International Conference of Production Engineering-ICPE’88, Bingjing
[5] 宋现春.精密滚珠丝杠磨削误差及其激光反馈补偿系统研究[D]. 山东大学，博士学位论文，2001，4
