CN101701798A - 滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法及其装置 - Google Patents

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冯虎田
张合
陶卫军
李春梅
韩军
殷爱华
欧屹
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Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法。首先进行采样准备工作；然后用光栅尺和光幕式位移传感器对待测丝杠螺旋滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样；接着对采样数据进行处理，得到待测丝杠螺旋滚道该转角位置的法向截形误差和节径尺寸误差；转动待测丝杠(360/n)度后重复上述过程n-1次即获得待测滚珠丝杠螺旋滚道在不同转角度数下的法向截形误差和节径尺寸误差，取各转角度数下各圈滚道上的法向截形误差和节径尺寸误差最大值就是待测丝杠的实际法向截形误差和节径尺寸误差。本发明还公布了一种自动检测装置，使用该检测方法及装置，可实现滚珠丝杠螺旋滚道综合误差的自动检测，效果好，精度高。

Description

滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种对滚珠丝杠螺旋滚道误差进行综合检测的方法及其装置，特别是一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法及其装置。
背景技术
滚珠丝杠副主要由滚珠丝杠、滚珠和丝杠螺母组成，主要用来把电机的回转运动转化为所需的直线运动。它可以实现非常高的传动和定位精度，被广泛应用于各类精密机床的进给传动系统中。滚珠丝杠螺旋滚道综合误差是指螺旋滚道在加工制造过程中产生的形状和位置上的误差，具体包括法向截形误差和节径尺寸误差。其中，滚道法向截形是指通过滚道上钢球中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状；节径也称为节圆直径，是指滚道上负荷钢球中心所在圆环的直径。由于滚珠丝杠螺旋滚道综合误差对滚珠丝杠副的传动精度和传动效率有着直接影响，因此在生产过程中必须对其进行检测。但由于滚珠丝杠螺旋滚道为螺旋式空间三维曲面，很难使用常规的检测仪器和工具对其综合误差进行直接检测。
目前，滚珠丝杠副相关生产厂家采用的方法主要是采用人工操作，分别对滚珠丝杠螺旋滚道综合误差中的法向截形误差和节径尺寸误差进行检测。其中，法向截形误差的检测一般采用大型光学投影仪把实际的法向截形投影放大、然后与设定的法向截形轮廓线相比较的方法；节径尺寸误差一般由采用三针与公法线千分尺组合或专用的手动式节径比较仪来进行检测。这些检测方法由于主要依赖人工操作，检测效率低下、检测过程易受主观因素影响而导致检测结果的可靠性和稳定度下降。
针对这个问题，有必要开发对滚珠丝杠螺旋滚道综合误差进行自动检测的新方法和新设备。美国学者Hunsicker Randal J.在其论文[1]中提出了一种基于视觉检测和图像处理的滚珠丝杠螺旋滚道参数动态检测方法，能动态检测滚珠丝杠螺旋滚道的节径尺寸误差。但采用该方法得到的检测精度受到视觉检测过程中的分辨率限制并容易受到图像变形和图像处理手段等因素影响，很难满足滚珠丝杠副螺旋滚道综合误差的高精度检测要求(论文[1]：Hunsicker Randal J.Automatic vision inspection and measurement system forexternal screw threads.Journal of Manufacturing Systems，v13，n5，1994，p370-384)。在滚珠丝杠螺旋滚道综合误差检测方面，国内外还没有同时具备高检测精度和高检测效率的自动检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够进行自动检测，检测精度高的滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法以及其装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法，包括如下步骤：首先进行采样前的准备工作，对检测装置的初始参数进行设置，确定待测滚珠丝杠的初始转角度数；然后采用光栅尺和光幕式位移传感器对待测的滚珠丝杠螺旋滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样；接着对前述过程中所采样的数据进行处理，得到该转角位置时待测滚珠丝杠螺旋滚道的法向截形误差和节径尺寸误差；转动待测丝杠，转动角度为(360/n)度；最后重复上述过程(n-1)次即获得待测滚珠丝杠螺旋滚道在n个不同转角度数下的法向截形误差和节径尺寸误差，取n个不同转角度数时各圈滚道上的法向截形误差和节径尺寸误差的最大值就是待测丝杠的实际法向截形误差和节径尺寸误差。
一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置，包括床身，该自动检测装置还包括导轨、尾架、测量架、头架、带轮传动机构、第一伺服电机、第二伺服电机、进给传动机构、光幕式位移传感器、光栅尺以及进行数据处理的计算机处理系统，导轨和头架固定在床身上，尾架和测量架安装在导轨上并能够沿导轨左右平移；第一伺服电机固定安装在头架的顶部，通过一个带轮传动机构可对头架和尾架之间装夹的待测丝杠进行回转驱动；第二伺服电机固定安装在床身上，通过一个进给传动机构来带动测量架在导轨上左右移动；光栅尺被固定在导轨上，其测量头和光幕式位移传感器一起被固定安装在测量架上。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1、采用本发明提出的方法，可根据滚珠丝杠制造技术条件(JB/GQ1098-87)的要求对滚珠丝杠螺旋管道的综合误差进行自动检测，相比现在采用的人工检测方法而言，具有高效率、高稳定性和高可靠性的优点；2、由于所采用高精度光栅尺的定位精度和光幕式位移传感器的检测精度都可达到±1.0μm，该检测方法可实现滚珠丝杠螺旋滚道综合误差的高精度检测，基于此方法进行的基础实验证明，该检测方法能满足滚珠丝杠螺旋滚道综合误差检测的高精度要求(由JB/GQ1098-87可查出，精度等级为最高的P1级滚珠丝杠的法向截形误差允差值为±12μm，节径尺寸误差应不大于3～8μm)；3、本发明滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置结构简单，便于加工生产，检测的数据值精确可靠，具有很好的市场前景。
附图说明
图1为本发明滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置结构示意图。
图2为本发明滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置中光幕式位移传感器的测量原理。
图3为滚珠丝杠螺旋滚道法向截形误差示意图。
图4为滚珠丝杠螺旋滚道节径尺寸误差示意图。
图5为本发明滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置中控制软件的运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明公开了一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法，该方法包括如下步骤：
首先进行采样前的准备工作，对检测装置的初始参数进行设置，确定待测滚珠丝杠的初始转角位置；
其次，采用光栅尺和光幕式位移传感器对待测的滚珠丝杠螺旋滚道各点的法向截形曲线上的轴向位置和径向位置进行采样，轴向方向每毫米采样点数目大于等于200个；
然后，对前述所采样的数据进行处理，即根据采样数据依次连接相邻的数据点，还原数据采样得到的每圈滚道的上下两个法向截形的实测曲线；针对每个法向截形的实测曲线，在圆心位置O为标准位置的情况下，求出不包含实测曲线上各点的最大圆半径R1和包含实测曲线上各点的最小圆半径R2，两者的差值t1p就是该处的法向截形误差，这样即可得到待测丝杠在该转角位置时每圈滚道上下两处的法向截形误差；针对每圈滚道的上下法向截形的实测曲线，分别求出标准钢球在同一圈滚道上下两处的法向截形内的球心位置，两个球心在径向方向的位置差即为滚珠丝杠螺旋滚道在该螺旋圆周内实际节径尺寸Dpw，此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测丝杠在该转角度数时这一圈滚道上的节径尺寸误差；
转动待测丝杠，转动角度为(360/n)度，n为3至6；
重复上述步骤(n-1)次即获得待测滚珠丝杠螺旋滚道在n个不同转角位置时的法向截形误差和节径尺寸误差，取n个不同转角位置时各圈滚道上的法向截形误差和节径尺寸误差的最大值就是待测丝杠的实际法向截形误差和节径尺寸误差。
结合图1，本发明还公开了一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置，包括床身1，床身1为整体铸铁件，结构与普通螺纹磨床的床身基本相同，该装置还包括导轨2、尾架3、测量架4、头架5、带轮传动机构6、第一伺服电机7、第二伺服电机9、进给传动机构10、光幕式位移传感器11、光栅尺12以及进行数据处理的计算机处理系统，导轨2和头架5固定在床身1上，尾架3和测量架4安装在导轨上并能够沿导轨左右平移；第一伺服电机7固定安装在头架5的顶部，通过一个带轮传动机构6可对头架5和尾架3之间装夹的待测丝杠8进行回转驱动；第二伺服电机9固定安装在床身1上，通过一个进给传动机构10来带动测量架4在导轨2上左右平移；光栅尺12被固定在导轨2上，其测量头和光幕式位移传感器11一起被固定安装在测量架4上。
本发明滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测装置中所使用的光幕式位移传感器11可对多种几何量进行检测，如直径，边缘等。结合图2，其主要由一个发射器13和一个接收器15组成，通过发射器13上的光源发射出一组在同一平面内的平行激光束投向待测目标工件14，在接收器15上便产生投影，通过一个极高分辨率的探测头检测出投影的长度，然后根据此投影的长度进行分析计算便可获得工件的直径或工件的边缘位置。在检测滚珠丝杠螺旋滚道综合误差的过程中，必须调整激光束平面与丝杠轴线的夹角等于滚道的螺旋角，从而得到法向截形上各点的径向位置。
以旋转待测滚珠丝杠3次为例对滚珠丝杠螺旋滚道综合误差进行检测的过程进行说明。首先，进行采样前的准备工作：把待测滚珠丝杠8装夹到检测装置上，调整光幕式位移传感器11和待测滚珠丝杠8之间的交叉角度，让光幕式位移传感器11的激光束平面与待测滚珠丝杠8轴线方向的夹角等于滚道螺旋角，并确定开始采样的左端初始位置，设定待测滚珠丝杠8此时的转角位置为0度；
其次，采用光栅尺12和光幕式位移传感器11对待测滚珠丝杠8螺旋滚道的法向截形曲线上的轴向位置和径向位置进行采样：在保持待测滚珠丝杠8不动的同时，通过计算机处理系统来控制测量架4向右平移，同时对待测滚珠丝杠8上每圈滚道的上下两个法向截形上各点进行数据采样，得到其轴向位置和径向位置并保存数据。再把待测的滚珠丝杠8旋转2次，即n＝3，每次旋转度数为360/n＝120度，重复上述过程2次，分别对转角度数为120度和240度时的待测滚珠丝杠8上每一圈滚道的上下两个法向截形重新进行两次完整的数据采样。数据采样过程中，轴向方向每毫米采样点数目不小于200个，其位置精度由光栅尺12保证；
然后，进行数据分析与处理，得到此次检测中的滚道综合误差：根据采样数据依次连接相邻的数据点，结合图3，还原数据采样得到的每圈滚道的上下两个法向截形的实测曲线；接下来，针对每个法向截形的实测曲线，在圆心位置O为标准位置的情况下，计算出实测曲线上各点到标准圆心位置O的距离，取其中的最小距离R1和最大距离R2，两者的差值t1p就是该处的法向截形误差；这样即可得到待测丝杠8在3个不同转角位置时每圈滚道上下两处的法向截形误差；另一方面，针对每个法向截形的实测曲线，针对每圈滚道的上下法向截形的实测曲线，结合图4，用一个直径与标准钢球直径相等的等效圆来模拟标准钢球在法向截形凹弧上的状态：调整等效圆在法向截形实测曲线凹弧内侧的圆心位置，并求出任一位置处实测曲线上各点到等效圆圆心的距离，当实测曲线上所有点到等效圆圆心的距离都大于或等于其直径、距离等于圆直径的支撑点(即位于圆上的点)的数目大于或等于两个点且等效圆的左半弧和右半弧上分别至少有一个支撑点时，可认为此等效圆获得实测曲线凹弧的支撑，此时的等效圆圆心位置就是标准钢球在法向截形内的球心位置。在得到同一圈滚道上下法向截形内的球心位置后进一步求出两个球心在径向方向的位置差，即为滚珠丝杠螺旋滚道在该螺旋圆周内的实际节径尺寸Dpw，此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测丝杠这一圈滚道上的节径尺寸误差；
最后，取待测滚珠丝杠8在3个不同转角位置时各圈滚道上的法向截形误差和节径尺寸误差的最大值就是待测滚珠丝杠8的实际法向截形误差和节径尺寸误差。
在上述过程中，待测滚珠丝杠8的螺旋滚道法向截形曲线的数据点采样过程以及实际法向截形误差和节径尺寸误差的计算过程都由该装置的计算机处理系统(包括软件)来实现。这样，通过本方法及其装置可实现滚珠丝杠螺旋滚道综合误差的自动检测。
本发明检测装置中控制软件主要包括四个功能模块，包括：参数设置模块、运动控制模块、数据采样模块和数据处理模块。其中，参数设置模块用于输入待测滚珠丝杠8和检测过程中的基本参数，运动控制模块主要实现待测滚珠丝杠8的回转角度控制和测量架4的左右平移控制，数据采集模块实现对滚道法向截形上各点轴向位置与径向位置的数据采集，数据处理模块主要根据所采集的滚道法向截形数据求出待测滚珠丝杠8的法向截形误差和节径尺寸误差。在检测过程中，通过调用各功能模块的相关功能完成待测滚珠丝杠8螺旋滚道综合误差的检测。如果对待测滚珠丝杠8的三个不同转角位置进行检测，则设定分别对待测滚珠丝杠8的转角为0度、120度和240度时的上下法向截形进行采样，转角位置序号用N(N＝1，2，3)表示。结合图5，在使用该控制软件并进入检测系统操作界面后，首先对电机和运动控制卡进行初始化设置，输入待测滚珠丝杠8的型号、长度、螺旋角等参数信息；接下来开始进行对整个待测滚珠丝杠8在转角为0度位置时的法向截形进行数据采样并存储信息到计算机；然后，控制待测滚珠丝杠8分别转动120度和240度，对整个待测丝杠的法向截形再进行两次数据采样并存储信息到计算机；当N＞3时，采样过程完成，根据采样的数据求出待测滚珠丝杠8的螺旋滚道法向截形误差和节径尺寸误差；最后，显示检测结果，该待测滚珠丝杠8的检测过程结束。
采用本发明中提出的方法及其装置，对某厂家生产的HKG654-03-301型滚珠丝杠螺旋滚道综合误差进行检测。该HKG654-03-301型滚珠丝杠的总长为500mm，直径为Φ32mm，导程为4mm，精度等级为P2级。结合图1，光幕式位移传感器11采用某公司生产的的optoCONTROL 2600型传感器，光栅尺12采用某工厂生产的LS106型增量式光栅尺。此外，检测装置计算机处理系统构成如下表1所示：
表1检测装置计算机处理系统构成
  部件名称   配置及指标   备注
工控机   集成主板；350W；Intel2.8G；KingStonRAM512M；硬盘ST80G；DVD-RW Combo光驱，光电鼠标套件 采集计算
  显示器   17寸LCD；   屏幕显示
计数卡   某公司IK220型计数卡(支持LabVIEW)正弦增量信号计数
伺服电机 MGMA09ZS1C(无键槽)，0.9kw，2000rpm，8.62NM，配17位绝对式编码器+电池 共2套
运动控制卡 两轴运动控制卡   用于精确位置控制
稳压电源 工业级稳压电源，定做(为ODC 2600-40，SCD2500，接近开关供电)1个，24V 供电
  控制软件 1套，基于LABView编写
基于该检测装置，采用本发明中提出的方法对给定HKG654-03-301型滚珠丝杠螺旋滚道综合误差的检测过程如下：
首先，进行采样前的准备工作：把待测HKG654-03-301型滚珠丝杠装夹到检测装置上，调整光幕式位移传感器12和待测丝杠之间的交叉角度，让光幕式位移传感器12的激光束平面与待测HKG654-03-301型滚珠丝杠轴线方向的夹角等于滚道螺旋角，并确定开始采样的左端初始位置，设定HKG654-03-301型滚珠丝杠此时的转角位置为0度；
其次，采用光栅尺12和光幕式位移传感器11对待测滚珠丝杠8螺旋滚道的法向截形曲线上的轴向位置和径向位置进行采样：在保持待测HKG654-03-301型滚珠丝杠不动的同时，通过计算机处理系统来控制测量架4向右平移，同时对待测HKG654-03-301型滚珠丝杠上每圈滚道的上下两个法向截形上各点进行数据采样，得到其轴向位置和径向位置并保存数据。再把待测HKG654-03-301型滚珠丝杠旋转2次，总共转角位置数目n＝3，每次旋转度数为360/n＝120度，重复上述过程2次，分别对转角度数为120度和240度时的待测HKG654-03-301型滚珠丝杠上每一圈滚道的上下两个法向截形重新进行两次完整的数据采样。数据采样过程中，轴向方向每毫米采样点数目为200个；
然后，进行数据分析与处理，得到此次检测中的滚道综合误差：根据采样数据依次连接相邻的数据点，结合图3，还原数据采样得到的每圈滚道的上下两个法向截形的实测曲线；接下来，针对每个法向截形的实测曲线，在圆心位置O为标准位置的情况下，计算出实测曲线上各点到标准圆心位置O的距离，取其中的最小距离R1和最大距离R2，两者的差值t1p就是该处的法向截形误差；这样即可得到待测丝杠8在3个不同转角位置时每圈滚道上下两处的法向截形误差；另一方面，针对每个法向截形的实测曲线，针对每圈滚道的上下法向截形的实测曲线，结合图4，用一个直径与标准钢球直径相等的等效圆来模拟标准钢球在法向截形凹弧上的状态：调整等效圆在法向截形实测曲线凹弧内侧的圆心位置，并求出任一位置处实测曲线上各点到等效圆圆心的距离，当实测曲线上所有点到等效圆圆心的距离都大于或等于其直径、距离等于圆直径的支撑点(即位于圆上的点)的数目大于或等于两个点且等效圆的左半弧和右半弧上分别至少有一个支撑点时，可认为此等效圆获得实测曲线凹弧的支撑，此时的等效圆圆心位置就是标准钢球在法向截形内的球心位置。在得到同一圈滚道上下法向截形内的球心位置后进一步求出两个球心在径向方向的位置差，即为滚珠丝杠螺旋滚道在该螺旋圆周内的实际节径尺寸Dpw，此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测HKG654-03-301型滚珠丝杠上这一圈滚道上的节径尺寸误差；
最后，取各圈滚道上的法向截形误差和节径尺寸误差的最大值就是此HKG654-03-301型滚珠丝杠的实际法向截形误差和节径尺寸误差。
经过检测得到的法向截形误差和节径尺寸误差为9.8um和2.6um，与厂家原有的测试结果9.0um和2.2um接近，能满足产品的测试要求。通过上面的具体实施例子，采用本发明中的方法及其装置实现了对HKG654-03-301型滚珠丝杠螺旋管道综合误差的自动检测。

Claims (5)

1.一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1：进行采样前的准备工作，对检测装置的初始参数进行设置，确定待测滚珠丝杠的初始转角度数；
步骤2：采用光栅尺和光幕式位移传感器对待测滚珠丝杠螺旋滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样；
步骤3：对步骤2中所测得的数据进行处理，得到在该转角位置时待测滚珠丝杠螺旋滚道的法向截形误差和节径尺寸误差；
步骤4：转动待测丝杠，转动角度为(360/n)度；
步骤5：(n-1)次重复步骤2、3、4，获得待测滚珠丝杠螺旋滚道在n个不同转角位置下的法向截形误差和节径尺寸误差，取此n个不同转角位置时各圈滚道上的法向截形误差和节径尺寸误差的最大值就是待测丝杠的实际法向截形误差和节径尺寸误差。
2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：所述的步骤2的采样过程中，轴向方向每毫米采样点数目大于等于200个。
3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法，其特征在于所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：根据采样数据依次连接相邻的数据点，还原数据采样得到的每圈滚道的上下两个法向截形的实测曲线；
步骤3.2：针对每个法向截形的实测曲线，在圆心位置O为标准位置的情况下，求出不包含实测曲线上各点的最大圆半径R1和包含实测曲线上各点的最小圆半径R2，两者的差值t1p就是该处的法向截形误差，这样即可得到待测丝杠在该转角度数时每圈滚道上下两处的法向截形误差；
步骤3.3：针对每圈滚道的上下法向截形的实测曲线，分别求出标准钢球在同一圈滚道上下两处的法向截形内的球心位置，两个球心在径向方向的位置差即为滚珠丝杠螺旋滚道在该螺旋圆周内实际节径尺寸Dpw，此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测丝杠在该转角度数时这一圈滚道上的节径尺寸误差。
4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：步骤5中的n为3至6次。
5.一种用于权利要求1所述的滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法的装置，包括床身[1]，其特征在于：该装置还包括导轨[2]、尾架[3]、测量架[4]、头架[5]、带轮传动机构[6]、第一伺服电机[7]、第二伺服电机[9]、进给传动机构[10]、光幕式位移传感器[11]、光栅尺[12]以及进行数据处理的计算机处理系统，导轨[2]和头架[5]固定在床身[1]上，尾架[3]和测量架[4]安装在导轨上并能够沿导轨左右平移；第一伺服电机[7]固定安装在头架[5]的顶部，通过一个带轮传动机构[6]可对头架[5]和尾架[3]之间装夹的待测丝杠[8]进行回转驱动；第二伺服电机[9]固定安装在床身[1]上，通过一个进给传动机构[10]来带动测量架[4]在导轨[2]上左右平移；光栅尺[12]被固定在导轨[2]上，其测量头和光幕式位移传感器[11]一起被固定安装在测量架[4]上。
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