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一种基于CPLD的丝杠螺旋线误差动态检测方法

一种基于CPLD的丝杠螺旋线误差动态检测方法
一种基于CPLD的丝杠螺旋线误差动态检测方法

一种基于CPLD 的丝杠螺旋线误差动态检测方法

朱凌建,邱宗明,李 林,刘介良

(西安理工大学 陕西西安 710048)

摘 要:针对目前广泛应用的滚珠丝杠螺旋线误差检测系统的不足,对传统测量仪器进行了改造,以双频激光干涉仪作为长度测量基准、圆光栅作为角度基准,设计以可编程逻辑器件(CPL D)为核心电路的计算机测量系统方案,并进行样机实验研究和试运行,运行结果证明该套测量系统能够实现两级以上丝杠螺旋线误差的动态测量,测量效率高。

关键词:CPL D;丝杠螺旋线误差;动态测量;双频激光干涉仪;圆光栅

中图分类号:T H 7 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2006)0213603

Research on High Precision Dynamic Detecting System of

S crew Shaft Helical Line Error Based on CPLD

ZH U Ling jian,Q IU Zong ming ,LI L in,LIU Jieliang

(Xi c a n U ni v ersity o f T echno logy ,Xi c an,710048,China )

Abstract :Screw shaft is w idely used as driving piece and measuring piece 1It is ur gent to dev elop advanced instrument w ith hig h eff-i ciency and dynamic perfo rmance o n screw shaft measur ement 1An improv able co mpute contro lled metho d on dynamic measurement is pres -ented in this paper based on the CP LD log ic design,it emplo ies do uble frequency inter fero meter as leng th benchmark and ro und raster as ang le benchmark 1T his measur ement system is v alidated success by both theor y and practice 1

Keywords :CPL D;screw shaft helical line erro r;dy nam ic measurement;double frequency inter ferometer ;r ound raster

收稿日期:2005

1025

1 引 言

丝杠[1,2]在工业中既可以作为传动和定位元件,又可以作为测量元件。特别是精密丝杠,现已广泛应用于三坐标测量机及柔性加工中心等高精度测量仪器及加工设备中,丝杠的加工质量,直接影响到机械的传动精度、定位精度、分度精度、加工精度和测量精度。以往的丝杠螺旋线误差检测方法均属于手动的静态测量方法,使用不方便,测量效率低、人为视差大。针对上述缺点,以及根据现行ISO 标准和国家标准,要求能够对被测丝杠获得有效长度内及任意2P ,25mm,100mm,300mm 内的螺旋线轴向误差,对传统测量仪器进行了改造,以双频激光干涉仪作为长度测量基准、圆光栅作为角度基准,设计以可编程逻辑器件(CPLD)为核心电路的计算机测量系统方案,实现螺旋线误差动态高精度的检测。

2 丝杠螺旋线误差的测量原理[3]

理论上,丝杠的螺旋线可以用下列关系式表示:

H =

S

(1)

其中:H 为丝杠和螺母之间的相对转角;S 为与H 对应的理论轴向位移;P 为丝杠的螺距;z 为螺旋线头数。

对于理想的丝杠,转角和位移始终保持式(1)的关系。为了叙述方便,只讨论单头丝杠,即z =1,如果用一个角坐标反映丝杠的转角H ,即可得出对应的理论轴向位移S 为:

S =

H 2P

P (2)

根据误差的定义:

$E =S c -S =S c -H

2P

P (3)

其中:S c 为对应H 的实测轴向位移。

3 丝杠螺旋线误差的测量系统方案设计

[4]

由式(3)可以看出,丝杠螺距P 为已知值,测量丝杠螺旋线轴向误差实际上就是测H 及S c 这两个坐标值。因此,系统方案将围绕这两个关键参数进行设计,系统工作原理如图1所示。

利用圆光栅2作为角度基准,即指示光栅3固定,机床主轴5转动,带动圆光栅转动,圆光栅与指示光栅之间产生

相对运动,进而产生周期性变化的莫尔条纹信号,由光电接收元件接收,经电路处理得到与主轴转角成正比的脉冲个数N H ;利用双频激光干涉仪12作为长度测量基准,测量反

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测试#封装#材料朱凌建等:一种基于CPLD 的丝杠螺旋线误差动态检测方法

射镜11固定安装在可动工作台9上,被测丝杠7随主轴做同步转动,从而推动测头10做纵向移动,利用激光干涉测量原理,经电路处理可计算出位移S c 。利用上述方案实现H 及S c 的测量,经过数据处理,可计算出丝杠螺旋线轴向误

差。

图1 系统工作原理图

4 系统硬件电路设计

由系统工作原理图(图1)可以看出,系统硬件电路包含以下几个部分:光电模拟信号处理电路、光栅信号处理电路、时序逻辑电路和接口电路。光电模拟信号处理电路将双频激光干涉仪测量光信号和参考光信号转换为相应的电信号,并把他们放大整形成对称的方波,供后续数字电路处理;光栅信号处理电路主要是获取光栅信号并对光栅信号进行放大整形,供后续数字电路处理;时序逻辑电路完成双频激光干涉仪的两路信号的同步、对消、对减等处理,同时实现光栅信号的分频操作,并把分频信号作为长度测量的锁存信号,实现角度信号和长度信号的同步;时序逻辑电路需要的逻辑处理比较复杂,故选用可编程逻辑器件(即CPLD),编程实现几路信号的逻辑关系,简化电路板设计;接口电路实现计算机和外设正常通讯、协调CPU 与外设的功能定义,实现数据采集和人机对话。在本测量系统中,需要实时采集数据,并且和计算机通讯的数据量大,选用基于PCI 总线的接口电路。综上所述,整个测量系统电路原理框图如图2

所示。

图2 电路原理框图

CPLD 电路把输入的两路信号处理成与丝杠轴向位移

成正比的脉冲个数,分频器的分频信号把脉冲数锁存,并发出中断,经过PCI9052向微机申请中断,由中断服务程序读取并保存锁存器的值。

5 系统测量软件设计[5]

系统测量软件是实时测量系统的重要组成部分,软件主要包括如下几个模块:人机接口模块、数据管理模块、实时监测模块、数据处理模块、通讯模块5大部分,考虑到测量系统的特殊性及重要性,本软件在设计时,采用三级分离技术,以满足实时测量系统对测量软件提出的实时性、可靠性、可扩性及通用性要求,三级模式如图3

所示。

图3 三级模式

一级:WDM 驱动程序 采用Windows 管理底层硬件的驱动程序模型编写驱动程序,驱动程序以中断或查询方式工作,主要用于采集端口数据,实时把长度信号的计数值采集到计算机中,实现数据采集的实时性。

二级:CO M 组件模块 用于封装测量软件与驱动程序通讯的细节、数据处理等功能,以统一的接口方式为高层软件服务,实现模块化。

三级:用户应用软件 主要是界面设计,实现与用户的交互性。主要完成用户数据库管理、系统参数设置、数据采集处理等功能。测量软件通过板卡驱动程序,把数据读入到内存中,数据采集完成后,由应用程序处理数据,可画出误差曲线图,并给出相应项目的误差值。

6 系统误差分析

从测量原理图可知,本测量系统不符合阿贝原则,虽然能够对阿贝原则进行扩展,使被测丝杠轴线和测量反射镜的移动轨迹平行;但这在实际系统中,无论是制造误差,还是安装误差,都不可能完全达到,这就使得实际系统必然存在阿贝误差,按最坏情况计算,阿贝误差为(式中W 是阿贝距离且按最坏情况计算为90mm):

$E 1=2W 106=2@90@103

10

6

=0118L m (4)

从式(4)可知,整个测量系统由于违背阿贝原则而导致的阿贝误差为0118L m,远小于系统的测量不确定度要求2L m/m 。

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《现代电子技术》2006年第2期总第217期

6集成电路4

双频激光干涉仪的长度测量误差为:

$E 2=(0116+015@L @10-6)L m

(5)

其中,L 为被测长度,单位:L m

对于本测量系统,如果测量长度为1m,带入公式(5)得到最大测量误差值为:

$E 2=0116+015@1@106

@10

-6

=0166L m (6)

由于圆光栅制造误差引起的测量误差大小为:

$E 3=$H

3600@360

#P

(7)

其中,P 为被测丝杠螺距,单位:L m 。

本测试系统所能检测的丝杠最大螺距为:P max =40mm ,测试系统所用圆光栅精度为$H =10c c ,代入式(7)可得:

$E 3=

$H 3600@360#P =10

3600@360

#P

=0131L m

(8)即圆光栅的制造误差导致的最大测量误差为0131L m 。

对上述各个误差进行均方根综合,可以得出整个测量系统的测量误差为:

$E =

$E 2

1+$E 2

2+$E 2

3

=

01182+01662

+01312

=0175L m

(9)

从式(9)可以看出,整个测量系统的测量误差为

0175L m/m 。

7 结 语

该套测量系统已在西北机器厂试用两年,设备运行良好,试用结果证明该套测量系统测量误差小于国家标准中

对行程测量仪1L m/m 的精度要求,能够实现2级以上丝杠螺旋线误差的动态测量,测量效率高,可操作性好。该套测量系统实现了丝杠螺旋线误差实时检测与误差分析,

为生产厂家及时发现和改进滚珠丝杠加工中存在的工艺问题提供了参考依据和技术保证,有利于提高滚珠丝杠的加工和使用精度。

参 考 文 献

[1]刘介良1高精度丝杠动态检测系统的研究[D]1西安:西安理工大学图书馆,20051

[2]庄夔1三米丝杠激光动态测量仪总体精度设计[J]1上海大学学报(自然科学版),1995,1(5):5215231[3]徐孝恩1螺纹测量[M ]1北京:机械工业出版社,19861[4]关信安,袁树忠,刘玉照1双频激光干涉仪[M ]1北京:中国计量出版社,19871

[5]

武安河1Window s 2000/XP W DM 设备驱动程序设计[M ]1北京:电子工业出版社,20031

作者简介 朱凌建 男,1978年出生,浙江遂昌人,硕士。主要从事测控技术及仪器研究。

邱宗明 男,1956年出生,西安理工大学教授。主要从事光机电一体化精密测量技术、图像处理技术的研究。

(上接第135页)

实验中信号的采样间隔固定为110ms,即每周期大约有20个采样点;频率在4715~5215H z 范围等间隔地取21个频点;通过对180个初始相位U 0=k P /180(k =0,1,,,179)对应的测量误差取最大,得到不同频率时的最大测量误差;最大测量量程设为300V;模拟12b AD 对信号进行采样量化,相应的量化误差约为012V 。

表1给出了计算结果。可以看出,改进前的采样方法对应的测量误差的最大值大约为2V,而改进后的采样方法对应的测量误差要小得多,最大值011V 。

改进后的算法仍然存在一定的测量误差,而且误差的大小随被测信号频率的不同而不同。这主要有2个原因:

(1)在计算时用求和代替积分会带来误差;(2)采样量化也会带来误差。

如果要进一步减小测量误差,必须提高对信号的采样率和采样精度,但这又会增加软硬件实现的难度。

4 结 语

本文对测量交流电有效值的采样方法进行了误差分析,导出了测量误差的一般公式。在误差公式的基础上提出了一种改进的测量有效值的采样方法。通过理论分析和仿真实验可以得出,改进的采样方法具有以下特点:方法简单,易于实时实现。

相对于改进前的采样方法,测量精度提高了一个数量级;有效值的计算仅需信号一个周期的采样数据,因而测量值能灵敏地反应信号的变化(响应速度快)。

参 考 文 献

[1]戴先中1准同步采样中的几个理论与实际问题[J]1仪器仪表学报,1982,3(2):2032071

[2]

Dai Xianzhong 1Quasi sy nchro no us Sampling A lg or ithm and Its A pplicatio ns [J]1IEEE T rans.on Instrumentation and M easurement,1994(2):204209.

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测试#封装#材料

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