丝杠传动工作台运动特性与误差分析_胡小文

第24卷第4期湖 北 工 业 大 学 学 报2009年08月Vol.24No.4 Journal of Hubei University of Technology Aug.2009[收稿日期]2009-03-19[作者简介]胡小文(1983-),女,湖北武汉人,湖北工业大学硕士研究生,研究方向:机械传动新技术.[文章编号]1003-4684(2009)04-0010-03丝杠传动工作台运动特性与误差分析胡小文,龚发云,王选择(湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉430068)[摘 要]对丝杠传动工作台的微定位特性进行了实验分析,观察高速运行时工作台位移存在振荡现象,分析了这种现象产生的原因.对工作台这种非线性运动造成的运动精度不高提出相应的措施,对定位误差做曲线拟合,实现误差的软件补偿.结果表明,经补偿后,滚珠丝杠传动工作台的定位精度达到2 m.[关键词]滚珠丝杠传动;定位误差;曲线拟合;软件补偿[中图分类号]T G 502[文献标识码]:A在表面形貌测量、精密加工、M EMS (微电机系统)控制、生物医学工程、半导体光刻技术中,大范围、高精度的位移测量与位移驱动系统具有重要的意义[1].国内外已经研制出的各种精密定位系统(如直线电机驱动、摩擦驱动、扭轮驱动等),都能实现大行程高精度的定位,但这些系统结构复杂,成本过高.因此,研制出一套高精密和低成本的精密工作台是精密技术的趋势.宏微双重驱动精密工作台可以实现大行程、高精度的要求.其中宏动部分由交流伺服电机驱动滚珠丝杠来实现.滚珠丝杠传动是传统的精密驱动方式,技术已经相当成熟,成本低.但宏动进给系统中的一些非线性因素,如滚珠丝杠螺母副间隙存在、弹性联轴器的变形、导轨摩擦等,对微运动特性的影响非常明显,制约了工作台运动精度和定位精度的进一步提高,因而研究滚珠丝杠传动工作台的微定位特性显得尤为重要.1 滚珠丝杠传动系统1.1 滚珠丝杠传动系统宏动部分本研究的精密工作台宏动部分采用松下公司的交流伺服电动机MSM D012PIU 、交流伺服驱动器M ADDT 125003以及增量式脉冲编码器组成的半闭环伺服系统.精密工作台伺服系统原理如图1所示.由于工作台的行程范围相对较小,采用的传动方式是:交流伺服电动机驱动金属缝隙联轴器,金属缝隙联轴器直接与滚珠丝杠螺母机构联接,滚珠丝杠驱动工作台运动.宏动部分系统主要有:1)工作台与光栅测量装置组成的控制对象及位置测量系统;2)基于FPGA 的运动控制系统,由电机控制模块、光栅计数模块、与上位机通信的数据输入/输出接口等组成.图1 滚珠丝杠传动工作台伺服系统原理图宏动部件的相关参数如下:工作台的行程,28mm;工作台的速度范围,0.006~25mm/s;滚珠丝杠的导程,2mm;增量式编码器,2500线.驱动器内部采用了四倍频技术,故其脉冲当量为360 /10000=0.036 ,因而该工作台的理论精度可达0.2 m.光栅测量系统中,光栅尺栅距为1.667 m.为了提高光栅分辨精度,光栅信号经过四细分辨向电路的方案,当光栅刻线密度为600线/mm 时,反馈检测分辨率为0.417 m.1.2 滚珠丝杠传动系统的特点滚珠丝杠传动效率高,摩擦小,在伺服控制系统中采用滚动螺旋传动,不仅提高传动效率,而且可以减小启动力矩、颤动及滞后时间,但传动系统的刚度不高,尤其细长的滚珠丝杠更是刚度的薄弱环节.起动和制动时能量的一部分要消耗在克服中间环节的弹性变形上,弹性变形使系统的控制难度增加,伺服性能下降[2].滚珠丝杠传动精度高,大多数精密系统常采用这种传动方式,但进给系统的滚珠丝杠螺母副的间隙、导轨副摩擦以及联轴器弹性和微小振动等因素影响着它的传动特性,由此限制了工作台定位精度的提高.1.3 滚珠丝杠传动系统光栅检测部分利用光栅的莫尔条纹测量位移,需要2块光栅:指示光栅和标尺光栅.指示光栅与运动件连在一起,并与运动件一起运动,光源发出的光线经透镜后成为平行光束,垂直投向标尺光栅.而2块光栅迭合时就形成了莫尔条纹.光栅测量实质上就是读取相应的栅线数.光电接收元件直接接收由标尺光栅和指示光栅所形成的莫尔条纹信号.光电元件用来感测随主光栅的移动而产生的莫尔条纹的光强变化,当2块光栅相对移动时,可以观测到莫尔条纹的光强变化:光栅每移动一个栅距,莫尔条纹便走过一个条纹间距,电压输出正好经历一个正弦变化周期;当光栅连续运动时,硅光电池产生正弦波电流信号,这些信号送至差动放大器,再通过整形,成为2路正弦及余弦方波.然后经微分电路获得脉冲,脉冲数和条纹数与移过的光栅栅距一一对应.光栅检测位移利用莫尔条纹有2个重要的特性[3]:1)辨向作用,当指示光栅不动,连接在工作台主光栅左右平移时,莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动,且其移动方向和工作台的移动方向可对应;2)位移放大作用,可以把肉眼看不见的光栅位移变成清晰可见的莫尔条纹移动,因此可以用测量莫尔条纹的移动来检测光栅的位移,即工作台微小的位移,从而实现高灵敏度的位移测量.2 丝杠传动系统物理样机实验分析2.1 采集实验数据工作台采用光栅测量作为反馈,以此提高工作台的精度.把光栅的光电信号转换成为数字信号,由4个光电管接受光信号,其中光强分别为I1,I2,I3, I4,经过差分放大电路,得到2路信号,即:A=I1-I3,B=I2-I4.接到示波器上观察,信号A设置为X 向,信号B设置为Y向,在四象限中出现Lisajo us 点.工作台运动的时候,该点在一个象限内运动到另一个象限,形成Lisajo us图.其运动的方向与工作台运动方向有关.因此通过电路处理,信号点从一个象限顺时针运动到另一个象限,光栅的计数值增加1;信号点从一个象限逆时针运动到另一个象限,光栅计数值减少1.通过编程采样光栅计数值,光栅计数值与工作台位移成正比例,从而直接反映出工作台运动位移的情况.通过VC++编程,得到控制工作台运动的面板,通过改变脉冲数、工作台的速度控制和运动方向等3个参数来控制工作台的运动情况(图2).图2 控制工作台运动的界面2.2 运动特性分析在控制工作台运动的界面中输入工作台的最大速度为25m m/s;脉冲数500,对应给定行程为100 m;运动方向为顺时针.将采样到的光栅计数处理后可以做出工作台的微位移图(图2).图2表明,高速运动时,工作台有明显的振荡现象.图3 工作台高速运动特性图交流伺服电动机顺时针旋转,对应工作台向左移动.给定指定脉冲和速度,电机以很大的速度启动后,工作台位移迅速增加,伺服控制系统为输入脉冲控制方式.这是因为电机起动时,由于电动机惯性力作用,电动机的转角超过了指定的脉冲数对应的转角.金属缝隙联轴器受到很大的扭转力矩,带动滚珠丝杠旋转,驱动工作台做直线运动,指示光栅移动,光栅位移增加.增量式编码器对输出轴的角位置进行编码,编码器的输出编码脉冲作为脉冲偏差计数器的另一个输入.该输入是负反馈的脉冲输入.比较脉冲数,反馈到偏差计数器,驱动器控制电机运动修11第24卷第4期 胡小文等 丝杠传动工作台运动特性与误差分析正,电机反向运动,速度降低,工作台的位移减少.经反馈修正,电动机逆时针旋转,由于速度过大,中间的弹性传动环节和摩擦力不能抵抗交流伺服电动机的转矩,带动工作台向右运动,即工作台的位移下降.在修正过程中,由于电动机速度过大,修正转角值不能一次到位,如此反复,直到偏差计数器的计数值为0,D/A转换器输出电压为零,交流伺服电动机停止转动,最终工作台停止移动.工作台的位移值不变化.3 误差分析与补偿由滚珠丝杠传动工作台运动非线性特性分析知,在高速微位移运动下,工作台定位精度不高.而通过实验,可测出定位误差.传统的数据建模方法有代数插值法和曲线拟合法[4].因为测量的数据带有误差,故选择后一种方法.用曲线拟合方法建模的优点是获得的实验数据不需完全真实,即实验数据可以带有误差.由于实际问题的复杂性,在选取模型的时候需要有一个比较通用的解决办法,此时适应性较好的多项式曲线是理想的选择.对定位误差数据点进行拟合.利用函数x= (0:0.002:0.078)生成一个在区间[0,0.078]内等间距分布的x点集向量,然后利用函数p= po lyfit(x,y,20)得到20阶近似多项式系数:p=1. 0e+030*(-2.7798 2.1564 -0.7741 0.1706 -0.0258 0.0029 -0.0002 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 0.0000).MAT LAB命令如下:>>x=(0:0.002:0.078);>>y=[00.0341670.0174960.0187440.0158270.0237440. 0199940.0133260.0149930.0162430.0137430.0145770.013743 0.0133260.014160.0137430.0137430.0137430.0137430. 0137430.0137430.0137430.0137430.0137430.0137430.013743 0.0137430.0137430.0137430.0137430.0137430.0137430. 013260.013260.013260.013260.013260.013260.013260. 01326];>>p=polyfit(x,y,20);>>f=polyval(p,x);>>table=[x y f y-f]为了更直观,调用函数plot(x,y,'o',x,f,'-'),将拟合后的曲线在窗口中显示出来(图4).>>plo t(x,y,'o',x,f,'-')提高滚珠丝杠传动工作台的定位精度可以通过2种方式.1)硬件补偿,提高系统各部件的精度.通过在滚珠丝杠上安装一个可控压电螺母来调节滚珠丝杠的预紧力,消除轴向间隙,提高定位精度,并且在微动阶段使用该压电单元来实现纳米分辨率的微进给,实现了大范围的超精密定位[5].2)软件补偿,采用计算机编程的方法来消除定位误差.软件补偿法的灵活性大、补偿量更改方便,是目前普遍使用的误差补偿方法.这种误差补偿方法对计算机处理数据的要求较高.随着计算机技术的发展,应用得越来越广泛.对比2种方法,考虑到成本问题,因此采用软件编程来补偿.将多项式拟合误差通过VC++软件编程来实现误差补偿,结果表明,工作台高速运动微定位的定位精度从误差补偿前的8 m提高到补偿后2 m.图4 拟合曲线[ 参 考 文 献 ][1] 王选择.正交衍射光栅计量原理及在超精密工作台上的应用[D].武汉:华中科技大学图书馆,2004.[2] A rai Y,Gao W,K iy ono S,et al.M easurement of theSt raig htness o f a L eadscrew-Dr iven P recision Stag e [J].Key Eng ineering M aterials2005,295-296. [3] 张善锤.计量光栅技术[M].北京,机械工业出版社,1984.[4] R amesh,M AM annan,A n P orer ro r compensation inmachine to ols_a rev iew Par t I g eametric,cutting-force induced and fixture dependent err ors[J].Inter-natio nal Journal of M achine T oo ls&M anufacture,2000(40):1235-1256.[5] Chen J S,Dw ang I C.A ballscr ew dr ive mechanismwith piezo-elect ric nut fo r preload and motio n co ntr ol[J].M achine T ool&M anufacture,2000,40:513-526.(下转第15页)12湖 北 工 业 大 学 学 报2009年第4期A Default Detecting Approach to Bearing SealRing Based on Machine VisionH UANG Jun -min 1,2,WU Qing -hua 1,2,ZH OU Jin -shan 1,2,H E Tao1,2(1H ubei K ey L ab of Manuf acture Quality Engin.,Wuhan 430068,China;2School of Mechanical Eng in.,H ubei Univ.of T echnology ,Wuhan 430068,China)Abstract:T he paper first introduces an approach that the machine visio n technolog y is used in g eo metric measurem ent and image pr ocessing conventional technolo gy.The application of the machine vision techno-l o gy is analyzed in the m easur em ent study of the tw o dim ensional surface.Based on the bearing seal ring object,algo rithm co mpile pro gram is designed in Visual C++6.0and then the arithm etic is realized.Af -ter a series of exper im ents,the results show that this approach is feasible.Keywords:im age processing;seal ring;least square[责任编校:张 众](上接第12页)Analysis of Micro -positioning Characteristics Screw TransmissionH U Xiao -w en,GONG Fa -yun,WANG Xuan -ze(School of Mechanical Eng in.,H ubei Univ.of T echnology ,Wuhan 430068,China)Abstract:T his paper analyzes the char acteristics of the ball screw transmission,makes ex periment on the table and co llects data and analysis the kinetic characteristics.A s to the no nlinear motion of the ball screw leading stage's positioning er ror,it pr opo unds cur ve fitting and soft co mpensation.T he results indicate that the so ft com pensation is feasible.The positioning precision can be im pro ved g reatly.Keywords:screw transmissio n;positioning error;curv e fitting;soft co mpensation[责任编校:张 众]15第24卷第4期 黄俊敏等 基于机器视觉的轴承密封圈缺陷检测方法。