基于西門子S120驅(qū)動(dòng)的高速滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)精度測(cè)試研究

劉謀云 白國(guó)振 遲玉倫

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

滾珠絲杠副作為機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的重要組件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的性能。隨著數(shù)控機(jī)床及各種機(jī)電一體化裝備朝著高精度、高速和高加速度的方向發(fā)展，高速滾珠絲杠副的應(yīng)用也越來(lái)越為廣泛。然而高速滾珠絲杠副伴隨著溫升，熱伸長(zhǎng)，精度降低等動(dòng)態(tài)精度問(wèn)題的出現(xiàn)，制約著高速精密滾珠絲杠副的發(fā)展［1］。因此，研究產(chǎn)生和影響動(dòng)態(tài)精度變化的規(guī)律和因素為生產(chǎn)、制造高速滾珠絲杠副提供有力的數(shù)據(jù)參考具有重要意義。

近年來(lái)，為適應(yīng)高檔數(shù)控機(jī)床高速、高精度加工的要求，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者圍繞高速滾珠絲杠副溫升、熱變形、定位精度等動(dòng)態(tài)精度展開了深入的研究，取得了一定的成果:北京機(jī)床研究所首先于2000年研制成了“GSZ2000高速滾珠絲杠副性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)”，該試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)試高速滾珠絲杠副的定位精度、噪聲、熱變形等動(dòng)態(tài)性能，受當(dāng)時(shí)軟硬件的限制，主軸轉(zhuǎn)速還不是很高;隨著研究高速精密滾珠絲杠副的不斷深入，各大高校也紛紛開始創(chuàng)建高速滾珠絲杠實(shí)驗(yàn)室，大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了滾珠絲杠副綜合性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，引入虛擬儀器技術(shù)，拓寬了滾珠絲杠尺寸檢測(cè)范圍，長(zhǎng)度可以在2～4 m，直徑范圍20～80 mm，絲杠轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到6 000 r/min［5］。同時(shí)，國(guó)內(nèi)有些企業(yè)也在研究高速滾珠絲杠副，像陜西漢江機(jī)床廠、山東濟(jì)寧博特公司，他們的檢測(cè)手段和制造工藝也有很大的革新。本課題試驗(yàn)臺(tái)采用基于西門子S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，S120的中心控制單元CU320具有通訊開放性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，遵循 PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與基于PC的WinAC控制器通訊的自動(dòng)化解決方案。此方案是應(yīng)用在新一代高速進(jìn)給系統(tǒng)上的先進(jìn)技術(shù)之一。本文建立了兩大動(dòng)態(tài)精度測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了滾珠絲杠副熱變形及定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，得出了滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)精度影響因素和相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的組成

高速滾珠絲杠動(dòng)態(tài)精度測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示:試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)單軸且在高精度直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)，嚴(yán)格保證了兩直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠在兩個(gè)方向上的平行度。西門子交流伺服電動(dòng)機(jī)直接通過(guò)聯(lián)軸器連接滾珠絲杠。采用海德漢精密直線光柵尺LC183作為實(shí)際位置測(cè)量基準(zhǔn)，交流伺服電動(dòng)機(jī)自身帶的旋轉(zhuǎn)編碼器作為絲杠旋轉(zhuǎn)角度傳感器，即目標(biāo)位置的設(shè)定。伺服電動(dòng)機(jī)座、前后支撐座及其支撐座軸套均采用可拆卸聯(lián)接固定在床身上，目的是為了可以調(diào)換安裝不同尺寸規(guī)格的絲杠，床身上開設(shè)有支撐座滑動(dòng)定位槽，實(shí)現(xiàn)在同一試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)不同直徑、長(zhǎng)度的高速滾珠絲杠進(jìn)行動(dòng)態(tài)精度測(cè)試，具有通用性廣、功能多樣的優(yōu)點(diǎn)。

試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，在PROFIUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線上連接著兩個(gè)相互通訊的DP站，其中基于 PC的控制器 WinAC作為主站，它以CP5611卡作為通訊接口與SIEMENS S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中心控制單元CU320通過(guò)DP線連接，進(jìn)行通訊。同時(shí)上位機(jī)軟件采用LabVIEW 8.0編寫，以O(shè)PC作為通訊協(xié)議，使WinAC與上位機(jī)LabVIEW通訊。各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，可以實(shí)現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)保存并打印輸出規(guī)范的檢測(cè)報(bào)告。圖中S120伺服系統(tǒng)控制方式為半閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)精密光柵尺測(cè)得滾珠絲杠副螺母到達(dá)的實(shí)際位置作為基準(zhǔn)進(jìn)行反饋，并且實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼器和光柵尺脈沖值信號(hào)多路數(shù)據(jù)的同步精確采樣。

2 動(dòng)態(tài)精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 熱變形測(cè)試原理及方法

高速滾珠絲杠動(dòng)態(tài)精度測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的溫升熱變形測(cè)試系統(tǒng)屬于典型的基于虛擬儀器與現(xiàn)實(shí)儀器相結(jié)合的測(cè)量系統(tǒng)，借助工控機(jī)強(qiáng)大的圖像處理能力完成對(duì)溫度和熱變形量的采集和數(shù)據(jù)處理。測(cè)試系統(tǒng)由設(shè)備臺(tái)架，溫度巡檢儀FL－XMDA－9000A，電容式位移傳感器capaNCDT6100、工控機(jī)，虛擬儀器LabVIEW和7個(gè)溫度傳感器Pt100組成。7個(gè)溫度傳感器分別用來(lái)測(cè)不同的溫度，如表1所示（B1是位移傳感器的安放位置）。

使高速精密滾珠絲杠副在滾珠絲杠與滾珠螺母軸向相對(duì)位移加速度≥1g，相對(duì)位移速度≥60 m/min的高速條件下驅(qū)動(dòng)模擬工作臺(tái)沿軸向連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩端停頓時(shí)間2±0.5 s。由于絲杠始終處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，溫升傳感器不便于安裝，所以，一般參照滾珠螺母的溫度來(lái)間接反映絲杠的溫度。

表1 傳感器位置布置安排

絲杠的熱變形和溫升是同步采集的，方法是在絲杠的端部工藝孔處放置一粒大號(hào)鋼珠，位移傳感器安放在鋼珠的正對(duì)前方處，并給定一個(gè)它們之間的距離初始值S0。由于絲杠的安裝采用一端固定，另一端浮動(dòng)的安裝方式，所以溫升引起的熱變形主要以軸向變形為主。實(shí)驗(yàn)采取對(duì)每10 min內(nèi)采集的距離值加權(quán)平均一次，記為Si，則絲杠變形量ΔS為

2.2 運(yùn)動(dòng)精度測(cè)試原理及方法

電動(dòng)機(jī)分別以轉(zhuǎn)速:1 500 r/min，1 200 r/min，800 r/min運(yùn)動(dòng)，測(cè)量行程是1 200 mm，循環(huán)周期為5個(gè)周期。如圖4所示，在工作臺(tái)的行程上，選取7個(gè)測(cè)點(diǎn)（包括起始點(diǎn)和終點(diǎn)），每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的間隔為200 mm。以這些測(cè)點(diǎn)作為目標(biāo)位置Pj，快速移動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件分別對(duì)各目標(biāo)位置從正、負(fù)兩個(gè)方向進(jìn)行5次定位。

（1）定位精度計(jì)算

每次精密光柵尺測(cè)出正、負(fù)向?qū)嶋H到達(dá)的位置Pij，求得位置偏差Xij=（Pij－Pj），求得定位精度:

（2）重復(fù)定位精度計(jì)算

重復(fù)定位誤差R，以所有6Sj↑、6Sj↓的最大值計(jì)，即:

式中:Sj↑為正向標(biāo)準(zhǔn)偏差;Sj↓為負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（3）反向誤差計(jì)算

計(jì)算出全行程的各目標(biāo)位置上，正、負(fù)向定位時(shí)的平均位置偏差之差值（↑－↓），即反向差值Bj，誤差以所有Bj絕對(duì)值的最大值計(jì)，即:

3 動(dòng)態(tài)精度測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 熱變形測(cè)試結(jié)果與分析

溫升值和滾珠絲杠熱變形量測(cè)試結(jié)果如圖5和6所示。

從圖5可觀察到，電動(dòng)機(jī)溫度、滾珠絲杠螺母溫度、兩軸承溫度、導(dǎo)軌座溫度及環(huán)境溫度隨時(shí)間變化非常明顯，最高溫度變化達(dá)到10℃以上。

結(jié)合圖5和圖6可看出，滾珠絲杠變形量隨著滾珠螺母溫升值的增大而增大，當(dāng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，絲杠伸長(zhǎng)量變化很小，趨于停止。表明溫升與熱變形間關(guān)系緊密，呈正向關(guān)系。

把整個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間分為4個(gè)階段:0～120 min，120～300 min，300～310 min，310～360 min，其變化斜率如表2所示。

表2 熱伸長(zhǎng)量斜率變化

從表2中可知，滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)與回復(fù)存在著明顯的時(shí)間階段差異，其中起始與剛停車階段是變形量最為明顯階段。要抑制其斜率變化過(guò)快，應(yīng)考慮絲杠制造材料的熱膨脹系數(shù)。因此，要減小滾珠絲杠的熱變形一方面要考慮降低溫升。目前關(guān)于降低溫升的辦法有中空設(shè)計(jì)，對(duì)絲杠和螺母通入冷卻液強(qiáng)制制冷;增大滾珠絲杠副導(dǎo)程以及減少傳動(dòng)摩擦帶來(lái)的降低溫度上升。另一方面在滿足絲杠足夠的剛度，強(qiáng)度和耐磨度的同時(shí)考慮材料的熱膨脹系數(shù)，盡量選擇膨脹系數(shù)小的材料。

3.2 運(yùn)動(dòng)精度測(cè)試結(jié)果與分析

表3是測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到的運(yùn)動(dòng)精度誤差數(shù)據(jù)。從圖7中可看出3種運(yùn)動(dòng)精度:定位精度誤差A(yù)、重復(fù)定位精度誤差R和反向差值精度誤差B都是隨著滾珠絲杠轉(zhuǎn)速的提高而增大。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，分析得出如下結(jié)論，影響定位精度的因素有下列幾點(diǎn):

表3 運(yùn)動(dòng)精度測(cè)試結(jié)果

（1）加工工藝與生產(chǎn)制造水平受限產(chǎn)生的滾珠絲杠副螺距誤差;

（2）試驗(yàn)臺(tái)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，熱變形導(dǎo)致的絲杠軸向誤差;

（3）滾珠絲杠副作為傳動(dòng)鏈的末端，具有反向間隙誤差;

（4）滾珠絲杠副的安裝誤差。

因此，要提高滾珠絲杠副的定位精度必須提高整個(gè)機(jī)械行業(yè)加工制造水平，縮小理論設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造之間的制造誤差。再者降低溫升對(duì)軸向熱變形的影響，采用合理的絲杠副安裝方式，比如試驗(yàn)前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸等。最后可以采用閉環(huán)位置控制方式，實(shí)時(shí)對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到提高精度的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用西門子S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及Profibus－DP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了基于PC的WinAC控制的自動(dòng)化解決方案，此實(shí)現(xiàn)方案開放性強(qiáng)、實(shí)時(shí)控制能力好。建立溫升與熱變形關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)精度測(cè)量系統(tǒng)，在自制的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，對(duì)高速滾珠絲杠動(dòng)態(tài)精度測(cè)試分析后，有如下結(jié)論:

（1）絲杠的平均溫升值和絲杠制造材料的熱膨脹系數(shù)是兩個(gè)影響絲杠熱變形的決定性因素;

（2）在同等載荷的條件下，定位精度誤差、重復(fù)定位精度誤差和反向差值精度誤差都是隨著滾珠絲杠轉(zhuǎn)速的提高而增大;

（3）根據(jù)分析結(jié)果，提出了改進(jìn)滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)精度的具體措施。

［1］Xu Z Z，Liu X J，Kim H K，et al.Thermal error forecast and performance evaluation for an air－cooling ball screw system［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2011（51）:605－611.

［2］余芳文，尚建嘎，古富強(qiáng)，等.動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)研究［J］.測(cè)控技術(shù)，2012，31（1）:17－20.

［3］Chen J S，Huang Y K，Cheng C C.Mechanical model and contouring analysis of high－speed ball－screw drive systems with compliance effect［J］.Int.J Adv.Manuf.Technol，2004（24）:241－250.

［4］劉劍.高速滾珠絲杠副綜合性能的試驗(yàn)研究［D］.山東:山東大學(xué)，2005.

［5］袁帥，杜長(zhǎng)江.基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副綜合測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010（6）:141－145.

［6］http://www.ad.siemens.com.cn/download/.SINAMICS S120 調(diào)試手冊(cè)［Z］.2010.