滾珠絲杠" title="滾珠絲杠">滾珠絲杠副是一種高精度、高效率的傳動機構。絲杠的精度檢測是絲杠加工中的重要一環，它直接影響到絲杠系列產品的精度和質量。目前常規的絲杠檢測方法主要有動態測量" title="動態測量">動態測量與靜態測量兩種。其中，動態測量較傳統的靜態測量具有測量精度高、重復性好、效率高、檢測人員勞動強度低、檢測自動化程度高等優點，因此在一些大批量、規模化絲杠系列的生產與安裝調試場合，動態測量已基本取代了靜態測量，成為絲杠檢測的主要手段。本文結合科研項目開發了基于DSP運動控制器的絲杠副動態測控系統，使絲杠副檢測的效率得到了提高，使用效果良好。
1 絲杠動態誤差測量系統基本原理
　　絲杠動態測量是指絲杠在回轉中連續測量絲杠螺距誤差和螺旋線" title="螺旋線">螺旋線誤差，并自動記錄下誤差值。與靜態測量相比，動態測量具有精度高、測量速度快的優點，并且可大大減輕勞動強度。
　　絲杠動態測量的基本工作原理是通過絲杠的實際螺旋線與標準螺旋線相比較來求得被測絲杠的螺旋線誤差。圖1給出了被測絲杠的螺旋線誤差示意圖。
　　螺旋線誤差△可由式(1)求得：
　　
　　其中， Z——測量頭沿絲杠軸線方向的行程
　　T——被測絲杠的導程
　　θ——被測絲杠轉過的角度
　　本測量系統采用“同步位移絕對值比較法”進行測量，其原理如圖2所示。具體方法為：記數卡以一定采樣間隔同步采集角位移信號和測頭軸向位移信號，通過記數卡本身所具有的信號處理系統將兩路信號進行高倍數電子細分后傳送給計算機系統，再由相應的軟件將信號轉換為位移量，通過計算機實時處理計算出絲杠誤差值。兩路信號在計算機處理之前未發生任何聯系，通過計算機處理使它們成為絲杠螺旋線的角度基準量和軸向位移量，并通過比較計算出誤差值。

2 絲杠副動態測控系統硬件
2.1 基于DSP的運動控制器MCT8000F4簡介
　　深圳摩信科技公司的MCT8000系列智能運動控制器包括主控制板、接口板以及控制軟件等，具有開放式結構、高速、高精度、網際在線控制、多軸同步控制、可重構、高度集成、高度可靠和安全等特點，是新一代開放式結構的高性能可編程運動控制器。
　　根據系統需要選用MCT8000F4四軸運動控制器。圖3為DSP多軸運動器的硬件原理圖。圖中增量編碼器的A0(/A0)、B0(/B0)、C0(/C0)信號作為位置反饋信號，運動控制器通過四倍頻、加減計數器得到實際的位置，實際位置信息被存在位置寄存器中，計算機可以通過控制寄存器進行讀取。運動控制器的目標位置通過數據采集系統得到，并由計算機進行計算得到位置誤差值，再經過加減速控制和數字濾波后送到D/A轉換器(DAC)、運算放大器、脈寬調制器(PWM)等硬件處理電路，處理后輸出伺服電機的控制信號或PWM信號。各個控制軸可以獨立完成伺服控制，并能夠實現插補控制。

　　MCT8000F4運動控制器具有如下特征：
　　·網際浮動式操作界面，方便遠程在線、多系統協調作業，支持遠程調試和故障診斷；
　　·開放式結構，可隨意增加外部傳感器，擴展系統功能；
　　·高可靠性雙CPU結構，下位機可脫離上位機工作；
　　·每軸10μs的高伺服更新速度，可直接控制DD(Direct Drive)臂機器人和高速直線電機；
　　·優良的軟硬件重構特性，便于技術升級和維護；
　　·兼容性好，配備摩信科技公司生產的運動控制模塊，可以控制多種機器人、數控機床以及其它過程控制系統。
　　MCT8000F4運動控制器技術參數為：
　　·四通道0～2MHz的正負步進脈沖輸出，作為正負方向控制信號。
　　·四通道12位模擬量輸出，輸出范圍為-10V～+10V，工作頻率為100kHz。
　　·四通道光電編碼器接口，24位計數器，計數頻率17MHz，差動或單端輸入，Index信號，內部數字濾波。
　　·與主機連接方式：標準PCI總線高速接口。
　　·支持單主機多塊控制板同時工作。
　　·操作系統：Windows 95/98/NT/Linux。
2.2 絲杠副動態誤差測控系統組成
　　絲杠副動態誤差測控系統硬件構成如圖4所示，主要包括以下幾個部分：(1)光柵測長、磁柵測角部分；(2)溫度采集部分；(3)尾架補償部分；(4)誤差顯示與輸出部分；(5)主計算機控制部分；(6)主軸交流伺服電機驅動部分。系統采用模塊化設計，各部件選用獨立功能模塊，通過計算機控制組合，大大簡化了系統設計，增加了可靠性，縮短了設計周期，增強了系統的靈活性。

　　根據系統對主軸轉速穩定可調的要求，主軸伺服電機控制系統采用上、下位機控制方式。上位機選用研祥工控機，該工控機不但作為上位伺服控制級，同時也作為絲杠動態誤差測控系統的控制主機。下位機選用深圳摩信公司生產的基于DSP技術的四軸運動控制器MCT8000F4作為下位伺服控制級，實現伺服系統的速度和位置控制。上、下位機通過總線形式連接，實現高速數據傳輸及控制。這是一種以PC機作為信息處理平臺、將運動控制器以插卡形式嵌入PC機的伺服控制系統，即“PC機+運動控制器”模式的開放式伺服控制系統。它將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。
　　絲杠副動態誤差測控系統數據采集系統結構如圖5所示。在該系統中，主軸轉動采用交流伺服電機作為拖動元件并由運動控制器控制電機運行來實現，這種辦法還可以進行速度調節。電機經過機械傳動裝置驅動主軸，圓磁柵安裝于傳動主軸上，測量時由撥盤帶動被測絲杠和圓磁柵同步轉動，絲杠旋轉時由帶動頭帶動螺母小車沿導軌做軸向運動，光柵尺傳感器的讀數頭隨測量頭和螺母小車做軸向移動。

3 絲杠副動態測控系統軟件
3.1軟件系統模塊結構
　　系統的軟件功能包括：初始化、編碼器信號接收處理、控制算法計算、調速系統檢測與監控、與控制級的聯絡及信息交換、自檢與保護。初始化模塊在運動控制器開始工作之前進行參數的設定、設備的診斷、伺服組件的啟動及設置，最后進入正常工作。光電編碼器的信號通過反饋通道接口卡進行整形、濾波與計數后，實現速度、位置信號的檢測。為了便于控制算法計算及增加信號的可靠性，需進行速度信號、位置信號的預處理，得到的信號分別存在速度信號緩沖區和位置信號緩沖區。這就是編碼器信號接收處理模塊要做的工作。控制算法計算模塊根據得到的速度給定信號、位置速度反饋信號進行校正計算，結果存入輸出緩沖區，啟動信息交換模塊，將速度反饋信號發送到上位計算機。聯絡及信息交換模塊的主要任務是接收上位機送來的命令與數據，進行命令處理及數據處理與保存，根據需要向下位機伺服控制級發送有關信息。
　　本系統軟件以VB為開發工具，圖6為軟件模塊結構。系統設計了測量信息數據庫、精度標準數據庫及數據庫管理軟件，用于保存絲杠的參數信息、動態測量原始數據、誤差評定結果、精度等級評定結果等。

3.2 主要軟件模塊流程圖
　　動態誤差測量模塊流程圖見圖7。動態誤差測量模塊由參數輸入模塊輸入用戶參數，包括絲杠參數、采集參數，并判斷參數的合理性。動態誤差測量模塊具有以下功能：根據輸入參數計算主軸轉速和采樣周期；控制電機驅動主軸轉動使絲杠按給定速度轉動；數據采集，包括長光柵、圓磁柵、溫度、尾架補償量；進行實時的誤差計算與誤差補償，計算出導程誤差；顯示誤差曲線，并可在記錄儀上繪出誤差曲線；測量結束后將所測數據存入數據庫或數據文件。
　　動態誤差分析模塊流程圖見圖8。誤差分析采用最小二乘法求出回歸系數，用行程精度四大精度指標Ea、Vup、V2π、V300反映各誤差量。