一种基于CPLD的丝杠螺旋线误差动态检测方法

　　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2π, 25 mm, 100 mm, 300 mm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:

　　其中:θ为丝杠和螺母之间的相对转角;S为与θ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θ,即可得出对应的理论轴向位移S为:

　　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θ及S′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Nθ;利用双频激光干涉仪12作为长度测量基准,测量反射镜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′。利用上述方案实现θ及S′的测量,经过数据处理,可计算出丝杠螺旋线轴向误差。

　　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。