小尺寸零件直线度测量仪运动系统设计

　　本文介绍的小尺寸直线度测量仪,采用空气静压气浮导轨作测量直线基准,实现小零件的直线度测量。其主要性能指标为测量误差0.5μm(在100mm范围内),重复性误差1μm;稳定性误差2μm(连续4h)。

　　一、工作原理

　　采用以空气静压精密导轨作直线基准的直接测量法[1]作为新型小尺寸零件直线度测量仪的测量方法,其测量原理如图1所示。测量时,将被测零件1置于3上,利用测量仪的高精度导轨4作直线基准,在工作台沿导轨移动过程中,利用测量部件2测量被测件表面上各采样点的偏差值。以空气静压精密导轨作直线基准的直接测量法[1]作为新型小尺寸零件直线度测量仪的测量方法,其测量原理如图1所示。测量时,将被测零件1置于3上,利用测量仪的高精度导轨4作直线基准,在工作台沿导轨移动过程中,利用测量部件2测量被测件表面上各采样点的偏差值。

　　二、运动机构

　　气体的粘度极低,采用气体润滑。气体静压导轨具有很多优点:摩擦阻力小、运动速度快,启动摩擦系数小,在低速条件下无爬行现象。因此,在小尺寸零件直线度测量仪中采用图2所示运动机构。该运动机构通过可调支承7使整台仪器相对于水平方向倾斜角度,步进电机4驱动丝杠螺母机构3上的推杆8左右移动。向右运动时,推杆8推动运动部件;向左运动时,运动部件由于倾斜产生沿导轨方向一个分力,该分力使运动部件克服摩擦力向左侧运动,运动部件的受力情况见图3。

　　将重力G分解为g1和g2,得:

　　式中,a为加速度, m为运动部件和被测零件的总重量。

　　由实验得到,当导轨水平时,选用50g的砝码可将m=2.5kg的运动部件拖动,因而:

　　为保证一定加速度,取a=1.0m/s²。由式(1)得:

　　在这种运动机构中,推杆8起到限位的作用。推杆8并不与导轨刚性地连接在一起,避免了由于刚性连接,使推杆和连接点将丝杠螺母机构在垂直方向的微小位移直接引入到导轨的直线运动中去,有效地避免了驱动机构给导轨带来的误差,同时充分利用气体静压导轨的摩擦阻力小的特点,使步进电机驱动时,可以保证推杆和导轨的运动部件在运动部件沿导轨方向倾斜产生的分力作用下可靠地接触,而不会因为接触点的不可靠,在测量时带来误差。在该测量仪设计中使用这种运动机构,不仅能够保证可靠的运动要求,而且能够降低误差,提高仪器精度。

　　三、驱动系统设计

　　设计时采用VC++程序语言编写数据采集[2]、处理、显示以及对步进电机进行实时控制的软件,为用户提供一个良好的、功能强大的人机界面。步进电机的驱动程序如图4。采用HB(混合式)步进电机驱动丝杠螺母机构带动运动部件沿导轨运动。混合式步进电机以其具有反应式步进电机一样的小步距,并具有和永磁式步进电机一样的控制功率小的性能而被作为首选,适用于精密测量、精密加工等需要良好驱动系统的领域。采用IBM-PC/XT/AT总线兼容通用数据采集控制板进行数据采集和电机控制。该板可以直接插入IBM-PC/XT/AT总线兼容计算机内的任一总线扩展槽,构成模拟量电压信号、数字量电压信号采集及模拟量电压信号、数字量电压信号输出系统。通过该控制板发出控制信号到步进电机的驱动器,以实现自动测量。