三维测头数据采集模板的设计.doc

本科毕业设计论文题目： 三维测头数据采集模板的设计 院 系： 机电工程学院 学科专业： 机械设计制造及其自动化学 生： 延春雨 学 号： 050209120 指导教师： 李 平 2009年 06月三维测头数据采集模板的设计摘 要CNC齿轮测量中心是我校与企业联合开发的精密测量仪器，利用坐标测量原理，可对多种类型的零件进行自动测量和精度评定。由于技术发展，三维测头和交流伺服电机应用于齿轮测量中心已成为主流。为了保持在此项目上的优势，现开展了在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头的工作，本课题的内容就是为三维测头设计相应的数据采集模板。本文是基于ISA总线的数据采集通道的设计。通过使用合适的译码电路来执行总线命令，将测头的模拟信号，经过所选的A/D转换器的转换，转换为计算机可以读取的数字信号，从而完成相应的测量任务。本文根据A/D转换器的时序，完成了应用电路的设计，并利用Protel99se软件绘制了整个数据采集通道的电路原理图和PCB图。本文结合CNC齿轮测量中心R轴、Z轴、T轴自上而下分布的结构，通过对所选的滚珠丝杠的刚度计算、所选电机的转动惯量的核算以及传动系统的刚度计算，完成了对CNC齿轮测量中心Z轴的设计。本文设计的电路完成了三维模拟测头信号的采集。机械部分的布局及其刚度满足传动的要求。关键词：CNC齿轮测量中心；A/D转换器；ISA总线；传动系统Design of Data acquisition board for 3D probeAbstractCNC Gear Measuring Center is precision measurement instruments which invented by my university and business development, the use of coordinate measuring principle, can be a variety of types of parts for automatic measurement and accuracy assessment. As a result of technological development, three-dimensional measurement and ac servo motor used in the first gear measuring center has become the mainstream. In order to maintain the advantages of this project, now carried out the work of the use of three-dimensional simulation in CNC Gear Measurement Center Measuring, the contents of this issue is designing three-dimensional probe template corresponding data acquisition.Data acquisition channels based on the ISA BUS was designed. The ISA BUS order was carried out by Decoding circuit. Under the control of ISA BUS order, Analog signals from Analogue gauge head will be converted into digital signal by A/D converter, and then the task of measuring was completed. A operating circuit of data acquisition board and a PCB was designed according to the conversion timing sequence of A/D converter by the Protel 99se software.The Z axis was designed by analyzing the structure of CNC gear survey center , choosig reasonable ballscrew pairs and electric motor and calculating the rigidity of system.The collect of signal of 3D Analogue probe was operated exactly by the designed circuit. The layout of machine part and the rigidity of system satisfied to the requirement of Z axis of CNC gear survey center.Key word: CNC Gear Measuring Center; A/D converter ;ISA BUS；drive system目 录中文摘要I英文摘要II主要符号表11 绪论11.1前言11.2 CNC齿轮测量测量中心国内外相关研究情况11.3课题的目的及意义21.4课题研究的内容32 硬件电路设计42.1方案设计42.2电路设计42.2.1 AD转换器选择42.2.2数据缓冲器和寄存器的选择72.2.3参考电源的选择82.2.4晶振的选择92.2.5运放的选择92.2.6接口电路的设计92.2.7电路原理图112.3 PCB版图设计112.3.1电器规则检查（ERC）112.3.2 生成网络表122.3.3 导入网络表133 CNC齿轮测量中心Z轴传动系统设计163.2 CNC齿轮测量中心Z轴机械结构总体方案的确定163.2.1配重的计算173.2.2传动系统的选定及计算183.2.3电机的选定及计算223.2.4导轨的选定243.3 Z轴机械结构图25结 论27致 谢29参考文献30附录1 硬件电路原理图附录2PCB版图附录3 机械机构图主 要 符 号 表 脉冲当量MSB 最高有效位LSB 最低有效位L Z轴长H Z轴宽D Z轴高 导程 机床工作台最快进给速度 驱动电机最高转速 公称直径 拉压 刚度Q 轴向最大载荷 固有频率1 绪论1.1前言无论是过程控制或是自动检测，都是将来自各种传感器的模拟信号（电流或电压）转换为数字信号传输给计算机处理后发出信息，进行数字显示或控制执行机构动作。显然，设计一种高精度、低增益误差的数据转换模块，使采集到的数据准确可靠，是保证控制或监测系统稳定工作的首要条件1。数模转换器是工业检测和控制系统中数据采集子系统的重要部件，它是测控现场的模拟信号源与数字计算机之间的接口，其任务是把现场中连续变化的被测信号转换成离散信号，再由工控计算机作进一步的数据处理。这就要求系统将所采集的模拟数据信号尽可能真实的、不失真的显示给控制人员2。目前，工业系统具有代表性的有ISA总线、PXI总线和PCI总线其中ISA总线因其生产最早、应用接口简单仍在许多对传输速度要求不是很高的场合被使用在工控计算机应用中3。为此，本设计主要是基于ISA总线的A/D转换模板。该模板以A/D转换为核心 ，在ISA总线技术的基础上，利用较少的外围元件来实现多通道、高精度的A/D转换4。1.2 CNC齿轮测量测量中心国内外相关研究情况1995年9月在北京举行的第四界中国国际机床展览会上，我国开发研制的CNC齿轮测量中心首次展出，标志着我国的齿轮测量技术正在逐步接近国际先进水平。不过在仪器精度、稳定性,尤其在测量软件(如弧锥齿轮的测量软件) 、仪器故障诊断功能等方面,和国外还有一定差距。近年来国产 CNC 齿轮测量中心有了长足的发展,其质量和性能不断提高,已经具有和国外产品竞争的能力。哈量的3903A齿轮测量中心,经过几年努力,仪器精度和测量速度据称已达到或接近 KLINGELNBERG公司产品的先进水平。哈尔滨精达公司作为后起之秀,发展引人瞩目:其JD、JDS系列齿轮测量中心,目前在国内产品中销量最多。进入21世纪，世界工业的发展为齿轮制造业的发展提供了前所未有的机遇，但同时对齿轮制造业提出了更高的要求，为此，强化并提高齿轮制造全过程的测量与监控技术水平获得了空前的重视,同时也为齿轮测量技术的发展提供了契机。现今主要有以下几股技术潮流：1) 齿轮整体误差测量与齿轮坐标测量合二为一。我国推出了既有标准蜗杆又有测头的齿轮测量机CZN450;而国外的CNC齿轮测量中心也能给出“虚拟整体误差”。2) 齿轮测量中心与三坐标测量机合二为一。美国TSK公司的 Radiance和 Process Equipment Company的 ND430 就是按这种理念研制的。3) 功能测试与分析测试合二为一。简化齿轮测量是发展趋势,齿轮整体误差测量仪因高效率地给出齿轮全信息而会为世界接受。4) 齿轮加工与测量合二为一(一体化)。自从1988年MAAG公司在CNC齿轮磨床SE202E上耦合CNC齿轮测量技术以来,齿轮在机测量技术在齿轮磨床上得到普通采用。CNC齿轮测量中心经过二十多年的不断改进与完善，在实际测试中已显示出其优越性。现在，它已经成为工业化国家检测齿轮的主要工具5。CNC齿轮测量中心自70年代诞生以来得到了迅速发展，目前在美国、日本、瑞士等国十多个厂家开发生产齿轮测量中心。其中一些厂家从90年代开始停止了传统齿轮量仪的生产，全部转向生产齿轮测量中心。我国从“七五”后期”到“八五”期间投入较多资金和技术力量开发研制齿轮测量中心6。CNC齿轮测量中心是八十年代国际上迅速发展起来的机电结合的高技术齿轮量仪，八十年代后期国外产品开始进入我国。与传统的机械式齿轮量仪相比，CNC齿轮测量中心不仅能测量齿轮，还可以测量复杂刀具、蜗轮、蜗杆、凸轮、曲轴等复杂工件，测量精度高、速度快、功能强，一次装夹可以自动完成工件的多项参数的测量，同时解决了许多用传统方法无法检测的技术难题。无论是制造中的技术含量，还是使用时的性能指标，CNC齿轮测量中心都代表了当今国际上最先进的测试技术水平7。1995年9月在北京举行的第四届中国国际机床展览会上，我国开发研制的CNC齿轮测量中心首次展出，标志着我国的齿轮测量技术正逐步接近国际先进水平。CNC齿轮测量中心经过二十多年的不断改进与完善，利用先进的CNC技术、CAA技术、精密检测技术等，并吸收三坐标测量机的一些最新技术成就，逐步发展成为齿轮量仪的换代产品。在一些技术发达国家，CNC齿轮测量中心正逐步取代传统的机械展成式量仪，成为齿轮检测的主要手段9。德国HEINDENHAIN的P系列齿轮测量中心，其特点是采用了专利的三维数字式高精度光栅测量头(使用了HEINDENHAIN的超高精度光栅)，性能稳定的优质铸铁床身，高性能直线电动机驱动系统，高精度滚珠轴系和密珠滚动导轨。仪器精度达到德国标准1级；日木的齿轮测量仪器制造商，在我国市场经过近十年的沉寂后近年来亮相频繁9。大阪精机在GC-HP系列齿轮测量仪器的基础上，开发出CNC电子创成式的CLP系列齿轮测量仪器10。1.3课题的目的及意义CNC齿轮测量中心是我校与企业联合开发的精密测量仪器，利用坐标测量原理，可对多种类型的零件进行自动测量和精度评定。由于技术发展，三维测头和交流伺服电机应用于齿轮测量中心已成为主流。为了保持在此项目上的优势，现开展了在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头的工作，本课题的内容就是为三维测头设计相应的数据采集模板。1.4课题研究的内容本课题主要是从电路的设计以及机械部分结构的设计来满足在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头的要求。本课题主要研究内容： （1）设计适用于CNC齿轮测量中心的三维测头数据采集卡，要求基于ISA总线，三路16位AD转换，能同时启动AD转换的电路模块。 （2）电路模块实现于PCB版图。 （3）设计CNC齿轮测量中心的Z轴。 2 硬件电路设计2.1方案设计基于本课题制定了如下的两个方案:(1)此方案是不对每一个模拟信号都是用AD转换器，是将模拟信号经多路开关和采样保持器再送至AD转换器，可以减少使用AD转换器。此方案优点是当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器（A/D转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换，即模拟量多路转换开关；A/D转换需要一定时间,在转换过程中,如果送给AD转换器的模拟量发生变化,则不能保证精度，为此在AD转换器前加入采样保持电路,起采样和保持作用。（2）此方案是直接将齿轮测量中心的R、Z、T轴的模拟信号通过是三个AD转换器，将其同时变为数字信号，实现了同步转换。由于要求3路16位A/D转换，并且能同时启动A/D转换，因此选择方案2。方案2具体流程是三维测头的模拟信号经过A/D转换器变为数字信号，数字信号经数据缓冲器将数据寄存其中。ISA总线与A/D转换器之间的接口电路开始作用，CPU通过控制线启动A/D转换，地址线通过译码器寻址以及总线的IOR(读信号)将目的命令送到数据缓冲器，同时总线向发出IOR（读信号）至数据缓冲器，数据缓冲器接到命令后通过数据线将所寄存的数据送到总线缓冲器（实现速度配合和满足驱动的需要），再至ISA总线，从而实现数据采集功能。三维模拟测头数据输入通道的方案如图2.1所示。图2.1方案图2.2电路设计2.2.1 AD转换器选择本系统用于位移测量，位移的正负是根据电压的正负来判别的，故每路选用一个双极性A/D转换器。对于A/D转换器的选择来说，转换时间和分辨率是两个重要参数。由任务书的技术指标（测头量程±1，分辨率0.1um，输出电压±5v），计算得，可知为16位AD转换器。AD转换器按转换电路结构和工作原理分类有并行比较性、分机型、逐次逼近型、跟踪计数型、积分型、压频转换型、型，根据各类型的特点结合任务书要求，选择逐次比进型；由于输出电压为±5v，所以选择双极性转换器，综合上述要求，选定16位AD676为本次设计的转换器。a. AD676的主要特点 AD676是逐次逼近型通用16位ADC，它与传统的逐次逼近型ADC有所不同，采用开关/电容重分布(switched-capactior/charge redistribution)技术代替了传统的倒梯形电阻网络结构，这种技术消除了倒梯形电阻网络结构中电阻值的温度漂移和不匹配造成的误差，并且在没有单独的采样/保持电路情况下具备采样/保持其的功能。AD676片内的自动校准消除了内部的非线性误差，使器件达到最佳的性能。b. AD676的引脚说明 AD676采用28引脚双列直插的陶瓷(Ceramic DIP)封装，图2.2是AD676的引脚排列图，下面对AD7676各引脚功能进行说明。1) 数据输出引脚 BIT1BIT16是AD676转换结果的16为数据输出引脚。其中，BIT1是数据的最高有效位(MSB),BIT16是数据的最低有效位(LSB)。2) 模拟输入和参考电压有关的引脚 是AD676的参考电压输入引脚。这个引脚的输入电压确定AD676模拟电压的输入范围。因为模拟测头的输入电压为±5v ，故AD676的参考电压为±5v 。是AD676的模拟输入电压引脚，输入电压范围为±,即±5v。AGND SENSE是模拟信号地引脚。这个引脚应与信号电源的地端相连，用以消除信号源地与系统地之间电位差对模拟信号的影响。3) 转换和校准控制以及状态有关的引脚 CAL是AD676的校准控制输入引脚。它是异步控制输入。CAL输入高电平，AD676内部电路复位，并且终止当前的校准或转换过程。CAL的下降沿启动校准过程。SAMPLE是AD676的转换启动引脚。SAMPLE输入为高电平，AD676对模拟输入进行采样，采样时间至少为2us；SAMPLE输入的下降沿启动AD676的模数转换过程。BUSY是AD676的状态输出引脚。BUSY输出高电平，表示AD676正在转换或校准过程当中。CLK是主时钟输入引脚。AD676完成一次转换需要17个时钟周期。4)电源有关的引脚 是数字电源引脚，电源电压为+5V。DGND是数字地引脚。是模拟正电源引脚，电源电压为+12V。是模拟负电源引脚，电源电压为-12V。AGND是模拟地引脚11。 图2.2 AD676的引脚排列图c. AD676的自动校准时序 AD676的自动校准功能在用户不做任何调整的情况下，能消除芯片内部的零位误差和由于电容不匹配造成的误差。AD676的自动校准时序如图2.3所示。当校准控制输入CAL变为高电平时，内部电路复位，延迟时间后，BUSY输出高电平。CAL是异步的硬件复位，它终止任何当前进行的校准或转换过程。CAL的下降沿启动D676的自动校准过程，AD676的自动校准需要85530个时钟周期。在自动校准结束时，BUSY变为低电平。在自动校准期间，SAMPLE应保持低电平。在大多数应用场合，AD676只需上电时进行一次自动校准。进行自动校准时，必须保证电源和参考电压已经稳定。另外，需特别注意的是：AD676在使用时，必须进行自动校准，否则AD676的精度可能只有10位，更严重的是，AD676可能进入不确定状态。图2.3 AD676的自动校准时序图d. AD676的转换控制时序 AD676的SAMPLE即是采样控制信号，又是转换控制信号。在SAMPLE为高电平时，AD676对模拟输入进行采样。在SAMPLE的下降沿， AD676开始对SAMPLE下降沿后一个孔径时间的模拟输入电压进行转换。在SAMPLE下降沿后，状态信号BUSY输出高电平，指示AD676正处于转换过程当中，转换结束时，BUSY输出低电平。在转换过程结束之前，AD676忽略SAMPLE输入的状态，因此，AD676必须在前一次转换过程中完成后，才能再次启动转换过程。AD676的转换时序如图2.4所示。如前所述，当SAMPLE 为高电平的时间至少为=2us，SAMPLE的下降沿后，BUSY输出为高电平。AD676要求SAMPLE为低电平的时间至少为=100us,在此以后，直到转换结束之前，AD676忽略SAMPLE输入的状态。在SAMPLE下降沿后主时钟CLK的作用下，AD676进行逐次逼近过程，在第17个CLK的上升沿后，转换结果在BIT1BIT16数据输出引脚上有效，同时，在数据有效=50 us后，BUSY输出低电平，指示转换过程结束。在新的转换结束之前，BIT1BIT16引脚的输出数据始终保持不变。在BUSY输出低电平后，AD676将忽略CLK的时钟信号。图2.4 AD676的普通转换时序图2.2.2数据缓冲器和寄存器的选择 模拟信号经AD676的转换，输出为16位数字信号，经数据缓冲器锁存后，便于总线的读取。故所选的数据寄存器要能满足16位数据的寄存，可以用两个8位的数据寄存器来实现。为了能在一条传输线上传送不同部件的信号，须选择具有三态门的寄存器，即器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。因为在一个总线上同时只能有一个端口作输出, 这时其他端口必须在高阻态, 同时可以输入这个输出端口的数据。根据以上技术要求，选定74LS541作为本系统的数据缓冲器，其引脚图如图2.5所示。同时为了满足总线驱动能力，选择具有三态门的74LS245作为总线寄存器，起驱动作用，其引脚图如图2.6所示。图2.5 74LS541引脚图 图2.6 74LS245引脚图2.2.3参考电源的选择 AD676要求采用低输出阻抗、低噪声的参考源，以便在负载电流变化时，参考源的输出电压保持稳定。AD586是低成本、低噪声和低漂移的+5V电压参考源。 在没有使用外部元件的情况下，初始精确度和温度系数产生的误差很小。在0到+70之间，AD586M的最大偏差为5.000V到±2.54mV。在-55到+125之间，AD576T的最大误差值为±7.5mv。AD586产生很低的噪声输出，典型值是4Uv p-p。AD586提供了一个噪声削减引脚，通过使用一个外部电容来增加对噪声的滤波。为了适应更高的精度要求，AD586提供了一个可选的TRIM端。如图2.7为AD586的引脚图。其中测试点，不接入电路。TRIM为一个可选端，只是为了能够适应更高的精度要求。在8脚和地端接一个钽电容可降低AD586输出的宽带噪声。AD586的参考源电路如图2.8所示。图2.7 AD586引脚图 图2.8 AD586参考电源2.2.4晶振的选择 在本系统中，AD676的时钟由外部时钟提供。晶振的作用就是为系统提供基本的时钟信号，为数字电路的工作提供一个时序控制的标准时刻。 它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。根据AD676的时序参数指标，可知AD676的最小时钟(CLK)周期为480ns, 因此所选的晶振的频率必须为35.7MHz才能满足系统的要求。据此，本系统选择HC14DY36.860MHz。2.2.5运放的选择 由于AD676要求的VIN（模拟电压输入引脚）的输入电压范围为±VREF，VREF为12V,而任务书要求的输出电压为±5V，所以需要用放大器来放大电压，放大倍数为12/5=2.4 ,选择AD845为运算放大器。在大多数应用场合，AD676的模拟输入需要采用外部运算放大器来驱动。但是由于在一般的负载条件下（不考虑电流阶跃问题），就AD676的性能而言，大多数运算放大器并不能满足对低失真的要求，因此在选择运算放大器时应特别谨慎。2.2.6接口电路的设计 基于ISA总线的数据采集一般有很多地址线用来寻址以及译码电路，所以以寻址和译码为主来说明接口电路。a.寻址：集成电路的不断发展 要寻址某个端口，除了找到该芯片外，还要能区分出不同端口。内部端口的区分是有接口电路内部的译码逻辑完成的，本设计中为使接口部件的口地址能适应不同的地址分配场合，或为系统以后的扩充留有余地，用开关式可选口地址译码方法，这种方法可根据要求拨动开关来改变端口地址而无须改动硬件电路，其逻辑电路如图2.9所示图2.9开关可选地址译码逻辑电路 b.译码：基于课题要求使用三个16位AD转换器，其引脚的各个特性要求如SAMPLE（转换启动输入引脚）、CAL（校准控制输入引脚）等需要译码器的输出端接非门来实现;另外使用了6个数据缓冲器，需要使用译码器来实现数据传输，所以选择2个3-8译码器级联来实现，如图2.10所示。图2.10译码器级联电路2.2.7电路原理图 三路模拟信号通过DB9针的插座进入AD676转换器，由放大电路放大后在参考电源AD586和晶振HC14DY36.860MHz的作用下，由ISA总线发出的命令来控制AD676对模拟信号的转换。电路图如图2.11所示。图2.11 A/D转换电路电路图2.3 PCB版图设计2.3.1电器规则检查（ERC）在对A/D转换器，数据缓冲器，晶体振荡器等引脚图在Protel99se中放置后，进行连线，完成了原理图的绘制，要设计PCB版图必须对原理图进行ERC即电气规则检查，检查无误后会生成一个报表，如图2.12所示。图2.12ERC报表2.3.2 生成网络表PCB版图设计需要导入网络表，所以要将原理图生成网络表，其中最重要的是对元器件的封装的编辑，为之后的导入网络表奠定基础，网络表生成后将在Protel99se形成一个后缀.NET的文件，如图2.13所示图2.13 网络表2.3.3 导入网络表新建一个PCB文档，在其中导入网络表，找到原理图所对应的网络表，无误后会出现如图2.14所示的菜单来说明其正确性。图2.14 装载/前向注释网络表2.3.4 PCB版图绘制a.PCB布局 在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。 a.相同功能的元件要集中布局，摆放一致，符合常规。b. 在一个PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。c. 考虑整体美观。b.PCB布线 在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的， 在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、 双面布线及多层布线。本PCB采用双面布线，两相邻层的布线互相垂直，因为平行容易产生寄生耦合。除此之外，为了提高PCB的抗干扰性能，需要对PCB做一些处理：1）在电源、地线之间加上去耦电容。2）尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm,最经细宽度可达0.050.07mm,电源线为1.22.5 mm 。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点：1）尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90度禁止环状走线等。2）时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。3）总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器。4）数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。根据上述设计原则，完成了PCB图。见附录23 CNC齿轮测量中心Z轴传动系统设计 CCZ40A型齿轮测量中心机械本体由底座、大理石平台、直线导轨、滑架、主轴测微仪及上顶尖柱等部分组成。它的工作台采用大理石工作台，大理石平台安装在底座上, T轴、Z轴、R轴分布于工作台之上。切向T、轴向Z和径向R导轨自下而上布局，将对测量精度影响最大的切向导轨放在最底层，有利于保证机械精度。通过计算机控制,三个直线运动轴(R向、T向、Z向 )和一个旋转运动轴()在各自的伺服系统驱动下实现联动。根据被测工件的参数,使三个直线运动轴上的测微仪相对随旋转坐标轴转动的工件产生所需要的测量运动。在整个测量过程中,计算机采集存贮测微仪的偏移量和同一时刻各运动轴实际坐标值,经过数据处理,与被测项目的理论值比较,得出测量结果。整个测量过程由计算机自动完成。导轨采用了封闭式密珠结构，消除了换向时滑台的扭摆。径向传动采用了密珠导轨加测杆移动锁紧结构，既满足了基圆长度变化的要求，又不需要传统导轨的力度，提高了定位和测量精度。传动系统采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，相对于采用步进电机带动滚珠丝杠的进给方案，交流伺服电机有着其独到的优点：1）闭环控制。驱动器实时监测电机位置，能有效保证系统的安全，不存在象步进电机的丢步问题；2）无震动。震动是步进电机的固有缺陷，无法克服；而伺服电机不存在震动的问题；3）发热量小，效率高。步进电机无论有无负载，均按照设定电流运行，而伺服电机根据负载大小，实时调整电流大小。所以，步进电机发热量大，而伺服电机发热量比较小；4）转速范围大。步进电机一般工作在1000RPM以下，而伺服电机可以达到10000RPM；3.2 CNC齿轮测量中心Z轴机械结构总体方案的确定 Z轴是测量中心T轴之上的一个传动结构，它的运动带动其上R轴运动。总体方案如图3.1所示。图3.1 Z轴布局图1.配重 2.支柱 3.Z轴导轨 4.R轴底板3.2.1配重的计算为了保证Z轴在测量的过程中平稳运动，须给Z轴加配重，配重和Z轴部分的相对位置如图3.7所示。根据力的平衡公式,（式中为配重的重力，为Z轴部分的重力），可知，即。本系统设计中。Z轴的重量为丝杠副中螺母的重量、Z轴基板的重量和基板上R轴的重量。相对于R轴和Z轴基板的重量，丝杠副中螺母的重量可忽略。有45刚制作的Z轴底板的尺寸为：L=420，H40，D370，7.85.，知=48.7956。估算用45钢制作的R轴重量也为48.7956，故配重的质量约为97.5922。图3.7 Z轴与配重布局3.2.2传动系统的选定及计算在数控机床的进给传动系统中,经常采用滚珠丝杠作为传动元件,其作用是将伺服电机的旋转运动转变为运动执行件(刀架或工作台)的直线运动,以较小的转矩可以获得较大的推力。螺旋传动中最常见的是滑动螺旋传动，但是，由于滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的摩擦阻力，故其传动效率低，磨损快，精度不高，使用寿命短，故不能适用于高速度，高效率尤其是高精度的CNC齿轮测量中心。由于滚珠丝杠副具有摩擦阻力小,传动效率高(92%98%)的优点,因此在机电一体化系统中得到广泛应用,尤其是在将旋转运动变为直线运动的各种机构中。所以在本设计中选用滚珠丝杠运动。 a.滚珠丝杠的安装方法 滚珠丝杠副的支承方式根据滚珠丝杠副的工作情况及轴向固定方式,丝杠支承常以止推轴承和向心球轴承组合,其支承方式有以下几种：（1）双推自由式如图3.2()所示,在一端装止推轴承,另一端悬空。因其一端是自由状态,故承载能力小,轴向刚度低,因此这种安装方式只适用于短丝杠,多用于轻载、低速垂直安装传动系统,如数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的垂直进给方向。图3.2（a）滚珠丝杠的支撑方式（2）双推简支式如图4.2()所示,一端装止推轴承,另一端装向心球轴承,轴向刚度不太高。使用时注意减少丝杠热变形的影响,安装时应注意使热源和丝杠工作时的常用段远离装止推轴承的一端,以避免推力轴承因丝杠热伸长而产生间隙。双推端可预拉伸安装,预紧力小,轴承寿命较高,适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。图3.2 (b)（3）单推单推式如图3.2()所示,止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧。可以提高滚珠丝杠的轴向刚度;预拉伸安装时,预紧力较大,因此丝杠工作时只承受拉力。但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感,同时轴承寿命比双推双推式低。图3.2 (c)（4）双推双推式如图3.2()所示,两端装止推轴承及向心球轴承的组合,为使丝杠具有最大的刚度,它的两端可用双重支承,即止推轴承和向心球轴承,并施加预紧力。该方式适合于高刚度、高速度、高精度的精密丝杠传动系统。但这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力,因此设计时要求提高止推轴承的承载能力和支架刚度。图3.2 (d)根据以上各种支撑方式的特点，本设计选用第二种，双推简支式。此方法必须注意止推轴承要远离热源及丝杠常用端，其目的是为了减少丝杠热变形的影响。 b滚珠丝杠的主要参数 （1）导程 根据机床传动要求,负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时,先按机床传动要求确定,其公式为:/(10)式中: 机床工作台最快进给速度,/;驱动电机最高转速,/。在满足控制系统分辨率要求的前提下,应取较大的数值，因为它越大承载能力也大。本设计中滚珠丝杠的基本导程（螺距）按承载能力选择3 mm。（2）滚珠丝杠的公称直径 公称直径即是滚珠丝杠的名义直径，它越大承载能力和刚度越大，而螺纹长度在允许的情况下要尽量短，一般取为好。在此选择R轴滚珠丝杠的传动距离是300，取螺纹长度是350，那么公称直径选10 mm。本设计中选取的滚珠丝杠副的主要参数如表3.1所示。表3.1 滚珠丝杠副的主要参数滚珠丝杠系列代号滚珠丝杠直径/公称导程/mm滚珠丝杠外径/螺旋角循环圈数额定载荷/N 接触刚度列数圈数动载静载NDGC-WCM1002.5-2.51039.812.5120021001093（3）滚珠丝杠的精度等级 精度等级影响定位精度，承载能力和接触刚度，因此它是滚珠丝杠副的重要质量指标，1级精度最高，其余依次降低，因为CNC齿轮测量中心对精度的要求较高，在此选择2级。（4）螺母选择 由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求,故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点,且较为经济。（5）预紧方式的选择 由于制造和装配的误差，滚珠丝杠总是存在间隙的，同时，滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形。所以