基于西門子S120驅動的高速滾珠絲杠副動態精度測試研究

劉謀云 白國振 遲玉倫

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

滾珠絲杠副作為機械進給系統的重要組件，其質量的優劣直接影響著整個機械進給系統的性能。隨著數控機床及各種機電一體化裝備朝著高精度、高速和高加速度的方向發展，高速滾珠絲杠副的應用也越來越為廣泛。然而高速滾珠絲杠副伴隨著溫升，熱伸長，精度降低等動態精度問題的出現，制約著高速精密滾珠絲杠副的發展［1］。因此，研究產生和影響動態精度變化的規律和因素為生產、制造高速滾珠絲杠副提供有力的數據參考具有重要意義。

近年來，為適應高檔數控機床高速、高精度加工的要求，國內專家學者圍繞高速滾珠絲杠副溫升、熱變形、定位精度等動態精度展開了深入的研究，取得了一定的成果:北京機床研究所首先于2000年研制成了“GSZ2000高速滾珠絲杠副性能測試試驗臺”，該試驗臺可測試高速滾珠絲杠副的定位精度、噪聲、熱變形等動態性能，受當時軟硬件的限制，主軸轉速還不是很高;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建高速滾珠絲杠實驗室，大連理工大學設計實現了滾珠絲杠副綜合性能檢測試驗臺，引入虛擬儀器技術，拓寬了滾珠絲杠尺寸檢測范圍，長度可以在2～4 m，直徑范圍20～80 mm，絲杠轉速最高可達到6 000 r/min［5］。同時，國內有些企業也在研究高速滾珠絲杠副，像陜西漢江機床廠、山東濟寧博特公司，他們的檢測手段和制造工藝也有很大的革新。本課題試驗臺采用基于西門子S120伺服驅動系統而設計，S120的中心控制單元CU320具有通訊開放性強的優點，遵循 PROFIBUS－DP現場總線協議，實現了S120伺服驅動系統與基于PC的WinAC控制器通訊的自動化解決方案。此方案是應用在新一代高速進給系統上的先進技術之一。本文建立了兩大動態精度測試系統，進行了滾珠絲杠副熱變形及定位精度測試實驗和數據分析，得出了滾珠絲杠副動態精度影響因素和相應的改進措施。

1 測試試驗臺的組成

高速滾珠絲杠動態精度測試試驗臺結構圖如圖1所示:試驗臺是一個單軸且在高精度直線導軌上運動的平臺，嚴格保證了兩直線導軌和滾珠絲杠在兩個方向上的平行度。西門子交流伺服電動機直接通過聯軸器連接滾珠絲杠。采用海德漢精密直線光柵尺LC183作為實際位置測量基準，交流伺服電動機自身帶的旋轉編碼器作為絲杠旋轉角度傳感器，即目標位置的設定。伺服電動機座、前后支撐座及其支撐座軸套均采用可拆卸聯接固定在床身上，目的是為了可以調換安裝不同尺寸規格的絲杠，床身上開設有支撐座滑動定位槽，實現在同一試驗臺上對不同直徑、長度的高速滾珠絲杠進行動態精度測試，具有通用性廣、功能多樣的優點。

試驗臺控制系統結構框圖如圖2所示，在PROFIUS－DP現場總線上連接著兩個相互通訊的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伺服驅動系統的中心控制單元CU320通過DP線連接，進行通訊。同時上位機軟件采用LabVIEW 8.0編寫，以OPC作為通訊協議，使WinAC與上位機LabVIEW通訊。各項測量數據經計算機處理后，可以實現硬盤數據保存并打印輸出規范的檢測報告。圖中S120伺服系統控制方式為半閉環控制系統，通過精密光柵尺測得滾珠絲杠副螺母到達的實際位置作為基準進行反饋，并且實現旋轉編碼器和光柵尺脈沖值信號多路數據的同步精確采樣。

2 動態精度測試實驗

2.1 熱變形測試原理及方法

高速滾珠絲杠動態精度測試試驗臺的溫升熱變形測試系統屬于典型的基于虛擬儀器與現實儀器相結合的測量系統，借助工控機強大的圖像處理能力完成對溫度和熱變形量的采集和數據處理。測試系統由設備臺架，溫度巡檢儀FL－XMDA－9000A，電容式位移傳感器capaNCDT6100、工控機，虛擬儀器LabVIEW和7個溫度傳感器Pt100組成。7個溫度傳感器分別用來測不同的溫度，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位移加速度≥1g，相對位移速度≥60 m/min的高速條件下驅動模擬工作臺沿軸向連續往復運動，兩端停頓時間2±0.5 s。由于絲杠始終處于高速運轉狀態，溫升傳感器不便于安裝，所以，一般參照滾珠螺母的溫度來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鋼珠，位移傳感器安放在鋼珠的正對前方處，并給定一個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。實驗采取對每10 min內采集的距離值加權平均一次，記為Si，則絲杠變形量ΔS為

2.2 運動精度測試原理及方法

電動機分別以轉速:1 500 r/min，1 200 r/min，800 r/min運動，測量行程是1 200 mm，循環周期為5個周期。如圖4所示，在工作臺的行程上，選取7個測點（包括起始點和終點），每兩個點的間隔為200 mm。以這些測點作為目標位置Pj，快速移動運動部件分別對各目標位置從正、負兩個方向進行5次定位。

（1）定位精度計算

每次精密光柵尺測出正、負向實際到達的位置Pij，求得位置偏差Xij=（Pij－Pj），求得定位精度:

（2）重復定位精度計算

重復定位誤差R，以所有6Sj↑、6Sj↓的最大值計，即:

式中:Sj↑為正向標準偏差;Sj↓為負向標準偏差。

（3）反向誤差計算

計算出全行程的各目標位置上，正、負向定位時的平均位置偏差之差值（↑－↓），即反向差值Bj，誤差以所有Bj絕對值的最大值計，即:

3 動態精度測試結果與分析

3.1 熱變形測試結果與分析

溫升值和滾珠絲杠熱變形量測試結果如圖5和6所示。

從圖5可觀察到，電動機溫度、滾珠絲杠螺母溫度、兩軸承溫度、導軌座溫度及環境溫度隨時間變化非常明顯，最高溫度變化達到10℃以上。

結合圖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，當達到熱平衡狀態時，絲杠伸長量變化很小，趨于停止。表明溫升與熱變形間關系緊密，呈正向關系。

把整個數據采集時間分為4個階段:0～120 min，120～300 min，300～310 min，310～360 min，其變化斜率如表2所示。

表2 熱伸長量斜率變化

從表2中可知，滾珠絲杠熱伸長與回復存在著明顯的時間階段差異，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快，應考慮絲杠制造材料的熱膨脹系數。因此，要減小滾珠絲杠的熱變形一方面要考慮降低溫升。目前關于降低溫升的辦法有中空設計，對絲杠和螺母通入冷卻液強制制冷;增大滾珠絲杠副導程以及減少傳動摩擦帶來的降低溫度上升。另一方面在滿足絲杠足夠的剛度，強度和耐磨度的同時考慮材料的熱膨脹系數，盡量選擇膨脹系數小的材料。

3.2 運動精度測試結果與分析

表3是測試實驗得到的運動精度誤差數據。從圖7中可看出3種運動精度:定位精度誤差A、重復定位精度誤差R和反向差值精度誤差B都是隨著滾珠絲杠轉速的提高而增大。

對比試驗結果，分析得出如下結論，影響定位精度的因素有下列幾點:

表3 運動精度測試結果

（1）加工工藝與生產制造水平受限產生的滾珠絲杠副螺距誤差;

（2）試驗臺高速運轉，熱變形導致的絲杠軸向誤差;

（3）滾珠絲杠副作為傳動鏈的末端，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機械行業加工制造水平，縮小理論設計與生產制造之間的制造誤差。再者降低溫升對軸向熱變形的影響，采用合理的絲杠副安裝方式，比如試驗前進行適當的預拉伸等。最后可以采用閉環位置控制方式，實時對誤差進行補償，以達到提高精度的目的。

4 結語

應用西門子S120驅動系統及Profibus－DP通訊協議，實現了基于PC的WinAC控制的自動化解決方案，此實現方案開放性強、實時控制能力好。建立溫升與熱變形關系測試系統及運動精度測量系統，在自制的試驗臺上進行測試，對高速滾珠絲杠動態精度測試分析后，有如下結論:

（1）絲杠的平均溫升值和絲杠制造材料的熱膨脹系數是兩個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、重復定位精度誤差和反向差值精度誤差都是隨著滾珠絲杠轉速的提高而增大;

（3）根據分析結果，提出了改進滾珠絲杠副動態精度的具體措施。

［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，等.動態定位精度測試方法及實驗研究［J］.測控技術，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研究［D］.山東:山東大學，2005.

［5］袁帥，杜長江.基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副綜合測試系統研發［J］.制造技術與機床，2010（6）:141－145.

［6］http://www.ad.siemens.com.cn/download/.SINAMICS S120 調試手冊［Z］.2010.