姚雪峰;于海利;冯树龙;齐向东
【摘 要】By analyzing the factors influencing the positioning accuracy of the nut, the axial shifting error is proposed. We establish the test platform based on the interferometer sensor to detect the errors. Theoretical analysis is verified with experiments, and the result indicate that the axial shifting of the screw nut pairs changes periodically with an amplitude of 90nm which influence the positioning accuracy of the nut in a sub-micrometer range.%分析影响螺母定位精度的因素,提出了丝杠轴窜误差;设计了基于激光干涉仪的测试方案,搭建了实验非接触式测试系统,对测试系统进行了误差分析,最后对理论分析进行了实验验证。实验结果表明,丝杠螺母副轴向窜动呈周期性变化,正反方向周期一致,其幅值大小为90nm左右;该误差对螺母的定位精度影响在亚微米范围。
【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(033)004
【总页数】5页(P397-401)
【关键词】丝杠螺母副;精密仪器;轴向窜动;误差分析;非接触式测量;双频激光干涉仪
抽油机示功图>70sec【作 者】姚雪峰;于海利;冯树龙;齐向东
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033
【正文语种】中 文
【中图分类】TH112.6
0 引 言
随着现代仪器仪表工业以及装备制造业的飞速发展，对高精度传动部件的设计、制造和检测要求越来越高。现阶段大规模使用的、用来传递运动的运动副主要有丝杠螺母副、齿轮副以及蜗轮蜗杆副等几种形式[1－7]。其中，丝杠因其能将旋转运动转换为直线运动和具
有行程大及良好的机械传动特性而广泛地应用在各种工业装备、精密仪器、精密数控机床领域里，在得到了广泛推广的同时也促进了相关行业的发展和壮大，发挥了重要的作用和价值。
丝杠传动最重要的技术指标就是螺母的定位精度。由于丝杠本体和与之配套的螺母在加工过程中都会不可避免地产生螺距误差，因此，在运转时螺母的移动位移与丝杠的转角之间并不能严格的成线性比例关系，这会严重影响系统的精度和性能，尤其是在开环控制系统里。因此，如何提高螺母的定位精度成为广大工程技术人员面临的一个重要课题。
根据以往经验，一般认为丝杠的传动精度主要由丝杠以及螺母加工时产生的螺距误差以及丝杠和螺母的螺距尺寸不匹配引起的。过去人们往往试图通过提高丝杠以及螺母的机械加工精度来改善丝杠的传动精度。但在工程实践中发现，当丝杠螺母的机械加工精度到达一定水平后，继续提高加工精度并不能同比例的提高丝杠传动精度，特别是在亚微米这一精度范围内。因此，通过分析，文中提出了影响丝杠传动精度的另外一种误差，即丝杠轴向窜动误差，并进行了相关的研究。
1 丝杠轴向窜动误差产生原因
目前比较常见的丝杠安装方式示意图如图1所示。
由如图1可以看出，它主要由丝杠、螺母、钢球、两个V形轴承、封闭弹簧、套筒以及左右两个限位块组成。这种安装方式的最大优点是右端的限位块在左端滑套处封闭弹簧的作用下可以限制丝杠在轴向方向的位移。与使用滚动轴承的安装方式相比，由于具有结构简单、可靠性高的特点，而且还能消除一定的轴向间隙，因此，此方法广泛地应用在精密丝杠检测仪器以及精密定位装置等场合。
图1 目前的丝杠安装方式
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虽然上述安装方式对丝杠轴向间隙有一定的消除作用，但丝杠的轴向窜动误差却无法消除。丝杠产生轴向窜动误差，原理如图2所示。
图2 轴窜误差原理图
从如图2可以看出，由于制造和装调过程中存在误差，丝杠固定端钢球球心与丝杠回转轴线有一个偏移量Δ；固定端限位块的限位面与丝杠回转轴线的法平面不重合，会有一个夹角θ。根据几何关系，在忽略钢球尺寸效应的影响下，当丝杠回转一周时，固定端钢球会在限
位面上形成一个长轴长度为2Δ／cosθ，短轴长度为2Δ的椭圆形轨迹。当钢球分别处于椭圆的两个长轴顶点位置时，钢球中心在丝杠轴向方向上产生一个最大的窜动，其幅值大小为2Δ·tanθ。该窜动会给正常参与传动的螺母带来一个额外的位移，从而影响了螺母的定位精度。由于Δ，θ的确切大小无法通过测量的方式直接获得，因此，也无法通过计算的方法得到轴向窜动的准确数值。
刮刀钻头
2 丝杠轴向窜动误差测量原理
2.1 丝杠轴向窜动误差测量方法设计
为了准确得到丝杠轴向窜动的规律，并且验证理论分析结果的正确性和可靠性，文中搭建了一套丝杠轴向窜动测量系统，丝杠轴向窜动测量系统光路图如图3所示。
图3 测量系统光路图
从图3可以看出，测量系统的光学元件选择的都是美国惠普安捷伦公司产品，其中激光器型号是Agilent 5517B，参考频率为1.9～2.4MHz；接收器型号是Agilent 10780C；激光干涉仪的型号为Agilent 10706B，其分辨率为0.3nm。图中可动反射镜通过方位可调的转接装置
和被测丝杠端部安装在一起，并且已经采用自准直法将可动反射镜的镜面与丝杠回转轴线调成了垂直状态。
在可动反射镜与丝杠回转轴线垂直的前提下转动丝杠，可动反射镜会与丝杠沿轴向同步窜动而参考镜固定不动。激光干涉仪前端的Agilent 5517B氦氖激光器上加有一个强度约为0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应，激光器产生fA和fB两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1／4波片后成为两个互相垂直的线偏振光，入射到Agilent 10706B激光干涉仪上。Agilent 10706B激光干涉仪内部光路示意图如图4所示。
图4 Agilent 10706B激光干涉仪内部光路图
从图4可以看出，光束经内置偏振分光镜透射和反射后分为两路：一路成为仅含有fA频率的光束（透射光束）；另一路成为仅含有fB频率的光束（反射光束）。
当可动反射镜沿丝杠轴向移动时，含有fA频率的光束经可动反射镜两次反射、两次穿过1／4玻片后成为含有频率fA±2Δf的光束（Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示移动方向）。这路光束和由参考镜反射回来仅含有fB频率的光束经偏振分
光镜后会合成为频率（fA±2Δf）－fB的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有±2Δf的电脉冲信号。
经可逆计数器计数后，由数据采集装置进行当量换算后，即可得出可动反射镜相对于参考镜的位移量，即丝杠转动过程中的轴向窜动量。
2.2 装调误差分析
测量过程会存在以下几种误差：
1）测量装置误差，例如制造误差、安装调试误差等；
2）测量方法误差，即由于测量方法不完善、测量依据的理论不严谨产生的误差；
3）其它随机误差，包括测量过程中温度的变化、空气扰动、地面的微震、机构间隙以及运转过程中摩擦力的变化[8－16]等。
sccnn由于采用的测量方法比较成熟、测量仪器精度较高等原因，文中只侧重分析装调带来的误差。不垂直度误差示意图如图5所示。
图5 不垂直度误差示意图
当激光干涉仪的入射光束和出射光束相对于丝杠回转轴线呈非中心对称分布时，在不考虑丝杠窜动的前提下，丝杠旋转一周的过程中，激光干涉仪的光程会发生变化。由图4可知，当可动反射镜分别位于位置1和位置2时，光程变化最大。已知条件为激光干涉仪两条光束间距离为12.7mm，设光束中轴线与丝杠回转轴线偏离距离为d；可动反射镜与丝杠回转轴线法平面的夹角为α。则通过几何关系，可以推导出光程变化量M的表达式：
将d，α代入到CD，AB中，得到M 的最终表达式：
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根据实验的装调条件和人员的技术水平，可以确定离轴量d小于0.2mm，α小于3″，代入到M的表达式中，得到了光程变化量M的最大值，即：
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