精密機械系統(tǒng)中的嵌入式時柵傳感新技術研究.pdf

1、21世紀機械制造業(yè)發(fā)展的總趨勢是“四化”—柔性化、靈捷化、信息化和智能化，智能化是機械行業(yè)發(fā)展的趨勢和最終目標。智能機械的精髓是集成，基于精密機械系統(tǒng)集成融合所逐步構成的集成科學理論體系，是國家未來中長期發(fā)展規(guī)劃綱要的重大科學問題之一。
　　檢測技術與被測系統(tǒng)的集成，是智能機械發(fā)展的根本保證，越是柔性化、智能化程度高的系統(tǒng)，越需要集成化的傳感器和機電產品。這種集成化的實現(xiàn)主要依靠兩方面的技術進步:一是傳感器越做越小，例如溫度、振動

2、、噪音等傳感器，已經(jīng)能夠做得非常小而不受影響地嵌入到被測體之中實現(xiàn)其功能。二是發(fā)展了例如光纖傳感材料、壓電陶瓷等許多自身具有感知和轉換功能的新型材料，直接嵌入或粘結在被測體內部使用。在精密機械系統(tǒng)中，由于受到工作環(huán)境惡劣和自身結構緊湊的限制，一般的位移傳感器無法直接嵌入到系統(tǒng)內部進行測量，尤其是精密和超精密的測量，這就嚴重制約了機械系統(tǒng)真正和全面實現(xiàn)智能化。
　　作者所在課題組研制出了一種以時間脈沖作為測量基準的位移傳感器—時柵，

3、經(jīng)過十幾年的發(fā)展，磁場式時柵技術已經(jīng)逐漸成熟。在此背景下，本文延續(xù)前期的研究基礎，開展了嵌入式時柵傳感技術的研究。根據(jù)時柵傳感器結構特點尤其是只需機械等分即可實現(xiàn)計量等分的特點，將機械系統(tǒng)的運動部件作為傳感器的一部分，實現(xiàn)機械系統(tǒng)的“嵌入式位置檢測”，徹底打破了同軸安裝獨立角位移傳感器的傳統(tǒng)模式，其具有體積小、重量輕、不受空間限制等一系列優(yōu)點，真正實現(xiàn)了人們對將位移測量嵌入到機械系統(tǒng)的長期追求。主要研究內容和創(chuàng)新點如下:
　　1)

4、從測量基準時空轉換理論出發(fā)，闡述了嵌入式時柵位移測量的關鍵是構建一種勻速運動的坐標系。在此基礎上，系統(tǒng)地總結了實現(xiàn)勻速運動的三種方式:機械運動、構造行波和自然行波。對比分析了自然行波與構造行波的產生機理、特點以及在位移測量中的應用，對嵌入式時柵傳感機理進行了深入研究，提出了嵌入式時柵電行波形成的新方法。
　　2)提出了測頭與轉子齒槽的一般對應關系，設計了兩種結構形式的嵌入式時柵角位移傳感器樣機:雙層繞組式和三層繞組式。進行了電磁場

5、仿真驗證，分析了這兩種傳感器的工作原理，設計了實現(xiàn)測量用的電氣系統(tǒng)包括硬件電路設計和軟件設計。
　　3)設計和搭建了嵌入式時柵角位移傳感器的實驗系統(tǒng)，針對兩種結構形式的傳感器開展了大量的實驗研究。實驗結果表明，雙層繞組式嵌入式時柵穩(wěn)定性達到了0.5"，重復性0.6"，測量精度±2.4";三層繞組式嵌入式時柵穩(wěn)定性為0.8"，重復性0.6"，測量精度±3.4"。根據(jù)實驗結果對傳感器的系統(tǒng)誤差和隨機誤差進行了詳細分析，討論了長周期誤差

6、和短周期誤差來源以及對測量結果的影響，提出了與傳統(tǒng)方法不同的特殊多測頭法，大幅度地降低了傳感器的系統(tǒng)誤差。
　　4)根據(jù)嵌入式時柵角位移傳感器的結構和誤差特點，提出了雙測頭定角平移法(FAS)和單測頭測量值差商法(DQM)兩種自標定方法。對這兩種方法進行了理論推導和數(shù)學建模，并進行了相應的實驗研究。最終結果表明，采用FAS自標定方法最終精度達到了±3.5"，接近于比較標定的精度，采用DQM自標定方法最終精度為±4.4"。為傳感器的

7、實現(xiàn)現(xiàn)場標定和精度保持提供了理論和實踐依據(jù)。
　　5)將嵌入式時柵傳感器應用到大型轉臺軸承的角位移檢測上，研制開發(fā)了的帶角位移檢測系統(tǒng)的大型轉臺軸承YRTM460。詳細分析了測量原理、加工方式和測頭設計方法。搭建了測試平臺，對YRTM460的基本性能指標進行了測試，測試結果表明，這種帶檢軸承穩(wěn)定性達到了0.4"，重復性0.5"，最終精度±3.5"。通過與哈爾濱量刃具集團的合作，該產品已于2015年4月在“第14屆中國國際機床博覽會

8、"上向全社會正式推出。同時與洛陽鴻元軸承科技有限公司正在洽談合作事宜。
　　綜上所述，本文在延續(xù)課題組前期時柵傳感器的研究基礎上，開展了嵌入式時柵傳感技術的研究，以時柵位移傳感器的測量模型為基礎，分析了實現(xiàn)勻速運動的三種方式，提出了嵌入式時柵傳感器電行波的形成方法，研制出了兩種結構形式的嵌入式時柵角位移傳感器，并開展了大量的實驗研究。結合傳感器結構和誤差特點，提出了能夠使傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場標定和精度保持的兩種自標定方法。為今后更深入地