本文關鍵詞：精密機械系統(tǒng)中的嵌入式時柵傳感新技術研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(chǎn)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、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(zhuǎn)換功能的新型材料,直接嵌入或粘結在被測體內(nèi)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(nèi)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一時柵,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(nèi)容和創(chuàng)新點如下：1)從測量基準時空轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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)和單測頭測量位差商法(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)品已于2015年4月在“第14屆中國國際機床博覽會”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。為今后更深入地開展其他形式的嵌入式時柵傳感技術的研究提供理論和實踐研究基礎。
【關鍵詞】：精密機械系統(tǒng) 嵌入式時柵 角位移傳感器 自標定 帶角位移檢測功能轉(zhuǎn)臺軸承
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 致謝8-9
• 摘要9-11
• ABSTRACT11-21
• 1 緒論21-31
• 1.1 精密機械系統(tǒng)中的位置檢測方式21-24
• 1.2 傳感器嵌入式檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-25
• 1.3 時柵位移傳感器簡介及發(fā)展過程25-27
• 1.4 本文的背景、來源及意義27-29
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容29-31
• 2 嵌入式時柵傳感理論研究31-49
• 2.1 測量基準時空轉(zhuǎn)換理論31-35
• 2.1.1 時空轉(zhuǎn)換思想實驗31-32
• 2.1.2 時空轉(zhuǎn)換理論32-35
• 2.2 自然行波與構造行波35-40
• 2.2.1 自然行波35-37
• 2.2.2 構造行波37-39
• 2.2.3 自然行波與構造行波的異同點分析39-40
• 2.3 嵌入式時柵行波形成方法40-47
• 2.3.1 時柵中的旋轉(zhuǎn)磁場41-42
• 2.3.2 時柵電行波形成方法42-44
• 2.3.3 嵌入式時柵行波形成方法44-47
• 2.4 本章小結47-49
• 3 嵌入式時柵角位移傳感器設計49-65
• 3.1 引言49
• 3.2 傳感器結構設計49-53
• 3.2.1 測頭與轉(zhuǎn)子齒槽對應關系49-50
• 3.2.2 兩種結構的嵌入式時柵50-52
• 3.2.3 原理性仿真52-53
• 3.3 工作原理53
• 3.4 硬件設計53-62
• 3.4.1 正交激勵模塊53-56
• 3.4.2 信號處理模塊56-57
• 3.4.3 時間測量模塊57-60
• 3.4.4 數(shù)據(jù)處理模塊60-62
• 3.5 軟件設計62
• 3.6 本章小結62-65
• 4 嵌入式時柵角位移傳感器實驗研究65-91
• 4.1 實驗系統(tǒng)設計65-66
• 4.2 行波形成實驗66-68
• 4.3 性能測試實驗68-75
• 4.3.1 穩(wěn)定性實驗68-70
• 4.3.2 精度實驗70-74
• 4.3.3 重復性實驗74-75
• 4.4 誤差來源分析與處理75-89
• 4.4.1 系統(tǒng)誤差76-88
• 4.4.2 隨機誤差88-89
• 4.5 本章小結89-91
• 5 嵌入式時柵角位移傳感器自標定新方法及技術91-115
• 5.1 引言91
• 5.2 傳感器標定概述91-92
• 5.3 傳感器自標定發(fā)展現(xiàn)狀92-93
• 5.4 自標定原理分析93-105
• 5.4.1 EDA自標定原理93-95
• 5.4.2 PFD自標定原理95-99
• 5.4.3 TDR門標定原理99-105
• 5.5 嵌入式時柵角位移傳感器自標定原理105-110
• 5.5.1 FAS自標定原理105-107
• 5.5.2 DQM自標定原理107-110
• 5.6 嵌入式時柵角位移傳感器自標定實驗研究110-114
• 5.6.1 FAS自標定實驗研究110-112
• 5.6.2 DQM自標定實驗研究112-114
• 5.7 本章小結114-115
• 6 帶角位移檢測功能大型轉(zhuǎn)臺軸承的研制115-123
• 6.1 引言115-116
• 6.2 帶角位移檢測功能轉(zhuǎn)臺軸承測量原理116
• 6.3 帶檢測功能軸承結構設計116-119
• 6.3.1 齒柵加工方式117-118
• 6.3.2 時柵測頭設計118-119
• 6.3.3 電子系統(tǒng)119
• 6.4 性能測試119-121
• 6.4.1 測試系統(tǒng)簡介119-120
• 6.4.2 性能指標測試120-121
• 6.5 本章小結121-123
• 7 總結與展望123-125
• 7.1 總結123-124
• 7.2 展望124-125
• 參考文獻125-131
• 攻讀博士學位期間的學術活動及成果情況131

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  本文關鍵詞：精密機械系統(tǒng)中的嵌入式時柵傳感新技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：269977