基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测方法与技术研究

摘要

随着航空航天、造船、冶金、矿山、发电设备等行业的发展和工业技术的革新，对于作为实现工具的重型机床的加工精度和传动精度要求越来越高。在重型机床、超长型机床等设备上，由于重载、空间位置等要求，往往采用齿轮齿条传动代替滚珠丝杠传动。齿条作为末端传动件，其位移检测是实现全闭环控制的重要环节。通常齿条的位移检测通过安装如光栅、磁栅等外置传感器实现，但当传动件超大超长、工作环境恶劣、工作空间位置受限时，不仅制约了传感器的安装便利性，而且很难实现高精度的位移测量。　　针对以上问题，本文以时栅传感原理为基础，提出一种齿条位移检测方法，即利用机械等分的齿条作为传感部件，将时栅传感器测头内嵌（或傍置）到机械系统内部，二者有机的组成一组位移检测单元。采用该方法设计的传感器测头体积小，便于与机械系统中本身存在的齿条集成装配。同时，这种传感器设计方法继承了时栅传感器环境适应性强、精度性能好、性价比高的优势。本文的主要研究内容如下：　　（1）通过研究时栅位移传感器的传感机理和变压器模型，提出了一种基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测方法,并对位移检测单元的信号发生机理进行了相关分析。　　（2）通过研究传感器信号发生机理，对齿条位移检测单元的物理模型进行设计。通过ANSOFT MAXWELL对齿条位移检测单元进行电磁场仿真，并根据仿真结果对物理模型进行优化。　　（3）根据齿位移检测单元的测量原理及其输出信号特点，进行电气系统的设计。　　（4）开展样机制作、实验平台搭建工作，进行原理验证实验和性能测试实验，通过精度实验可知原始误差峰峰值约为 108μm，并通过 FFT 对原始误差进行误差分析。　　综上所述，本文通过研究时栅传感原理，提出了一种齿条位移检测方法，设计了齿条位移检测单元的模型结构。通过仿真软件对模型结构进行仿真分析与结构优化，并以此为基础开展了实验研究。通过对实验数据进行分析，明确了齿条位移检测单元的主要误差来源。

目录

声明

1绪论

1.1课题的背景、来源和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

2基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测原理

2.1时栅工作原理

2.2齿条位移检测原理

2.3本章小结

3结构设计与仿真优化

3.1传感器结构设计

3.2电磁场仿真

3.3误差分析与结构优化

3.4本章小结

4齿条位移检测单元电气系统

4.1电气系统整体方案设计

4.2电源电路

4.3激励电路

4.4信号处理电路

4.5通讯接口电路

4.6上位机

4.7本章小结

5实验验证

5.1样机试制

5.2实验平台

5.3原理性实验

5.4性能测试实验

5.5误差分析

5.6本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果