基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测方法与技术研究

发布时间：2020-11-04 21:17

　　 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。
【学位单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG86
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题的背景、来源和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 传统嵌入式位移传感器
        1.2.2 时栅位移传感器
    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
        2.1.1 时栅测量原理
        2.1.2 行波合成方法
    2.2 齿条位移检测原理
        2.2.1 信号产生机理
        2.2.2 位移解算方法
    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
        3.1.1 等齿距式齿条位移检测单元
        3.1.2 不等齿距式齿条位移检测单元
    3.2 电磁场仿真
        3.2.1 电磁场有限元法
        3.2.2 仿真模型
        3.2.3 模型仿真
    3.3 误差分析与结构优化
        3.3.1 误差分析
        3.3.2 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
        4.4.1 放大合成电路
        4.4.2 滤波电路
        4.4.3 波形转换电路
    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
        5.3.1 驻波验证
        5.3.2 行波验证
    5.4 性能测试实验
        5.4.1 示值稳定性实验
        5.4.2 精度实验
    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

【参考文献】

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本文编号：2870620