旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種使具有沿圓周機(jī)械等分特征的運(yùn)動(dòng)金屬齒狀體具備自動(dòng)進(jìn)行精密角位移檢測(cè)并輸出其位移信息的系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一組包含有激勵(lì)、感應(yīng)和補(bǔ)償線圈的測(cè)頭,放置于被測(cè)運(yùn)動(dòng)金屬體旁,連同微處理器系統(tǒng)以非接觸方式精確獲取其運(yùn)動(dòng)位移信息。測(cè)頭增加了沿軸向等分開槽且單個(gè)線圈沿軸向繞制再沿切向串聯(lián)以削弱線圈磁場(chǎng)邊緣效應(yīng);測(cè)頭的金屬繞線基體的齒頂分別沿切向和軸向加工成特定的弧形;被測(cè)金屬和測(cè)頭齒狀體之間符合確定的分布原則;測(cè)頭具有獨(dú)立可調(diào)補(bǔ)償電源的信號(hào)補(bǔ)償線圈;將被測(cè)金屬體與測(cè)頭視為一個(gè)具有傳感功能的整體機(jī)械系統(tǒng),再通過在線或在系統(tǒng)條件下的誤差修正技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)具備自檢及輸出精密位移信息的能力。
【專利說明】旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于角位移精密測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)精密角位移傳感器在一些處于特殊和惡劣環(huán)境下的機(jī)械系統(tǒng)上“無法安裝”或“安裝后無法正常使用”是長(zhǎng)期存在的重大技術(shù)難題。例如超大型、強(qiáng)振動(dòng)、中空、工作于油污粉塵水汽等惡劣環(huán)境下的機(jī)械裝備和武器系統(tǒng)等。
[0003]傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置為了傳遞動(dòng)力和位置,采用了各種齒輪和蝸輪等。同時(shí)為了保證運(yùn)動(dòng)的精度,需要與被測(cè)齒輪I同軸同心(即通過軸承2、聯(lián)軸節(jié)3)安裝角位移傳感器,如圖1(a)所示,4為傳感器定子,5為傳感器轉(zhuǎn)子,這種傳感器若采用電磁原理,往往需要在傳感器的定子和轉(zhuǎn)子上等分開槽并繞制線圈6,見圖2 (b)。在一些特殊和惡劣的條件下,這些傳感器可能無法正常使用甚至根本就無法安裝,例如對(duì)于中空的大型齒圈的中心就沒有安裝位置。
[0004]同時(shí),本發(fā)明人注意到:(I)在被檢測(cè)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,有相當(dāng)大一部分自身就具有空間等分的特點(diǎn),例如齒輪(齒)、蝸輪(齒)、軸承(滾珠)、電機(jī)(槽)等;(2)這種等分的精度不是很高,稱為“機(jī)械等分”,達(dá)不到精密測(cè)量和控制所需求的“計(jì)量等分”程度;(3)角位移傳感器總是分為運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子部分和靜止的定子部分,分別與被測(cè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分相連,當(dāng)兩者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),由傳感器感知并輸出位移信息;(4)現(xiàn)有公知的傳感器技術(shù)和測(cè)量技術(shù)中,有的可以用較低的等分制作精度達(dá)到較高的測(cè)量精度,如時(shí)柵位移傳感器。有的采用與高精度傳感器對(duì)比并進(jìn)行誤差修正的方法,也可以使較低精度的傳感器補(bǔ)償成為較高精度的傳感器。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,以及被測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中存在機(jī)械等分的結(jié)構(gòu)這樣現(xiàn)象,提出一種旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),將被測(cè)金屬體視為傳感器轉(zhuǎn)子,測(cè)頭視為傳感器定子,即將被測(cè)金屬體與測(cè)頭視為一個(gè)具有傳感功能的整體機(jī)械系統(tǒng),通過對(duì)電磁測(cè)頭采用各種抑制誤差的設(shè)計(jì)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行提純,結(jié)合誤差修正技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)具備自檢及輸出精密位移信息的能力。
[0006]本發(fā)明的基本思想:
首先把具備機(jī)械等分條件的被測(cè)運(yùn)動(dòng)金屬當(dāng)作一個(gè)“大傳感器”的轉(zhuǎn)子部分,而特殊設(shè)計(jì)制作的一組獨(dú)立的電磁測(cè)頭旁置其外圓(非接觸、不運(yùn)動(dòng))當(dāng)作定子部分,以此初步具備獲取被測(cè)機(jī)械的位移信息的能力。其次對(duì)電磁測(cè)頭采用各種抑制誤差的手段對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行提純。第三將誤差軟修正技術(shù)運(yùn)用于上述被測(cè)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng),對(duì)所獲取位移信息中包含的定、轉(zhuǎn)子之間固有的誤差信息進(jìn)行分解和修正,使之能夠輸出準(zhǔn)確的角位移信息從而成為帶自檢功能的高精度機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),達(dá)到和安裝角位移傳感器同樣的效果。
[0007]本發(fā)明中所提“定子、轉(zhuǎn)子”及所涉及的“靜止、轉(zhuǎn)動(dòng)”是相對(duì)而言的。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其具有一組或多組獨(dú)立電磁測(cè)頭,獨(dú)立電磁測(cè)頭圍繞分布于被測(cè)機(jī)械上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的且具有空間機(jī)械等分特征的金屬齒狀體的與齒相對(duì)一側(cè),構(gòu)成定子,而相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬齒狀體構(gòu)成轉(zhuǎn)子,形成齒柵。
[0009]具體地,所述獨(dú)立電磁測(cè)頭包括導(dǎo)磁基體和線圈,導(dǎo)磁基體為弧形可視為圓環(huán)的一段,導(dǎo)磁基體上同時(shí)具有軸向開槽和切向開槽,且切向開槽的槽寬小于軸向開槽的槽寬;所述線圈包括激勵(lì)線圈、補(bǔ)償線圈和感應(yīng)線圈,線圈先沿軸向繞制,再沿切向串聯(lián)。
[0010]所述獨(dú)立電磁測(cè)頭的線圈與微處理器及信號(hào)處理電路連接,微處理器內(nèi)置誤差修正軟件模塊,它們與被測(cè)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)合,共同成為一套能夠自行輸出精密位移信息的機(jī)械系統(tǒng),達(dá)到與安裝角位移傳感器同樣的效果。
[0011]進(jìn)一步,所述導(dǎo)磁基體的齒頂分別沿切向和軸向設(shè)計(jì)成弧形,該弧形可以為正弦、余弦或其他弧形形狀,用于抑制信號(hào)中的誤差分量。
[0012]更進(jìn)一步,所述電磁測(cè)頭覆蓋被測(cè)機(jī)械的金屬齒狀體的齒數(shù)與獨(dú)立的電磁測(cè)頭的齒數(shù)比例符合2KN土 1: 2KN,其中K為正整數(shù),N為電磁測(cè)頭上所加激勵(lì)的相數(shù);
且電磁測(cè)頭的齒寬與槽寬比例符合以下規(guī)則:
L3=L2(I)
L4=M(L1+L2)M=I, 2, 3............(2)
其中,LI是金屬齒狀體的槽寬,L2是金屬齒狀體的齒寬,L3是電磁測(cè)頭的齒寬,L4是電磁測(cè)頭的槽寬,M為正整數(shù)。
[0013]更進(jìn)一步,所述每個(gè)電磁測(cè)頭除包含基本的導(dǎo)磁基體和線圈外,還具有信號(hào)補(bǔ)償線圈,它采用與激勵(lì)線圈相同的繞制方法繞在測(cè)頭基體上,信號(hào)補(bǔ)償線圈由一套獨(dú)立的補(bǔ)償交流電源提供補(bǔ)充激勵(lì),其電壓幅值、相位、頻率成分均可調(diào)整。
[0014]具體的,所述被測(cè)機(jī)械的金屬齒狀體為齒輪、蝸輪、電機(jī)、軸承等。
[0015]當(dāng)在末端采用齒輪的機(jī)械傳動(dòng)鏈中,選用其末級(jí)齒輪作為所述轉(zhuǎn)子,將末級(jí)齒輪上的齒視為圓周等分的齒柵,電磁測(cè)頭圍繞分布于末級(jí)齒輪的外周,作為定子,由此將齒輪與傳感器融為一體,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的帶自行檢測(cè)功能的精密齒輪系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
[0016]當(dāng)在末端采用蝸輪傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈中,選用末端的蝸輪作為所述轉(zhuǎn)子,將蝸輪上的齒視為圓周等分的齒柵,電磁測(cè)頭圍繞分布于蝸輪的外周,作為定子,由此將蝸輪與傳感器融為一體,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的帶自行檢測(cè)功能的精密蝸輪系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
[0017]當(dāng)在具有軸承的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中,將軸承端面蓋板加工形成一周等分齒成為齒柵結(jié)構(gòu),作為所述轉(zhuǎn)子,電磁測(cè)頭圍繞分布于軸承端面蓋板的外周,作為定子,由此將軸承與傳感器融為一體,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的帶自行檢測(cè)功能的精密軸承系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
[0018]與傳統(tǒng)的角位移檢測(cè)系統(tǒng)相比,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
①測(cè)頭與被測(cè)機(jī)械不接觸,測(cè)頭作為定子部分而不需要運(yùn)動(dòng),因此不易受到振動(dòng)和沖擊。
[0019]②測(cè)頭為分散式,結(jié)構(gòu)緊湊,便于密封,因此不怕油污、粉塵、水汽等極端惡劣工況;
③由于測(cè)頭體積小、重量輕,更不容易受到空間狹窄、中空和限重等特殊條件的限制,具備適用于極端特殊工作條件的顯著特色。
[0020]④不需要對(duì)被測(cè)機(jī)械做任何結(jié)構(gòu)上的增加和改變或稍加改變,成本特別低廉。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1 (a)是傳統(tǒng)測(cè)量方法中角位移傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖;
圖1 (b)是采用本發(fā)明的被檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2 Ca)是本發(fā)明使用的圓柱坐標(biāo)系定義;
圖2 (b)是傳統(tǒng)的電磁傳感器的定、轉(zhuǎn)子線圈結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2 (C)是按上述切向等分軸向開槽的電磁傳感器的定、轉(zhuǎn)子線圈結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3 (al)是傳統(tǒng)測(cè)頭基體的沿切向等分后再沿軸向開槽的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3 (a2)是本發(fā)明的測(cè)頭基體的軸向開槽和增加的沿軸向等分再沿切向開槽的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3 (bl)是傳統(tǒng)線圈繞組的切向繞制再切向串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3 (b2)是本發(fā)明線圈繞組的軸向繞制再切向串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4 (a)是本發(fā)明的沿切向帶有弧形齒的測(cè)頭結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4 (b)是本發(fā)明的沿軸向帶有余弦型齒的測(cè)頭結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5是本發(fā)明的測(cè)頭齒分布圖;
圖6 (a)是本發(fā)明的單相激勵(lì)的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)比的示意圖;
圖6 (b)是在圖6 (a)的基礎(chǔ)上定子槽寬增加一個(gè)節(jié)距的示意圖;
圖7 (a)是本發(fā)明的兩相激勵(lì)的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)比的示意圖;
圖7 (b)在圖7 (a)的基礎(chǔ)上定子槽寬增加一個(gè)節(jié)距的示意圖;
圖8是本發(fā)明的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖;
圖9是本發(fā)明方案在精密齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖10是本發(fā)明方案在具有精密蝸輪的機(jī)械系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖11是本發(fā)明方案在具有精密軸承的機(jī)械系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和具體結(jié)構(gòu):
本發(fā)明提出一種使具有沿圓周機(jī)械等分特征的運(yùn)動(dòng)金屬齒狀體具備自動(dòng)進(jìn)行精密角位移檢測(cè)并輸出其位移信息的系統(tǒng)。本發(fā)明采用電磁感應(yīng)原理,做成一組包含有信號(hào)激勵(lì)線圈、信號(hào)感應(yīng)線圈和信號(hào)補(bǔ)償線圈在內(nèi)的電磁感應(yīng)測(cè)頭,將一組或多組該測(cè)頭放置于被測(cè)運(yùn)動(dòng)金屬體旁邊,連同微處理器系統(tǒng)以非接觸方式精確獲取其運(yùn)動(dòng)位移信息。測(cè)頭的激勵(lì)、感應(yīng)和處理采用了部分公知的電磁傳感器技術(shù),而特征之一是測(cè)頭增加了沿軸向等分開槽且單個(gè)線圈沿軸向繞制再沿切向串聯(lián)以削弱線圈磁場(chǎng)邊緣效應(yīng);特征之二是測(cè)頭的金屬繞線基體的齒頂分別沿切向和軸向加工成特定的弧形,以減小誤差及減少誤差成分;特征之三是被測(cè)金屬和測(cè)頭齒狀體之間符合確定的分布原則;特征之四是定子測(cè)頭具有獨(dú)立可調(diào)補(bǔ)償電源的信號(hào)補(bǔ)償線圈;特征之五是將被測(cè)金屬體視為傳感器轉(zhuǎn)子,測(cè)頭視為傳感器定子,即將被測(cè)金屬體與測(cè)頭視為一個(gè)具有傳感功能的整體機(jī)械系統(tǒng),再通過在線或在系統(tǒng)條件下的誤差修正技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)具備自檢及輸出精密位移信息的能力。
[0024]本發(fā)明直接利用被測(cè)機(jī)械的齒輪、蝸輪、軸承等的機(jī)械等分性,在其旁邊安裝若干組獨(dú)立的電磁感應(yīng)測(cè)頭7,這樣被測(cè)齒輪I或蝸輪等(被視為傳感器轉(zhuǎn)子)就和測(cè)頭7 (視為傳感器定子)共同構(gòu)成類似于電磁感應(yīng)原理傳感器的整體系統(tǒng),可視其為一個(gè)廣義的“大傳感器”,如圖1 (b)所示。再用常規(guī)對(duì)傳感器進(jìn)行誤差修正的方法對(duì)此“大傳感器”進(jìn)行誤差標(biāo)定和誤差修正,使之成為和圖1 (a)同樣效果的可以輸出高精度位移信息,具有自檢功能的機(jī)械系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)精密測(cè)控目的。
[0025]為實(shí)現(xiàn)上述方案,本發(fā)明采用了以下傳統(tǒng)的公知技術(shù)和本發(fā)明提出的集成創(chuàng)新性技術(shù):
本發(fā)明中,對(duì)定子測(cè)頭按空間正交排列繞制的激勵(lì)線圈通以按時(shí)間正交輸出的交流電源,同在定子上的感應(yīng)線圈將感應(yīng)出電行波信號(hào)。當(dāng)按空間等分的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),定子電行波信號(hào)的相位將隨轉(zhuǎn)動(dòng)方向的不同而前后移動(dòng)。相移的大小與角位移成正比,從而反映出角位移信息。此為公知的電磁式位移傳感器技術(shù)。
[0026]本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于:
1、參見圖1 (b),將一組或多組獨(dú)立的電磁測(cè)頭7圍繞分布在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的具有空間機(jī)械等分特征的金屬齒狀體(圖中是齒輪I)的與齒相對(duì)一側(cè),構(gòu)成定子,并對(duì)測(cè)頭7上線圈的繞制和組合方法進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。
[0027]圖2(a)給出了對(duì)圓柱體三個(gè)坐標(biāo)方向的常規(guī)定義,分為軸向Y、徑向X和切向Z,而傳統(tǒng)的電磁類機(jī)電產(chǎn)品(電機(jī)、傳感器等)的串聯(lián)線圈,無論是定子還是轉(zhuǎn)子,都是沿切向Z繞制線圈,再嵌入沿切向等分開槽的定子、轉(zhuǎn)子基體中,并沿切向串聯(lián)。
[0028]而對(duì)于本發(fā)明采用的測(cè)頭線圈而言,測(cè)頭基體71相當(dāng)于一個(gè)圓環(huán)體截?cái)嗪蟮囊欢?,如圖3 (al),對(duì)這樣的測(cè)頭基體若是仍按上述切向等分軸向開槽,線圈6只能按切向串聯(lián)繞制后,前后不搭邊,不形成封閉,這樣線圈磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)將對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響,如圖2 (C)。
[0029]為此本發(fā)明提出在傳統(tǒng)測(cè)頭基體的切向等分軸向開槽的基礎(chǔ)上,增加沿軸向等分的切向開槽,且其槽寬b小于軸向開槽的槽寬a,如圖3(a2)所示。然后線圈52的繞制方向由傳統(tǒng)的切向繞制后切向串聯(lián)(如圖3 (bl)),改為軸向繞制后再切向串聯(lián),如圖3(b2)所示。通過理論分析、電磁場(chǎng)仿真和實(shí)驗(yàn)效果均證明這種結(jié)構(gòu)可以明顯削弱測(cè)頭離散(不封閉)線圈的磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)。
[0030]以上只是以增加一道切向開槽,兩個(gè)線圈6反繞組成“8”字型線圈為例,實(shí)用中可以有更多的切向開槽用于繞制多個(gè)線圈。
[0031]2、本發(fā)明用于繞制線圈6 (含激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈和補(bǔ)償線圈)的測(cè)頭基體亦為機(jī)械等分的金屬齒狀體,為了進(jìn)一步抑制感應(yīng)信號(hào)中的誤差成分,本發(fā)明將測(cè)頭基體的齒頂加工成正弦、余弦或其它弧形,并且可以分別或同時(shí)沿著切向和軸向分布,如圖4 (a)是在齒頂?shù)那芯€方向加工為弧形齒711,如圖4 (b)是在齒頂?shù)妮S向方向形成余弦形齒面712,此為兩個(gè)典型例,當(dāng)然也可以還有其他類似設(shè)計(jì)。
[0032]3、本發(fā)明的測(cè)頭基體71的齒數(shù)、寬度和占空比等分布規(guī)律符合圖5所示原則。
[0033]測(cè)頭齒分布原則:
L3=L2(I)
L4= M(L1+L2) M=I, 2, 3............(2)
其中,LI是金屬齒狀體的槽寬,L2是金屬齒狀體的齒寬,L3是離散電磁測(cè)頭的齒寬,L4是離散電磁測(cè)頭的槽寬,M為正整數(shù)。
[0034]測(cè)頭基體71(即定子)和被測(cè)機(jī)械的金屬齒狀體1(轉(zhuǎn)子)的齒數(shù)比為:2KN:2KN±1,其中K為正整數(shù),N為測(cè)頭上所加激勵(lì)的相數(shù)。
[0035]在此基礎(chǔ)上,定子槽寬可增加P (P ^ I)倍節(jié)距的寬度,同樣可衍生出多種定轉(zhuǎn)子齒數(shù)比。
[0036]如圖6為單相激勵(lì)定轉(zhuǎn)子齒數(shù)比,圖6 (a)為定轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為2:3的情況,圖6(b)為在圖6 Ca)的基礎(chǔ)上定子槽寬增加I倍節(jié)距的情況。
[0037]如圖7為兩相激勵(lì)定轉(zhuǎn)子齒數(shù)比,圖7(a)為定轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為4:5的情況,圖7(b)為在圖7 Ca)的基礎(chǔ)上定子槽寬增加I倍節(jié)距的情況。
[0038]4、由于各種原因,在激勵(lì)電源作用下信號(hào)感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)將包含各種誤差成分,為此需再增加一個(gè)信號(hào)補(bǔ)償線圈,對(duì)原有誤差成分進(jìn)行抵消。本發(fā)明增加的信號(hào)補(bǔ)償線圈的特征是:首先不是采用一個(gè)環(huán)狀封閉的定子線圈,而是將其截?cái)喑蔀槿舾蓚€(gè)離散的測(cè)頭線圈,其作用與上述定子線圈相似;其次不僅增加一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)補(bǔ)償線圈,而且還要增加一套獨(dú)立的補(bǔ)償交流電源,其電壓幅值、相位、頻率成分均可調(diào)整,從而達(dá)到更好的補(bǔ)償效果,見圖8。
[0039]5、傳統(tǒng)方法將研制開發(fā)的位移傳感器與高精度的位移傳感器(如精密光柵、激光干涉儀等)同步轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行比對(duì),將誤差信息記錄于微處理器進(jìn)行誤差修正,從而提高所研發(fā)的傳感器精度。本發(fā)明由于將具有機(jī)械等分特征的被測(cè)機(jī)械視為傳感器轉(zhuǎn)子,而把通常為一整圈的定子線圈改為離散的電磁測(cè)頭后視為定子旁置于被測(cè)機(jī)械,如圖1 (b)所示,從而不同于上述傳統(tǒng)方法,即不需要在實(shí)驗(yàn)室或傳感器制造商廠房中實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)傳感器的誤差修正,而是在系統(tǒng)使用客戶的加工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)具備自檢功能的機(jī)械系統(tǒng)(有可能是非常龐大的系統(tǒng))的在線誤差修正。除了直接利用被測(cè)機(jī)械的等分金屬齒狀體外,也可以專門加工一個(gè)按需設(shè)計(jì)的齒圈依附于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械之上,本方法同樣適用。
[0040]以下,分別具體以精密齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、具有精密蝸輪和精密軸承的機(jī)械系統(tǒng)為例,詳細(xì)說明本發(fā)明方案在這些系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn):
1、精密齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)
在機(jī)床和武器系統(tǒng)等機(jī)械裝備中,機(jī)械傳動(dòng)鏈的最末端大多采用齒輪傳動(dòng)。由于大型齒輪加工技術(shù)的限制,若要求它既滿足高速、重載、耐磨,又要求滿足高精度是很難同時(shí)做到的,因此常規(guī)做法是用普通精度的齒輪再加上精密角位移傳感器配合起來使用,從而可以利用閉環(huán)控制技術(shù)來同時(shí)兼顧齒輪傳動(dòng)的機(jī)械參數(shù)指標(biāo)和精度指標(biāo)。若傳感器與末級(jí)齒輪同軸安裝,測(cè)量及控制可以達(dá)到傳動(dòng)鏈末端,稱為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),且效果最好;若傳感器與次級(jí)齒輪同軸安裝,則測(cè)控對(duì)象只達(dá)到傳動(dòng)鏈的次末端,稱為半閉環(huán)。這時(shí)齒輪與齒輪的傳動(dòng)誤差不受測(cè)控系統(tǒng)的干預(yù),精度較差。角位移傳感器和末級(jí)齒輪的同軸安裝受諸多條件限制,如超大、中空、連接以及各種干擾。因此目前很多使用齒輪傳動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制方式,其精度水平難以提高。
[0041]而使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用在末級(jí)齒輪8旁邊安放電磁測(cè)頭的方式獲取其角位移信息,可以達(dá)到與在末級(jí)齒輪上同軸安裝角位移傳感器同樣的效果,從而以一種簡(jiǎn)便而可行的方式實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
[0042]如圖9所示,針對(duì)具有沿圓周等分排列的導(dǎo)磁體特征的末級(jí)齒輪8,在其旁邊安放一組(一個(gè)或多個(gè))電磁測(cè)頭7,其中電磁測(cè)頭包含有激磁線圈和感應(yīng)線圈。在激磁線圈內(nèi)通入兩相或多相正交的交流電源,就會(huì)在感應(yīng)線圈內(nèi)獲取包含有齒輪角位移信息的調(diào)幅或調(diào)相信號(hào),結(jié)合信號(hào)處理電路和微處理器系統(tǒng)共同構(gòu)成帶檢功能的精密齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。圖中,9是次級(jí)齒輪,10是驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0043]2、具有精密蝸輪機(jī)械系統(tǒng)
在機(jī)械傳動(dòng)鏈的最末端也有采用蝸輪傳動(dòng)的,由于蝸輪,尤其是大型蝸輪加工技術(shù)的限制,若要求它既滿足高速、重載、耐磨,又要求滿足高精度是很難同時(shí)做到的,因此常規(guī)做法是用普通精度的蝸輪再加上精密角位移傳感器配合起來使用,從而可以利用閉環(huán)控制技術(shù)來同時(shí)兼顧蝸輪傳動(dòng)的機(jī)械參數(shù)指標(biāo)和精度指標(biāo)。若傳感器安裝在蝸輪上,測(cè)量及控制可以達(dá)到傳動(dòng)鏈最末端,稱為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),且效果最好;若傳感器安裝在蝸桿上,則測(cè)控對(duì)象只達(dá)到傳動(dòng)鏈的次末端,稱為半閉環(huán)。這時(shí)從蝸桿到蝸輪的傳動(dòng)誤差不受測(cè)控系統(tǒng)的干預(yù),精度較差。但是要把角位移傳感器與蝸輪同軸安裝是一件很費(fèi)勁的事,受到諸多現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,如超大、中空、聯(lián)接、各種干擾等。因此目前很多使用蝸輪傳動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制方式,其精度水平難以提高。
[0044]而使用本發(fā)明方案,采用在蝸輪旁邊安放電磁測(cè)頭線圈的方式獲取其角位移信息,可以達(dá)到與在蝸輪上同軸安裝角位移傳感器同樣的效果,從而以一種簡(jiǎn)便而可行的方式實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
[0045]參見圖10,以蝸輪12作為傳感器的轉(zhuǎn)子,將蝸輪上的齒視為圓周等分的齒柵,電磁測(cè)頭7圍繞分布于蝸輪8的外周,作為定子,其激勵(lì)線圈內(nèi)通入兩相或多相正交的交流電源,就會(huì)在其感應(yīng)線圈內(nèi)獲取包含有蝸輪角位移信息的調(diào)幅或調(diào)相信號(hào)。結(jié)合信號(hào)處理電路和微處理器系統(tǒng)即共同構(gòu)成帶檢功能的精密蝸輪系統(tǒng)。圖中11是蝸桿,10是驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0046]具體地,如果是鑄鐵蝸輪(或使用其它導(dǎo)磁材料做成的蝸輪),可直接使用旁置式電磁測(cè)頭構(gòu)成角位移信息獲取單元。
[0047]如果是銅蝸輪(或使用其它非導(dǎo)磁材料做成的蝸輪),可在銅蝸輪齒頂表面制作局部的導(dǎo)磁體,從而可以與上述導(dǎo)磁的蝸輪一樣利用電磁感應(yīng)原理采集角位移信息。可以考慮的制作工藝舉例如下:
(O電鍍法:在銅蝸輪表面電鍍一層導(dǎo)磁材料;
(2)澆鑄法:在澆鑄銅蝸輪時(shí)預(yù)埋一圈導(dǎo)磁金屬環(huán)狀體,使得在加工蝸輪以后,在每顆齒的齒頂將會(huì)留下一段導(dǎo)磁體。
[0048](3)鑲嵌法:使用機(jī)械加工方式,在每顆齒的齒頂部位嵌入一段導(dǎo)磁體。
[0049]3、具有精密軸承的機(jī)械系統(tǒng)
傳統(tǒng)的軸承角位移檢測(cè)是采用同軸安裝角位移傳感器,或在軸承外表面上錄制或鑲套一圈精密柵格的方式實(shí)現(xiàn)的。同軸安裝傳感器的方式無法實(shí)現(xiàn)對(duì)超大型中空軸承的角位移檢測(cè);外加精密柵格的方式無法適應(yīng)強(qiáng)振動(dòng)、油污、粉塵、水汽等惡劣的工作環(huán)境,且安裝困難,成本高,容易磁化。
[0050]而使用本發(fā)明方案,在不破壞軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將軸承自身的部分部件通過加工改變成為精密傳感器的一部分,通過外加測(cè)頭的方式將軸承與傳感器融為一體。參見圖11,具體做法是:將軸承14的端面蓋板上加工形成一周等分齒稱為齒柵13,再在齒柵旁邊非接觸地安裝一組電磁測(cè)7,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的精密軸承系統(tǒng)。
[0051]在軸承端面蓋板加工的齒柵形式有如下幾種:
(I)用磨齒機(jī)或?qū)S媚ゴ玻瑢⒃懈哂捕鹊妮S承端蓋沿圓周磨成等分的齒柵。這種方式最后產(chǎn)品的整體性、外觀性較好;不足之處是軸承鋼的硬度很高,對(duì)磨齒機(jī)床的要求較高,加工成本較高。
[0052](2)換用普通鋼板做端蓋。因硬度不是很高,可以采用更高效的滾齒工藝加工成齒柵后,再將其淬火提高硬度。這種方法對(duì)機(jī)床要求不高,加工成本較低。但是齒柵經(jīng)過淬火后容易變形,對(duì)測(cè)量精度不利。
[0053](3)在原有軸承鋼端蓋外面嵌套普通鋼圈,這樣中間的硬度保持不變,外圈則方便使用廉價(jià)的滾齒加工工藝并保持精度。
[0054]本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式,如果對(duì)發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍,倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。
【權(quán)利要求】
1.一種旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)具有一組或多組獨(dú)立的電磁測(cè)頭,所述電磁測(cè)頭圍繞分布于被檢機(jī)械上相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的、具有空間機(jī)械等分特征的金屬齒狀體的與齒相對(duì)的一側(cè),構(gòu)成定子,而相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬齒狀體構(gòu)成轉(zhuǎn)子; 所述電磁測(cè)頭包括導(dǎo)磁基體和線圈,導(dǎo)磁基體為圓環(huán)的一段,導(dǎo)磁基體在面對(duì)金屬齒狀體的一面上同時(shí)具有軸向開槽和切向開槽,形成齒,且切向開槽的槽寬小于軸向開槽的槽寬;所述線圈包括激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈,線圈先沿軸向繞制,再沿切向串聯(lián); 所述電磁測(cè)頭的線圈與微處理器及信號(hào)處理電路連接,微處理器內(nèi)置有誤差修正處理模塊; 所述電磁測(cè)頭、微處理器、信號(hào)處理電路和被測(cè)機(jī)械的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)金屬齒狀體共同構(gòu)成一套能夠自行輸出精密位移信息的自行檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述導(dǎo)磁基體的齒頂分別沿切向和軸向設(shè)計(jì)成弧形,齒頂?shù)幕⌒螢檎?、余弦或其他弧形形狀?br>
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述電磁測(cè)頭覆蓋被測(cè)機(jī)械的金屬齒狀體的齒數(shù)與電磁測(cè)頭的齒數(shù)比例符合2KN±1:2KN,其中K為正整數(shù),N為電磁測(cè)頭上所加激勵(lì)的相數(shù); 且電磁測(cè)頭的齒寬與槽寬比例符合以下規(guī)則:L3=L2(I) L4=M(L1+L2) M=I, 2,3............(2) 其中,LI是金屬齒狀體的槽寬,L2是金屬齒狀體的齒寬,L3是電磁測(cè)頭的齒寬,L4是電磁測(cè)頭的槽寬,M為正整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述每個(gè)電磁測(cè)頭除包含基本的導(dǎo)磁基體和激勵(lì)、感應(yīng)線圈外,還有信號(hào)補(bǔ)償線圈,它采用與激勵(lì)線圈相同的繞制方法繞在導(dǎo)磁基體上,信號(hào)補(bǔ)償線圈由一套獨(dú)立的補(bǔ)償交流電源提供補(bǔ)償激勵(lì),其電壓幅值、相位、頻率成分均可調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述電磁測(cè)頭旁置于相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)金屬齒狀體的外圓相對(duì)一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述被測(cè)機(jī)械的金屬齒狀體為齒輪、蝸輪、電機(jī)、軸承等,所述齒輪、蝸輪和軸承上的齒都是采用導(dǎo)磁材料制得。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,在末端采用齒輪的機(jī)械傳動(dòng)鏈中,選用其末級(jí)齒輪作為所述轉(zhuǎn)子,將末級(jí)齒輪上的齒視為圓周等分的齒柵,電磁測(cè)頭圍繞分布于末級(jí)齒輪的外周,作為定子,由此將齒輪與傳感器融為一體,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的帶自行檢測(cè)功能的精密齒輪系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,在末端采用蝸輪傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈中,選用末端的蝸輪作為所述轉(zhuǎn)子,將蝸輪上的齒視為圓周等分的齒柵,電磁測(cè)頭圍繞分布于蝸輪的外周,作為定子,由此將蝸輪與傳感器融為一體,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的帶自行檢測(cè)功能的精密蝸輪系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,若為鑄鐵蝸輪,可直接做為齒柵;若為銅蝸輪,可采用三種工藝在齒頂添加導(dǎo)磁材料成為齒柵:(I)電鍍法;(2)澆鑄法;(3)鑲嵌法。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,在具有軸承的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中,將軸承端面蓋板加工形成一周等分齒成為齒柵結(jié)構(gòu),作為所述轉(zhuǎn)子,電磁測(cè)頭圍繞分布于軸承端面蓋板的外周,作為定子,由此將軸承與傳感器融為一體,連同微處理器及信號(hào)處理電路共同構(gòu)成一套能自動(dòng)發(fā)出角位移信息的帶自行檢測(cè)功能的精密軸承系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求11所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,為了在軸承端面蓋板上形成齒柵,可以采用三種方式:(I)直接在軸承蓋板上等分磨齒;(2)在普通鋼板上等分滾齒后再淬火代替原有軸承蓋板;(3)在軸承蓋板上鑲嵌一圈普通鋼圈再滾齒。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于,首次使用所述自行檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)前,先要利用高精度的角位移測(cè)量裝置對(duì)自行檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的進(jìn)行位移測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果與自行檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的自測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出自行檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的固有測(cè)量誤差,存儲(chǔ)于微處理器,以后在實(shí)際測(cè)量或控制中補(bǔ)償此固有測(cè)量誤差部分,達(dá)到誤差修正后輸出精密位移信息的效果。
【文檔編號(hào)】G05B19/18GK104298170SQ201410436517
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】彭東林, 武亮, 高中華, 孫世政, 湯其富, 陳錫侯, 范兵 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)