基于ARM的直线式时栅传感器自动闭环控制系统设计

设计的自动闭环控制系统,是为了完成直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率。基于PHILIPS公司的ARM处理器LPC2214作为主控芯片,设计了控制电路,控制步进电动机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,并与上位机之间进行串口通信。实践证明:系统响应速度快,控制精度能达到0.1μm。     

运用FPGA+ARM的直线式时栅传感器的数据采集系统设计

利用时空转换思想,以时间基准测量空间位移量,借鉴国际上先进的位移测量技术手段,设计直线式时栅传感器高速实时数据采集系统。通过先进的RISC机器(Advanced RISC Machines,ARM)对现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)进行管理控制,利用嵌入式操作系统Linux软件编程,在FPGA上构建正弦信号发生器、NIOS_II软核处理器,完成高速数据采集,使系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明:采用所设计的高速实时数据采集系统,最小分辨时间为2.44ns.解决了直线式时栅传感器处理速度和数据采集不匹配的问题,实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿,为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。     

基于ARM的直线式时栅位移传感器A/D转换电路设计

利用时空转换思想,以时间基准测量空间位移量,设计了基于ARM的直线式时栅传感器A/D转换电路。采用STM32F407VGT6型ARM处理器与AD7298BCPZ型12位A/D转换芯片相结合,利用嵌入式Linux实时操作系统的移植,使得系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明:设计的A/D转换电路,最小分辨时间为2.44 ns.能够更好的实现传感器的高速、高分辨率采样,实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿,为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。     

柱栅传感器定滑尺绕组连续化设计

柱栅是一种新型直线位移数字式传感器。柱栅传感器经过了柱栅概念样机的研制阶段，证实了其可行性。新颖的结构设计使得该传感器具有许多比标准型直线式感应同步器优越的特性。讨论了传统的直线式感应同步器的不足，着重介绍柱栅传感器样机绕组的结构设计与运行机理，对柱栅传感器的绕组结构提出了全连续化的改进。     

时栅传感器直驱式误差自动标定与修正系统

针对研制时栅位移传感器过程中的误差标定环节,常规光栅传感器精度不满足要求的问题,采用激光干涉仪作为误差标定基准,自主研制了基于激光干涉仪的直驱式时栅角位移传感器误差自动标定与修正系统。利用时栅角位移传感器的多测头结构与误差曲线等间距周期性分布的特性,以一个对极的误差曲线重构传感器整周的误差曲线,采用多项式拟合算法构建了时栅角位移传感器的误差修正模型。实验结果表明,误差自动标定与修正系统可以快速、准确地对时栅角位移传感器进行自动误差标定与修正,修正后的时栅角位移传感器的整周误差达到±0.43″。     

SSI同步串行技术在时栅传感器中的应用研究

智能时栅位移传感器是一种全新的位移传感器。文中提出将SSI同步串行技术应用在智能时栅传感器上,使智能时栅传感器的输出协议能兼容多种国外高精度光电编码器。详细介绍了SSI同步串行技术在智能时栅传感器接口上的实现与应用。     

高精度等分齿形全自动线切割加工系统设计

针对时栅传感器的产品开发,设计了一套高精度等分齿形全自动线切割加工系统,该系统采用了基于时栅传感器的高精度空心分度转台作为分度机构,对加工过程中钼丝的磨损进行了自动测量,并将测量结果反馈回线切割机控制系统进行补偿,以实现高精度全自动线切割加工的目的。实际应用表明,该系统加工精度高、成本低,大大提高了生产效率。并且该系统也可以用于类似需要高精度分度线切割加工的场合。     

嵌入式时栅传感器的动态自标定

提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。     

基于多读数头位移传感器误差自修正的研究

目前栅式位移传感器主要有光栅、容栅、球栅、感应同步器、旋转变压器、时栅等,提高其精度一般通过增加栅线密度和读数头数量来实现,或者依靠高精度母仪来检测和修正误差,但是这种方式对传感器的加工和安装要求高,或者传感器精度长时间保持性差。本文针对上述问题,提出了基于等差相位构建正交信号、实现多读数头测量、误差特征参数自辨识和误差自修正的新方法,该方法不增加加工和安装难度,定子和转子的槽数接近,多读数头有机集成在同一个定子,使读数头的一致性好。实验结果表明:基于等差相位构建多读数头误差成分少,通过多读数头误差特征参数自辨识和误差自修正后,传感器的误差可达到±1.9″。     

精密数控分度转台的控制系统设计

融合了时栅传感器测量技术的高精度时栅分度转台,在实际应用过程中出现了因定位精度高,人工很难一次性准确分度定位。针对该问题,利用高性价比的ARM嵌入式处理器,设计开发了一套基于时栅分度转台的自动分度定位控制系统。该系统采用步进电机作为驱动装置,利用转台中嵌入的高精度时栅角位移传感器的角位移测量数据作为反馈,构成闭环控制,采用分段控制、逐步逼近的控制算法,达到高速、高精度分度定位的目的。实际应用表明:该控制系统的分度定位精度达到±2″。     

Automated Surface Roughness Measurement

A non-contact roughness sensor is described that is suited for integration with a computer-controlled coordinate measuring machine (CMM). The sensor employs a fibre optic interferometer, electronic control system and data-processing software. The combination of the sensor and computer controlled CMM allows surface texture assessment to be made during scheduled dimensional inspections of complex curved surface components, such as turbine blades. The sensor system will measure surface roughness parameters, for example Ra, using a method that reflects standard procedures. The lightweight sensor head can be mounted on a touch probe arm and the associated articulated mounting head; this combination gives quasi 5-axis positioning ability to the overall sensor. This is suitable for automated surface finish inspection of compound curved surface blades. The sensor and its control unit are integrated with the CMM controller and its operation can be controlled through standard part-program commands used by the CMM.     

时栅角位移传感器自动检定系统

针对时栅角位移传感器产业化过程中产品质量检定环节采用人工检定方式导致工作效率低且容易产生漏记、错记进而影响产品质量检定的问题,研制了时栅角位移传感器自动检定系统。系统采用PMAC作为运动控制单元,以直驱电机作为驱动机构,有效减小传动环节误差,质量检定选用ELCOMAT3000型双轴电子自准直仪,全量程检定误差小于±0.25″。构建了参数化的直线梯形加速运动模型与产品质量检定算法,整个产品质量检定全部自动完成,检定精度高,工作效率得到有效提升,产品质量得到可靠的保证。     

嵌入式容栅传感技术及轴功率测试研究

针对旋转轴功率测试存在的传感器信号引线困难、安装空间受限、信号易受干扰的问题,设计了一种嵌入式容栅扭矩、转速传感器和测试系统.测试时在轴的两端分别安装容栅传感器,轴在受到扭矩时产生扭角,则两容栅的输出信号会产生一个相位差,通过测量相位差的变化得到扭矩.容栅传感器的差动结构提高了灵敏度减小了误差,容栅的嵌入式安装,将对被测轴的影响降到了最低.实验证明容栅传感器可靠性高,可以在环境要求严格的情况下长时间使用,并且无需通过滑环、无线或红外进行供电和信号的传输,克服了以上方式安装复杂、信号易受干扰的缺点.     

时栅位移传感器的动态特性研究

为了解决时栅角位移传感器的动态测量问题,在基于静态的时栅位移传感器电磁仿真的基础上,通过引入运动单元模块,建立了时栅位移传感器的动态电磁仿真模型。通过分析时栅位移传感器的感应电动势幅值信号和感应频率信号,得到了动态条件下的时栅位移传感器感应电动势幅值和频率与转子转速的关系,并测算了磁场式时栅位移传感器在激励频率为400Hz的情况下,理论上能够达到的极限转速为8r/min。实验结果表明,转子转速在0～8r/min时传感器动态误差为±1.4″,速度超过8r/min时传感器精度开始恶化,转子转速为10r/min时传感器误差为±8.2″。     

单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。     

数控研磨机研磨去除量的在线监控系统试验研究

将光栅测量系统和数控技术用于高速研磨机上,从而给研磨机增加监控功能,这是新型高速研磨机的发展方向。光栅测量系统具有数字化、精度高和安装方便等优点,故选用光栅测量系统测量压头的位移,并利用计算机实现相应的控制。介绍了光栅测量系统的组成、工作原理及主要技术参数,并对数控研磨机监控装置的组成和监控原理进行了分析,对高速研磨机的设计优化具有参考价值。     

CMOS光栅图像纳米细分技术研究

光栅技术已在长度测量、角度测量、位置测量、自动检测、自动控制等诸多领域广泛应用。采用长光栅作为检测元件,但对光栅的细分不用常用的电子学细分,而是采用CMOS显微成像系统读取长光栅,并随之对光栅图形进行细分。系统由光源、光阑和聚光镜、标尺光栅、显微物镜及CMOS电子目镜组成,光栅图像进入PC机,采用软件进行细分。试验获得的光栅图形清晰,从而为利用数字图像处理技术进行细分提供可靠依据,实验研究的细分分辨力为80nm。     

全闭环数控回转轴定位精度研究

针对全闭环数控回转轴的关键检测元件—圆光栅的安装误差引起回转轴定位精度差的问题,基于圆光栅测量角度的工作原理,分析了圆光栅在安装时由于光栅定位端面的跳动误差对莫尔条纹的影响规律,推导出了相应的数学关系,建立了回转轴定位误差与光栅定位端面的跳动误差之间的数学模型.数值仿真表明当圆光栅出现端面定位安装误差后,回转轴回转一周,输出的莫尔条纹光强变化经历了一个周期,近似为一正弦曲线.针对上述理论分析,在加工中心回转轴C轴上进行了实验研究,结果表明,通过调整圆光栅端面的跳动误差从原来的70 μm到16 μm,利用高精密单频激光干涉仪对回转轴的定位误差进行了检测,两次测量的定位误差曲线均为正弦曲线,且回转轴的定位精度提高了3倍.研究结果表明,减小圆光栅定位端面的轴向跳动误差可有效提高回转轴的定位精度.     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。