時(shí)柵位移傳感器與新型機(jī)床動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

前言

我在過(guò)去二十多年的研究歷程中，做了兩件事：前十年搞了一套“機(jī)床傳動(dòng)誤差檢測(cè)智能系統(tǒng)”（FMT系統(tǒng)）；后十年搞了一套“時(shí)柵傳感器”。前者得到一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金資助，后者得到五項(xiàng)。其中始終保持一條研究思路的主線：思想上，時(shí)間域和空間域交叉考慮問(wèn)題；技術(shù)上，用時(shí)間分度去補(bǔ)充乃至代替空間分度，即時(shí)空轉(zhuǎn)換。1986年讀研究生時(shí)開(kāi)始研究FMT系統(tǒng)，采用每周10800線的磁柵傳感器，沒(méi)有使用常規(guī)的細(xì)分電路，而是琢磨利用高頻時(shí)鐘脈沖去插補(bǔ)磁柵信號(hào)，其科學(xué)理念思想可歸納為“空間脈沖對(duì)時(shí)間脈沖的瞬時(shí)標(biāo)定，時(shí)間脈沖對(duì)空間脈沖的實(shí)時(shí)細(xì)分”。而為解決采樣實(shí)時(shí)性問(wèn)題采用的關(guān)鍵技術(shù)其思想可歸納為“仿照軟件程序在時(shí)間域循環(huán)嵌套的思路，設(shè)計(jì)電路在空間域循環(huán)嵌套，從而實(shí)現(xiàn)以無(wú)限的電路空間去換取有限的程序時(shí)間”和“設(shè)計(jì)者必須同時(shí)考慮某一段程序在某一段時(shí)間要在某一段電路里執(zhí)行，從而不同于常規(guī)的程序設(shè)計(jì)員和電路設(shè)計(jì)員”。這些思想讓我獲準(zhǔn)了第一項(xiàng)基金“機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)控超強(qiáng)實(shí)時(shí)型新方法”。本階段工作的標(biāo)志性成果是1995年國(guó)家教育委員會(huì)（現(xiàn)教育部）科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，1996年被國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（現(xiàn)科技部）列入“九五國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃”。FMT系統(tǒng)在數(shù)十家大型機(jī)床廠應(yīng)用取得的大量成功案例至今讓人難以忘懷，可惜當(dāng)時(shí)勢(shì)單力薄，未能及時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，后來(lái)又忙于更新、更高的追求，一直無(wú)暇回過(guò)頭去重拾舊題，對(duì)此事我至今仍耿耿于懷。1996年提出“時(shí)柵”的概念，申報(bào)基金項(xiàng)目，這是在上述思想上的一次本質(zhì)性的跨越，即徹底摒棄磁柵（或光柵）等沿空間均勻刻線的位移傳感器原理，而改由時(shí)鐘脈沖來(lái)構(gòu)成新的位移傳感器，起名為時(shí)柵，可實(shí)現(xiàn)對(duì)以任意變速度運(yùn)動(dòng)的物體的位移測(cè)量，簡(jiǎn)言之就是“用時(shí)間測(cè)空間”。當(dāng)提出這個(gè)思想時(shí)據(jù)說(shuō)曾引起很大爭(zhēng)議，最后國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)是出于保護(hù)創(chuàng)新而以“非共識(shí)項(xiàng)目”同意我們的第二項(xiàng)基金“圓分度靜態(tài)精密測(cè)量新方法及微型計(jì)算機(jī)裝置研究”立項(xiàng)，這個(gè)微型計(jì)算機(jī)裝置就是后來(lái)的時(shí)柵。微處理技術(shù)是很容易與時(shí)間（時(shí)鐘）聯(lián)系的。因此時(shí)柵從一開(kāi)始就是一個(gè)基于信息處理技術(shù)的智能傳感器。

內(nèi)容概要

本書以作者二十多年從事智能儀器與智能傳感器科學(xué)研究的體會(huì)和成果為基礎(chǔ)，闡述了作者關(guān)于精密位移測(cè)量的一些獨(dú)立的觀點(diǎn)、開(kāi)展研究工作的思路，以及最后取得的效果。全書共分5章。第1章從“時(shí)空轉(zhuǎn)換”的角度對(duì)一些眾所周知的常識(shí)和事例進(jìn)行分析，從而建立起一套比較獨(dú)特的思維方式。第2、3章介紹作者發(fā)明的時(shí)柵、差線柵和激光柵的原理和設(shè)計(jì)思想，其中時(shí)柵的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作做得最好，也是介紹的重點(diǎn)。第4、5章對(duì)機(jī)床傳動(dòng)誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法、技術(shù)和儀器原理進(jìn)行全面分析，重點(diǎn)介紹了作者研制的智能化機(jī)床動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的原理和應(yīng)用情況。     本書可供相關(guān)專業(yè)的研究生、工程技術(shù)人員和研究人員作為研究工作的參考書籍。

作者簡(jiǎn)介

彭東林，1952年生，1982年于重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院電工學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，后留校到機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事科學(xué)研究工作。其間先后獲機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)碩士、博士學(xué)位。1996年被評(píng)為教授，1999年被評(píng)為博士生導(dǎo)師。2001年起到重慶理工大學(xué)工作，任電子信息與自動(dòng)化學(xué)院院長(zhǎng)至今。長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)與儀器、智能傳感器等方向的研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，曾先后六次承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、兩次國(guó)防科工委重大項(xiàng)目、國(guó)家863項(xiàng)目、科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金和其他省部級(jí)項(xiàng)目，另有十幾項(xiàng)企業(yè)橫向課題等。研究成果之一“機(jī)床傳動(dòng)誤差檢測(cè)系統(tǒng)”，1995年獲國(guó)家教育委員會(huì)(現(xiàn)教育部)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，1996年被國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(現(xiàn)科技部)列為“國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目”；研究成果之二“時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法與時(shí)柵位移傳感器”，2004年通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)當(dāng)年組織的唯一一次成果鑒定會(huì)，獲得“國(guó)際先進(jìn)水平、國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)”的高度評(píng)價(jià)，2005年獲得重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子信息科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，2007年獲中國(guó)專利金獎(jiǎng)；研究成果之三“無(wú)線式數(shù)字遠(yuǎn)程智能專家評(píng)審系統(tǒng)”，2004年獲重慶市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(以上獲獎(jiǎng)均排名第一)。作為第一作者，先后發(fā)表論文90余篇，其中發(fā)表在《儀器儀表學(xué)報(bào)》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》等重要期刊17篇，SCI、EI收錄25篇，獲發(fā)明專利4項(xiàng)。為重慶市首批學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、重慶市杰出專業(yè)技術(shù)人才、國(guó)務(wù)院政府津貼專家。

書籍目錄

作者序概述第1章  精密位移測(cè)量中的時(shí)空觀  1.1 時(shí)空轉(zhuǎn)換與機(jī)電轉(zhuǎn)換  1.2 時(shí)間脈沖與空間脈沖    1.2.1 現(xiàn)有主要細(xì)分方法分析    1.2.2 時(shí)間脈沖對(duì)空間脈沖的細(xì)分新方法    1.2.3 細(xì)分方法誤差分析  1.3 計(jì)算機(jī)硬件與軟件——電路空間換取程序時(shí)間  1.4 差頻測(cè)量系統(tǒng)——空間位移放大測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)間周期放大測(cè)量  1.5 相對(duì)運(yùn)動(dòng)雙坐標(biāo)系——空間位置差測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)間差測(cè)量  1.6 時(shí)間行波與空間行波  1.7 時(shí)域FFT與空域FFT第2章  時(shí)柵位移傳感器  2.1 時(shí)柵位移傳感器及其系統(tǒng)  2.2 差頻式時(shí)柵  2.3 單齒式時(shí)柵  2.4 場(chǎng)式時(shí)柵  2.5 混激型時(shí)柵  2.6 變耦變壓器式時(shí)柵  2.7 橋式時(shí)柵  2.8 增量式時(shí)柵  2.9 光柵、電柵、時(shí)柵的統(tǒng)一——增量光柵轉(zhuǎn)化為絕對(duì)時(shí)柵  2.10 時(shí)柵的技術(shù)原理總結(jié)及與傳統(tǒng)方法的比較第3章  差線柵與激光柵  3.1 差線柵位移傳感器  3.2 激光柵位移傳感器第4章  傳統(tǒng)機(jī)床傳動(dòng)誤差檢測(cè)技術(shù)與儀器  4.1 帆 床傳動(dòng)誤差的基本概念    4.1.1 傳動(dòng)誤差的定義      4.1.2 機(jī)床傳動(dòng)誤差的數(shù)學(xué)模型    4.1.3 傳動(dòng)誤差的分類      4.1.4 用切齒法考核齒輪機(jī)床精度的弊端  4.2 傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)誤差量?jī)x    4.2.1 傳動(dòng)誤差測(cè)量及量?jī)x原理    4.2.2 實(shí)用傳動(dòng)誤差測(cè)量?jī)x器第5章  新型傳動(dòng)誤差檢測(cè)分析系統(tǒng)  5.1 FMT系統(tǒng)工作原理與特色    5.1.1 兩種測(cè)量傳動(dòng)誤差方法的比較    5.1.2 用數(shù)值擬合法實(shí)現(xiàn)誤差信息分離的研究    5.1.3 用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的判別    5.1.4 對(duì)非整數(shù)傳動(dòng)比的處理    5.1.5 實(shí)時(shí)性問(wèn)題研究    5.1.6 極低速大傳動(dòng)比測(cè)量  5.2 FMT系統(tǒng)的誤差分析、實(shí)驗(yàn)與檢定    5.2.1 系統(tǒng)環(huán)節(jié)誤差分析    5.2.2 一種智能信號(hào)發(fā)生器及應(yīng)用    5.2.3 傳動(dòng)誤差測(cè)量?jī)x器的檢定    5.2.4 鑒定結(jié)果及分析  5.3 應(yīng)用于各種齒輪機(jī)床的FMT系統(tǒng)    5.3.1 滾齒機(jī)傳動(dòng)鏈檢測(cè)分析系統(tǒng)    5.3.2 滾齒機(jī)差動(dòng)鏈檢測(cè)分析系統(tǒng)    5.3.3 插齒機(jī)傳動(dòng)鏈檢測(cè)分析系統(tǒng)    5.3.4 磨齒機(jī)傳動(dòng)鏈檢測(cè)分析系統(tǒng)    5.3.5 銑齒機(jī)傳動(dòng)鏈檢測(cè)分析系統(tǒng)  5.4 FMT系統(tǒng)實(shí)用例參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：位移（直線位移或角位移）測(cè)量是最基本、最普遍的測(cè)量。在大量程位移測(cè)量中，為了兼顧分辨力和量程，許多傳感器采用了柵式結(jié)構(gòu)，如光柵、磁柵、容柵、齒柵、感應(yīng)同步器等，利用其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某些物理量有規(guī)律的周期性變化而形成沿空間均勻分布的“柵線”，從而可以通過(guò)對(duì)柵線的計(jì)數(shù)而得到位移量。光柵是目前應(yīng)用最廣泛的柵式傳感器，精度高，技術(shù)成熟。但以“完美”的眼光去挑剔，仍有一些缺點(diǎn)，其根本原因在于柵線數(shù)難以進(jìn)一步提高，只能依靠電子細(xì)分，從而引起成本、可靠性、抗干擾力等方面的問(wèn)題。例如圓分度測(cè)量，一個(gè)圓周有1296000角秒，通常刻線32400線／周的光柵已經(jīng)比較難做了，每線仍有40角秒的當(dāng)量。要達(dá)到工程上1″以下的分辨力要求，就要靠復(fù)雜的電子倍頻細(xì)分電路。除結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本提高外，還對(duì)光柵的運(yùn)動(dòng)速度還附加了限制，必須運(yùn)行平衡、無(wú)突變和相對(duì)低速等。如果想進(jìn)一步加大刻線密度，除工藝變得更復(fù)雜。成本提高外，還更容易受到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)微小的粉塵、油污和水汽的污染，抗干擾能力、運(yùn)動(dòng)速度的上限和可靠性更難保證。

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《時(shí)柵位移傳感器與新型機(jī)床動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)》是由科學(xué)出版社出版的。

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