用于极端和特殊条件下机械传动误差检测的寄生式时栅研究

尽管近年来各种电、液传动取得长足发展，但机械传动在许多领域仍然保持不可取代的优势。重庆大学张光辉教授 1981年为太原钢铁公司轧钢机设计 的中心距1.2 m压下蜗轮副，扭矩达 1 800 kN·ITI，迄今已运行 30年。事实上，机、电、液”传动 目前处于各据-方、并存发展的局面。在冶金、矿山、航母 、风电等极端条件下的大型机械制造领域，仍是传统机械传动副的天下。以风电为例，风力发电机内部的大型内齿圈的高精度、高效率加工难题-直难以解决。这个问题的表现形式为大型精密制齿机床，而最关键的技术核心是处于该机床传动链最末端的大型精密分度转台。这种转台对工程技术人员提出的技术挑战是趋于极端的：1)越大越好，对风力发电机而言，已有直径8 m转台的用户要求；2)高速重载，并且是极端恶劣的脉冲式冲击载荷；3)要求转台中空直径在 1 m以上，便于安装及刀具进退；4)具有高精度，-般要求在 ±10”以内，越高越好 这些指标是互相牵制的，最难实现的就是高精度。直接靠末端件的蜗轮精度往往达不到，只有靠在蜗轮上同轴安装角位移传感器形成闭环控制来解决。而转台要求中空，则传统的圆饼型传感器无法安置。

2 国内外技术现状针对上述问题，目前国内外的解决方法有2种：1)使用带状光栅尺。沿转台内部的基圆贴-圈光栅尺构成光栅环，留m中空位置。例如 Heidenhain公司为欧洲最大的天文望远镜那列大型望远镜(Gran TelescopioCanarias)提供的 ERA 780C通过约 15 m直径轴测量方位角，其光栅尺长达 48.48 m，栅距为 40 m，，具有1 212 000线。但这种方法对基圆的制造精度要求较高，在普通生产和T艺生产条件下很难满足基圆和光栅尺热膨胀系数相近的要求，因而会带来很大误差；另外光栅带的接头部分误差，即使采用多读数头也不能满足高精度要求；光栅难以承受强烈的冲击振动；不能直接用于静压油腔而必须专门设计空气净化仓，结构复杂。

2)德国英纳(Ina)公司研制开发出带检测功能的大型轴承”，即在轴承的表面上录制-圈与磁栅相似的等分磁信号，不用装角位移传感器而兼顾了转动和检测的技术要求，并同时具备抗振、高精度、中空”的特性。但这种方法的问题是：轴承不够大，最大直径为 1.03 m；价格太贵，-套最高精度 ±6”的轴承报价高达 260万元人民币；磁信号将随时间和环境变化而逐渐衰减；原始分辨力不够，最多有-周 10 800线的报道。

除了大型、重载、中空”等极端要求以外，还有种种特殊的传动要求同样限制了末端传动件上安装传感器的可能，这在武器装备中普遍存在。大多数是由于空间位置限制 ，另外在航空航天领域对重量的限制也有要求。

综上所述，人们长期追求的动力 精度”的传动形式尚未令人满意地出现，这或许是-个无限逼近而永无止境的追求过程。动力强的装置精度不够；精度高的装置动力不够。传统的方法采用传动装置 精密传感器 全闭环控制技术”的策略，又往往因为末端件安装传感器的各种条件限制而只能实现半闭环控制[1-3 。这种技术，在我国以重型机械为代表的极端制造装备域属于尚未解决又急需解决的重大疑难症结问题；在国外属于最新、最尖端的，对我国实行价格垄断或完全封锁的核心关键技术；在精密测量和高端数控技术学科领域，属于前沿性应用基础研究范畴的科学基础仪器研究主流。

3 技术路线等分精度”的概念至少有 2个层次：①普通机械加工得到的等分精度，②超精密加工手段得到的等分精度，- 般认为二者相差 1～2个数量级。例如普通 7级齿轮灾度制造精度约 ±20”，而圆光栅分度测量精度可以达到 4-1”，直线光栅的等分精度可以达到 ±1 Ixm。本文把前者简称为机械等分”，后者称为计量等分”。

以光栅为代表的传统位移传感器以精密刻线作为空间位移测量基准，简称为以空间测量空间”，制造的等分精度是多少，测量精度就是多少，这就因超精密加工困难导致成本高、抗干扰力差，所以在强冲击、污染等恶劣环境中不适用。

前期研制的时栅传感器采用时钟脉冲作为空间位移测量基准，简称为以时间测空间”，对制造精度的要求只相当于普通机械加工精度，而测量精度与光栅相当，即以机械等分手段达到计量等分效果 。

时栅角位移传感器结构上总是由2部分组成：转子和定子。图1(a)～(d)画出了时栅在结构上的变化过程，图(d)～(g)则反映了本文提出的技术路线及方法思路 。

如图1(a)所示，在第1项国家自然科学基金的支持下，提出了有关时栅传感器”的原创学术思想，将角位移测量基准由空间等分刻划变成了按时间等分的时钟脉冲，1999年做出了原理性样机，如图1(b)所示∮着在第2项国家自然科学基金的支持下，再提出用运动的场构成运动坐标系”，2004年做出场式时栅位移传感器”，如图 1(e)所示。在实现精度指标和基本结构定型后，在追求精度的基础上为实现低成本 、小体积、轻质量等目标在传感器结构形式上做些创新性研究。为了省去转子引364 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷要求。而时栅是 以时钟脉冲作为测量基准。时钟本身可以做到又细又准，时栅要求的是运动坐标系的运动速度 I，的均匀性。对于本文提出的技术方案，沿用了时栅的设计方案 ，只是把原来绕 线的骨架视作齿栅。根据实验结果这个骨架的加工精度只要 6～7级齿轮的精度就可 以保证时栅传感器的测量精度优于±2”。而-般机床设备上需要检测 的蜗轮副精度-般在 4～5级，齿轮也类似。因此从这个角度上讲 ，本方法可以复制时栅传感器的精度。

3)本文将原来-整圈线圈(可视为-整周的测头 )分割为若干个离散的测头，在保证对径读数的同时，加上原有的精度储备和有效的误差修差手段，可有效实现在特殊环境下高精度测量。

4)现场 4个测头的安装和调整是下-步需要重点解决的工艺问题。

7 结 论为解决大型高速、重载、强振动、强污染等极端复杂饿下，中空、狭窄、极轻等特殊环境下机械传动全闭环检测与控制问题，首次提出-种寄生式时栅检测”新思想：不安装传统的光栅等位移传感器，而是直接把被测的齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、丝杠等当作均匀分度的齿栅”，作为新检测方法的行波产生器件，再用时钟脉冲作为位移精密测量的基准，从而将原有的机械传动副变成带检测功能的传动副”。本方法只需在被测齿状传动件傍寄生式安装-个体积孝重量轻、非接触、不运动、密闭好的测头线圈，即可达到与使用精密传感器 同样的效果，实时、在线、动态输出精密位移数字化信息用于测量和全闭环控制。