利用高精度光纖間距傳感器進行機床監(jiān)控

想要經濟地處理能源和資源問題，機床和設備就必須在連續(xù)的使用過程中被監(jiān)控。為此，一種易于集成的傳感器技術便成為及時進行機床和設備維護保養(yǎng)，保證產品生產質量，避免停機故障和改善生產過程穩(wěn)定性的關鍵因素。

高精度的生產過程監(jiān)控需要直接來自生產過程的數(shù)據(jù)作為保障，這些數(shù)據(jù)應該由那些安裝在機床設備上的傳感器來提供。而負責這種檢測監(jiān)控任務的傳感器大多數(shù)都是光纖傳感器，即有著極高檢測精度得微型化光纖傳感器，使其能夠方便得集成在機床、設備和檢測儀器中，能夠很好得完成監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿铡?

基于光纖的光纜外徑只有0.4～3mm的傳感器適合在高精度的機床加工中使用

利用由Fraunhofer IPT研究所研發(fā)設計的間距檢測傳感器，能夠在多個不同的檢測位置同時完成對被加工零件的形狀和位置誤差的納米級精度檢測。這種技術在航空航天、汽車制造、印刷機械制造和光學設備制造領域中都能夠得到很好的應用。

這種檢測技術適合于那些傳統(tǒng)檢測解決方案因安裝使用空間有限，以及傳統(tǒng)檢測技術無法滿足檢測精度的場合。這種傳感器的檢測頻率很高，檢測誤差明顯的小于高精度檢測儀，能夠實現(xiàn)機床和設備在超精密級范圍內的在線檢測，如機床運動軸和導軌移動的監(jiān)控以及傳動軸的監(jiān)控。

Fraunhofer研究所研發(fā)的這種檢測系統(tǒng)基于短波激光干涉原理，主要由兩個相干性激光部件組成（圖1）。其中的第一個是純光學的全光纖技術元件（SLD1），第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）。這種檢測儀器的檢測距離大約為500μm，清晰度達1nm的檢測范圍約80μm。

圖1 Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個系統(tǒng)是基于激光短相干的工作原理，
其主要部件為兩個相干性激光部件單元，其中的第一個是純光學的全光纖技術元件（SLD1），
第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）

這種傳感器用光波電纜（LWL）連接，電纜的外徑尺寸為0.4～3mm。對于剛性要求較高的傳感器，可以將其安裝在CFK或鎳鈦復合材料的金屬殼中。

最后，將兩種信號在Michelson干涉器中進行解碼。微型傳感器和檢測裝置集式在一起而檢測結果的最終評判裝置無需安裝在檢測現(xiàn)場。另外，這種檢測系統(tǒng)的結構還允許在一個檢測評判單元中使用多個檢測傳感器。利用光纖轉換開關可以快捷方便地在各個傳感器之間進行切換。

由此在Michelson干涉器中而得到的光柵圖將用CCD電荷耦合式攝像機進行解碼，利用計算機進行下一步的數(shù)據(jù)處理。檢測間距和檢測范圍取決于傳感器信號（焦距）和折光鏡的角度以及其與激光射束之間的間距。與其他的檢測系統(tǒng)相比較，這種檢測系統(tǒng)的優(yōu)點在于它沒有類似于線性調節(jié)器或壓電發(fā)生器之類的區(qū)別檔位的機械零部件。

CCD電荷耦合式攝像機的特性解碼

當被測物體進入到檢查范圍之內后，將會產生一個由CCD電荷耦合式攝像機解碼的固有特征干涉光樣本。利用干涉信號的橫向位置在CCD芯片中對被測物體的間距進行補償，并把間距調節(jié)量換算成圖像的像素點數(shù)。

由數(shù)據(jù)匹配儀器和傳感器構成的整套系統(tǒng)由Fraunhofer IPT研究所在Achen建立的Fionec有限責任公司進行生產和銷售。

在這個系統(tǒng)中，旋轉的回轉體零部件的圓度和圓跳動對檢測的精度、噪聲和整個系統(tǒng)的磨損有著重要的影響，源于它們的錯誤信號應在生產加工過程中及時的予以識別并排除，其中包括機床重要的零部件，如輸出軸、轉子、主軸、軋輥（支撐輥和工作輥）和導向輥。在這些回轉體零件上應安裝傳感器，以便采集重要的生產過程數(shù)據(jù)，及時地采取必要措施。

在這種檢測方法中，旋轉零部件工作時在外力作用下可能產生的變形（可在多個不同的檢測點對旋轉零部件在外力作用下的變形進行檢測），在生產工作過程中出現(xiàn)的旋轉零部件表面磨損和形狀磨損（剝離、粘附、表面擠壓碎裂和摩擦）等可以是重要的被檢測參數(shù)。

這種技術可以直接應用于如印刷領域中，在這個領域中，軋輥類零部件的圓度和圓跳動誤差對印刷品的質量有著直接的影響。另一個可以直接采用這種檢測技術的領域是軋輥生產企業(yè)，因為這個領域中需要對生產光導塑料薄膜軋輥表面的微觀結構進行檢測。

在這種情況下，利用光纖傳導的間距檢測傳感器在多個檢測點進行檢測是非常合適的，因為這些檢測傳感器的安裝所需的空間很?。ㄎ⑿蛡鞲衅鳎?，采用的是非接觸式檢測，不會對被測表面帶來損害，在傳感器和被測物體之間沒有相互作用和影響。

為了能夠演示這種檢測技術的應用情況，專門設計和制造了一個試驗臺（圖2）。這個試驗臺的結構非常復雜，對其剛性和穩(wěn)定性都有著非常高的要求。在2009年度Stuttgart舉辦的Control 2009展覽會期間，F(xiàn)raunhofer IPT研究所就展示了一個這樣的試驗臺：利用不同的光纖傳感器進行生產過程的監(jiān)控。

圖2 對不同的旋轉對稱物體進行檢測監(jiān)控的臥式床身檢測試驗臺

該試驗臺采用的是臥式床身結構，床身中的主軸由電動機驅動，為了能夠對不同的旋轉系統(tǒng)進行檢測，床身兩側都配備了連接用的離合裝置。

檢測單元和檢測數(shù)據(jù)評判單元的同步，以及主軸旋轉運動的同步是通過編碼器來實現(xiàn)的。解碼器的設置使它能夠根據(jù)旋轉角度的大小產生相應的TTL觸發(fā)信號，并把這些觸發(fā)信號發(fā)送到評判單元中，對攝像機的工作過程進行控制。攝像機所采集的數(shù)據(jù)信息會經過分析軟件進行處理，每兩個觸發(fā)信號之間對應的轉角相當于0.1。

作為檢測傳感器，有三種可以與光纖開關耦合使用的光纖光學傳感器可供選用。利用這種光纖開關，系統(tǒng)可以在光纖和檢測傳感器之間轉換，從而實現(xiàn)檢測點位置與旋轉運動的同步。各傳感器利用標定面統(tǒng)一進行標定，從而使其檢測值為固定的反射值。

用于粗糙度檢測的專用傳感器

對于每個回轉對稱體的檢測，都必須包括對其偏心、形狀誤差、波形度和粗糙度的檢測。為了能夠對被測物體得出有說服力的結論，需要對檢測數(shù)據(jù)進行過濾，對每個特征值都要進行專門的研究，這樣就可以實現(xiàn)在生產過程中單獨的對檢測值的特征進行監(jiān)控了。

為了實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的過濾，使用了多種濾波器，包括低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器，因為檢測到的數(shù)據(jù)信息來自不同的頻率段。

利用一個非對中安裝的部件可以對信號進行調制，調制信號的頻率與旋轉物體的頻率相同。在這種情況下，圓形零件的圓度狀況就非常容易識別出來了。這種檢測頻率由低通濾波器進行過濾，形狀誤差和波形度誤差利用帶通濾波器進行過濾，而粗糙度則是利用高通濾波器進行過濾。

經過過濾的信號（形狀誤差、波形度和粗糙度等）都會按照DIN/ISO 12181-2標準和11562標準進行特征值標準化處理，通過這種監(jiān)控方法可以實現(xiàn)零部件狀態(tài)的追述。

為了進一步提高該系統(tǒng)的可集成性，F(xiàn)raunhofer IPT研究所計劃進一步的縮小傳感器的直徑，并計劃研發(fā)生產專門用于粗糙度檢測的傳感器。通過對傳感器端部的特殊處理，還可以實現(xiàn)不同角度的檢測。

在這種間距檢測中，也可以使用其他光纖傳感器，如光纖Bragg光柵（FBG）傳感器，以實現(xiàn)對力、膨脹和溫度的附加檢測。這種檢測技術已經成功的運用于市場，出現(xiàn)在工業(yè)企業(yè)的日常檢測中。這種檢測技術還可以應用于建筑物狀態(tài)的監(jiān)控、風力發(fā)電設備葉片狀態(tài)的監(jiān)控、管道以及油田設備的監(jiān)控等。(