利用高精度光纖間距傳感器進(jìn)行機(jī)床監(jiān)控

想要經(jīng)濟(jì)地處理能源和資源問(wèn)題，機(jī)床和設(shè)備就必須在連續(xù)的使用過(guò)程中被監(jiān)控。為此，一種易于集成的傳感器技術(shù)便成為及時(shí)進(jìn)行機(jī)床和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，避免停機(jī)故障和改善生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

高精度的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控需要直接來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)作為保障，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該由那些安裝在機(jī)床設(shè)備上的傳感器來(lái)提供。而負(fù)責(zé)這種檢測(cè)監(jiān)控任務(wù)的傳感器大多數(shù)都是光纖傳感器，即有著極高檢測(cè)精度得微型化光纖傳感器，使其能夠方便得集成在機(jī)床、設(shè)備和檢測(cè)儀器中，能夠很好得完成監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。

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(jī)床加工中使用

利用由Fraunhofer IPT研究所研發(fā)設(shè)計(jì)的間距檢測(cè)傳感器，能夠在多個(gè)不同的檢測(cè)位置同時(shí)完成對(duì)被加工零件的形狀和位置誤差的納米級(jí)精度檢測(cè)。這種技術(shù)在航空航天、汽車(chē)制造、印刷機(jī)械制造和光學(xué)設(shè)備制造領(lǐng)域中都能夠得到很好的應(yīng)用。

這種檢測(cè)技術(shù)適合于那些傳統(tǒng)檢測(cè)解決方案因安裝使用空間有限，以及傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)精度的場(chǎng)合。這種傳感器的檢測(cè)頻率很高，檢測(cè)誤差明顯的小于高精度檢測(cè)儀，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床和設(shè)備在超精密級(jí)范圍內(nèi)的在線(xiàn)檢測(cè)，如機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸和導(dǎo)軌移動(dòng)的監(jiān)控以及傳動(dòng)軸的監(jiān)控。

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

圖1 Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個(gè)系統(tǒng)是基于激光短相干的工作原理，
其主要部件為兩個(gè)相干性激光部件單元，其中的第一個(gè)是純光學(xué)的全光纖技術(shù)元件（SLD1），
第二個(gè)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(duì)于剛性要求較高的傳感器，可以將其安裝在CFK或鎳鈦復(fù)合材料的金屬殼中。

最后，將兩種信號(hào)在Michelson干涉器中進(jìn)行解碼。微型傳感器和檢測(cè)裝置集式在一起而檢測(cè)結(jié)果的最終評(píng)判裝置無(wú)需安裝在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。另外，這種檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還允許在一個(gè)檢測(cè)評(píng)判單元中使用多個(gè)檢測(cè)傳感器。利用光纖轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以快捷方便地在各個(gè)傳感器之間進(jìn)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(jī)進(jìn)行解碼，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。檢測(cè)間距和檢測(cè)范圍取決于傳感器信號(hào)（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(cè)系統(tǒng)相比較，這種檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它沒(méi)有類(lèi)似于線(xiàn)性調(diào)節(jié)器或壓電發(fā)生器之類(lèi)的區(qū)別檔位的機(jī)械零部件。

CCD電荷耦合式攝像機(jī)的特性解碼

當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入到檢查范圍之內(nèi)后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由CCD電荷耦合式攝像機(jī)解碼的固有特征干涉光樣本。利用干涉信號(hào)的橫向位置在CCD芯片中對(duì)被測(cè)物體的間距進(jìn)行補(bǔ)償，并把間距調(diào)節(jié)量換算成圖像的像素點(diǎn)數(shù)。

由數(shù)據(jù)匹配儀器和傳感器構(gòu)成的整套系統(tǒng)由Fraunhofer IPT研究所在Achen建立的Fionec有限責(zé)任公司進(jìn)行生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

在這個(gè)系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體零部件的圓度和圓跳動(dòng)對(duì)檢測(cè)的精度、噪聲和整個(gè)系統(tǒng)的磨損有著重要的影響，源于它們的錯(cuò)誤信號(hào)應(yīng)在生產(chǎn)加工過(guò)程中及時(shí)的予以識(shí)別并排除，其中包括機(jī)床重要的零部件，如輸出軸、轉(zhuǎn)子、主軸、軋輥（支撐輥和工作輥）和導(dǎo)向輥。在這些回轉(zhuǎn)體零件上應(yīng)安裝傳感器，以便采集重要的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，及時(shí)地采取必要措施。

在這種檢測(cè)方法中，旋轉(zhuǎn)零部件工作時(shí)在外力作用下可能產(chǎn)生的變形（可在多個(gè)不同的檢測(cè)點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)零部件在外力作用下的變形進(jìn)行檢測(cè)），在生產(chǎn)工作過(guò)程中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)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(cè)參數(shù)。

這種技術(shù)可以直接應(yīng)用于如印刷領(lǐng)域中，在這個(gè)領(lǐng)域中，軋輥類(lèi)零部件的圓度和圓跳動(dòng)誤差對(duì)印刷品的質(zhì)量有著直接的影響。另一個(gè)可以直接采用這種檢測(cè)技術(shù)的領(lǐng)域是軋輥生產(chǎn)企業(yè)，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域中需要對(duì)生產(chǎn)光導(dǎo)塑料薄膜軋輥表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

在這種情況下，利用光纖傳導(dǎo)的間距檢測(cè)傳感器在多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)是非常合適的，因?yàn)檫@些檢測(cè)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(cè)，不會(huì)對(duì)被測(cè)表面帶來(lái)?yè)p害，在傳感器和被測(cè)物體之間沒(méi)有相互作用和影響。

為了能夠演示這種檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)（圖2）。這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對(duì)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(huì)期間，F(xiàn)raunhofer IPT研究所就展示了一個(gè)這樣的試驗(yàn)臺(tái)：利用不同的光纖傳感器進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。

圖2 對(duì)不同的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)物體進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控的臥式床身檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

該試驗(yàn)臺(tái)采用的是臥式床身結(jié)構(gòu)，床身中的主軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了能夠?qū)Σ煌男D(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，床身兩側(cè)都配備了連接用的離合裝置。

檢測(cè)單元和檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)判單元的同步，以及主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同步是通過(guò)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。解碼器的設(shè)置使它能夠根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的大小產(chǎn)生相應(yīng)的TTL觸發(fā)信號(hào)，并把這些觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到評(píng)判單元中，對(duì)攝像機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行控制。攝像機(jī)所采集的數(shù)據(jù)信息會(huì)經(jīng)過(guò)分析軟件進(jìn)行處理，每?jī)蓚€(gè)觸發(fā)信號(hào)之間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角相當(dāng)于0.1。

作為檢測(cè)傳感器，有三種可以與光纖開(kāi)關(guān)耦合使用的光纖光學(xué)傳感器可供選用。利用這種光纖開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)可以在光纖和檢測(cè)傳感器之間轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同步。各傳感器利用標(biāo)定面統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)定，從而使其檢測(cè)值為固定的反射值。

用于粗糙度檢測(cè)的專(zhuān)用傳感器

對(duì)于每個(gè)回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)體的檢測(cè)，都必須包括對(duì)其偏心、形狀誤差、波形度和粗糙度的檢測(cè)。為了能夠?qū)Ρ粶y(cè)物體得出有說(shuō)服力的結(jié)論，需要對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，對(duì)每個(gè)特征值都要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中單獨(dú)的對(duì)檢測(cè)值的特征進(jìn)行監(jiān)控了。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)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?yàn)闄z測(cè)到的數(shù)據(jù)信息來(lái)自不同的頻率段。

利用一個(gè)非對(duì)中安裝的部件可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號(hào)的頻率與旋轉(zhuǎn)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(shí)別出來(lái)了。這種檢測(cè)頻率由低通濾波器進(jìn)行過(guò)濾，形狀誤差和波形度誤差利用帶通濾波器進(jìn)行過(guò)濾，而粗糙度則是利用高通濾波器進(jìn)行過(guò)濾。

經(jīng)過(guò)過(guò)濾的信號(hào)（形狀誤差、波形度和粗糙度等）都會(huì)按照DIN/ISO 12181-2標(biāo)準(zhǔn)和11562標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特征值標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)這種監(jiān)控方法可以實(shí)現(xiàn)零部件狀態(tài)的追述。

為了進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的可集成性，F(xiàn)raunhofer IPT研究所計(jì)劃進(jìn)一步的縮小傳感器的直徑，并計(jì)劃研發(fā)生產(chǎn)專(zhuān)門(mén)用于粗糙度檢測(cè)的傳感器。通過(guò)對(duì)傳感器端部的特殊處理，還可以實(shí)現(xiàn)不同角度的檢測(cè)。

在這種間距檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)力、膨脹和溫度的附加檢測(cè)。這種檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成功的運(yùn)用于市場(chǎng)，出現(xiàn)在工業(yè)企業(yè)的日常檢測(cè)中。這種檢測(cè)技術(shù)還可以應(yīng)用于建筑物狀態(tài)的監(jiān)控、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備葉片狀態(tài)的監(jiān)控、管道以及油田設(shè)備的監(jiān)控等。(