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

针对高速、重载、超大等极端条件和中空、狭窄、限重等一些不能安装普通传感器的特殊条件下的全闭环精密测量与精密控制问题,沿袭前期时栅传感器研究基础,提出一种将被测齿轮与传感器融汇一体的新方法。采用非接触、密封的离散测头线圈直接把被测齿轮、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。另外采用4对径离散测头消除除去4 n(n=1,2,3,…)次以外的各次谐波误差,保证寄生式时栅动态的位移测量精度,并从理论和实验上证明了该方法的正确性和有效性。这种寄生式时栅具有体积小、重量轻、成本低、抗强振动和抗强污染等显著特色,应用前景广泛。

复杂机电系统中的嵌入式位置检测新技术体系研究

复杂机电系统已步入智能化、集成化高速发展阶段,但其中最重要的位置精密检测技术却一直依赖外置传感器而无法实现与被测部件的有机融合。本研究尝试将一种全新的寄生式时栅传感技术应用于包含机械驱动、机械传动和机械运动全过程及其典型机电部件,从而构建一种嵌入式位置检测新技术的完整体系。这种技术充分利用被测部件自身具有的机械等分性(电动机绕线槽、齿轮等分齿、轴承均分钢球等)配合以时钟脉冲为位移测量基准的时栅传感器技术,具有一系列突出的产品化优势,有望发展成为一种无传感器位置检测系列化实用新技术。

时栅动态性能在线检测系统研究

目前,时栅性能检测方法中并没有将时栅反馈到控制系统中,处于一种离线的工作模式,无法反映工作状态下的动态性能指标。为了弥补现有检测方法的不足,提出以时栅作为直驱电机反馈元件,以光栅为基准元件,以FPGA为数据采集卡核心器件采集动态数据,设计了一种时栅动态性能在线检测系统,并阐述了检测原理及软硬件设计,成功检测出时栅在线工作状态下的关键动态性能指标。实验结果表明:系统检测能反映时栅在线工作状态下的真实情况,可为进一步提升时栅的性能提供有效的检测手段。

时栅动态测量误差建模与补偿技术研究

为提高时栅传感器动态测量精度,针对时栅的误差特点,提出对动态测量误差的周期性成分和随机性成分分别建模的思想。采用傅里叶级数逼近的方法对误差中的周期性成分进行建模,利用最小二乘方法对逼近模型参数进行寻优,选取比重较大的谐波参数对误差的周期性成分进行分离,对于分离后残留的随机性成分采用支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型进行预测,利用交叉验证的方法对回归预测模型进行参数寻优和细化,选取最优的核函数参数g和惩罚因子C,使得残差均方达到最小。研发误差补偿系统,对时栅动态测量误差进行补偿。试验结果表明,运用该建模方法和模型,时栅传感器动态测量误差的峰峰值由38.2″降至3″,有效地降低了测量误差,大幅度提高了传感器的测量精度。

基于检测单元的永磁同步直线电机位置检测新技术

针对目前复杂机电系统与位置检测技术无法在机械结构和电气功能上形成有效集成的矛盾,提出将永磁同步直线电机定子内周期性变化励磁作为空间位移测量载体,采用磁阻传感器结合时栅位移传感技术构建永磁同步直线电机内置式位置检测单元,通过感应的两路驻波合成行波信号,构建位置传感所需的运动参考系,建立空间位移和时间基准之间的关系。在不改变永磁同步直线电机原有机械结构和电气特性的基础上,可实现永磁同步直线电机在150 mm范围内-47.2~49.6μm的定位精度和0.15μm的测量分辨力。这种位移检测集成技术具有结构简单,成本低廉等优势,可替代一些中等精度光栅在复杂机电系统实现位移信息反馈,具有重要工程应用价值。

基于时间细分技术的高精度自动定位控制方法研究

针对采用步进电机进行微步驱动时易出现"爬行"和步距角过大的现象,提出了一种基于时间细分技术的高精度自动定位控制方法,并研制了相应的控制系统。该方法通过在每个电机步距运动时间内对反馈元件进行高频采样,实现了对步距的细分和对运动的闭环控制。控制系统采用嵌入式微处理器和现场可编程逻辑阵列构建,并与采用步进电机直接驱动滚珠丝杆的机械载物台进行联机测试。测试结果表明,系统可以控制步进电机在不进行高倍细分的条件下的精确定位,具有较高的应用价值。

基于TE检测与控制理论的插齿机分度精度提高方法研究

为提高数控插齿机YKD5132X3的分度精度,对插齿机的传动链进行传动误差检测。对数据进行分析后得知,分度误差主要误差源为工件工作台蜗轮副和刀架工作台蜗轮副。针对这两个误差源,使用课题组精化后的蜗轮母机对这两个蜗轮进行加工,并通过在线检测装置实现在线检测。蜗轮修正加工完成后,插齿机装配时,通过TE检测数据调整工件工作台蜗轮副的安装;替代了过去需要多次通过切齿后检测报告进行调整安装的方法,节省了安装时间并提高了安装精度。最后通过切齿验证,插齿机切齿精度由7级提升到了5级。

时栅位移传感器在传动误差检测系统中的应用研究

采用"时域信号、空域分析"的思想,将时栅位移传感器输出的按时采样的角位移传感器信号转换成按空间均分的角位移信号,实现了用时栅替代等空间采样的光栅作为检测元件应用于传动误差测量。搭建了试验装置,绘制了试验的传动误差曲线,由曲线频谱图,分析、确定了误差的主要产生环节。证明了用时栅代替光栅测量传动误差是行之有效的。该研究不仅实现了用成本低廉的时栅代替光栅,而且克服了课题组前期开发的传动误差测试系统的采样不稳定性和速率不同步性带来的误差。

基于虚拟仪器技术的纳米时栅传感器实验研究

为了实现制造成本低、抗干扰性强、性能稳定的大量程、纳米精度位移测量,研究了一种基于交变电场耦合的纳米时栅位移传感器。利用虚拟仪器开发平台LabVIEW软件和PXI—5422任意波形发生器硬件设备相结合,实现标准波形的频率、幅值、相位的设置等功能。实验得出:通过调节激励信号的幅值可以避免安装位置的不同对纳米时栅精度的影响,调节相位可以提高其精度。虚拟仪器技术在纳米时栅实验中的应用为激励信号性能的改进与提高提供了技术支持,在纳米时栅特性的研究中提供方便。

基于双时栅的高速高精度蜗杆检测系统研究

文中提出一种基于双时栅位移传感器的高速高精度位移测量系统。通过建立蜗杆运动与测头运动的对应关系的模型和采用时间细分技术的高精度运动控制建立采样点实际坐标与下一采样点坐标之间的映射关系,实现环面蜗杆加工误差的在线高速高精度随动测量。该系统在15 r/min的转台转速下的重复定位精度达到5μm,对蜗杆误差进行测试得到的误差范围为-5.1″~4.2″。

具有位置检测功能的新型交流伺服电机研究

随着全数字式控制系统的出现,交流伺服电机凭借效率高、结构简单的优点,在国防、工农业生产和日常生活中得到广泛应用。交流伺服电机的精确定位控制离不开准确的转子位置信息检测。由于外置位置传感器的位置检测方法存在体积大、成本高、安装不便等缺点,以及无传感器检测方法存在参数不稳定、实现较为复杂等问题,提出将隧道磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)效应和时栅技术结合,在不破坏电机原有结构的前提下,将检测部件嵌入到电机内部实现交流伺服电机的位置检测功能。以永磁伺服电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)为例,通过进行仿真设计分析与样机实验,验证了该方法的可行性且具有1.8°的测量精度。该嵌入式位置检测方法克服了现有检测方法的缺陷,为电机位置检测提供了新的手段。

伺服电机位置检测技术综述

伺服电机的控制离不开精确的转子位置信息,位置检测装置及传感技术的精度将直接影响伺服系统的整体性能。首先简要概述了伺服电机的分类以及对位置检测的技术要求,然后分别介绍了在现代伺服系统中常见的外置位置传感器、无位置传感技术、准无位置传感技术以及新发展的嵌入式位置检测4种位置检测技术,并对比总结了各位置检测技术的特点及应用适用性。最后根据伺服系统智能化、集成化等发展趋势,对伺服电机位置检测技术进行总结和展望。

面向自动驾驶的大模型对齐技术:综述

随着Transformer注意力机制的出现,以GPT为代表的通用基础大模型实现了智能的“涌现”,给自动驾驶迈向更高级别发展带来了曙光。受限于传统从头预训练方式需要大规模、高质量、多样性自动驾驶数据和高昂训练成本的困扰“,大模型+对齐技术”范式衍生。对齐技术作为通用基础大模型与自动驾驶之间的纽带,通过微调或提示工程等定制化方式,可高效、专业地解决自动驾驶领域内的工程性问题。对齐技术已是大模型在垂直领域发展的研究热点,但缺乏系统研究成果。基于此,本文首先对自动驾驶发展与大模型技术进行概述,从而衍生出对齐技术。然后,分别从微调和提示工程两个角度进行综述,系统化梳理并剖析各分类技术的结构或性能特点,同时给出实际的应用案例。最后,基于现有研究提出了对齐技术的研究挑战与发展趋势,为促进自动驾驶迈向更高级别发展提供参考。

基于时栅传感技术的高分辨力磁编码器设计与研究

在现代工业中,磁编码器因具有防尘、抗震等特性被广泛应用,但其长期存在分辨力低的问题,在一定程度上制约了其在高精度、高分辨力领域的使用。文章通过采用隧道磁阻传感器(Tunnel magnetoresistance,TMR)作为磁敏元件,多极磁环为转动部件,并结合时栅位移传感器的信号处理技术,设计了一种高分辨力磁编码器以期解决这一问题。文中从理论上分析了这种编码器的测量原理,其次通过仿真分析对TMR安装位置的关键参数进行确定,最后对此编码器样机进行了实验,验证了测量方案的可行性。经样机实验测试,该新型磁编码器可实现0.1°的分辨力,较相同磁极数的传统编码器原始分辨力提高了7.5倍。

绝对式纳米时栅传感器栅尺污染误差分析与抑制方法研究

针对服役状态下油污降低位移传感器精度和可靠性的问题,本文基于绝对式纳米时栅传感器,开展了栅尺油污污染误差分析与抑制方法研究。首先阐述了绝对式纳米时栅传感器测量原理;其次建立了栅尺油污污染的数学理论模型和电场仿真模型。通过理论和仿真分析表明:均匀油污污染对传感器没有影响,非均匀油污污染主要引入一次谐波误差,并且误差随着污染油污的厚度和宽度的增加而增加;最后搭建实验平台验证了以上理论分析的正确性。同时提出差动结构,有效抑制了一次谐波误差,提高了传感器抗污能力。研究油污造成的误差影响对提高传感器环境适应性有重要意义,同时也为提高传感器长期可靠性和增强环境适应性提供了理论基础。

基于课程建设培养学术研究生应用研究能力

以“现代传感技术”课程为例探讨仪器科学与技术专业研究生的应用能力培养方法。针对该课程教学内容宽、泛、浅,以及缺乏实践教学环节等不足,探索将教学团队的原创成果“时栅位移传感器”引入教学全过程,依托团队科学研究及成果转化基地作为实践教学平台,从仪器改造到仪器设计,再到仪器研制,分三步递进性实施实践教学内容。将理论知识与实践教学相整合,达到知识、能力、素质培养“三位一体”,提升学术型研究生的应用研究能力,达到良好的效果。

基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测单元

齿条传动中,由于检测元件安装困难使得齿条位移检测不易实现、传动精度难以有效提高。文中提出一种基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测单元,该单元由非等齿距的测头与齿条自身组成,直接实现齿条的位移检测。文中针对该方法的实现开展了有限元仿真分析与优化、原理样机试制,实验验证等工作。实验结果表明,在300 mm范围内齿条位移检测精度达到±1.3μm。

基于时栅传感技术的带检测功能直线导轨

为了满足高速、高精度的直线进给运动中对精度的要求,需要采取具有闭环控制定位技术的直线导轨作为功能运动部件。提出了一种基于时栅传感技术的带检测功能直线导轨,以同时实现导轨的导向功能和位移检测功能。先后开展了传感原理分析、带检导轨模型建立、模型的有限元仿真分析等工作验证了原理、方案的可行性;通过傅里叶变换对仿真结果进行误差分析,根据分析结果对模型进行优化并进行仿真验证;依据优化后的模型制作实物并搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明,在200 mm测量范围内,导轨精度可达1.25μm,该方法的实现为时栅传感技术在带检测机床功能部件的研究提供了一种有效途径。

单相激励电容式时栅角位移传感器研究

针对现有多相激励时栅角位移传感器在小体积时无法设置更多极对数进一步提升稳定性,导致精度和动态性能指标无法得到提升等问题,提出一种单相激励电容式时栅角位移测量方法。该方法采用单相激励耦合成四路空间正交的驻波信号,通过电路实现行波构造,从而实现角位移测量。文中介绍了多相激励时栅传感器存在的问题、单相激励时栅的测量原理,完成了传感器样机的研制,并通过实验验证该原理的有效性。实验结果表明,相同尺寸和相同电极数量情况下,单相激励传感器的精度和动态性能指标优于多相激励传感器,单相激励传感器精度为±20″,稳定性为10″,400 rpm转速下速度波动为±1.25%,跟随误差为±2.5″,满足直驱电机的使用要求。

基于电涡流效应的绝对式直线位移传感器误差分析及抑制方法研究

基于电涡流效应的绝对式直线位移传感器具有结构简单、分辨率高、响应速度快和抗干扰能力强的特点。相比于增量式直线位移传感器,该类型的传感器不仅不受断电的影响,还能实现更加快速和精确的绝对定位。但是,传感器制造、安装及电信号处理等环节处理不理想会产生无效电动势,带来对极内的1次、2次和4次误差。针对上述问题,使用信号补偿的方式抑制1次和2次误差,采用空间移相的方式消除感应信号中的3次谐波,以此抑制4次误差。对优化后的传感器进行误差抑制实验,验证了误差来源分析的正确性以及抑制方法的有效性。实验表明:误差抑制后的传感器节距内误差峰峰值由32μm优化为6μm,性能大幅度提升。