数控铣床主轴组件监控系统的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

2013 届本科毕业设计（论文） 数控铣床主轴组件监控系统设计 摘要 ： 为了提高机床的加工精和减少对机床的损坏，我们对机床主轴组件进行监控。 如果机床在工作中发生了机械故障，我们必须尽可能早的发现故障发生在机床的那个部位，因此机床的监控系统是尤为重要的，他就可以很快的发现机床故障的地方，监控系统通常被用在机床的辅助系统中，这种系统能快速、准确的检测机床主要部分的运动参数以及一些必要的、有用的物理量。 我们对机床的检测主要检测机床振动检测、扭矩检测、温度检测等等 ，检测系统还可以检测被加工零件的表面粗糙度、表面温度、零件尺寸等几何和物 理参数。 关键词 ： 轴承 数控铣床 铣床主轴组件 电动机 机床振动 传感器 A/ 监控系统 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 共 50 页 of of of : In a in a it is as as is to is on of to on on In a on 【 : of A/D 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 共 50 页 前言 数控机床是技术密集型产品 , 它集现代制造技术、自动控制技术和计算机技术为一体。为保证加工过程的正确进行 , 避免机床、工件和刀具之间的干涉或损坏 , 应使用监测和诊断功能。这种功能可以直接设计到数控装置的控制程序中 , 也可为附加的、可直接执行的功能模块形式。监测和诊 断功能可以对机床进行 , 如 : 对机床的动态运行、几何精度和润滑状态的检查处理 ; 可以对数控系统本身的硬件和软件 ,(如 : 数控系统硬件配置、硬件电路导通和断开、各硬件组成部件功能及各软件功能 ) 进行检查处理 ; 还可以对加工过程 (如 : 对机床振动、主轴过热 、主轴组件、工件尺寸和表面质量 ) 进行检查处理。 当然 , 我们除了在设计数控系统时把监测和诊断技术集成到控制软件中以达到自诊断的目的外 , 也可以利用计算机和通信技术 , 构造出远程监测和诊断系统。目前 , 实现远程通信的方法有基于 形式 , 这种方式交换的信息量大 , 交互性、实时性较强 , 但接入 般要按时间计费或租用专线 , 而采用 投资成本较高。 为此 , 我们研究有多传感器技术融合系统，该系统采用了经济实惠的传感器、以及一些简单的 检测设备、计算机、芯片等原件，这样是机械结构紧凑，这种系统能在机械部件没有破坏之前就能检测出来故障的所在位置，并且把测量信息通过接口传给计算机供人们分析，人们就可以把信息收集起来对信息进行处理，对机械部分进行维修，但传感 器也有自己本身的缺点，比如：测量存在误差，测量时效性比较差，测量速度比较缓慢，但人们可以通过误差补 偿技术减小误差，提高测量精度，达到设计要求的精度以及 质量。这样一 来数控机床的发展就有了一个新的里程 。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 共 50 页 目录 前言 1 研究 监控系统的 背景及 意义 1 2 数控铣床 的发展 3 3 数控铣 床 的 主轴 8 控机床组件的组成 8 控铣床的结构 9 床的精度 10 4 传感器的 选择 11 感器的选用原则 11 感器的性能以及参数 11 感器的选择 12 涡流传感器 12 电式传感器 14 度传感器 17 矩传感器 18 速度传感器 19 5 监控系统 设计 21 控系统的组成 21 22 算机接口技术 23 测电路应用 23 用芯片的介绍 27 27 74 28 29 6 实验结果以及数据处理 31 数据采集仪 31 涡流传感器检测图以及分析 34 电式传感器检测图以及分析 37 速度传感器检测图以及分析 40 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 共 50 页 结论 43 致谢 44 参考文献 45 附录 46 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 共 50 页 1 研究监控系统 的背景及意义 在国民经济中，制造工业担负着为各部门的发展和技术进步提供装备的任务，数 控机床作为制造工业最重要的设备，其发展研究水平直接关系着一个国家的制造业水 平。近年来，人们逐渐认识到专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。 首先，各控 制系统互连能力差，影响了系统的相互集成 :风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数控设备用户 ( 带来许多不便 ;其次，系统的封闭性使它的扩展和修改极为不便，造成数控系统设备对系统供应商的依赖。并难以将自己的专门技术、工艺经验集成到控制系统并形成自己的产品特色，这将不利于提高主机产品的竞争力。 20 世纪 80 年代出现了开放式数控系统的概念。目前，基于 开放式数控系统，已经成为国内数控领域研究和开发的热点，这也为缩短我国与世界发达国家数控技术差距提供了机遇。切削过程 监测与控制问题在开放式数控系统中极为重要，监控系统的好坏直接影响产品的质量和生产效率。研究表明，刀具监控系统以及主轴检测系统可减少故障停机时间 75%、提高生产率 10%提高机床利用率 50%以上，美国 具以及主轴监控系统不仅提高了刀具本身的利用率，而且可避免刀具失效所导致的工件报废及机床故障，能节约费用达 30%。为了保证像开放式数控这样高度自动化加工系统能正常运行，并持续高效率地生产出符合质量要求的产品。 随着机械工业的发展，机床的数控化控制已经在工业领域中起着很大 的作用，加快了制造业的快速发展，加快了社会进步的步伐，为了提高加工的质量和加工效率，我们必须大力发展数控技术，数控铣床作为一种技工精度很高的机床，在现代机械加工以及精密加工中起着很大的作用，比如，飞机的涡轮的叶片，机床的床身，等很多机械的主要部分都要用到铣床，铣床的精度又取决与主轴的精度以及主轴组件的精度，因此对主轴组件的监控系统设计有很大的意义。既可以提高加工精度以及加工质量也可以缩短加工时间提高教工效率。各个国家都在大力发张数控技术，数控技术不仅对工业还有国防工业有很大的影响，在航天航空上 ,也起着很大的 作用，提高加工精度已经是现代机床的一个设计标准，数控监控系统的设计是未来的发展必不可少的一部分，无论是从经济、科技、军事等多方面来看，监控系统的设计对人们能直接检测机床的精度和通过计算机对机床进行运动控制控制 都是有很大好处的，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7 页 共 50 页 展的趋势，也是许多技术结合运用得一个综合体系。 在现代化机床上，应用大功率主轴日益增多，而大功率主轴是机床上的敏感部 件，它结构很复杂且承受很大的切削负荷，所以，大功率主轴是现代数控机床的致命弱点，应给以特别关注。此外，进给坐标的导轨和驱动因持续负载也不断遭受磨损。安装 2*3 之类监控系统后，通过传感器和控制不断观测和分析加工过程并得到很多信 息用以监控机床状态。例如能提前知道主轴轴承开始损坏和进给轴因振动 引起状态变化等信 息，这样就能及时采取维护措施。所以，主轴轴承的监测和进给轴的振动 监测在机床总的状态监控中具有重要意义。 首先：必须 具备对整个加工过程是否正常进行监测的功能。在生产过程中， 主轴振动 和主轴由于温升的原因造成抱轴 是一个不容忽视的问题。 主轴振动的状态直接影响到被加工零件的尺寸精度和表面质量。如果不对 主轴振动 采取措施，将可能导致工件报废，甚至会损坏机床。由于主轴监测的重要性，近几十年来，国内外的许多研究机构和公司对主轴的自动监控做了大量的研究，得到了许多有价值的结论，但都没有一种很好的检测系统，没有一种系统能很好的把监测信息全部反映到计算机上供人们分析，一次做一个检测系统对数控机床有很大的好处，既可以提高加工质量、提高工件表面粗糙、提高机床的寿命、减少不必要的事故。 鉴于上述原因， 我们进行对主轴组件的振动、温度、中心轨 迹、转速进行监控系统设计。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 页 共 50 页 2、数控机床的发展 1. 数控机床的发展 (1)高速化 ： 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 阿 主轴转速： 机床采用电主轴 (内装式主轴电机 )，主轴最高转速达 200000r/ 进给率： 在分辨率为 ，最大进给率达到 240m/可获得复杂型面的精确加工； 运算速度： 微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出 2 位以及 64 位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为 仍能获得高达 24 240m/进给速度； 换刀速度 ： 目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右，高的已达 国司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅 (2)高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 提高 采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提 高位置检测精度 (日本已开发装有 106 脉冲 /转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到 冲 )，位置伺服系统采用前馈控制与 非线性控制等方法； 采用误差补偿技术： 采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60% 80%； 采用网格解码器检 查和提高加工中心的运动轨迹精度，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9 页 共 50 页 测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 (3)功能复合化 : 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成 从毛坯至成品的多种要素 工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床 如镗铣钻复合加工中心、车铣复合 车削中心、铣镗钻车复合 复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采 用复合机床进行加工，减少了工 件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制 造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势 轴化发展。德国 司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成 车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各 大企业的欢迎。在 2005 年中国国际机床展览会 (，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床 (包括双主轴、双刀架、 )以及可实现 4 5 轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 (4)控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： 加工过程自适应控制技术： 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识 别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调 整加工参数 (主轴转速、进给速度 )和加工指令，使设备处于最佳运行 状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性； 加工参数的智能优化与选择： 将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的 “加工参数的智能优化与选择器 ”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的； 智能故障回放和故障仿真技术： 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10 页 共 50 页 能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原 因，找出解决问题的办法，积累生产经验； 智能化交流伺服驱动装置： 能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行； 智能 4 在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量 (建模 (加工 (机器操作(者 (即 4M)融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作 的一体化。 （ 5） 体系开放化 向未来技术开放： 由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； 向用户特殊要求开放： 更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； 数控标准的建立： 国际上正在研究和制定一种新的 统标准 以提供一种不依赖于 具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户 使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 (6)驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺 陷，在机床主轴 (一般为动平台 )与机座 (一般为静平台 )之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系 支撑的平台获得相应自由度的运动，可 实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 11 页 共 50 页 技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是 “自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步 ”和 “21 世纪新一代数控加工设备 ”。 (7)极端化 (大型化和微型化 ) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微 纳米技术是 21 世纪的战略技 术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工 (车、铣、磨 )机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型 压力机等的需求量正在逐渐增大。 (8)信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源 共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等 )。例如，日本 司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔 (外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通 信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 (9)新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括： 1） 高频电主轴 ： 高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用； 2） 直线 电动机： 近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁 和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化 ，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的 1列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用 于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国 司的 式加工中心三向驱动均采用两个直线电 动机； 3） 电滚珠丝杆： 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 12 页 共 50 页 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节 少、结构紧凑等一系列优点。 (10） 高可靠性 数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波 动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在 2 万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠 性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在 7 10 万小时以上，国产数控系 统平均无故障时间仅为 10000小时 左右，国外整机平均无故障工作时间达 800 小时以上，而国内最高只有 300 小时。 (11） 加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干 切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在 21 世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 (12） 多媒体技术的应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面 提出了图形化的要求。合理 的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形 动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控 系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 13 页 共 50 页 3 数控 铣床 机床 的 主轴 控铣床的主轴组成 ： （ 1） 有三支承。 由于轴承的间距小，轴的直径大。这样就能保证 主轴具有足够的抗震性以及刚度，前轴承设计决定主轴几何精度和运动精度，一次我们采用 公差的圆锥滚子轴承，后轴承只要用于支撑作用，主轴中部的螺母用来调整两个圆锥滚子轴承间的间隙，间隙的大小取决于铣床的工作性质，当铣床进行载荷不大的精细加工时，轴承间隙的大小应保证主轴在最高转数运行下，轴承的温度不超过 60C，主轴左边的飞轮在切削过程中储存能量和减少震动。以达到铣削平稳的目的。 （ 2） 主轴系统的特点： 较大的的调速范围，实现无级变速。高精度、高刚度，抗振性能好，热稳定性能好。 （ 3） 主轴组件的组成： 主轴、主轴 支承、装在主轴上的支撑件、密封件等等，机床在加工时，主轴带动工件或刀具在季节参与工件表面成型运动，所以主轴的精度刚度和热变形对加工质量和上产率有很大的影响。 （ 4） 组件要求： 1回转精度高： 挡主轴作回转运动时，线速度为零得点是我连线为主轴的回转中心线。回转中心线的位置，在理想的情况下是固定不变的，实际上，由于主轴组件的各个因素的影响，回转中心线的每一个时候都在变化，回转中心线偏离理想中心线的距离就是主轴的回转误差，而回转误差的范围就是主轴的回转精度，径向误差、角度误差和轴向误差很少单独存在，当径向误差 和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在是就构成了端面跳动。 2刚度大： 主轴组件的刚度是指受外力时，主轴组件抵抗变形主轴组件的刚度越大。主轴受力后变形越小。主轴刚度不足时，在切削力的作用下或其他力的作用下，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 14 页 共 50 页 大的弹性变形，这不仅影响工件的质量，还会破坏齿轮轴承的正常工作条件。加快其磨损降低精度，主轴组件的刚度，与主轴的尺寸支撑跨距以及选的轴承类型以及匹配形式轴承间隙主轴上传动元件的位置等有关。 3抗振性强： 主轴组件的抗振性是指在切削加工时，主轴保持平稳状态而不 发生振动的能力，若主轴组件的抗振性能差，工作时容易产生振动，不仅降低加工精度加工质量，而且限制机床的生产效率，是刀具的耐用度下降，提高主轴的抗振性必须提高主轴组件的刚度，一次采用较大阻尼比的前轴承，你要是要安装阻尼器。使主轴组件的固有频率远远大于激振力的频率。 4温升低： 主轴组件运转中的温升过高会引起两方面的不良结果一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他元件的相对位置发生变化，直接影响加工精度，二是轴承原件会因温度过高而改变已经调好的间隙，破坏正常的润滑条件，影响轴承的正常工作， 严重时甚至会发生抱轴的现象。因此数控机床为解决温升的问题一般采用恒温主轴箱。 5耐磨性好： 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持良好的精度，主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位，以及移动主轴的表面，为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或经过氨化处理，以提高硬度，增加耐磨性，主轴轴承也需要有良好的润滑，以提高耐磨性。 控铣床 的结构 ： 传动系统： 他包括动力源、传动件以及主运动执行机构（主轴）等等，其功能主要是驱动装置的运动以及动力传给执行键，以实现主切削运动。 给传动系统： 他包括动力源、传动件以及主运动执行机构（工作台、刀架）等等，其共用主要是伺服驱动装置的也难懂以及传动给执行件，以实现进给切削运动。 础支承件： 他是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台，他支承机床的各主要部件，并使他们在静止或运动中保持相对正确的位置。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 15 页 共 50 页 助装置： 辅助装置视数控机床的不同而异，如自动换刀系统、液压气动系统、润滑冷却系统等等。 床 的 精度 ： （ 1） 几何精度： 几何精度是指机床在空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不移动等情况下）或运动速度调低时各主要 部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度，如导轨的直线度、主轴的径向跳动以及轴向传动、主轴中线对滑台移动方向的平行度或垂直度。几何精度直接影响加工工件的精度，是评鉴机床质量的基本标准。他主要取决与结构设计、制造和装配质量。 （ 2） 运动精度 ： 运动精度是指机床主要部件以及工作状态的速度运动时的精度。如高速回转主轴的回转精度。对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个主要标准。 （ 3） 传动精度： 传动精度是指机床传动系统各个末端执行件之间的相对运动的协调性和准确性。这方面的误差就成为该传动链的传动误差，传动 精度由传动系统设计、传动件的制造和装配精度等因素决定。 （ 4） 定位精度： 定位精度指机床定位部件运动达到规定位置时的精度。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。机床构件和进给控制系统的精度、刚度、动态特性，机床测量系统的精度都会影响机床的定位精度。 （ 5） 工作精度： 机床加工规定的试件所能达到的加工精度，称为机床的工作精度。用试件的加工精度表示。工作精度是各个因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形、刀具、工件的刚度以及热变形。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 16 页 共 50 页 4、传感器的 选择 1） 与传感器相关的因素：输入信号的幅值，频带宽度、精度要求、测量所用的时间。 2） 与传感器有关技术指 标的精度、稳定度、响应特性、模拟量与数字量、输出幅值、对被测物 产生的负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号保护。 3） 与使用环境条件相关的因素有安装现场条件以及情况、环境条件（湿度、温度、振动）、信号传输距离、所需现场提供的功率容量等。 (1)阀值 即零位附近的分辨率能力，也就是它能使传感器输出端产生可测变化量最小的被测输入量值。 (2)漂移： 指在一定时间间隔内传感 器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括有零点漂移与灵敏度漂移。 (3)过载能力： 指在传感器在不至引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。 (4)稳定性： 指传感器的在具体时间内仍然 保持性能的能力。 （ 5） 重复性： 指传感器输入量在同一方向作 全量程内连续重复测量所得输入输出特性曲线不一致的程度。产生不一致主要原因是传感器的机械部分不可避免的存在着间隔摩擦以及松动等等。 （ 6） 可靠性： 通常包括工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等 指标 。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 17 页 共 50 页 （ 7） 传感器工作 原理： 主要要求有：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。 选择 涡流传感器： （ 1） 工作 原理 ： 基于法拉第电磁感应原理，经块状的金属导体置于变化的磁场中或者在磁场中做切割磁感线的运动时，导体内将产生涡流的感应电流，这就是涡流。由于电涡流传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、不受油污染等介质影响，可以进行无接触测量等有点。 根据法拉第定律，当传感器线圈通正弦交流电时，线圈周围空 间必然产生以正弦交变磁场 Q，使置于磁场的金属导体感应出电涡流，电涡流又产生新的交变磁场，根据楞次定律， 致传感器线圈的等效阻抗发生变化，有以上可知，线圈的阻抗的变化取决与被测金属导体的电涡流效应，电涡流的大小与金属导体的电阻率 P，磁导率 U，激磁电流频率 F，以及传感器与被测导体间的距离 X，可用函数表示如下 Z=F(P,X,F,U). 图 电涡流的工作原理 （ 2） 电涡流检测原理 ： 在 X,Y 方向加一个正弦电压，则参与两个垂直谐波的合成 X= ), Y= )两个式子平方后就是 X/A+Y/A 1)/AA= 1)频率振动为一个闭合曲线，如果在 向上的频率不成整数倍为一个椭圆。 轴心轨迹 是转子运行时 轴心 的 位置 ，在忽略轴的圆度误差的情况下，可以将两个电涡流位移传感器探头安装到实验台中部的传感器支架上，相互成 90 度，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 18 页 共 50 页 个探头到主轴的距离（约 标准是使从前置器输出的信号刚好为 0（ 这时，转子实验台启动后两个传感器测量的就是它在两个垂直方向 (X,Y)上的瞬时位移，合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。 图 沙育图形实验演示系统 （ 3） 方案分析 ： 在检测系统中，我们对于轴心位置的检测选用电涡流传感器。因为电涡流传感器可以放在主轴的末端进行检测而且这种传感器可以不用接触主轴实现非接触检测。对于传感器的接口电路可以从传感器的输出口直接将测量信号接入信号采集仪，之后在进入A/D 转换器电路，通过系统总线与 连接最后就是将被测信号转换直观的图形供人们参考。由于电涡流传感器是在 X、 Y 位置上对主轴进行检测，两个检测头之间成 90度角 放置而且两个测头不干扰，由于这种传感器测得的信号图形是比较常见的李沙如图形，也便于人们分析。 人们可以从计算机上直接观察机床主轴是否振动，如果机床主轴由轴心偏移，此时李沙如图形就越趋于规则的扁形，而且变化很快，机床也会由一些噪声和振动。由于电涡流技术也很成熟而且价格比较便宜，测量精度也能达到要求。因此在次系统设计中我们选择电涡流传感器。对于其他一些传感器也可以完成主轴轴心位置检测，如磁电式速度传感器，它是利用电磁感应原理将传感器的质量与壳体的相对速度转换为电压输出，两个试件之间的相对振动速度通过顶杆使线圈在 磁场中做切割磁力线运动。因此产生了感应电动势。此外还有压电式速度传感器，压阻式加速度传感器，电阻应变式传感器。 （ 5） 机床安装： 在机床的主轴的两侧（成 90度角分布），对机床轴心轨迹的测量也就是对主轴的震动情况，轴心轨迹是转子运行时轴心的位置，再忽略轴的圆度误差的情况下，可以将两个电涡流位移传感器探头安装到主轴支架上，相互成 90 度，并且调好好两个探头到主轴的距离约为 准是适从前置器输出的信号刚好为 0是，转子启动后，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 19 页 共 50 页 两个传感器测量的就是在两个垂直方向（ x,y） ,上的瞬时位移，合成李沙育图形 就是转子的轴心轨迹。 感器 在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械 加工中心、自动机床等机电一体化设备中已获得广泛的应用。传统的 转速 传感器通常采用电阻应变桥来检测 转速 信号，并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此，如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成 为转矩传感器最棘手的问题，而 字式 转速传感器则巧妙地解决了这个问题。 1 转速 测量 （ 1） 工作 原理： 磁电式传感器也是利用电磁感应原理将被检测信号（如，位移、速度、振动）转换为电信号的一种传感器因此也可以称为电磁感应传感器。 在永磁式磁铁组成的电磁电路中，若改变磁阻的间隙，则可以改变磁通量，磁路通过感应线圈，当磁通量发生变化时，就会感应出一定的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于词组变化的频率， 为了使间隙变化，在待测轴上装一个磁性齿轮，齿和齿间隙交替通过永久磁的磁场，从而不过改变磁路磁阻，使铁心的磁通量发 生变化，在新圈内产生一个脉冲电动势，其频率跟待测主轴的转速成正比。线圈所产生的感应电动势的频率为f=0。 其中（ n 为转速， f 为频率， z 为齿轮齿数），当 z 等于 60 时，则 f=n，即只要检测出频率 f，就可以测得主轴转速， 只要将线圈放到靠近齿轮外缘安放，那么线圈就会产生波形。 利用磁性齿轮的齿数来检测主轴的转速，每转动一个齿，就采集一次信号，磁电式传感器的检测精度很高，测量范围有大，每个磁性齿经过磁性传感器时技术系统就计数一次， 磁电传感器 探测距离： 2作电压： 应频率： 20 10000测 (金属 ) 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 20 页 共 50 页 表 (2）检测电路以及分析 ： 图 测量电路 其主要由磁电式传感器、交流放大器，方波输出器和一些辅助元器件组成 为方波信号，输出的幅值比较小，因此需要一个放大器，在图 放大器采用此 3的 交流自举作用，大大提高了输出阻抗，其输出阻抗。在检测转速时，集成传感器中集成了时间集成电路 的工作电压在3外它还可以自行产生振荡信号，计数信号，锁存控制信号以及其他控制信号。 图 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 21 页 共 50 页 传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入 及 信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现 转矩、转速及轴功率的多参数输出。 检测手段为应变电测技术； 测量精度高 信号检出、处理均用数字技术； 抗干扰能力强，无需调零 ， 即可工作； 可靠性高、信噪比高，工作寿命长； 既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩； 能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩； 无需反复调零 ， 即可连续测量正反转矩； 无集流环、电刷等磨损件，可高速超长运行； 转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关； 测量弹性体强度大， 可承受 150%过载 ； 体积小，重量轻，安装方便，有套装式、卡装式、联轴式等多种安装方式； 输出信号以频率形式给出，便于和计