光纖間距傳感器實(shí)現機床監控

　　Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個(gè)系統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(jìn)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(wú)需安裝在檢測現場(chǎng)。另外，這種檢測系統的結構還允許在一個(gè)檢測評判單元中使用多個(gè)檢測傳感器。利用光纖轉換開(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電荷耦合式攝像機進(jìn)行解碼，利用計算機進(jìn)行下一步的數據處理。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。與其他的檢測系統相比較，這種檢測系統的優(yōu)點(diǎn)在于它沒(méi)有類(lèi)似于線(xiàn)性調節器或壓電發(fā)生器之類(lèi)的區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(jìn)入到檢查范圍之內后，將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)行補償，并把間距調節量換算成圖像的像素點(diǎn)數。

　　由數據匹配儀器和傳感器構成的整套系統由Fraunhofer IPT研究所在A(yíng)chen建立的Fionec有限責任公司進(jìn)行生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

　　在這個(gè)系統中，旋轉的回轉體零部件的圓度和圓跳動(dòng)對檢測的精度、噪聲和整個(gè)系統的磨損有著(zhù)重要的影響，源于它們的錯誤信號應在生產(chǎn)加工過(guò)程中及時(shí)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(chǎn)過(guò)程數據，及時(shí)地采取必要措施。

　　在這種檢測方法中，旋轉零部件工作時(shí)在外力作用下可能產(chǎn)生的變形(可在多個(gè)不同的檢測點(diǎn)對旋轉零部件在外力作用下的變形進(jìn)行檢測)，在生產(chǎn)工作過(guò)程中出現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。

　　這種技術(shù)可以直接應用于如印刷領(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)誤差對印刷品的質(zhì)量有著(zhù)直接的影響。另一個(gè)可以直接采用這種檢測技術(shù)的領(lǐng)域是軋輥生產(chǎn)企業(yè)，因為這個(gè)領(lǐng)域中需要對生產(chǎn)光導塑料薄膜軋輥表面的微觀(guān)結構進(jìn)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(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)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小(微型傳感器)，采用的是非接觸式檢測，不會(huì )對被測表面帶來(lái)?yè)p害，在傳感器和被測物體之間沒(méi)有相互作用和影響。

　　為了能夠演示這種檢測技術(shù)的應用情況，專(zhuān)門(mén)設計和制造了一個(gè)試驗臺。這個(gè)試驗臺的結構非常復雜，對其剛性和穩定性都有著(zhù)非常高的要求。在2009年度Stuttgart舉辦的Control 2009展覽會(huì )期間，Fraunhofer IPT研究所就展示了一個(gè)這樣的試驗臺：利用不同的光纖傳感器進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的監控。

　　圖2 對不同的旋轉對稱(chēng)物體進(jìn)行檢測監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(dòng)機驅動(dòng)，為了能夠對不同的旋轉系統進(jìn)行檢測，床身兩側都配備了連接用的離合裝置。

　　檢測單元和檢測數據評判單元的同步，以及主軸旋轉運動(dòng)的同步是通過(guò)編碼器來(lái)實(shí)現的。解碼器的設置使它能夠根據旋轉角度的大小產(chǎn)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(guò)程進(jìn)行控制。攝像機所采集的數據信息會(huì )經(jīng)過(guò)分析軟件進(jìn)行處理，每?jì)蓚€(gè)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(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)，系統可以在光纖和檢測傳感器之間轉換，從而實(shí)現檢測點(diǎn)位置與旋轉運動(dòng)的同步。各傳感器利用標定面統一進(jìn)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(zhuān)用傳感器

　　對于每個(gè)回轉對稱(chēng)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(shuō)服力的結論，需要對檢測數據進(jìn)行過(guò)濾，對每個(gè)特征值都要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，這樣就可以實(shí)現在生產(chǎn)過(guò)程中單獨的對檢測值的特征進(jìn)行監控了。

　　為了實(shí)現對檢測數據的過(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，因為檢測到的數據信息來(lái)自不同的頻率段。

　　利用一個(gè)非對中安裝的部件可以對信號進(jìn)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(lái)了。這種檢測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(形狀誤差、波形度和粗糙度等)都會(huì )按照DIN/ISO 12181-2標準和11562標準進(jìn)行特征值標準化處理，通過(guò)這種監控方法可以實(shí)現零部件狀態(tài)的追述。

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