动态振动位移的高速精密测量方法研究

　　引　言

　　现代机械加工中对部件的振动位移测量的要求越来越高。例如[1,2]:在异形外圆的车削过程中,对伸缩刀架振动位移的在线实时测量,直接影响加工工件的精度。国内类似的测量主要　　采用电容、涡流传感器,它们具有高分辨率、响应快的优点,但是容易受加工环境电磁干扰的影响,而且量程范围小,不能加工长短轴差值大的椭圆截面。国外已经出现了使用计量光栅[3]、磁栅、容栅系统来测量大幅度的高速振动位移,它具有量程大、分辨率高、响应速度快、抗干扰的特点。图1所示的就是这种测量方法的系统结构示意图。安装在固定部件上的测头与安装在振动部件上的位移传感器存在一定间隙,使测试系统不影响振动部件的阻尼特性。当振动部件发生相对位移时,测头送出正交的A相正弦电压信号和B相余弦信号(也称之为莫尔条纹信号),一个信号脉冲代表一段固定的位移值。当A相、B相信号送入计数细分电路处理后将当前振动位移值计算显示,或送至PC机进行运动控制。本文主要针对振动位移测量中关键的计数细分方法进行研究,文中的位移传感器以计量光栅为例。

　　1　传统方法及其存在的问题

　　常规位移测量计数法的基本原理是:当两路正交的电压信号经过零触发器整形变为矩形波,以正弦波整形信号的上跳沿作为计数触发信号,可逆计数器根据该上跳沿所对应的余弦波整形信号的电平来决定移动方向。

　　但在对该方法进行分析时发现,它在某些情况下会计错数。例如,当振动部件在一定范围内振动时,会发生计数器只加不减或只减不加的现象。这种硬件计数法由于缺乏高速智能鉴向　　的能力,在光栅单方向移动或缓慢变向时,可以正确计数。但当光栅的移动情况比较复杂时,就有可能发生丢数或多计数现象。而在机械加工中这种振动、爬行的现象又非常普遍。另外,当物体移动的速度很慢或很快时,传统的可逆计数器要么不计数,要么乱计数,即计数器的动态范围窄。这就大大限制了使用范围,不适合在高速机械加工中使用。

　　针对以上问题,笔者提出了一种新的振动位移测量方法,它以高速数据采集和信号处理为基础,能较好地解决宽频带、高速鉴向等问题。

2　本文方法的原理与实现

　　2.1　系统的硬件构成

　　图2所示的就是基于数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的莫尔条纹计数细分电路。它以DSP为核心,处理器的处理速度至少为每秒钟3千万条指令。模数转换芯片ADC采用闪烁转换原理,它的最高采样速率可以达到20～50 M/s。在本系统中,推荐使用单片集成两独立通道的ADC,以简化系统设计[5]。