光纖間距傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)床監(jiān)控

　　Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個系統(tǒng)是基于激光短相干的工作原理，其主要部件為兩個相干性激光部件單元，其中的第一個是純光學(xué)的全光纖技術(shù)元件(SLD1)，第二個則是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(fù)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(jié)果的最終評判裝置無需安裝在檢測現(xiàn)場。另外，這種檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還允許在一個檢測評判單元中使用多個檢測傳感器。利用光纖轉(zhuǎn)換開關(guān)可以快捷方便地在各個傳感器之間進(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，利用計算機(jī)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)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(tǒng)相比較，這種檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它沒有類似于線性調(diào)節(jié)器或壓電發(fā)生器之類的區(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)被測物體進(jìn)入到檢查范圍之內(nèi)后，將會產(chǎn)生一個由CCD電荷耦合式攝像機(jī)解碼的固有特征干涉光樣本。利用干涉信號的橫向位置在CCD芯片中對被測物體的間距進(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)和銷售。

　　在這個系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體零部件的圓度和圓跳動對檢測的精度、噪聲和整個系統(tǒng)的磨損有著重要的影響，源于它們的錯誤信號應(yīng)在生產(chǎn)加工過程中及時的予以識別并排除，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)過程數(shù)據(jù)，及時地采取必要措施。

　　在這種檢測方法中，旋轉(zhuǎn)零部件工作時在外力作用下可能產(chǎn)生的變形(可在多個不同的檢測點(diǎn)對旋轉(zhuǎn)零部件在外力作用下的變形進(jìn)行檢測)，在生產(chǎn)工作過程中出現(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，在這個領(lǐng)域中，軋輥類零部件的圓度和圓跳動誤差對印刷品的質(zhì)量有著直接的影響。另一個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?yàn)檫@個領(lǐng)域中需要對生產(chǎn)光導(dǎo)塑料薄膜軋輥表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。

　　在這種情況下，利用光纖傳導(dǎo)的間距檢測傳感器在多個檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測是非常合適的，因?yàn)檫@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，不會對被測表面帶來損害，在傳感器和被測物體之間沒有相互作用和影響。

　　為了能夠演示這種檢測技術(shù)的應(yīng)用情況，專門設(shè)計和制造了一個試驗(yàn)臺。這個試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對其剛性和穩(wěn)定性都有著非常高的要求。在2009年度Stuttgart舉辦的Control 2009展覽會期間，F(xiàn)raunhofer IPT研究所就展示了一個這樣的試驗(yàn)臺：利用不同的光纖傳感器進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

　　圖2 對不同的旋轉(zhuǎn)對稱物體進(jìn)行檢測監(jiān)控的臥式床身檢測試驗(yàn)臺

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

　　檢測單元和檢測數(shù)據(jù)評判單元的同步，以及主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同步是通過編碼器來實(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，并把這些觸發(fā)信號發(fā)送到評判單元中，對攝像機(jī)的工作過程進(jìn)行控制。攝像機(jī)所采集的數(shù)據(jù)信息會經(jīng)過分析軟件進(jìn)行處理，每兩個觸發(fā)信號之間對應(yīng)的轉(zhuǎn)角相當(dāng)于0.1.

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

　　用于粗糙度檢測的專用傳感器

　　對于每個回轉(zhuǎn)對稱體的檢測，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?qū)Ρ粶y物體得出有說服力的結(jié)論，需要對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，對每個特征值都要進(jìn)行專門的研究，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中單獨(dú)的對檢測值的特征進(jìn)行監(jiān)控了。

　　為了實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的過濾，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測到的數(shù)據(jù)信息來自不同的頻率段。

　　利用一個非對中安裝的部件可以對信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號的頻率與旋轉(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別出來了。這種檢測頻率由低通濾波器進(jìn)行過濾，形狀誤差和波形度誤差利用帶通濾波器進(jìn)行過濾，而粗糙度則是利用高通濾波器進(jìn)行過濾。

　　經(jīng)過過濾的信號(形狀誤差、波形度和粗糙度等)都會按照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研究所計劃進(jìn)一步的縮小傳感器的直徑，并計劃研發(fā)生產(chǎn)專門用于粗糙度檢測的傳感器。通過對傳感器端部的特殊處理，還可以實(shí)現(xiàn)不同角度的檢測。