利用弧形光栅尺测量大型转轴扭矩的原理研究

　　1　引　言

　　回转运动与动力传输是巨型复杂机械系统最重要的动力传递方式之一。在运行中,由于动力大、能量传递密集、载荷变化,时常出现运行不稳、准确性差、振动甚至零件断裂等故障,严重影响了设备运行,造成了极大的经济损失。另外,巨型复杂设备的人力操纵性差,它的自动化与智能化运行也是当前以至未来的迫切需要。所以,对转动系统动力传递行为进行动态监测、预防与控制成为消除事故的重要手段,以保证转动系统安全、可靠、高效地运行。

　　为了实现动力传递状态的测量,抓住问题的关键,就需要建立转轴动力传递的测量理论及其需要实现的技术。对工程转轴来说,测量转轴传递的扭矩便可实现动力传递测量。所以,国内外正在大力研究开发各种扭矩传感器,以实现动力传递的测量。扭矩测量的基本原理和方法有传递法(又称扭轴法)、平衡力法和能量法[1]。平衡力法只适用于匀速和静态的情况;而能量法在间接测量上的因素太多,而且误差大。所以这两种方法都不适于动态测量,国内外研究的重点是传递法。传递法是用测量转轴在传递扭矩时所产生的物理参数的变化来测量扭矩的。这些变化的物理参数一般是转轴的变形、应变和应力,但本质上还是变形。

　　国际上目前是通过在转轴表面粘贴应变片、涂敷磁滞伸缩材料、放置压电晶体、弦振[1]等方式来测量扭矩的;是用双截面齿环、光敏材料、激光散斑等[2~8]电感和光学方法感受两个截面的相位差(也就是轴的扭转角)来测量扭矩的。国内的研究原理和方法与国外基本同步[~5],许多学校和研究机构都在研究和进行产品开发。关于采用光学方法测量扭矩的文献资料可参见文献[2]至文献[8]。

　　目前扭矩传感器的发展方向是:(1)由介入式发展成不介入式,而且不影响原转轴的刚度;(2)非接触和光电结合型;(3)微型化和巨型化;(4)原器件集成化、信号处理智能化。

　　光学方法测量扭矩在原理上具有较大的优势,完全符合未来的发展趋势。它具有不介入、非接触、抗电磁干扰、信号易于处理等优点。采用弧形光栅尺测量转轴扭矩至今未见报道。本文由基本的弧形光栅尺构建了一种用于测量巨型转轴扭矩的测量方法,以实现大型机械设备主传动的动力监测。为设备自动化、智能化奠定了基础。

　　2　基本原理

　　基于光栅莫尔条纹和光栅干涉原理的光栅尺测量技术发展很快,在现行产品样本中,测量步距已经达到1nm。经计算,直径为640mm的巨型合金结构钢转轴,在1·25N·m的扭矩作用下,如果在100mm的长度上产生6·9μm的线位移,则0·01μm的分辨率便可完全满足扭矩测量的需要。光栅尺光电扫描成像一般产生四个相互间相位差为90°的正弦电流信号I0°、I90°、I180°、I270°,采用反极性并联后产生两个有90°相位差、与零线对称的输出信号I1= I0°-I180°、I2= I90°-I270°。电流信号由电路转换为U1、U2两路电压信号。光栅尺除输出位移信号外,还输出参考脉冲信号Ua0和干扰信号Uas,以便实现可靠的其它控制。光栅尺的输出信号在输入电子设备倍频细分后[9],可以得到很高的分辨率和测量步距。目前德国Heidenhain公司的IK220 PC计数器卡可将两个增量或绝对光栅尺或编码器的正弦形输入信号细分至4096倍,极大地提高了位移信息处理地能力。下面来计算光栅型编码器的位移计算公式。两路电压信号为