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直接与轴角度间接测量

通常,最好直接测量您感兴趣的物体的位置或速度。在许多情况下,物理环境或有限空间的实际问题意味着这可能是一个挑战,特别是在测量轴的角度时直径大于几英寸。

传统的方法是间接测量角位置或速度 - 通常通过其他地方的测量来推断轴的位置。 Zettlex有限公司的Mark Howard介绍了传统方法和一种由电感式传感器实现的新型直接方法。

传统方法 - 间接测量
电位计,旋转变压器和光学编码器是测量轴角的最常用设备。 电位计提供简单,低成本的解决方案,但不适合恶劣环境或连续旋转。 旋转变压器在恶劣的条件下是可靠的,但它们的高成本和体积意味着它们在国防,航空航天和石油天然气领域之外很少见。 光学编码器不像旋转变压器那样坚固,但是可以广泛使用并且价格昂贵。 大多数光学编码器都有一个小的(通常是<1 / 2“直径)输入轴,带有增量脉冲输出。 可提供通轴型,但通常将孔限制为<2“。 在此之上,编码器价格急剧上涨,可用性逐渐减少。

那么如何测量3“或更大?”的大直径通轴的角度? 传统上,较小的副轴由较大的主轴驱动,并测量副轴的角度。 换句话说,主要的角度是间接测量或推断的。 多年来,这一直是炮塔,转台,雷达天线,安全摄像机,大型电机,医疗扫描仪和望远镜的方法。 由于副轴较小,因此可选择多种旋转编码器。 如果需要主轴的绝对角度(而不是增量角度),则可以使用附加的齿轮传动装置或多圈编码器。

间接方法的问题
主轴的角度是从次级角度计算的 - 假设它们的相对旋转是成比例的。 不无道理? 与以往一样,魔鬼在细节上,实际上,这个假设存在问题。

作为一般规则,如果要求的测量精度<1度,则间接测量可能无法可靠地工作 - 或者至少不能长时间工作。 问题分为两部分 - 准确性和可靠性。 不准确性来自系统容差叠加的因素数量。 对于通过齿轮耦合的系统,这些因素包括但不限于:

  1. 编码器精度。
  2. 编码器热系数 - 即由于温度导致的输出漂移。
  3. 齿轮,轴,轴承,支架等的热膨胀差异
  4. 齿轮反弹。
  5. 齿轮磨损。
  6. 轴上齿轮的同心度。
  7. 齿轮系/齿应变与扭矩。
  8. 轴同心度。
  9. 齿轮位置随冲击或振动的变化。
  10. 齿轮齿位置的公差。
  11. 主轴和副轴中心的公差。
  12. 轴心距离的变化 - 由于载荷/轴承间隙。
  13. 润滑的变化 - 由于数量,类型和粘度。
  14. 机械摩擦 - 特别是静摩擦。
  15. 异物对齿轮齿的影响。
  16. 由于轴的扭矩而扭曲。
  17. 轴弯曲。

仅这些效果中的每一个都可能不会对准确性产生重大影响。 问题出现是因为所有这些效应叠加在一起。

#1中一个常见的误解是每转1,000计数的编码器精确到转速的1 / 1000th。 不幸的是,分辨率与准确度不同。

为了提高可靠性,大多数工程师都知道,任何机械系统的可靠性都与其中的零件数量成正比 - 尤其是运动部件。 齿轮,滑轮或链条系统易受异物影响。 工程师经常会忽视这一点,他们希望他们的设备能够在规定的范围内运行,并且所有维修都将由技术人员进行,他们总是更换挡板和密封件。

经验表明这是一厢情愿的想法。 异物通常来自意外的,有时奇怪的条件。 要考虑的异物的例子是灰尘,沙子,泥,雨,雪,冰,冰雹,冷凝,昆虫,啮齿动物,啮齿动物废物,霉菌,真菌,流氓机械工具,流氓机械紧固件,切屑,颗粒,咖啡,可乐(有腐蚀性的,花粉,空气传播的种子,植被,水残留物,烟雾/有色金属残留物,昆虫粪便/分泌物,蜗牛,蠕虫,刹车/离合器灰尘,头发和纺织纤维。 远远不够? 不 - 经验表明,预计会出现意想不到的异物。

一种新方法 - 直接测量
作为一般规则,如果要精确测量物体的位置,则应在物体上或靠近物体进行测量。测量轴角度直接简化了系统并减少了公差叠加。 结果:提高了准确性和可靠性。

那么为什么不是每个人都使用直接测量? 原因在于,直到最近,大口径旋转编码器的成本也不成比例,精密且难以安装。 环形光学编码器已存在多年,但价格昂贵,体积庞大,需要小心安装,并且容易因异物而失效。 同样,大口径或“煎饼”旋转变压器已存在多年,但其价格,复杂的电源/信号处理和批量使它们不适合大多数主流应用。

然而,新一代电感式编码器现在可以对大直径轴进行简单,有效和精确的角度测量。 这些设备的工作原理与非接触式旋转变压器类似,并且同样坚固可靠。 它们使用印刷的层状绕组而不是绕线轴或绕组。 这使得小型环形编码器非常适合大型通轴。 与光学对应物不同,这些设备不需要精确安装,电气接口简单明了 - 直流电压输入; 绝对数字数据输出。 这些新一代设备的机械布置很简单,可以根除所有传动装置。 结果:简单,易于安装,紧凑,轻便,低惯性,准确可靠的解决方案。

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