时栅传感技术与超精密蜗轮副

本书主要内容为时栅传感器技术、超精密蜗轮副成套技术，介绍了相关的研究思路、原理方法、技术路线、实用产品等研究成果。全书共6章：第1章介绍时栅传感器原理；第2～5章分别介绍磁场式时栅、电场式时栅、光场式时栅和寄生式时栅；第6章则介绍了与超精密蜗轮副相关的仪器检测技术、嵌入仪器单元的新型装备、加工测量一体化的新工艺，以及蜗轮母机新标准等。

第1章 时栅位移传感器原理与位移传感器分类 1
1.1 位移测量基准的时空转换与时栅位移传感器 1
1.2 基于运动的位移传感理论分析 5
1.2.1 运动的时空特性 5
1.2.2 基于自然行波与构造行波运动的位移传感理论分析 6
1.3 位移传感器分类与时栅位移传感器特点分析 12
1.3.1 位移传感器分类 12
1.3.2 时栅位移传感器特点分析 14
第2章 磁场式时栅位移传感器 17
2.1 磁场式时栅理论模型 17
2.1.1 双激励磁场式时栅数学模型 17
2.1.2 三激励磁场式时栅数学模型 18
2.2 磁场式时栅工作原理 18
2.2.1 角位移传感器Ⅰ 19
2.2.2 角位移传感器Ⅱ 22
2.2.3 角位移传感器Ⅲ 25
2.2.4 角位移传感器Ⅳ 28
2.2.5 直线位移传感器Ⅰ 29
2.2.6 直线位移传感器Ⅱ 31
2.2.7 直线位移传感器Ⅲ 33
2.2.8 直线位移传感器Ⅳ 36
2.3 磁场式时栅的多普勒效应 37
2.4 磁场式时栅的自标定方法 41
2.4.1 差极式双时栅的极距差分自标定 41
2.4.2 单时栅的采样差分自标定 44
2.4.3 误差频率扫描自标定 47
2.5 磁场式时栅应用实例 49
第3章 电场式时栅位移传感器 51
3.1 电场式时栅理论模型 51
3.1.1 测量理论思想 51
3.1.2 测量数学模型 53
3.2 电场式时栅工作原理 57
3.2.1 在RC电路中的传感器工作原理 58
3.2.2 在电场作用下的传感器工作原理 59
3.3 电场式时栅传感特性和误差机理 67
3.3.1 误差产生机理和变化规律 67
3.3.2 正弦路和余弦路之间的差异性 71
3.3.3 电场的远场匀化效应 73
3.3.4 多感应电极的平均效应 74
3.3.5 孤立导体的电场特性 78
3.4 电场式时栅优化设计与应用实例 80
3.4.1 单列差动结构电场式时栅 80
3.4.2 空间谐波的抑制方法 83
3.4.3 基于离散栅面结构的绝对式测量方法 85
3.4.4 电场式时栅应用实例 87
第4章 光场式时栅位移传感器 90
4.1 运动光场匀速扫描的测量原理 90
4.2 运动光场产生机理研究 91
4.2.1 机械式运动光场产生机理 91
4.2.2 构造运动光场产生机理 94
4.2.3 自然行波运动光场产生机理 96
4.3 构造运动光场式时栅误差分析 98
4.3.1 数学模型 98
4.3.2 光源散射与折射的误差分析 99
4.3.3 传感器安装结构的误差分析 104
4.4 高精度运动光场构造方法研究 110
4.4.1 点光源的光场分布特征分析 111
4.4.2 单光场微控移相方法 113
4.4.3 面型结构的优化 116
4.5 构造运动光场式时栅实验研究 121
4.5.1 实验装置与对比性实验 121
4.5.2 单光场面型结构优化设计 122
第5章 寄生式时栅技术与新概念机电功能部件 125
5.1 寄生式时栅的演变 125
5.2 复杂机电系统中的嵌入式位置检测新技术体系 130
5.3 寄生式时栅位移测量理论与方法 135
5.3.1 运动坐标系的主动构建与被动形成 136
5.3.2 寄生式时栅位移测量方法 141
5.4 寄生式时栅位移传感器结构 144
5.4.1 寄生式时栅位移传感单元 144
5.4.2 寄生式时栅位移传感器结构 146
5.5 寄生式时栅位移传感器试验研究 152
5.5.1 传感器结构 152
5.5.2 硬件电路系统 153
5.5.3 软件系统 154
5.5.4 实验平台 156
5.5.5 实验数据采集 157
5.6 寄生式时栅应用——新概念机电功能部件 159
5.6.1 机械传动——带检测功能的齿轮、蜗轮和齿条 160
5.6.2 机械运动——带检测功能的轴承、导轨 176
5.6.3 机械驱动——带检测功能的伺服电机 181
5.7 寄生式时栅不确定度分析 189
5.7.1 误差和不确定度来源理论分析 189
5.7.2 行波信号主次影响因素的分析与仿真 190
5.7.3 测量不确定度实际评定模型 195
5.7.4 不确定度评定的实验验证 197
第6章 基于iFMT仪器的超精密蜗轮副成套技术 202
6.1 由我国蜗轮母机发展历程引起的思考 202
6.1.1 研究背景 202
6.1.2 存在的问题 205
6.1.3 问题的原因 207
6.1.4 科学问题 209
6.1.5 如何解决问题 213
6.1.6 谁来解决问题——为什么由我们提出 216
6.2 前期工作基础与技术储备 218
6.2.1 FMT仪器原理及应用实例 218
6.2.2 普通滚齿机床精化实例 224
6.2.3 普通插齿机床精化实例 230
6.2.4 普通蜗杆磨床精化实例 234
6.3 超精密蜗轮副成套新技术(工艺、仪器、装备、刀具和标准) 239
6.3.1 研究工作思路 239
6.3.2 加工测量一体化新工艺 240
6.3.3 智能化在系统检测仪器iFMT 245
6.3.4 嵌入仪器单元的新型蜗轮母机与特种刀具专机 252
6.3.5 《YGK37125型高精度数控蜗轮滚齿机标准》(部分) 255
参考文献 258
参数表 263