智能球铰链优化设计与精度提升

针对所研发的智能球铰链测量分辨率及测量精度较低的问题,从永磁体选型、传感器匹配以及模型算法方面进行改进和优化。通过仿真分析和计算,确立了圆柱形永磁体的结构参数、重新设计了传感器水平放置与永磁体进行位置匹配的方案,更新了角度反解算法的函数初值选择方法,研制了新的智能球铰链样机和标定装置。测试数据表明,该样机测量范围、精度都有显著提高,在±10°范围内,单轴测量均方差为19';在±20°范围内,均方差为24'。基于数据分析与诊断,已找出主要误差源,找到了进一步提高测量精度的途径。     

精密球面磨床主轴回转误差的高精度测量

利用主轴回转误差单点测量法设计了一套测量系统,该系统由高精度标准球、高精度非接触位移传感器和角度传感器组成.阐述了回转误差的测量原理,分析了测量过程中可能引入的测量误差及其消除方法,并进行了实验研究.通过测量系统对测量数据进行了自动获取和分析处理,并用最小二乘法对测量数据进行评定,实现了精密球面磨床主轴回转误差的高精度测量.     

角度误差对空气轴承径向回转误差测量的影响规律研究

在超精密空气轴承径向回转误差测量中,测量系统中带入的角度误差不能忽略。为此,详细分析了反向法下角度误差对测量结果的影响规律,并对测量系统制造、装配和数据采集过程进行了控制,在此基础上完成了径向回转误差测量实验。结果表明:通过对角度误差源的有效控制,所构建的测量系统能够很好地完成100 nm以内量级径向回转误差的测量,测量结果的一致性较好,所分离出标准球圆度误差与标称值吻合。     

一种多圈磁电角度传感器的实现方法

提出一种非接触式多圈角度传感器的实现方法。当与被测旋转物体轴向相连的径向磁化永磁体在与其平行的霍尔传感芯片上方旋转时,基于霍尔原理,传感芯片会输出关于旋转角度的相互正交的两路电压信号,经过单片机进行反正切运算可以得到0°~360°范围的角度信息。结合超级电容及外扩存储器,能够实现角度的多圈测量。利用此方法设计制作了样机,实验证明此方法能够实现精度±0.2°的角度测量和多圈的可靠计数。     

磁敏角度传感器特性分析

设计了一种基于磁阻效应(AMR)和霍尔效应的角度传感器。论述了传感器的工作原理、电路组成及功能。传感器由磁阻芯片、霍尔芯片、放大以及滤波电路构成。通过旋转圆柱永磁体改变磁阻芯片、霍尔芯片周围磁场,引起传感器输出电压变化,进而测量旋转角度。在传感器结构设计中,对圆柱永磁体进行了磁场有限元分析,对角度传感器进行了试验标定与数据分析。测试结果表明:在0°~360°范围内,重复性误差为0.58%,迟滞误差为0.33%,综合误差为1.82%,达到了实际角度测量的要求。     

灵巧手中霍尔传感器测角精度的仿真研究

霍尔角度传感器通过检测转动磁铁产生的磁场,对仿人灵巧手指的关节转角进行非接触测量。通过有限元分析方法计算永磁铁周围磁感应强度的空间分布,研究磁铁与传感器的相对安装方位、磁铁与传感器间气隙的大小,以及磁铁的尺寸形状对传感器测角精度的影响,得到应用霍尔传感器与磁铁的选型方案,并指出在一定空间内多对霍尔传感器测角时,非配对磁铁对传感器的干扰不大,在灵巧手各个关节中使用霍尔传感器测量角度的方案可行。     

基于矩形永磁体磁场信息的6自由度微位移精密测量

利用矩形永磁体自身有规律分布的磁场信息,提出一种使用霍尔传感器阵列作为传感检测模块的非线性计算测量方案。该方法可实现空间六自由度的微位移精密测量,并能保证测量轴间的严格数学正交特性。此方案利用矩形永磁体分布磁场与空间位置间的对应关系,建立永磁体的磁感应强度空间分布数学关系B(X),作为测量模型,并设计均匀布置的霍尔传感器阵列检测空间磁感应强度B。然后,基于运动连续性原理,采用顺序求解法对测量模型B(X)进行快速解算。通过高斯白噪声条件下的500次蒙特卡洛仿真验证了此方案的可行性。试验结果表明,在微位移10 mm测量范围内,XY平动测量误差标准差小于80μm,Z向2 mm垂直位移范围内测量误差标准差小于10μm,转动?/6范围内测量误差标准差小于5 mrad。     

精密数控螺母磨床用小型直驱数控回转工作台设计

采用直驱技术制造回转功能部件目前已经成为国际机床产业的发展趋势,针对目前精密数控螺母磨床用回转工作台多采用蜗轮蜗杆传动,其结构复杂,精度不高,设计了直驱数控回转工作台,包括整体机械结构设计,电动机选型及液压夹紧系统设计.系统采用高精度力矩电动机直接驱动工作台进行运转,通过带集成角度测量系统的推力/向心轴承支承整个工作台面,并且通过液压夹紧装置完成了工作台的夹紧与松开动作.该工作台结构简单紧凑,取消了中间的传动环节,有效的提高了测量精度,为实现精确的自动分度,扩大数控机床加工范围提供了有参考价值的加工手段.     

球头副曲率半径对力传感器方位误差的影响

对不同接触形式的球头副的载荷偏心量和接触应力进行了分析,并设计了9对不同接触形式、不同结构尺寸的球头副进行方位误差测量。实验结果发现,相对于球面-球面点接触形式球头副,球面-平面点接触形式球头副的方位误差更小,球面-球面完全接触形式球头副与球面-平面点接触形式球头副的偏心载荷相当;调整角度较小时,可以选用球面-球面点接触或球面-球面完全接触,调整角度较大时,宜采用球面-平面点接触或半径较小的球面-球面完全接触。     

精密减速器传动误差测量精度分析

表征精密减速器传动精度的关键参数是传动误差,但目前针对机器人用精密减速器传动误差测量精度分析的问题仍处于空白。为此,以RV减速器为测量对象,利用现有的精密减速器性能试验机,采用测量不确定度评定的方法进行表征,对仪器轴系的回转精度、同轴度进行了实际测量;分析了各误差源对传动误差测量精度影响的程度,计算了各误差源的合成不确定度。结果表明,该精密减速器性能试验机测量精度较高且通过对该试验机进行多组重复性试验,其传动误差测量重复性小于2″,可以满足精密减速器传动误差测量要求。     

Stripe sensor tomography

We introduce a general concept of tomographic imaging for the case of an imaging sensor that has a stripelike shape. We first show that there is no difference, in principle, between two-dimensional tomography using conventional electromagnetic or particle radiation and tomography where a stripe sensor is mechanically scanned over a sample at a sequence of different angles. For a single stripe detector imaging, linear motion and angular rotation are required. We experimentally demonstrate single stripe sensor imaging principle using an elongated inductive coil detector. By utilizing an array of parallel stripe sensors that can be individually addressed, two-dimensional imaging can be performed with rotation only, eliminating the requirement for linear motion, as we also experimentally demonstrate with parallel coil array. We conclude that imaging with a stripe-type sensor of particular width and thickness (where the width is much larger than the thickness) is resolution limited only by the thickness (smaller parameter) of the sensor. We give examples of multiple sensor families where this imaging technique may be beneficial such as magnetoresistive, inductive, superconducting quantum interference device, and Hall effect sensors, and, in particular, discuss the possibilities of the technique in the field of magnetic resonance imaging.     

永磁悬浮非接触回转驱动系统

提出一种永磁悬浮非接触回转驱动系统,该系统由悬浮部分和非接触回转驱动两部分构成。悬浮部分采用运动控制方式,利用音圈电动机驱动永磁铁实现悬浮物竖直方向的稳定悬浮;回转驱动部分由直流伺服电动机驱动径向磁化永磁铁回转,形成变化磁场,非接触驱动悬浮物回转。本系统未在悬浮物中加入任何磁性材料,仅利用悬浮物表面剩余磁化点实现悬浮物的非接触回转驱动。介绍系统的悬浮与驱动原理,建立非接触驱动数学模型,并利用仿真与试验分析系统的回转驱动特性。分析结果表明：悬浮物的非接触回转驱动可以由伺服电动机驱动盘状永磁铁旋转来实现。铁球是否旋转与磁铁的数量无关;驱动磁铁的数量与系统的响应速度成正比,驱动磁铁的数量增多,输入速度和输出速度之间的线性度相对提高,旋转稳定。明晰本系统的非接触驱动特性,为隔离环境下铁磁性物品或零件的非接触操纵和姿态控制奠定了理论基础。     

Position and orientation detection of capsule endoscopes in spiral motion

In this paper, a position and orientation detection method for the capsule endoscopes devised to move through the human digestive organs in spiral motion, is introduced. The capsule is equipped with internal magnets and flexible threads on their outer shell. It is forced to rotate by an external rotating magnetic field that produces a spiral motion. As the external magnetic field is generated by rotating a permanent magnet, the 3-axes Cartesian coordinate position and 3-axes orientation of the capsule endoscopes can be measured by using only 3 hall-effect sensors orthogonally installed inside the capsule. However, in this study, an additional hall-effect sensor is employed along the rotating axis at a symmetrical position inside the capsule body to enhance measurement accuracy. In this way, the largest position detection error appearing along the rotating axis of the permanent magnet could be reduced to less than 15mm, when the relative position of the capsule endoscope to the permanent magnet is changed from 0mm to 50mm in the X-direction, from −50mm to +50mm in the Y-direction and from 200mm to 300mm in the Z-direction. The maximum error of the orientation detection appearing in the pitching direction ranged between −4° and +15°.     

霍尔翼片传感器的磁路仿真与设计

利用ANSYS有限元分析软件对霍尔翼片传感器进行磁路仿真和设计。以Honeywell公司的2AV系列霍尔翼片传感器为例确立了静态和动态仿真的过程。用Sm2Co17永磁替代AlNiCo器件中的AlNiCo8永磁,并进行结构调整和优化,研制出的新器件与原器件性能参数一致,成本更低。     

高背景磁场下的差分磁定位算法及应用

为了有效去除高背景磁场对永磁体定位的磁干扰,本文提出了一种高背景磁场下的差分磁定位算法.在背景磁场大小和方向均相等的两位置点处布置一组磁传感器,每组传感器均采用差分放大电路,共八组通路.在高背景磁场下,运用差分磁定位算法反演永磁体的位置和姿态.并将该算法应用于外磁场导向的仿生微型机器人,设计了定位硬件系统.通过实验验证了此差分磁定位算法可以较好地反演该仿生微型机器人位置和姿态.     

磁力齿轮内转子护套过盈量计算及其应力分析

针对磁力齿轮中转子在旋转时产生的离心力容易导致表贴式永磁体损坏的问题,将一个高强度过盈配合的保护套应用到永磁体的保护中。对内转子保护套与永磁体间的过盈配合量及其应力的计算方法进行了分析,对一台内转子速度为56 r/min,传动比为8的磁力齿轮,计算了内转子护套和永磁体的应力值以及护套的过盈量,并根据计算出的过盈量利用ANSYS Workbench15.0分析了护套和永磁体的应力,通过建立试验平台对稳定运行一段时间的样机进行了拆分,观察护套效果。研究结果表明:仿真结果接近理论计算值,内转子护套表面光滑无凸起,证明数值计算的准确性,该护套可用于保护永磁体。     

一种基于电磁感应原理的风向编码方法

霍尔元件在与磁体接近时输出端会产生一个高电平,离开磁体时输出端为低电平。基于这种电磁感应原理,提出了一种风向编码方法。该方法设为三层立体编码,霍尔元件固定在编码器的定位盘上,磁钢体固定在转动盘上。转动盘上的磁钢体靠近霍尔元件时,霍尔元件输出高电平,磁钢体离开霍尔元件,则霍尔元件输出低电平。根据各个霍尔元件输出的高低电平组合编码,第一编码层可在45°范围内实现5°的分辨率,第二编码层可在180°范围内实现45°的分辨率,第三编码层可在360°范围内实现180°的分辨率。三个编码层相结合,便可在360°范围内实现5°的分辨率。     

高精度霍尔翼片传感器的磁路仿真与设计

采用ANSYS有限元分析软件对霍尔翼片传感器进行磁路仿真和设计。在对2AV霍尔翼片传感器进行仿真的基础上，对新型高精度Sm2Co17霍尔翼片传感器进行静态和动态仿真，并根据仿真结果进行结构调整和优化。通过磁路仿真设计，适当调整霍尔器件与永磁体之间的空气间隙，使霍尔器件、永磁体和叶片相互匹配，得到符合要求的工作点检测参数，研制出的新器件达到国外同类产品水平，满足了霍尔翼片传感器的高精度要求，成本更低，也可大批量生产。     

类磁栅液压缸位移传感器工作机理及仿真分析

由于类磁栅液压缸位移传感器在定量分析困难及测量精度不高等方面的不足, 使其独特的结构优势无法得到充分发挥。在充分分析其结构的基础上, 利用电磁场相关理论, 采用分子电流假说建立了永磁体数学模型, 通过Ansoft Maxwell软件对所求模型进行仿真并验证了所求模型的准确性。详细介绍两种磁敏感元件的工作原理和响应模型, 依托对敏感元件响应模型本身及工作过程仿真数据的分析, 得到霍尔元件更适合作为传感器的敏感元件及类磁栅液压缸位移传感器的测量精度与永磁体表面形状等几何尺寸密切相关等结论, 为该传感器高精度测量提供理论支撑。