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      摘要: 主動(dòng)測(cè)量控制儀應(yīng)用在內(nèi)圓磨床中，可提高軸承內(nèi)徑的磨削精度。采用電感傳感器和線(xiàn)性運(yùn)算放大器等元件設(shè)計(jì)出一種新穎的主動(dòng)測(cè)量控制儀，振蕩器電路將電感傳感器所檢測(cè)的工件尺寸變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚鳛V波電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流信號(hào); 直流輸出信號(hào)分四路，一路送到高低精度量程的電平比較轉(zhuǎn)換電路，一路送到指示電路，一路送到發(fā)訊電路，還有一路作為線(xiàn)性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。所設(shè)計(jì)的主動(dòng)測(cè)量控制儀電路在實(shí)際應(yīng)用中性能可靠，可使軸承的磨削精度達(dá)到1μm。 
 

  
       由于軸承內(nèi)徑的精度要求較高，切實(shí)提高內(nèi)外徑磨削的質(zhì)量和效率，對(duì)軸承生產(chǎn)有著重要意義，采用主動(dòng)測(cè)量控制儀可解決這一重要問(wèn)題。主動(dòng)測(cè)量控制儀廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，磨加工設(shè)備也由原來(lái)的手工操作和加工后測(cè)量轉(zhuǎn)入在線(xiàn)自動(dòng)測(cè)量控制［1］。在機(jī)械加工過(guò)程中，由主動(dòng)測(cè)量裝置始終測(cè)量著工件的尺寸，并將其尺寸變化量隨時(shí)傳遞給控制儀，再由控制儀發(fā)出信號(hào)( 如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信號(hào)) 控制機(jī)床的動(dòng)作［2］。主動(dòng)測(cè)量控制儀可與主動(dòng)測(cè)量裝置配合使用，廣泛應(yīng)用于全自動(dòng)磨床，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外徑磨加工主動(dòng)測(cè)量，以提高加工精度和生產(chǎn)效率，為實(shí)現(xiàn)磨削加工自動(dòng)化打下基礎(chǔ)，是軸承、汽車(chē)行業(yè)必備檢測(cè)儀器。目前該產(chǎn)品主要與無(wú)錫機(jī)床廠生產(chǎn)的各種內(nèi)圓磨床配套使用，也與成都機(jī)床廠生產(chǎn)的內(nèi)圓磨床配套使用。目前所使用的磨加工主動(dòng)測(cè)量控制儀大多數(shù)仍為進(jìn)口設(shè)備，以日本的東京精密和意大利的馬波斯儀器為主［3］，文中所設(shè)計(jì)的主動(dòng)測(cè)量控制儀可代替部分馬波斯儀器。

      1 、主動(dòng)測(cè)量控制儀的工作原理

      1. 1 傳感器如何將工件尺寸的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏坎捎秒姼袀鞲衅鞯闹鲃?dòng)測(cè)量控制儀是由線(xiàn)性運(yùn)算放大器和晶體管等組成的新穎電氣控制儀，與之相配套的電感傳感器，是電磁吸鐵式的，兩者需配套，應(yīng)用在全自動(dòng)磨床，實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑磨加工的自動(dòng)化［4］。要對(duì)被加工工件的尺寸進(jìn)行磨削控制，首先就應(yīng)該將被加工工件的尺寸轉(zhuǎn)為電量的變化，傳感器就是用來(lái)完成這一轉(zhuǎn)化的裝置。傳感器在實(shí)際磨加工時(shí)的工作狀態(tài)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

              圖1 傳感器在磨加工時(shí)的工作狀態(tài)

      被加工工件尺寸的變化，由測(cè)量爪感受，經(jīng)測(cè)量桿通過(guò)回轉(zhuǎn)支承的作用，使傳感器電感線(xiàn)圈的氣隙δ 發(fā)生變化。δ 的變化引起了電感線(xiàn)圈電感的變化，
其變化的關(guān)系可用下式表示:

      其中: ω 為電感線(xiàn)圈的匝數(shù); μ0為空氣的導(dǎo)磁率; S為導(dǎo)磁的有效面積; δ 為氣隙的寬度。當(dāng)電感線(xiàn)圈做好后，ω、μ0、S 都是定值，故L的變化僅取決于δ 的大小，其變化關(guān)系可等效為:

      顯然，這是一條雙曲線(xiàn)的方程，用圖來(lái)表示可以畫(huà)成如圖2 所示。這樣，被加工工件的尺寸變化就轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼芯€(xiàn)圈電感量的變化。

                    圖2 電感量隨氣隙變化的關(guān)系

      1. 2 電感線(xiàn)圈電感量的變化如何轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓瘜㈦姼芯€(xiàn)圈串入控制儀中如圖3 所示的串聯(lián)諧振回路中，對(duì)于這個(gè)回路，其輸出電壓USC隨傳感器電感線(xiàn)圈電感量L 變化的關(guān)系曲線(xiàn)可用圖4 來(lái)表示。

                                圖3 電感線(xiàn)圈串入控制儀中

     由圖4 可見(jiàn)，當(dāng)傳感器電感線(xiàn)圈的電感量L 由小向大變化時(shí)，輸出電壓USC先是由小變化到大，當(dāng)電感量為L(zhǎng)0時(shí)，USC上升到最大值，以后隨著L0的增大USC逐漸減小。
點(diǎn)L0為諧振點(diǎn)，諧振時(shí)，

          圖4 輸出電壓隨電感量變化的關(guān)系

     由于在設(shè)計(jì)時(shí)始終使L0在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)大于3. 6 mH，故實(shí)際工作時(shí)，選用了右半邊曲線(xiàn)，即隨著工件內(nèi)孔的磨削，L0逐漸地增大，而USC則逐漸地減小，至此，被加工工件尺寸的變化就轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓敵隽恕?/font>

      1. 3 電信號(hào)的處理

     電信號(hào)的處理可用圖5 所示的框圖來(lái)表示。

                                                 圖5 電信號(hào)的處理

      2、 主動(dòng)測(cè)量控制儀的工作電路設(shè)計(jì)

    
     2. 1 振蕩器電路的設(shè)計(jì)
   
     振蕩器電路的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。振蕩器作為L(zhǎng)C 串聯(lián)諧振回路的交流電源，產(chǎn)生幅度( 有效值) 為1. 1 V，頻率為20 kHz 的正弦波，采用的是LC 回路選頻振蕩。

  
                                                圖6 振蕩器電路

      整個(gè)振蕩器分三級(jí): 第一級(jí)由晶體管BG101 及選頻回路( 振蕩線(xiàn)圈T1 的初級(jí)及電容C104) 構(gòu)成;第二級(jí)由晶體管BG102、BG103 構(gòu)成的復(fù)合管所組成的功率放大級(jí)組成，這樣可以提高振蕩器的帶負(fù)載能力; 第三級(jí)是由大功率晶體管BG104 所組成的輸出級(jí)。開(kāi)機(jī)后， + 12 V 電壓經(jīng)過(guò)電阻Ｒ101限流，使穩(wěn)壓管產(chǎn)生6 V 的穩(wěn)定電壓，流過(guò)穩(wěn)壓管D101 電流:

      這一穩(wěn)定的6 V 電壓作為振蕩管BG101 集電極的電源，C101的作用是消除穩(wěn)壓管工作時(shí)的噪聲。這一6 V 的電壓經(jīng)過(guò)電阻Ｒ102的作用使BG101 基極電位升高，基極電位的升高使發(fā)射極的電位也升高，發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極電阻Ｒ103使選頻回路得電，于是，LC選頻回路就開(kāi)始產(chǎn)生電磁振蕩，產(chǎn)生各種高次諧波。

      蕩則被抑制掉了。由于振蕩線(xiàn)圈的初級(jí)是在同一個(gè)磁芯上相同方向連續(xù)繞制而成的，所以任何瞬間點(diǎn)B的電壓都比點(diǎn)A 的電壓高。正反饋電容C103的作用是使BG101 的基極電壓繼續(xù)上升，這樣就形成了正反饋的作用，故振蕩器得以工作。電容C102與電阻Ｒ103的作用均是負(fù)反饋，用以改善正弦波的波形。正弦波經(jīng)振蕩線(xiàn)圈耦合到次級(jí)，送到后級(jí)功率放大，電阻Ｒ104與電阻Ｒ105構(gòu)成BG102 的直流偏置電路，BG102的基極電壓:

             圖7 BGl03 的發(fā)射極正弦波輸出

             圖8 Ｒ108 上端振蕩器正弦波輸出

     由于BG103 發(fā)射極電位為5. 14 V，而正弦波的最大值為1. 1 根號(hào)2 = 1. 56 V ，故二極管D102 始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，其作用是隔離，使信號(hào)無(wú)法倒流，電容C110將輸出波形中的直流分量隔去，使送到傳感器中去的為不含直流成分的正弦波。另外，電容C108、電位器W102 組成基準(zhǔn)點(diǎn)取樣電路，基準(zhǔn)點(diǎn)的大小可調(diào)整W102 得到，基準(zhǔn)點(diǎn)的大小決定了傳感器的前行程量( 前行程量為控制儀電表示值，為0 μm 時(shí)二測(cè)點(diǎn)之間的距離與傳感器為自由狀態(tài)時(shí)二測(cè)點(diǎn)之間距離差的絕對(duì)值) 。傳感器電壓線(xiàn)圈的信號(hào)經(jīng)耦合線(xiàn)圈T2，由信號(hào)取樣電位器W104 的中心抽頭輸出。輸出信號(hào)也是純凈的正弦波，其幅度隨被加工工件尺寸的變化而變化。

  
      2. 2 振蕩器輸出信號(hào)的整流濾波振蕩器輸出信號(hào)的整流濾波電路見(jiàn)圖9。

                                               圖9 整流濾波電路

      由于輸出指示電表采用的是直流電流表，故需把電位器Wl04 中心抽頭輸出的正弦波整流成直流信號(hào)，才能去電表指示， 二極管D201A 與二極管D202A 及電容C204、C205
就組成了整流濾波電路，三極管BG201、BG202 組成的復(fù)合管如前所述一樣是功率放大器，信號(hào)經(jīng)電容C201耦合至BG201 的基極，基極電位:

      信號(hào)由BG202 的發(fā)射極輸出，該點(diǎn)的直流電位為7. 2 － 1. 4 = 5. 8 V。電容C203為隔直電容，將純凈的正弦波信號(hào)電壓送到二極管D201A、D202A 去整流，電阻Ｒ204
與Ｒ205組成整流二極管D202A 的偏置電路，使D202A 與D201A 始終處于導(dǎo)通狀，導(dǎo)通后，D202A 的正極電位為1. 4 V ( 直流) ，這樣可提高檢波的靈敏度。信號(hào)電壓由電容C204
取出后，由電阻Ｒ206、Ｒ207送到相加器IC201 的反相端，振蕩板上的基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)另外一路反向極性的整流濾波電路，由電容C210取出后經(jīng)電阻Ｒ216、Ｒ208也送到相加放大器的反相端，與信號(hào)電壓相加后經(jīng)運(yùn)算放大器IC201 作反相放大后由運(yùn)算放大器的6 腳輸出。
 
 
      2. 3 直流輸出信號(hào)的再處理振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)整流濾波后，由運(yùn)算放大器IC201 的6 腳輸出，其輸出信號(hào)分4 路，分別為高低精度量程轉(zhuǎn)換電路、指示電路、線(xiàn)性補(bǔ)償電路及發(fā)訊電路。運(yùn)算放大器IC201 的6 腳輸出的一路進(jìn)行高低精度量程的電平比較轉(zhuǎn)換，該控制儀采用單電表來(lái)代替雙電表指示，故電表指針的二次回程中，電表滿(mǎn)刻度所代表的量程是不同的( 相差10 倍) ，第一次回程時(shí)，電表滿(mǎn)刻度為500 μm ( 每小格刻度為10 μm) ，第二次回程時(shí)，電表滿(mǎn)刻度為50 μm ( 每小格刻度為1 μm) ，指針在50 μm 處實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。指示電路用發(fā)光二極管指示，指示高低量程擋位，指示磨削尺寸等。線(xiàn)性補(bǔ)償電路帶可調(diào)電位器，安裝在儀表板上供操作者調(diào)節(jié)。

      發(fā)訊電路共有4 擋，粗磨、精磨、光磨及到尺寸發(fā)訊，由于其發(fā)訊電路完全一樣，故只需取其中1 路發(fā)訊為例，其余3 路類(lèi)推。

      由電阻Ｒ301、電位W301 及電阻Ｒ302組成了發(fā)訊點(diǎn)的取樣電路，調(diào)節(jié)W301，可使該路的發(fā)訊點(diǎn)隨之而變。當(dāng)調(diào)節(jié)好W301 中心抽頭的電位以后，運(yùn)放IC301 的同相輸入端3 腳的電位也就同時(shí)確定了，由于磨削開(kāi)始時(shí)，IC201 的輸出端6 腳的電壓總是高于IC301 的3 腳電平，故IC301 的輸出端6 腳為低電平( － 12 V) ，此時(shí)三極管BG301 的發(fā)射結(jié)處于反偏，BG301 不導(dǎo)通， J1 不吸合，隨著磨加工的進(jìn)行，IC201 的輸出端6 腳( 即IC301 的反相輸入端2 腳)的電壓逐漸下降，當(dāng)下降至IC301 的2 腳電壓低于3腳電壓時(shí)，IC301 的輸出端6 腳由原來(lái)的－ 12 V 變?yōu)? 12 V，此時(shí)，一方面使BG301 的發(fā)射極處于正偏而導(dǎo)通，使繼電器J1 動(dòng)作，另一方面使正反饋回路中的二極管D301 導(dǎo)通，而使同相輸入端3 腳的電位高于原設(shè)定值約0. 23 V ( 可通過(guò)計(jì)算得到) ，從而使輸出端6 腳的電位更加穩(wěn)定，這樣可使機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作穩(wěn)定。此電路中，二極管D305 為保護(hù)二極管，當(dāng)IC301 輸出端6 腳為負(fù)時(shí)，D305 導(dǎo)通，使三極管BG301 的發(fā)射結(jié)的反偏電壓箝在0. 7 V，從而使BG301 不至于因反偏電壓過(guò)大而損壞，二極管D309為泄放二極管，為繼電器線(xiàn)圈提供放電回路。

      3 、主動(dòng)測(cè)量控制儀的應(yīng)用及性能指標(biāo)

      磨加工主動(dòng)測(cè)量?jī)x主要由主動(dòng)測(cè)量控制儀和主動(dòng)測(cè)量裝置( 或手動(dòng)測(cè)量裝置) 組成［5］主動(dòng)測(cè)量控制儀與內(nèi)圓磨自動(dòng)檢測(cè)規(guī)等各種檢測(cè)裝置配合使用，可廣泛應(yīng)用于全自動(dòng)磨床，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外徑磨加工主動(dòng)測(cè)量，以提高加工精度和生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化，是軸承、汽車(chē)行業(yè)必備檢測(cè)儀器。目前該產(chǎn)品主要與無(wú)錫機(jī)床廠生產(chǎn)的內(nèi)圓磨床配套，也與成都機(jī)床廠生產(chǎn)的內(nèi)圓磨床配套。在實(shí)際使用中，主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:
 

      測(cè)量范圍: 軸承內(nèi)直徑10 ～ 80 mm;
      重復(fù)精度: 1 μm/20 次;
      示值范圍: － 10 μm ～ + 50 mm，50 ～ 500 mm，
      單表頭雙量程，自動(dòng)轉(zhuǎn)換;
      示值誤差: 高精度不大于1 μm，低精度不大于
      滿(mǎn)度的3%;
      零位穩(wěn)定性: 1 μm/8 h;
      重復(fù)發(fā)訊精度: 0. 2 μm/30 次。
      經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，主動(dòng)測(cè)量控制儀電路性能可靠，調(diào)試簡(jiǎn)單，很大程度地提高內(nèi)圓磨床的精度和自動(dòng)化程度，應(yīng)用前景廣闊。