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      摘要: 主動測量控制儀應用在內(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性運算放大器等元件設計出一種新穎的主動測量控制儀，振蕩器電路將電感傳感器所檢測的工件尺寸變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，整流濾波電路將交流信號轉(zhuǎn)化成直流信號; 直流輸出信號分四路，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，還有一路作為線性補償網(wǎng)絡。所設計的主動測量控制儀電路在實際應用中性能可靠，可使軸承的磨削精度達到1μm。 
 

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

      1 、主動測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訙y量控制儀是由線性運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，應用在全自動磨床，實現(xiàn)內(nèi)徑磨加工的自動化［4］。要對被加工工件的尺寸進行磨削控制，首先就應該將被加工工件的尺寸轉(zhuǎn)為電量的變化，傳感器就是用來完成這一轉(zhuǎn)化的裝置。傳感器在實際磨加工時的工作狀態(tài)簡圖如圖1 所示。

              圖1 傳感器在磨加工時的工作狀態(tài)

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

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

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

                    圖2 電感量隨氣隙變化的關系

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

                                圖3 電感線圈串入控制儀中

     由圖4 可見，當傳感器電感線圈的電感量L 由小向大變化時，輸出電壓USC先是由小變化到大，當電感量為L0時，USC上升到最大值，以后隨著L0的增大USC逐漸減小。
點L0為諧振點，諧振時，

          圖4 輸出電壓隨電感量變化的關系

     由于在設計時始終使L0在整個工作區(qū)域內(nèi)大于3. 6 mH，故實際工作時，選用了右半邊曲線，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 電信號的處理

     電信號的處理可用圖5 所示的框圖來表示。

                                                 圖5 電信號的處理

      2、 主動測量控制儀的工作電路設計

    
     2. 1 振蕩器電路的設計
   
     振蕩器電路的設計見圖6。振蕩器作為LC 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

      整個振蕩器分三級: 第一級由晶體管BG101 及選頻回路( 振蕩線圈T1 的初級及電容C104) 構(gòu)成;第二級由晶體管BG102、BG103 構(gòu)成的復合管所組成的功率放大級組成，這樣可以提高振蕩器的帶負載能力; 第三級是由大功率晶體管BG104 所組成的輸出級。開機后， + 12 V 電壓經(jīng)過電阻Ｒ101限流，使穩(wěn)壓管產(chǎn)生6 V 的穩(wěn)定電壓，流過穩(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)壓管工作時的噪聲。這一6 V 的電壓經(jīng)過電阻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)射極通過發(fā)射極電阻Ｒ103使選頻回路得電，于是，LC選頻回路就開始產(chǎn)生電磁振蕩，產(chǎn)生各種高次諧波。

      蕩則被抑制掉了。由于振蕩線圈的初級是在同一個磁芯上相同方向連續(xù)繞制而成的，所以任何瞬間點B的電壓都比點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的作用均是負反饋，用以改善正弦波的波形。正弦波經(jīng)振蕩線圈耦合到次級，送到后級功率放大，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2 = 1. 56 V ，故二極管D102 始終處于導通狀態(tài)，其作用是隔離，使信號無法倒流，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 組成基準點取樣電路，基準點的大小可調(diào)整W102 得到，基準點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 時二測點之間的距離與傳感器為自由狀態(tài)時二測點之間距離差的絕對值) 。傳感器電壓線圈的信號經(jīng)耦合線圈T2，由信號取樣電位器W104 的中心抽頭輸出。輸出信號也是純凈的正弦波，其幅度隨被加工工件尺寸的變化而變化。

  
      2. 2 振蕩器輸出信號的整流濾波振蕩器輸出信號的整流濾波電路見圖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，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 組成的復合管如前所述一樣是功率放大器，信號經(jīng)電容C201耦合至BG201 的基極，基極電位:

      信號由BG202 的發(fā)射極輸出，該點的直流電位為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 始終處于導通狀，導通后，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，振蕩板上的基準電壓經(jīng)過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，與信號電壓相加后經(jīng)運算放大器IC201 作反相放大后由運算放大器的6 腳輸出。
 
 
      2. 3 直流輸出信號的再處理振蕩器的輸出信號經(jīng)整流濾波后，由運算放大器IC201 的6 腳輸出，其輸出信號分4 路，分別為高低精度量程轉(zhuǎn)換電路、指示電路、線性補償電路及發(fā)訊電路。運算放大器IC201 的6 腳輸出的一路進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代替雙電表指示，故電表指針的二次回程中，電表滿刻度所代表的量程是不同的( 相差10 倍) ，第一次回程時，電表滿刻度為500 μm ( 每小格刻度為10 μm) ，第二次回程時，電表滿刻度為50 μm ( 每小格刻度為1 μm) ，指針在50 μm 處實現(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。線性補償電路帶可調(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 路類推。

      由電阻Ｒ301、電位W301 及電阻Ｒ302組成了發(fā)訊點的取樣電路，調(diào)節(jié)W301，可使該路的發(fā)訊點隨之而變。當調(diào)節(jié)好W301 中心抽頭的電位以后，運放IC301 的同相輸入端3 腳的電位也就同時確定了，由于磨削開始時，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) ，此時三極管BG301 的發(fā)射結(jié)處于反偏，BG301 不導通， J1 不吸合，隨著磨加工的進行，IC201 的輸出端6 腳( 即IC301 的反相輸入端2 腳)的電壓逐漸下降，當下降至IC301 的2 腳電壓低于3腳電壓時，IC301 的輸出端6 腳由原來的－ 12 V 變?yōu)? 12 V，此時，一方面使BG301 的發(fā)射極處于正偏而導通，使繼電器J1 動作，另一方面使正反饋回路中的二極管D301 導通，而使同相輸入端3 腳的電位高于原設定值約0. 23 V ( 可通過計算得到) ，從而使輸出端6 腳的電位更加穩(wěn)定，這樣可使機械執(zhí)行機構(gòu)的動作穩(wěn)定。此電路中，二極管D305 為保護二極管，當IC301 輸出端6 腳為負時，D305 導通，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大而損壞，二極管D309為泄放二極管，為繼電器線圈提供放電回路。

      3 、主動測量控制儀的應用及性能指標

      磨加工主動測量儀主要由主動測量控制儀和主動測量裝置( 或手動測量裝置) 組成［5］主動測量控制儀與內(nèi)圓磨自動檢測規(guī)等各種檢測裝置配合使用，可廣泛應用于全自動磨床，實現(xiàn)內(nèi)外徑磨加工主動測量，以提高加工精度和生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，實現(xiàn)機床自動化，是軸承、汽車行業(yè)必備檢測儀器。目前該產(chǎn)品主要與無錫機床廠生產(chǎn)的內(nèi)圓磨床配套，也與成都機床廠生產(chǎn)的內(nèi)圓磨床配套。在實際使用中，主要技術性能指標如下:
 

      測量范圍: 軸承內(nèi)直徑10 ～ 80 mm;
      重復精度: 1 μm/20 次;
      示值范圍: － 10 μm ～ + 50 mm，50 ～ 500 mm，
      單表頭雙量程，自動轉(zhuǎn)換;
      示值誤差: 高精度不大于1 μm，低精度不大于
      滿度的3%;
      零位穩(wěn)定性: 1 μm/8 h;
      重復發(fā)訊精度: 0. 2 μm/30 次。
      經(jīng)實踐檢驗，主動測量控制儀電路性能可靠，調(diào)試簡單，很大程度地提高內(nèi)圓磨床的精度和自動化程度，應用前景廣闊。