摘要: 主動測量控製儀應用在內圓磨床中，可提高軸承內徑的磨（mó）削精（jīng）度。采用電感傳感器（qì）和線性運算放（fàng）大器等元件設計出一種新穎的主動測量控製儀，振（zhèn）蕩器電路將電感傳感器所檢測的（de）工件（jiàn）尺寸變（biàn）化量轉（zhuǎn）變為電量，整流濾波（bō）電路將交流信號轉化成直流信號; 直流輸出信號分四路，一路（lù）送到高（gāo）低精（jīng）度（dù）量程的電（diàn）平比較轉換電路，一（yī）路送到（dào）指（zhǐ）示電路，一路送到發訊電路，還有一路作為線性補償網絡。所設計的主動測量控製儀電路在（zài）實際應用中性（xìng）能可靠，可使軸承的磨削精度達到1μm。 
 

  
       由於軸承內徑的精度要求較高，切實提高內外徑磨削的質（zhì）量和效率，對軸承生產有著重要意義，采用主動測量控製（zhì）儀可解決這（zhè）一重要問題。主動測量控製儀（yí）廣泛應用於數控機（jī）床係統，磨加工設備（bèi）也由原來的手（shǒu）工操作（zuò）和加工後測量轉入在（zài）線自（zì）動測量控製［1］。在機械加工過程中，由主動測量裝置始終測量著工件的（de）尺寸，並將其尺寸變化量隨時傳遞給控製儀（yí），再由控製儀發出信號( 如粗磨、精磨（mó）、光（guāng）磨、到尺寸等信號) 控製機床的動（dòng）作［2］。主動（dòng）測量控製儀可與主動測量裝置配合使用（yòng），廣泛應用於（yú）全自動磨床，實（shí）現內外徑磨加工（gōng）主（zhǔ）動（dòng）測量，以提高（gāo）加工精度和生產效（xiào）率，為實現（xiàn）磨削加工自動化打（dǎ）下基礎，是軸承、汽車行業必（bì）備檢測儀器。目前該產品主要與無錫機床廠生產（chǎn）的各種內（nèi）圓（yuán）磨床配套使用，也與成都機床廠生產的內圓磨床配套使用。目前所使用的磨加工主動測量控製（zhì）儀大多數仍為（wéi）進口設備，以日本的東京精（jīng）密（mì）和意大（dà）利的馬（mǎ）波斯儀器為主［3］，文中所設計的主動測量（liàng）控製儀可代替部分馬波斯儀器。

      1 、主（zhǔ）動測量控製儀的工作原理

      1. 1 傳感（gǎn）器如何將（jiāng）工件尺寸的變化量轉變為（wéi）電量采用電感傳感器的主動測量（liàng）控製儀是由線（xiàn）性（xìng）運算放大（dà）器和晶體管等組（zǔ）成的新穎（yǐng）電氣控製儀，與之相配套的電感傳感器，是電磁（cí）吸鐵（tiě）式的，兩者需配套，應用在全自動磨床，實現內徑磨加工的自動化［4］。要對（duì）被加（jiā）工工（gōng）件的尺寸進（jìn）行磨削控製，首先就應該（gāi）將被加工工件的尺寸轉為電量的變化，傳感器就是用來完（wán）成這一轉化的裝置。傳感器在實際磨加工時的工作狀態簡圖如圖1 所示。

              圖1 傳感（gǎn）器在磨加工時的工作狀態

      被加工工（gōng）件尺寸的變化，由測量爪感受，經測量（liàng）杆通過回轉支承的作用，使（shǐ）傳感器電感線圈的氣隙δ 發生變化。δ 的變化引起了電（diàn）感線（xiàn）圈電感的變化，
其變（biàn）化的關係可用下式表示:

      其中: ω 為電（diàn）感線圈的匝數; μ0為空氣的導磁（cí）率; S為（wéi）導磁的有效（xiào）麵積; δ 為氣隙的寬度。當電（diàn）感線圈做好後，ω、μ0、S 都是定值，故L的變化（huà）僅取決於δ 的大小，其變化關係可等效為（wéi）:

      顯然，這是（shì）一條雙曲線的方程，用圖（tú）來表示可以畫成如圖2 所示。這樣，被加工（gōng）工（gōng）件的尺寸變化就轉變為電感線圈電感量的變化。

                    圖2 電感量隨（suí）氣隙變化的關（guān）係

      1. 2 電感線圈電（diàn）感量的變化（huà）如何轉變為電壓的變化將電感（gǎn）線圈串入控製儀中如圖3 所示的串聯諧振回路中（zhōng），對於這個回路，其輸（shū）出電壓USC隨傳感（gǎn）器電感線圈電感量L 變化的（de）關係曲線可用圖4 來表示。

                                圖3 電感線圈串入控製儀中

     由圖4 可見，當傳感器電感線圈的電感量L 由小向大（dà）變（biàn）化時（shí），輸出電壓USC先是由小變化到大，當電感量為L0時（shí），USC上升到最（zuì）大值，以後隨（suí）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係

     由於（yú）在設計時始（shǐ）終使L0在整（zhěng）個（gè）工作區域內大於3. 6 mH，故實際工作時，選用了右半邊曲（qǔ）線，即隨著工件（jiàn）內孔的（de）磨削，L0逐漸地增大，而USC則（zé）逐（zhú）漸地減（jiǎn）小，至此，被加工工件尺寸的變化就轉變為電壓的（de）變化而輸出了（le）。

      1. 3 電信號的處理

     電信（xìn）號的處理可用圖5 所示的（de）框圖（tú）來表示。

                                                 圖5 電信號（hào）的處理

      2、 主動測量控（kòng）製儀的工（gōng）作電路設計

    
     2. 1 振蕩器電路的設計
   
     振蕩器電路的（de）設計見圖6。振蕩器作為LC 串聯諧振回路的交（jiāo）流電源，產（chǎn）生幅度( 有效值) 為1. 1 V，頻率為20 kHz 的正（zhèng）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（qì）分（fèn）三級: 第一級由晶體（tǐ）管BG101 及選頻回路( 振（zhèn）蕩（dàng）線圈T1 的初級及電容C104) 構成;第二級由晶體管BG102、BG103 構成的複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（zǎi）能（néng）力; 第三級是由大功率晶體管BG104 所組（zǔ）成的輸出（chū）級。開機後（hòu）， + 12 V 電壓（yā）經過電阻Ｒ101限流，使穩壓（yā）管產生6 V 的穩定電壓，流過穩壓管D101 電流（liú）:

      這一穩定的6 V 電壓作為振蕩管BG101 集電極的（de）電源，C101的作用是消（xiāo）除穩壓管工作時的噪（zào）聲。這一6 V 的電壓經過電阻Ｒ102的作（zuò）用使BG101 基極電位升高，基極電位的升高使發射極的電（diàn）位（wèi）也升高（gāo），發射（shè）極通過發射極電（diàn）阻Ｒ103使選頻（pín）回路得電，於是，LC選頻回路就開始產生電磁振蕩，產生（shēng）各種高次（cì）諧波。

      蕩則被抑製（zhì）掉了。由於振蕩線圈的初級是在同一（yī）個磁芯上相同方向連（lián）續繞製而成的，所以任何瞬間點B的電壓都比點（diǎn）A 的電壓高。正（zhèng）反饋電容（róng）C103的（de）作用是使BG101 的基極電壓繼（jì）續上（shàng）升，這樣就（jiù）形成了正反饋的作（zuò）用，故振蕩器得以工作。電容C102與電阻Ｒ103的作用（yòng）均（jun1）是負反饋，用以（yǐ）改善正弦（xián）波的波形。正弦波經（jīng）振蕩線圈耦合到次級，送到後（hòu）級功率放大，電（diàn）阻Ｒ104與電阻Ｒ105構成BG102 的直流偏置（zhì）電路，BG102的基（jī）極電壓:

             圖7 BGl03 的發射極正弦波輸出

             圖8 Ｒ108 上端振蕩器正弦波輸（shū）出

     由（yóu）於BG103 發射極（jí）電位為5. 14 V，而正弦波的（de）最（zuì）大值為1. 1 根（gēn）號2 = 1. 56 V ，故二極管D102 始終處於導通（tōng）狀態，其作（zuò）用是隔（gé）離，使信號無（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（hán）直流成分的正（zhèng）弦波。另外，電（diàn）容（róng）C108、電位器W102 組成基準點取樣電（diàn）路，基準點的大小可調整W102 得到，基準點的大小決定了傳感器的前行程量( 前行程量為控製儀（yí）電表示值，為0 μm 時二測點之（zhī）間的距離與傳感器為自由狀態時二測點之間距離差的絕對值) 。傳感器電壓線圈的信號經耦合線（xiàn）圈T2，由信（xìn）號取樣電位器W104 的中心抽頭輸出。輸出信號（hào）也是純淨的正（zhèng）弦波，其幅度（dù）隨被加工工件尺寸的（de）變化而變化（huà）。

  
      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（lù）見圖9。

                                               圖9 整流濾波電路

      由於輸出指示電表采用的是直（zhí）流（liú）電流表，故（gù）需把電位器Wl04 中（zhōng）心抽頭輸（shū）出的正弦波整流成直流信（xìn）號，才能（néng）去電表指示， 二極管（guǎn）D201A 與二極管D202A 及電容C204、C205
就組（zǔ）成了（le）整流濾波電路，三極管BG201、BG202 組成（chéng）的複合管如前（qián）所述一樣（yàng）是功率放大（dà）器，信號經電容C201耦合至BG201 的基極，基（jī）極電位:

      信號（hào）由（yóu）BG202 的發射極輸出，該點的直流電位為7. 2 － 1. 4 = 5. 8 V。電容C203為隔（gé）直電容，將純淨的正弦（xián）波信號（hào）電壓送到二極管D201A、D202A 去整（zhěng）流（liú），電阻Ｒ204
與Ｒ205組成整流二極管D202A 的偏置電路（lù），使D202A 與D201A 始終（zhōng）處於導（dǎo）通狀，導通後（hòu），D202A 的正極電位為1. 4 V ( 直流) ，這樣可（kě）提高檢（jiǎn）波的靈敏度。信號電壓由電容C204
取出後，由電（diàn）阻（zǔ）Ｒ206、Ｒ207送到相加（jiā）器IC201 的反相端，振蕩板上的基準電（diàn）壓經過另外一路反向極性的整流濾（lǜ）波電路，由電容C210取出後經電阻Ｒ216、Ｒ208也送（sòng）到相加放大器的反相端，與信號電壓相加後經運算放大器IC201 作反相放大後由運算放大器的6 腳輸（shū）出。
 
 
      2. 3 直流輸出信號的再處理振（zhèn）蕩器的輸出信號經整流濾波後，由（yóu）運算放大器IC201 的6 腳輸出，其輸出（chū）信號分4 路，分別為高低精度量程轉換電路、指（zhǐ）示電路（lù）、線性（xìng）補償電路及發訊電路。運算放大器IC201 的6 腳輸出（chū）的（de）一路進行高低精度量（liàng）程的電平比較轉換，該控製儀采用單電表來代替雙電表指示，故電表指（zhǐ）針的二次回（huí）程中，電表滿刻度所代表的量（liàng）程是不同的( 相差10 倍（bèi）) ，第一次回程時，電表滿（mǎn）刻（kè）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 處實現量程的轉（zhuǎn）換。指示電路用發（fā）光二極（jí）管指示，指示高低量（liàng）程（chéng）擋位，指示磨削尺寸等。線性補償電路帶可（kě）調電位器（qì），安裝在儀表（biǎo）板上供操作者調節。

      發訊電路共有4 擋，粗磨、精（jīng）磨、光磨（mó）及（jí）到尺寸發（fā）訊，由於其發訊（xùn）電路（lù）完全一樣，故隻需取其中1 路發訊為例，其餘3 路類推。

      由電阻Ｒ301、電位W301 及電阻Ｒ302組成（chéng）了（le）發訊點的取（qǔ）樣（yàng）電路（lù），調節W301，可使該路的發訊點隨之而變。當調節好（hǎo）W301 中心抽頭的電位以後，運放IC301 的同相輸入端3 腳的電位也就同時（shí）確（què）定了，由於磨削開始時，IC201 的輸出端6 腳的電壓總是高於IC301 的3 腳（jiǎo）電平，故IC301 的（de）輸出端6 腳為低電平( － 12 V) ，此時三極管BG301 的發射（shè）結處於反偏，BG301 不導（dǎo）通， J1 不吸合，隨著磨加（jiā）工的進行，IC201 的輸出端6 腳( 即IC301 的（de）反相（xiàng）輸入端2 腳)的電壓逐漸下降，當下降（jiàng）至（zhì）IC301 的2 腳電壓低於3腳電壓（yā）時，IC301 的輸出端6 腳由原（yuán）來的－ 12 V 變為+ 12 V，此時，一方麵使BG301 的發射極處於正偏而導通，使（shǐ）繼電器（qì）J1 動作，另一方麵使正反饋回（huí）路中的二極管D301 導通，而使同（tóng）相（xiàng）輸入端3 腳的電位高於原設定值約0. 23 V ( 可通過計算得到) ，從而使輸出端（duān）6 腳的電位更加穩（wěn）定，這樣可使機械（xiè）執行機構的動作穩定。此電路中，二極管D305 為保護二極管，當IC301 輸出端（duān）6 腳為負時，D305 導通，使三（sān）極管BG301 的發射結的反偏電壓箝在0. 7 V，從而使BG301 不至於因反（fǎn）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（diàn）回路。

      3 、主動測量控製儀的應用及性能指標

      磨加工主動測量儀主要由主動測（cè）量控製儀和（hé）主動測量裝置( 或手動測量（liàng）裝置) 組成［5］主動測量控製儀與內（nèi）圓磨自動（dòng）檢測規（guī）等各種檢測裝置配合使用，可廣泛應用（yòng）於全自動（dòng）磨床，實現內外徑磨加工主動測量，以提高加工（gōng）精度和生產效率，減輕勞（láo）動強度，實現機床自動化，是（shì）軸承、汽車行（háng）業必備（bèi）檢測儀器。目前該產品主要與無錫機床廠生產的內圓磨床配套，也（yě）與成都機床廠生產（chǎn）的內圓磨床配套。在實（shí）際使用中，主要技（jì）術性能指標如下:
 

      測量範圍: 軸承內直徑10 ～ 80 mm;
      重複精度: 1 μm/20 次;
      示值範（fàn）圍: － 10 μm ～ + 50 mm，50 ～ 500 mm，
      單表頭雙量程，自（zì）動轉換;
      示值誤差: 高精度不大（dà）於1 μm，低精度不大於
      滿度的3%;
      零位穩（wěn）定性: 1 μm/8 h;
      重複發訊（xùn）精度: 0. 2 μm/30 次。
      經（jīng）實踐檢驗，主動測（cè）量控製儀電路性能可靠，調試簡單，很大程度地提高內圓磨床的精度和自動化程度，應用前景廣闊。