摘要: 主动测量控制仪应用在内圆磨床中，可提高轴承内径的磨削精度。采用电感传感器和线性运算放大器等元件设计出一种新颖的主动测量控制仪，振荡器电路将电感传感器所检测的工件尺寸变化量转变为电量，整流滤波电路将交流信号转化成直流信号; 直流输出信号分四路，一路送到高低精度量程的电平比较转换电路，一路送到指示电路，一路送到发讯电路，还有一路作为线性补偿网络。所设计的主动测量控制仪电路在实际应用中性能可靠，可使轴承的磨削精度达到1μm。 
 

  
       由于轴承内径的精度要求较高，切实提高内外径磨削的质量和效率，对轴承生产有着重要意义，采用主动测量控制仪可解决这一重要问题。主动测量控制仪广泛应用于数控机床系统，磨加工设备也由原来的手工操作和加工后测量转入在线自动测量控制［1］。在机械加工过程中，由主动测量装置始终测量着工件的尺寸，并将其尺寸变化量随时传递给控制仪，再由控制仪发出信号( 如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号) 控制机床的动作［2］。主动测量控制仪可与主动测量装置配合使用，广泛应用于全自动磨床，实现内外径磨加工主动测量，以提高加工精度和生产效率，为实现磨削加工自动化打下基础，是轴承、汽车行业必备检测仪器。目前该产品主要与无锡机床厂生产的各种内圆磨床配套使用，也与成都机床厂生产的内圆磨床配套使用。目前所使用的磨加工主动测量控制仪大多数仍为进口设备，以日本的东京精密和意大利的马波斯仪器为主［3］，文中所设计的主动测量控制仪可代替部分马波斯仪器。

      1 、主动测量控制仪的工作原理

      1. 1 传感器如何将工件尺寸的变化量转变为电量采用电感传感器的主动测量控制仪是由线性运算放大器和晶体管等组成的新颖电气控制仪，与之相配套的电感传感器，是电磁吸铁式的，两者需配套，应用在全自动磨床，实现内径磨加工的自动化［4］。要对被加工工件的尺寸进行磨削控制，首先就应该将被加工工件的尺寸转为电量的变化，传感器就是用来完成这一转化的装置。传感器在实际磨加工时的工作状态简图如图1 所示。

              图1 传感器在磨加工时的工作状态

      被加工工件尺寸的变化，由测量爪感受，经测量杆通过回转支承的作用，使传感器电感线圈的气隙δ 发生变化。δ 的变化引起了电感线圈电感的变化，
其变化的关系可用下式表示:

      其中: ω 为电感线圈的匝数; μ0为空气的导磁率; S为导磁的有效面积; δ 为气隙的宽度。当电感线圈做好后，ω、μ0、S 都是定值，故L的变化仅取决于δ 的大小，其变化关系可等效为:

      显然，这是一条双曲线的方程，用图来表示可以画成如图2 所示。这样，被加工工件的尺寸变化就转变为电感线圈电感量的变化。

                    图2 电感量随气隙变化的关系

      1. 2 电感线圈电感量的变化如何转变为电压的变化将电感线圈串入控制仪中如图3 所示的串联谐振回路中，对于这个回路，其输出电压USC随传感器电感线圈电感量L 变化的关系曲线可用图4 来表示。

                                图3 电感线圈串入控制仪中

     由图4 可见，当传感器电感线圈的电感量L 由小向大变化时，输出电压USC先是由小变化到大，当电感量为L0时，USC上升到最大值，以后随着L0的增大USC逐渐减小。
点L0为谐振点，谐振时，

          图4 输出电压随电感量变化的关系

     由于在设计时始终使L0在整个工作区域内大于3. 6 mH，故实际工作时，选用了右半边曲线，即随着工件内孔的磨削，L0逐渐地增大，而USC则逐渐地减小，至此，被加工工件尺寸的变化就转变为电压的变化而输出了。

      1. 3 电信号的处理

     电信号的处理可用图5 所示的框图来表示。

                                                 图5 电信号的处理

      2、 主动测量控制仪的工作电路设计

    
     2. 1 振荡器电路的设计
   
     振荡器电路的设计见图6。振荡器作为LC 串联谐振回路的交流电源，产生幅度( 有效值) 为1. 1 V，频率为20 kHz 的正弦波，采用的是LC 回路选频振荡。

  
                                                图6 振荡器电路

      整个振荡器分三级: 第一级由晶体管BG101 及选频回路( 振荡线圈T1 的初级及电容C104) 构成;第二级由晶体管BG102、BG103 构成的复合管所组成的功率放大级组成，这样可以提高振荡器的带负载能力; 第三级是由大功率晶体管BG104 所组成的输出级。开机后， + 12 V 电压经过电阻Ｒ101限流，使稳压管产生6 V 的稳定电压，流过稳压管D101 电流:

      这一稳定的6 V 电压作为振荡管BG101 集电极的电源，C101的作用是消除稳压管工作时的噪声。这一6 V 的电压经过电阻Ｒ102的作用使BG101 基极电位升高，基极电位的升高使发射极的电位也升高，发射极通过发射极电阻Ｒ103使选频回路得电，于是，LC选频回路就开始产生电磁振荡，产生各种高次谐波。

      荡则被抑制掉了。由于振荡线圈的初级是在同一个磁芯上相同方向连续绕制而成的，所以任何瞬间点B的电压都比点A 的电压高。正反馈电容C103的作用是使BG101 的基极电压继续上升，这样就形成了正反馈的作用，故振荡器得以工作。电容C102与电阻Ｒ103的作用均是负反馈，用以改善正弦波的波形。正弦波经振荡线圈耦合到次级，送到后级功率放大，电阻Ｒ104与电阻Ｒ105构成BG102 的直流偏置电路，BG102的基极电压:

             图7 BGl03 的发射极正弦波输出

             图8 Ｒ108 上端振荡器正弦波输出

     由于BG103 发射极电位为5. 14 V，而正弦波的最大值为1. 1 根号2 = 1. 56 V ，故二极管D102 始终处于导通状态，其作用是隔离，使信号无法倒流，电容C110将输出波形中的直流分量隔去，使送到传感器中去的为不含直流成分的正弦波。另外，电容C108、电位器W102 组成基准点取样电路，基准点的大小可调整W102 得到，基准点的大小决定了传感器的前行程量( 前行程量为控制仪电表示值，为0 μm 时二测点之间的距离与传感器为自由状态时二测点之间距离差的绝对值) 。传感器电压线圈的信号经耦合线圈T2，由信号取样电位器W104 的中心抽头输出。输出信号也是纯净的正弦波，其幅度随被加工工件尺寸的变化而变化。

  
      2. 2 振荡器输出信号的整流滤波振荡器输出信号的整流滤波电路见图9。

                                               图9 整流滤波电路

      由于输出指示电表采用的是直流电流表，故需把电位器Wl04 中心抽头输出的正弦波整流成直流信号，才能去电表指示， 二极管D201A 与二极管D202A 及电容C204、C205
就组成了整流滤波电路，三极管BG201、BG202 组成的复合管如前所述一样是功率放大器，信号经电容C201耦合至BG201 的基极，基极电位:

      信号由BG202 的发射极输出，该点的直流电位为7. 2 － 1. 4 = 5. 8 V。电容C203为隔直电容，将纯净的正弦波信号电压送到二极管D201A、D202A 去整流，电阻Ｒ204
与Ｒ205组成整流二极管D202A 的偏置电路，使D202A 与D201A 始终处于导通状，导通后，D202A 的正极电位为1. 4 V ( 直流) ，这样可提高检波的灵敏度。信号电压由电容C204
取出后，由电阻Ｒ206、Ｒ207送到相加器IC201 的反相端，振荡板上的基准电压经过另外一路反向极性的整流滤波电路，由电容C210取出后经电阻Ｒ216、Ｒ208也送到相加放大器的反相端，与信号电压相加后经运算放大器IC201 作反相放大后由运算放大器的6 脚输出。
 
 
      2. 3 直流输出信号的再处理振荡器的输出信号经整流滤波后，由运算放大器IC201 的6 脚输出，其输出信号分4 路，分别为高低精度量程转换电路、指示电路、线性补偿电路及发讯电路。运算放大器IC201 的6 脚输出的一路进行高低精度量程的电平比较转换，该控制仪采用单电表来代替双电表指示，故电表指针的二次回程中，电表满刻度所代表的量程是不同的( 相差10 倍) ，第一次回程时，电表满刻度为500 μm ( 每小格刻度为10 μm) ，第二次回程时，电表满刻度为50 μm ( 每小格刻度为1 μm) ，指针在50 μm 处实现量程的转换。指示电路用发光二极管指示，指示高低量程挡位，指示磨削尺寸等。线性补偿电路带可调电位器，安装在仪表板上供操作者调节。

      发讯电路共有4 挡，粗磨、精磨、光磨及到尺寸发讯，由于其发讯电路完全一样，故只需取其中1 路发讯为例，其余3 路类推。

      由电阻Ｒ301、电位W301 及电阻Ｒ302组成了发讯点的取样电路，调节W301，可使该路的发讯点随之而变。当调节好W301 中心抽头的电位以后，运放IC301 的同相输入端3 脚的电位也就同时确定了，由于磨削开始时，IC201 的输出端6 脚的电压总是高于IC301 的3 脚电平，故IC301 的输出端6 脚为低电平( － 12 V) ，此时三极管BG301 的发射结处于反偏，BG301 不导通， J1 不吸合，随着磨加工的进行，IC201 的输出端6 脚( 即IC301 的反相输入端2 脚)的电压逐渐下降，当下降至IC301 的2 脚电压低于3脚电压时，IC301 的输出端6 脚由原来的－ 12 V 变为+ 12 V，此时，一方面使BG301 的发射极处于正偏而导通，使继电器J1 动作，另一方面使正反馈回路中的二极管D301 导通，而使同相输入端3 脚的电位高于原设定值约0. 23 V ( 可通过计算得到) ，从而使输出端6 脚的电位更加稳定，这样可使机械执行机构的动作稳定。此电路中，二极管D305 为保护二极管，当IC301 输出端6 脚为负时，D305 导通，使三极管BG301 的发射结的反偏电压箝在0. 7 V，从而使BG301 不至于因反偏电压过大而损坏，二极管D309为泄放二极管，为继电器线圈提供放电回路。

      3 、主动测量控制仪的应用及性能指标

      磨加工主动测量仪主要由主动测量控制仪和主动测量装置( 或手动测量装置) 组成［5］主动测量控制仪与内圆磨自动检测规等各种检测装置配合使用，可广泛应用于全自动磨床，实现内外径磨加工主动测量，以提高加工精度和生产效率，减轻劳动强度，实现机床自动化，是轴承、汽车行业必备检测仪器。目前该产品主要与无锡机床厂生产的内圆磨床配套，也与成都机床厂生产的内圆磨床配套。在实际使用中，主要技术性能指标如下:
 

      测量范围: 轴承内直径10 ～ 80 mm;
      重复精度: 1 μm/20 次;
      示值范围: － 10 μm ～ + 50 mm，50 ～ 500 mm，
      单表头双量程，自动转换;
      示值误差: 高精度不大于1 μm，低精度不大于
      满度的3%;
      零位稳定性: 1 μm/8 h;
      重复发讯精度: 0. 2 μm/30 次。
      经实践检验，主动测量控制仪电路性能可靠，调试简单，很大程度地提高内圆磨床的精度和自动化程度，应用前景广阔。