摘要（yào）: 主動測量控製儀應用在內圓磨床中，可提高軸承內徑的磨削精度。采用電感傳感器和線性運算（suàn）放大（dà）器等元件設計出一種新穎的主動測量控製儀，振蕩（dàng）器電路將電感傳感（gǎn）器所檢測的工（gōng）件尺寸變化量轉變為電量（liàng），整流濾波電路將交流信號轉化成直流信號; 直（zhí）流輸出信號分四路，一路送到高低精度量程的電平比較轉換電路，一路送到指示電路，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（diàn）路在實際應用中性能（néng）可靠，可使軸承的磨削精度（dù）達到1μm。 
 

  
       由（yóu）於軸承內徑（jìng）的精度要（yào）求較高，切實提高內外徑磨削的質量和效率，對軸承生產有著重要意義，采用主動測量控製儀可解決這一重要問題。主動測量控製儀廣泛應用於數控機床係統，磨加工（gōng）設備也由原來（lái）的（de）手工操作和加（jiā）工後測量轉入在線自動測量控製［1］。在機械加工過程中（zhōng），由主動測量裝置始終測（cè）量著工件（jiàn）的尺寸，並將其尺寸變化量隨時傳遞（dì）給控製儀，再由控製儀發出信號( 如粗磨、精磨、光（guāng）磨、到尺（chǐ）寸等信號) 控製機床的動作［2］。主（zhǔ）動測量控（kòng）製儀可與主動測（cè）量（liàng）裝置（zhì）配合（hé）使用（yòng），廣泛應（yīng）用於全自動磨（mó）床，實現內外徑磨加工主動測（cè）量，以提高加工精（jīng）度和生產（chǎn）效率，為實現磨削加工自動化打下基礎，是軸承、汽車行（háng）業必備（bèi）檢測儀器（qì）。目（mù）前該（gāi）產品主要與無（wú）錫機床廠生產的各種內圓磨床配套使用，也與成都機床廠生產的內圓磨床配套使用。目前所使（shǐ）用的磨加工主動測量控製儀大多數仍為進口設備，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（liàng）控製儀可代（dài）替部分馬波（bō）斯儀器。

      1 、主動測量控製儀的（de）工作（zuò）原理

      1. 1 傳感器如何（hé）將工件尺寸的變化量轉（zhuǎn）變為電量采用（yòng）電感傳感器的主動測量控製儀是由線（xiàn）性運算放大器和（hé）晶體管等組成的新穎電氣控製儀，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，實現內徑磨加工的自動化［4］。要對被加工工件的尺寸進行磨削控製，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（shì）用來完成這一轉化的（de）裝置。傳感器在實際磨（mó）加工時的工作狀態簡圖如圖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，經測量杆通過回轉支承的作用，使傳感器電感線圈（quān）的（de）氣隙（xì）δ 發生變化。δ 的變（biàn）化引起了電感線圈電感的變化，
其變化的關係（xì）可用下式（shì）表示:

      其中: ω 為電感線圈的匝數; μ0為空（kōng）氣的導磁率（lǜ）; S為導磁的有效麵積; δ 為氣隙的（de）寬度。當（dāng）電感線圈（quān）做好後，ω、μ0、S 都（dōu）是定（dìng）值，故L的變（biàn）化僅取決於δ 的大小，其變化關係可等效為:

      顯然，這是一（yī）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變為電感線圈電（diàn）感量的變化。

                    圖2 電（diàn）感量（liàng）隨氣隙變（biàn）化的關係

      1. 2 電感線圈電感量的變（biàn）化如何轉變為電壓的變化將電感線（xiàn）圈串入控製儀中如圖3 所示的串聯諧（xié）振回路中，對於這個回路，其輸出電壓USC隨傳感器電感線圈電感量L 變化的關（guān）係曲線可用圖4 來表示。

                                圖3 電感線圈串（chuàn）入控（kòng）製儀中

     由圖（tú）4 可見，當傳感器電（diàn）感線圈的電感量L 由（yóu）小向大變化時，輸出電壓USC先是由小變化到大，當（dāng）電感量為L0時，USC上（shàng）升（shēng）到最大值，以後隨著（zhe）L0的增大（dà）USC逐漸減小。
點L0為（wéi）諧振點，諧振時，

          圖4 輸（shū）出（chū）電壓隨電感（gǎn）量變化的關係

     由於在設計時始終使L0在整個工作區（qū）域內大於3. 6 mH，故實際工作時，選用了右半邊曲（qǔ）線，即隨著工件內孔的磨削，L0逐漸地增大，而USC則逐漸地減小，至此，被加工工件尺寸（cùn）的變化就轉變為電壓的變化而輸出了。

      1. 3 電信號的處理

     電信號的處理可用圖5 所示的框圖來（lái）表示。

                                                 圖5 電信號的處理（lǐ）

      2、 主動測量控製儀的工作電路設計

    
     2. 1 振蕩器電路的設計
   
     振蕩器電路的設計見圖6。振（zhèn）蕩器作為LC 串聯諧振回路的交流電源，產生幅度( 有效值) 為1. 1 V，頻率為20 kHz 的正弦波，采用的是（shì）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（jí）選頻回路( 振蕩線圈T1 的初級（jí）及電容C104) 構成;第（dì）二級由晶體管BG102、BG103 構成的複合管所組成的功率放大（dà）級組（zǔ）成，這樣可以提高振（zhèn）蕩器的（de）帶負載能力; 第三（sān）級是由大功率晶體管BG104 所組成的輸出級。開機後， + 12 V 電（diàn）壓經過（guò）電阻Ｒ101限流，使穩壓管產生6 V 的穩定（dìng）電壓，流過穩壓管D101 電流:

      這一穩定的6 V 電壓作為振蕩管BG101 集電極的電源（yuán），C101的作用是消除穩壓（yā）管工（gōng）作時的噪聲。這一6 V 的（de）電壓經過電阻Ｒ102的作用使（shǐ）BG101 基極電位升高，基極電位的升高使發射極的電位也升高，發射極通過發（fā）射極電阻Ｒ103使選（xuǎn）頻回路得電，於是（shì），LC選頻回路就開始產生電磁振蕩（dàng），產生各種高次諧波。

      蕩則（zé）被抑製掉了。由（yóu）於振蕩線圈的初級（jí）是在同一個磁芯上（shàng）相同方向連續繞製而成的，所（suǒ）以任何瞬間點B的電壓都（dōu）比點A 的電壓高（gāo）。正反饋電容C103的作用是使BG101 的基極電壓繼續上升，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（zǔ）Ｒ103的作用均是負反饋，用（yòng）以改善正弦波的波形。正弦波（bō）經振蕩線（xiàn）圈耦（ǒu）合到次級，送到後級功率放大，電阻Ｒ104與電阻Ｒ105構成BG102 的（de）直流偏置電路，BG102的基極電壓:

             圖7 BGl03 的發射極正弦波輸出

             圖8 Ｒ108 上端振蕩器正弦波輸出

     由於BG103 發射極電位為5. 14 V，而正弦波的最大值為1. 1 根號2 = 1. 56 V ，故二極（jí）管D102 始終處（chù）於導通狀（zhuàng）態，其作用是隔離（lí），使信號無（wú）法倒流，電容C110將輸出波形中的直流分（fèn）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（wài），電容C108、電（diàn）位器W102 組（zǔ）成基準點取樣電路，基準點的大小可調整W102 得（dé）到，基準點的大（dà）小決定了傳感器的前（qián）行程量( 前行程量為（wéi）控製儀電（diàn）表示值，為（wéi）0 μm 時二測（cè）點之間的距離與傳（chuán）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（jīng）耦合線圈T2，由信號取樣電位器W104 的中心（xīn）抽頭輸出。輸出信號也是純淨的正弦波，其幅度隨被加工工件尺（chǐ）寸的變化而變化。

  
      2. 2 振蕩器輸出信（xìn）號的整流（liú）濾波振蕩器（qì）輸出信號（hào）的（de）整流濾波電路見圖9。

                                               圖9 整流濾波電路

      由（yóu）於輸（shū）出指示電表采用的（de）是直流（liú）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（xìn）號，才能去電表指示， 二極管D201A 與二極（jí）管D202A 及電容C204、C205
就組成了整流濾波電路，三極管BG201、BG202 組成的複合管如前（qián）所述一（yī）樣（yàng）是功率（lǜ）放大器，信號經電容C201耦合至BG201 的基（jī）極，基極電（diàn）位:

      信號（hào）由BG202 的發射極輸（shū）出，該（gāi）點的直流（liú）電（diàn）位為7. 2 － 1. 4 = 5. 8 V。電容C203為隔直（zhí）電容，將純淨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（liú）二極管D202A 的偏置電（diàn）路，使D202A 與D201A 始終處於（yú）導通狀，導通後，D202A 的正極電位為1. 4 V ( 直流) ，這樣（yàng）可提高檢（jiǎn）波（bō）的（de）靈敏度。信號電壓由電容C204
取出後，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過另外一路反向極（jí）性的整流（liú）濾波電路，由電容C210取出後經電阻Ｒ216、Ｒ208也送到相加放大器的反相端（duān），與信號電壓相加後經運算放大器IC201 作（zuò）反相放大後由運算放大器的6 腳輸出。
 
 
      2. 3 直流輸出信號的再處理振蕩（dàng）器（qì）的輸出信號經整流濾波後，由運算放大器（qì）IC201 的6 腳輸出，其輸出信號分4 路，分別為高低精度量程轉換電（diàn）路、指示電（diàn）路、線性補償電路及發訊電路。運（yùn）算放大器IC201 的6 腳（jiǎo）輸（shū）出的一路進行高低精度量程的電平比（bǐ）較轉換，該控製儀采用單電表（biǎo）來代替雙電表指示，故電表指針的二次回程中，電表滿刻（kè）度（dù）所代表的（de）量（liàng）程（chéng）是不同的( 相差10 倍) ，第（dì）一次回程時，電表（biǎo）滿刻度（dù）為500 μm ( 每小格刻度為10 μm) ，第二（èr）次回程（chéng）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）量程的轉換。指（zhǐ）示電路用發光二極管指（zhǐ）示，指示高低量程擋位，指示磨削尺（chǐ）寸等。線性補償電路帶可調電位器，安裝在（zài）儀表板上供操作（zuò）者調節。

      發訊電路共有4 擋，粗磨、精磨、光磨及到尺寸發訊，由於其發訊電（diàn）路完全（quán）一樣（yàng），故隻需取其中1 路發訊為例，其（qí）餘3 路類推。

      由電阻Ｒ301、電位W301 及電阻Ｒ302組成了發訊點的取樣電路，調節W301，可使該路的發訊點隨之而變。當調節好W301 中（zhōng）心抽頭的電位以（yǐ）後，運（yùn）放IC301 的同相輸入端（duān）3 腳的電位也就同時確定了，由於磨削開始時，IC201 的（de）輸出端6 腳的電壓總（zǒng）是（shì）高於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（de）發射結處於反偏，BG301 不導通， J1 不吸合（hé），隨著（zhe）磨加工的進行（háng），IC201 的輸出端6 腳( 即IC301 的反相輸入端2 腳)的電壓（yā）逐（zhú）漸下降（jiàng），當下降至IC301 的2 腳電壓低於3腳電壓時，IC301 的輸出端（duān）6 腳由原來的－ 12 V 變為+ 12 V，此時，一方麵使BG301 的發射極處於正偏而導通，使繼電器J1 動作，另一方麵（miàn）使正反饋回路中的二極管D301 導通，而使（shǐ）同相輸入端（duān）3 腳的電位高於（yú）原設定值（zhí）約0. 23 V ( 可通過計算得到) ，從而使輸出端（duān）6 腳的電位更（gèng）加穩定，這樣（yàng）可使機械執行機（jī）構的動作穩定。此電路中，二極管D305 為保護二極管，當IC301 輸（shū）出端6 腳為負時，D305 導（dǎo）通，使三極（jí）管BG301 的（de）發射結的反偏電壓箝在0. 7 V，從而使BG301 不至於（yú）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（gòng）放電回路。

      3 、主動測量（liàng）控製儀的應用及性能指標

      磨加工主動（dòng）測量儀主要由（yóu）主動（dòng）測量控製儀和主動測量裝置( 或手動測量裝置) 組成［5］主動測量控製儀與內圓磨自動檢測規等各種檢測裝置配合使用，可廣泛應用於全自動磨床，實現內外徑磨（mó）加工主動測（cè）量，以提高加工精度和生產效率，減輕勞動強度，實現（xiàn）機床自動化，是軸承（chéng）、汽車行業必備檢測（cè）儀器。目前該產品主（zhǔ）要與無錫機床廠生產的內圓磨床配套，也與成都機床（chuáng）廠生產的內圓磨床配套。在實際使用中（zhōng），主要技術性能指標如下:
 

      測量範圍: 軸承內直徑10 ～ 80 mm;
      重複精度: 1 μm/20 次;
      示值範圍: － 10 μm ～ + 50 mm，50 ～ 500 mm，
      單表頭雙量程，自動轉換;
      示值誤差: 高（gāo）精度不大於1 μm，低精度不大於
      滿（mǎn）度的3%;
      零位穩定性: 1 μm/8 h;
      重複發訊精度: 0. 2 μm/30 次。
      經實（shí）踐（jiàn）檢驗，主動測量控製儀電路性能可靠，調（diào）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。