操縱桿控制電路在軸承表面輪廓儀中的應(yīng)用

楊 晨,江純清,江 瑋，胡英貝，洪澤熙

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.北方工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100041)

軸承表面輪廓測(cè)量儀已廣泛應(yīng)用于軸承表面輪廓、波紋度與表面粗糙度的檢測(cè)，本公司2008年研制了CR-05型表面輪廓測(cè)量儀，其采用觸針式測(cè)量原理，通過傳感器四棱錐測(cè)頭沿工件表面以0.5 mm/s的速度平穩(wěn)滑動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，傳感器信號(hào)經(jīng)處理后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和顯示。其特點(diǎn)是測(cè)量精度高，分辨率最高可達(dá)0.003 μm，測(cè)量范圍大，最大量程為±4 mm。

儀器主要由機(jī)械工作臺(tái)、電氣控制箱和計(jì)算機(jī)3部分組成。測(cè)量工件時(shí)，需將傳感器測(cè)頭平穩(wěn)、準(zhǔn)確地移動(dòng)到工件表面被測(cè)起始位置，這就要求測(cè)頭相對(duì)工作臺(tái)在x,y方向做二維運(yùn)動(dòng)。若僅采用計(jì)算機(jī)控制，既要通過顯示控制界面操作儀器,又要觀察傳感器測(cè)頭與工件的接觸狀態(tài),操作相對(duì)不方便，且只能單維運(yùn)動(dòng)，效率不高，位置控制不好容易損壞傳感器。

為提高工作效率和安全性，專門設(shè)計(jì)了一種操縱桿控制電路。其與計(jì)算機(jī)控制方式配合，均可對(duì)傳感器位置進(jìn)行控制，且相對(duì)互鎖。該控制電路具有操作簡(jiǎn)單、無級(jí)變速、二維同時(shí)驅(qū)動(dòng)、超量程自動(dòng)保護(hù)及直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，相對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤更符合人的操作習(xí)慣，可大大提高儀器操作的靈活性、便利性和安全性。

1 工作原理

CR-05型表面輪廓測(cè)量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，在傳感器驅(qū)動(dòng)箱上安裝x向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，控制傳感器左、右位置；立柱上安裝y向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，控制傳感器上、下位置。本電路利用操縱桿控制x,y向電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳感器位置控制，并和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制信號(hào)形成雙路控制且互不干擾。兩路電動(dòng)機(jī)均選用永磁直流齒輪減速電動(dòng)機(jī)，工作電壓為4～18 V，轉(zhuǎn)速隨工作電壓變化，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為5.3～24 r/min。

1—多維工作臺(tái)；2—被測(cè)工件；3—傳感器測(cè)頭；4—立柱；5—傳感器驅(qū)動(dòng)箱；6—傳感器；7—大理石工作臺(tái)圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

R系列微型工業(yè)操縱桿上分別裝有x,y向10 kΩ電位器，自由狀態(tài)時(shí)電位器處于中間位置。在每個(gè)電位器兩端施加±15 V的直流電壓，當(dāng)操作者推動(dòng)操縱桿做上、下、左、右方向移動(dòng)時(shí)，相應(yīng)方向的電位器就會(huì)隨推移角度(最大25°)的大小分別且同時(shí)輸出電壓在0～±4 V連續(xù)變化的模擬信號(hào)，利用該信號(hào)的正負(fù)極性和電壓大小分別控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)位置控制。

如圖2所示，操縱桿輸出的模擬信號(hào)分為兩路。一路經(jīng)絕對(duì)值電路變?yōu)檎龢O性信號(hào)(即速度信號(hào))，通過信號(hào)放大電路將其絕對(duì)值電壓放大至驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)所需要的工作電壓，然后經(jīng)起步門限開關(guān)輸入驅(qū)動(dòng)電壓無極調(diào)速器，該調(diào)速器最大可輸出+18 V,5 A的直流電流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在絕對(duì)值電路后設(shè)計(jì)了一個(gè)單值電壓比較器，用來判斷操縱桿是否有明顯動(dòng)作，避免誤動(dòng)作，即當(dāng)操縱桿推移角度大于±3°時(shí)，才認(rèn)為操縱桿確實(shí)有動(dòng)作，輸出+15 V,邏輯為1。其輸出的“操縱桿已動(dòng)作”邏輯信號(hào)分別送起步門限開關(guān)電路和互鎖電路。在起步門限開關(guān)電路中，當(dāng)控制邏輯信號(hào)為1時(shí)，門限開關(guān)閉合，放大后的電壓輸入驅(qū)動(dòng)電壓無級(jí)調(diào)速器；反之，門限開關(guān)斷開，無電壓輸入無極調(diào)速器。無極調(diào)速器輸出送至譯碼選擇器。

圖2 電路框圖(單路)

操縱桿輸出的另一路模擬信號(hào)經(jīng)過過零比較器，被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)單值電壓。當(dāng)操縱桿輸入信號(hào)大于0 V時(shí)，過零比較器輸出+15 V,邏輯為1；當(dāng)輸入信號(hào)小于0 V時(shí)，過零比較器輸出-15 V,邏輯為0。經(jīng)過雙半波整流器轉(zhuǎn)換成一組兩位的數(shù)字信號(hào)，這組數(shù)字信號(hào)根據(jù)操縱桿的推移方向而變化即構(gòu)成操縱桿方向信號(hào)，該信號(hào)送至數(shù)據(jù)選擇器。

在互鎖電路中，操縱桿動(dòng)作信號(hào)與計(jì)算機(jī)方向信號(hào)形成互鎖，互鎖后的輸出信號(hào)送至譯碼選擇器和數(shù)據(jù)選擇器分別作為速度和方向的選擇控制信號(hào)。其中，譯碼選擇器對(duì)無級(jí)調(diào)速器輸出的操縱桿驅(qū)動(dòng)電壓和有極調(diào)速器輸出的計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行選擇，從而控制直流電動(dòng)機(jī)的速度；數(shù)據(jù)選擇器對(duì)操縱桿方向信號(hào)和計(jì)算機(jī)方向信號(hào)進(jìn)行選擇，從而控制直流電動(dòng)機(jī)的方向。

此外，考慮到操縱桿控制速度范圍較大，為避免人為誤操作引起的測(cè)頭或傳感器損壞，專門設(shè)計(jì)了動(dòng)作保護(hù)電路。當(dāng)傳感器測(cè)頭接觸到被測(cè)工件表面后，操縱桿向下控制的動(dòng)作便受到限制，只允許利用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行步進(jìn)微調(diào)，這樣既提高了工作效率，又保證了控制精度。同時(shí)還設(shè)計(jì)有急停保護(hù)電路，其由與門封鎖電路構(gòu)成，當(dāng)按下急停開關(guān)時(shí)，測(cè)量儀所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)立即停止，直至故障解除后急停開關(guān)被再次旋起。

2 主要電路的實(shí)現(xiàn)

2.1 絕對(duì)值電路

絕對(duì)值電路又稱全波整流電路，其輸出電壓是輸入電壓的絕對(duì)值，本電路為全波整流正極性輸出電路。如圖3所示,IC1為反相輸入、負(fù)極性輸出半波整流電路；IC2為反相求和電路。該電路的輸出為輸入電壓的絕對(duì)值[1]，因此可將操縱桿的速度信號(hào)(0～+4 VDC)從操縱桿原始信號(hào)中獨(dú)立出來。

圖3 絕對(duì)值電路

2.2 單值電壓比較器

單值電壓比較器是電壓比較器中的一種，只有一個(gè)基準(zhǔn)電壓的比較器稱為單值比較器。其輸入端為模擬量，輸出端為數(shù)字量(+15 V時(shí)為邏輯1，0 V時(shí)為邏輯0)，是模擬電路與數(shù)字電路的橋梁[1]。本電路中，采用的基準(zhǔn)電壓為0.5 V。當(dāng)操縱桿有動(dòng)作且超過一定角度，使比較器的輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓，輸出端即輸出高電平；反之，當(dāng)操縱桿沒有動(dòng)作或動(dòng)作幅度沒有超出一定角度時(shí)，則輸出邏輯0。這樣設(shè)計(jì)可避免誤操作，同時(shí)識(shí)別出“操縱桿已動(dòng)作”數(shù)字信號(hào)，方便了后續(xù)電路中操縱桿信號(hào)與計(jì)算機(jī)信號(hào)的互鎖與選擇。同樣，過零比較器將操縱桿的方向信號(hào)識(shí)別出來。

2.3 驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)速器

采用三端可調(diào)穩(wěn)壓管LM338將驅(qū)動(dòng)電壓無級(jí)調(diào)速和有級(jí)調(diào)速合為一體，如圖4所示：Ui為操縱桿電壓信號(hào)，IN1～I(xiàn)N4分別為4級(jí)計(jì)算機(jī)速度信號(hào)，它們之間為互鎖關(guān)系。當(dāng)操縱桿有電壓信號(hào)輸出時(shí)，IN1～I(xiàn)N4邏輯為0，Q1～Q4斷開，此時(shí)電路相當(dāng)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓無級(jí)調(diào)速器，輸出電壓Uo等于輸入電壓Ui加上R1上的額定電壓U1(恒定為1.25 V)，輸出電壓Uo隨操縱桿電壓信號(hào)Ui線性變化。當(dāng)計(jì)算機(jī)有速度信號(hào)輸出時(shí)，則Ui呈高阻狀態(tài)，相當(dāng)于斷開，根據(jù)計(jì)算機(jī)速度設(shè)定，Q1～Q4中某一路導(dǎo)通。此時(shí)電路則為一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓有級(jí)調(diào)速器，每級(jí)的輸出電壓與其相應(yīng)通道電阻和電位器的阻值之和(如R2+W1，R3+W2)有關(guān)。LM338最高輸出電壓35 V，最大輸出電流5 A，兩者關(guān)系受器件承受的瓦數(shù)限制。

圖4 驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)速器

2.4 互鎖電路

電路由兩個(gè)與非門交叉連接組成的RS觸發(fā)器和兩個(gè)非門構(gòu)成。如圖5所示，輸入1(Vi1)為“操縱桿已動(dòng)作”信號(hào)，輸入2(Vi2)為計(jì)算機(jī)方向信號(hào)，Vo2為選中操縱桿控制信號(hào)，Vo3為選中計(jì)算機(jī)控制信號(hào)。由真值表(表1)可以看出，當(dāng)兩路輸入同時(shí)無信號(hào)(邏輯為0)時(shí)，選中計(jì)算機(jī)控制，但此時(shí)計(jì)算機(jī)并沒有發(fā)出方向和速度指令，故沒有動(dòng)作。當(dāng)Vi1有信號(hào)(邏輯為1)，Vi2無信號(hào)(邏輯為0)時(shí)，Vo2邏輯為1，Vo3邏輯為0，選中操縱桿控制；反之選中計(jì)算機(jī)控制。當(dāng)兩路輸入同時(shí)有信號(hào)(邏輯為1)時(shí)，互鎖電路輸出維持原狀態(tài)，起到了對(duì)兩輸入信號(hào)互鎖的作用[2-3]。

圖5 互鎖電路

表1 互鎖電路真值表

2.5 信號(hào)通道選擇器

電路中有兩個(gè)信號(hào)通道選擇器。其中速度信號(hào)采用BCD-十進(jìn)制碼譯碼選擇器CD4028進(jìn)行選擇，BCD碼輸入由計(jì)算機(jī)速度信號(hào)和互鎖電路(圖5)的輸出信號(hào)編碼組成，通過譯碼選擇計(jì)算機(jī)速度信號(hào)或操縱桿速度信號(hào)[4]。方向信號(hào)采用四2選1數(shù)據(jù)選擇器CD4019進(jìn)行選擇，兩個(gè)控制位分別由互鎖電路(圖5)的輸出控制，選擇操縱桿方向信號(hào)或計(jì)算機(jī)方向信號(hào)[4]。

3 結(jié)束語

在輪廓測(cè)量儀原有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入了操縱桿控制電路，充分體現(xiàn)了模擬電路與數(shù)字電路的完美結(jié)合,極大地提高了操作人員的測(cè)量效率，使系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)捷、方便，同時(shí)增強(qiáng)了儀器測(cè)量的安全性。目前，該技術(shù)已在輪廓測(cè)量儀批量生產(chǎn)中成熟應(yīng)用，并已推廣到圓柱度測(cè)量儀及大型圓度儀等具有二維、三維控制系統(tǒng)的測(cè)量儀器中，得到了用戶的一致好評(píng)。