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，本公司2008年研制了CR-05型表面輪廓測量儀，其采用觸針式測量原理，通過傳感器四棱錐測頭沿工件表面以0.5 mm/s的速度平穩(wěn)滑動進(jìn)行測量，傳感器信號經(jīng)處理后送計算機進(jìn)行計算和顯示。其特點是測量精度高，分辨率最高可達(dá)0.003 μm，測量范圍大，最大量程為±4 mm。

儀器主要由機械工作臺、電氣控制箱和計算機3部分組成。測量工件時，需將傳感器測頭平穩(wěn)、準(zhǔn)確地移動到工件表面被測起始位置，這就要求測頭相對工作臺在x,y方向做二維運動。若僅采用計算機控制，既要通過顯示控制界面操作儀器,又要觀察傳感器測頭與工件的接觸狀態(tài),操作相對不方便，且只能單維運動，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)計了一種操縱桿控制電路。其與計算機控制方式配合，均可對傳感器位置進(jìn)行控制，且相對互鎖。該控制電路具有操作簡單、無級變速、二維同時驅(qū)動、超量程自動保護及直觀性強的特點，相對鼠標(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型表面輪廓測量儀機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，在傳感器驅(qū)動箱上安裝x向驅(qū)動電動機，控制傳感器左、右位置；立柱上安裝y向驅(qū)動電動機，控制傳感器上、下位置。本電路利用操縱桿控制x,y向電動機進(jìn)行正、反向運動實現(xiàn)傳感器位置控制，并和計算機數(shù)字控制信號形成雙路控制且互不干擾。兩路電動機均選用永磁直流齒輪減速電動機，工作電壓為4～18 V，轉(zhuǎn)速隨工作電壓變化，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為5.3～24 r/min。

1—多維工作臺；2—被測工件；3—傳感器測頭；4—立柱；5—傳感器驅(qū)動箱；6—傳感器；7—大理石工作臺圖1 機械結(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)時電位器處于中間位置。在每個電位器兩端施加±15 V的直流電壓，當(dāng)操作者推動操縱桿做上、下、左、右方向移動時，相應(yīng)方向的電位器就會隨推移角度(最大25°)的大小分別且同時輸出電壓在0～±4 V連續(xù)變化的模擬信號，利用該信號的正負(fù)極性和電壓大小分別控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向和速度，從而實現(xiàn)位置控制。

如圖2所示，操縱桿輸出的模擬信號分為兩路。一路經(jīng)絕對值電路變?yōu)檎龢O性信號(即速度信號)，通過信號放大電路將其絕對值電壓放大至驅(qū)動直流電動機所需要的工作電壓，然后經(jīng)起步門限開關(guān)輸入驅(qū)動電壓無極調(diào)速器，該調(diào)速器最大可輸出+18 V,5 A的直流電流驅(qū)動電動機。在絕對值電路后設(shè)計了一個單值電壓比較器，用來判斷操縱桿是否有明顯動作，避免誤動作，即當(dāng)操縱桿推移角度大于±3°時，才認(rèn)為操縱桿確實有動作，輸出+15 V,邏輯為1。其輸出的“操縱桿已動作”邏輯信號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)控制邏輯信號為1時，門限開關(guān)閉合，放大后的電壓輸入驅(qū)動電壓無級調(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經(jīng)過過零比較器，被轉(zhuǎn)換為兩個單值電壓。當(dāng)操縱桿輸入信號大于0 V時，過零比較器輸出+15 V,邏輯為1；當(dāng)輸入信號小于0 V時，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，這組數(shù)字信號根據(jù)操縱桿的推移方向而變化即構(gòu)成操縱桿方向信號，該信號送至數(shù)據(jù)選擇器。

在互鎖電路中，操縱桿動作信號與計算機方向信號形成互鎖，互鎖后的輸出信號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。其中，譯碼選擇器對無級調(diào)速器輸出的操縱桿驅(qū)動電壓和有極調(diào)速器輸出的計算機驅(qū)動電壓進(jìn)行選擇，從而控制直流電動機的速度；數(shù)據(jù)選擇器對操縱桿方向信號和計算機方向信號進(jìn)行選擇，從而控制直流電動機的方向。

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頭或傳感器損壞，專門設(shè)計了動作保護電路。當(dāng)傳感器測頭接觸到被測工件表面后，操縱桿向下控制的動作便受到限制，只允許利用計算機控制進(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。同時還設(shè)計有急停保護電路，其由與門封鎖電路構(gòu)成，當(dāng)按下急停開關(guān)時，測量儀所有的機械運動立即停止，直至故障解除后急停開關(guān)被再次旋起。

2 主要電路的實現(xiàn)

2.1 絕對值電路

絕對值電路又稱全波整流電路，其輸出電壓是輸入電壓的絕對值，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值[1]，因此可將操縱桿的速度信號(0～+4 VDC)從操縱桿原始信號中獨立出來。

圖3 絕對值電路

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時為邏輯1，0 V時為邏輯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)操縱桿沒有動作或動作幅度沒有超出一定角度時，則輸出邏輯0。這樣設(shè)計可避免誤操作，同時識別出“操縱桿已動作”數(shù)字信號，方便了后續(xù)電路中操縱桿信號與計算機信號的互鎖與選擇。同樣，過零比較器將操縱桿的方向信號識別出來。

2.3 驅(qū)動電壓調(diào)速器

采用三端可調(diào)穩(wěn)壓管LM338將驅(qū)動電壓無級調(diào)速和有級調(diào)速合為一體，如圖4所示：Ui為操縱桿電壓信號，IN1～I(xiàn)N4分別為4級計算機速度信號，它們之間為互鎖關(guān)系。當(dāng)操縱桿有電壓信號輸出時，IN1～I(xiàn)N4邏輯為0，Q1～Q4斷開，此時電路相當(dāng)于一個驅(qū)動電壓無級調(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Ui線性變化。當(dāng)計算機有速度信號輸出時，則Ui呈高阻狀態(tài)，相當(dāng)于斷開，根據(jù)計算機速度設(shè)定，Q1～Q4中某一路導(dǎo)通。此時電路則為一個驅(qū)動電壓有級調(diào)速器，每級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)動電壓調(diào)速器

2.4 互鎖電路

電路由兩個與非門交叉連接組成的RS觸發(fā)器和兩個非門構(gòu)成。如圖5所示，輸入1(Vi1)為“操縱桿已動作”信號，輸入2(Vi2)為計算機方向信號，Vo2為選中操縱桿控制信號，Vo3為選中計算機控制信號。由真值表(表1)可以看出，當(dāng)兩路輸入同時無信號(邏輯為0)時，選中計算機控制，但此時計算機并沒有發(fā)出方向和速度指令，故沒有動作。當(dāng)Vi1有信號(邏輯為1)，Vi2無信號(邏輯為0)時，Vo2邏輯為1，Vo3邏輯為0，選中操縱桿控制；反之選中計算機控制。當(dāng)兩路輸入同時有信號(邏輯為1)時，互鎖電路輸出維持原狀態(tài)，起到了對兩輸入信號互鎖的作用[2-3]。

圖5 互鎖電路

表1 互鎖電路真值表

2.5 信號通道選擇器

電路中有兩個信號通道選擇器。其中速度信號采用BCD-十進(jìn)制碼譯碼選擇器CD4028進(jìn)行選擇，BCD碼輸入由計算機速度信號和互鎖電路(圖5)的輸出信號編碼組成，通過譯碼選擇計算機速度信號或操縱桿速度信號[4]。方向信號采用四2選1數(shù)據(jù)選擇器CD4019進(jìn)行選擇，兩個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或計算機方向信號[4]。

3 結(jié)束語

在輪廓測量儀原有計算機控制系統(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量效率，使系統(tǒng)操作更加簡捷、方便，同時增強了儀器測量的安全性。目前，該技術(shù)已在輪廓測量儀批量生產(chǎn)中成熟應(yīng)用，并已推廣到圓柱度測量儀及大型圓度儀等具有二維、三維控制系統(tǒng)的測量儀器中，得到了用戶的一致好評。