基于感應(yīng)同步器的傳動(dòng)鏈精密測(cè)量系統(tǒng)

一、前　言

　　隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器和執(zhí)行部件的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)的均勻性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性的要求愈來愈高。因此，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)精度進(jìn)行精確測(cè)量，并據(jù)此采取提高精度的措施，對(duì)于提高設(shè)備的加工精度具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此進(jìn)行了大量研究工作，開發(fā)出了多種傳動(dòng)鏈精度測(cè)量?jī)x器^{［2，6，7］}。按儀器采用的傳感器進(jìn)行分類，傳動(dòng)鏈精度測(cè)量系統(tǒng)可分為以下三種類型：（1）模擬傳感器型測(cè)量系統(tǒng)，以地震儀為代表，如德國(guó)阿亨工大和成都工具研究所研制的地震儀。該類儀器的特點(diǎn)是靈敏度高，但只能測(cè)量小周期誤差，工作頻率也受到一定限制。（2）增量傳感器型測(cè)量系統(tǒng)，以光柵、磁柵測(cè)量系統(tǒng)為代表。該類儀器的特點(diǎn)是安裝調(diào)整技術(shù)要求較高，在低速和高速測(cè)量時(shí)工作性能不穩(wěn)定，特別是高精度的激光型測(cè)量?jī)x對(duì)使用環(huán)境的影響較為敏感。（3）頻率調(diào)制傳感器型測(cè)量系統(tǒng)，以采用感應(yīng)同步器的測(cè)量系統(tǒng)為代表。由于感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振耐沖擊，抗干擾能力強(qiáng)，能在不同環(huán)境下工作，因此該類儀器能較好地克服前兩種測(cè)量系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

二、測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

　　1．系統(tǒng)構(gòu)成

　　傳統(tǒng)的感應(yīng)同步器測(cè)量方法可分為鑒幅式和鑒相式兩大類，其共同的工作原理是首先對(duì)感應(yīng)同步器施加激磁信號(hào)，然后對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，通過測(cè)量感應(yīng)信號(hào)的幅值或相位來反映定尺和滑尺間的相對(duì)位移量。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)大多由分立的模擬元器件組成，使系統(tǒng)精度的提高受到諸多因素的限制^［1］。本文介紹的測(cè)量系統(tǒng)采用了差頻和填充二次細(xì)分方法，首先對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行差頻處理，再將位移信號(hào)轉(zhuǎn)載到一頻率較低的信號(hào)上，然后采用微機(jī)細(xì)分以提高測(cè)量精度。采用微機(jī)控制的大規(guī)模集成電路完成信號(hào)的二次細(xì)分，可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性提高，同時(shí)數(shù)據(jù)處理也極為方便。測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1　測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

　　2．細(xì)分原理

　　利用微機(jī)對(duì)感應(yīng)同步器的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分的原理是基于差額細(xì)分和填充細(xì)分。感應(yīng)同步器由滑尺和定尺組成。用正弦波信號(hào)對(duì)滑尺兩相繞組進(jìn)行激磁，繞組上激磁信號(hào)的幅值相等，相位相差90°，兩路信號(hào)分別為

　　　　　　　�。�1）

式中　U_m——激磁信號(hào)幅值

　　　ω——激磁信號(hào)角頻率

　　一般選取激磁信號(hào)頻率為2～10Hz。

　　定尺上的感應(yīng)電勢(shì)為

e_x＝A_msin2π（f₀＋f_x）t　　　　　　　　（2）

式中　A_m——感應(yīng)同步器的傳遞系數(shù)

　　　f₀——激磁頻率

　　　f_x——由移動(dòng)速度決定的瞬時(shí)位移頻率

　　由式（2）可得出以下結(jié)論：

　�。�1）感應(yīng)電勢(shì)e_x為定尺繞組輸出信號(hào)，是一個(gè)正弦信號(hào)，其瞬時(shí)頻率為f₀±f_x。

　�。�2）可以認(rèn)為輸出信號(hào)由兩部分組成，即頻率為f₀的激磁信號(hào)和定尺相對(duì)滑尺移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)頻率為f_x的信號(hào)。

　�。�3）由于滑尺兩相繞組在空間相差90°，定尺相對(duì)滑尺的移動(dòng)方向不同，則混頻情況也不同�；祛l的一般通式為

f_d＝f₀±f_x　　　　　　　　（3）

　　設(shè)感應(yīng)同步器極距為p（mm），定、滑尺間的相對(duì)移動(dòng)速度為v（mm／s），在時(shí)間t內(nèi)，定、滑尺間的相對(duì)位移為s，則有

f_x＝v／p　　　　　　　�。�4）

　　由于v＝ds／dt，即ds＝vdt，由式（4）可得ds＝pf_xdt，因此位移量s可表示為

　　　�。�5）

　　實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過計(jì)數(shù)器在時(shí)間t內(nèi)的計(jì)數(shù)來完成的計(jì)算。

　　3．差頻細(xì)分

　　根據(jù)上述分析，為了提高細(xì)分精度，就必須提高細(xì)分頻率和采用高速計(jì)數(shù)器。由于提高細(xì)分計(jì)數(shù)速度比較困難，因此可采取降低激磁頻率的方法。但由于激磁頻率受感應(yīng)同步器工作頻率的限制，取值不能太低，為此可采用差頻技術(shù)來增大T值，在細(xì)分頻率一定的情況下提高細(xì)分精度。

　　由式（3）或式（2），混頻信號(hào)通過乘法器相乘后得到

　　e_ω＝c_msin［2π（f₀＋f_i＋f_s）＋2π（f₀＋f_i－f_s）］t　　　　　　　　（6）

　　由式（6）可獲得f＝（f₀＋f_i）±f_s信號(hào)。由于f₀和f_i比較接近，通過低通濾波將高頻信號(hào)濾掉，獲得的低頻信號(hào)為

f_d＝f₀－f_i＋f_s　　　　　　　�。�7）

　　若適當(dāng)選取f₀和f_i值，可獲得頻率較低的f_d值，從而可以顯著提高細(xì)分精度。

三、測(cè)量系統(tǒng)主要軟、硬件的實(shí)現(xiàn)方法

　　在設(shè)計(jì)差頻數(shù)字細(xì)分測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮硬件及軟件功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。系統(tǒng)硬件主要包括：（1）激磁及差頻電路；（2）細(xì)分計(jì)數(shù)電路；（3）鍵盤、顯示及打印機(jī)接口電路；（4）存貯器及D／A轉(zhuǎn)換接口電路。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要模塊有：（1）監(jiān)控管理程序；（2）測(cè)量程序；（3）數(shù)據(jù)處理程序；（4）打印、輸出程序。

　　1．激磁及差頻電路

　　電路組成如圖2所示。激磁信號(hào)頻率為f₀，由8254通道0產(chǎn)生；參考信號(hào)頻率為f_c，由8254通道1產(chǎn)生。通道0和1均工作于方式3（分頻器工作方式）。方波信號(hào)f₀經(jīng)過激磁電路變?yōu)榉�值相等、相位差�?0°的正、余弦信號(hào)，分別加到感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組上。另一路方波信號(hào)f_c經(jīng)過濾波后變?yōu)橥�相頻淬正弦信號(hào)，然后與前放輸出的復(fù)合信號(hào)f₀±f_v進(jìn)行差頻。差頻電路輸出信號(hào)頻率為f_d＝（f₀－f_c）±f_v，信號(hào)經(jīng)放大、整形后送入計(jì)數(shù)電路。

圖2　激磁及差頻電路

　　2．細(xì)分計(jì)數(shù)電路

　　細(xì)分計(jì)數(shù)電路如圖3所示。8254（Ⅰ）的計(jì)數(shù)器2和8254（Ⅱ）的計(jì)數(shù)器2均工作于方式3，分別對(duì)脈沖信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)f_d進(jìn)行計(jì)數(shù)，采樣信號(hào)到時(shí)由軟件鎖存其計(jì)數(shù)值。8254（Ⅱ）的通道1工作于方式5，遇到f_d上升沿時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器0開始計(jì)數(shù)，采樣信號(hào)到時(shí)自動(dòng)關(guān)閉計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)值即為細(xì)分計(jì)數(shù)值。系統(tǒng)采用二片8254即可完成數(shù)字細(xì)分比相，既簡(jiǎn)單又可靠。

　　系統(tǒng)還擴(kuò)展一片8155接口芯片，作為鍵盤、數(shù)碼顯示以及打印機(jī)的接口；擴(kuò)展一片DAC0832芯片用于模擬量輸出。測(cè)量結(jié)果可通過示波器觀察或者由函數(shù)記錄儀實(shí)時(shí)記錄。

圖3　細(xì)分計(jì)數(shù)電路

四、實(shí)際應(yīng)用

　　本測(cè)量系統(tǒng)具有較大柔性，可用于多種測(cè)量目的。當(dāng)需要測(cè)量不同對(duì)象時(shí)，不需對(duì)系統(tǒng)硬件作大的改動(dòng)，只需編制不同的軟件即可。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于以下測(cè)量項(xiàng)目：

　　（1）單個(gè)運(yùn)動(dòng)部件位置精度檢測(cè)。已研制開發(fā)出新型感應(yīng)同步器微機(jī)數(shù)顯表^［3］，其測(cè)量精度達(dá)1μm；與航天部637所合作研制開發(fā)了雷達(dá)天線座綜合測(cè)角儀，角度定位精度達(dá)±1角秒。

　　（2）兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度（傳動(dòng)精度）檢測(cè)。已開發(fā)出滾齒機(jī)傳動(dòng)鏈精度檢查儀、三爪卡盤平面螺紋精度動(dòng)態(tài)檢查儀^［4］和車床傳動(dòng)鏈精度測(cè)量?jī)x。

　　（3）控制補(bǔ)償系統(tǒng)的測(cè)量反饋。已應(yīng)用于滾珠絲杠螺紋磨床補(bǔ)償控制系統(tǒng)、盤絲磨床磨削補(bǔ)償控制系統(tǒng)^［5］以及滾齒機(jī)加工補(bǔ)償控制系統(tǒng)^［6］的測(cè)量反饋部分。該測(cè)量系統(tǒng)為設(shè)備精化改造、提高產(chǎn)品加工精度提供了一種有效的技術(shù)手段，解決了實(shí)際生產(chǎn)中的許多技術(shù)難題，取得了十分良好的應(yīng)用效果。