摘 要:介紹了基于感應(yīng)同步器的傳動鏈精密測量系統(tǒng)的組成领靖、工作原理及實際應(yīng)用,闡述了應(yīng)用差頻和填充二次細分技術(shù)對頻率調(diào)制型感應(yīng)同步器的傳感信號進行數(shù)字細分的基本原理俄洞。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于傳動誤差和位置誤差的測量以及誤差補償。

一槐秧、前 言 隨著機械加工技術(shù)的發(fā)展,對機器和執(zhí)行部件的絕對運動啄踊、相對運動的均勻性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性的要求愈來愈高刁标。因此,對機械運動部件的運動精度和傳動精度進行精確測量,并據(jù)此采取提高精度的措施,對于提高設(shè)備的加工精度具有重要意義颠通。國內(nèi)外學(xué)者為此進行了大量研究工作,開發(fā)出了多種傳動鏈精度測量儀器［2,6,7］。按儀器采用的傳感器進行分類,傳動鏈精度測量系統(tǒng)可分為以下三種類型:(1)模擬傳感器型測量系統(tǒng),以地震儀為代表,如德國阿亨工大和成都工具研究所研制的地震儀膀懈。該類儀器的特點是靈敏度高,但只能測量小周期誤差,工作頻率也受到一定限制顿锰。(2)增量傳感器型測量系統(tǒng),以光柵、磁柵測量系統(tǒng)為代表启搂。該類儀器的特點是安裝調(diào)整技術(shù)要求較高,在低速和高速測量時工作性能不穩(wěn)定,特別是高精度的激光型測量儀對使用環(huán)境的影響較為敏感撵儿。(3)頻率調(diào)制傳感器型測量系統(tǒng),以采用感應(yīng)同步器的測量系統(tǒng)為代表。由于感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)簡單,抗振耐沖擊,抗干擾能力強,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量系統(tǒng)的缺點狐血。

二淀歇、測量系統(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感應(yīng)同步器施加激磁信號,然后對感應(yīng)信號進行放大,通過測量感應(yīng)信號的幅值或相位來反映定尺和滑尺間的相對位移量。傳統(tǒng)的測量系統(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］匈织。本文介紹的測量系統(tǒng)采用了差頻和填充二次細分方法,首先對感應(yīng)信號進行差頻處理,再將位移信號轉(zhuǎn)載到一頻率較低的信號上,然后采用微機細分以提高測量精度浪默。采用微機控制的大規(guī)模集成電路完成信號的二次細分,可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性提高,同時數(shù)據(jù)處理也極為方便。測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示圣掷。

圖1 測量系統(tǒng)的構(gòu)成

2．細分原理 利用微機對感應(yīng)同步器的感應(yīng)信號進行細分的原理是基于差額細分和填充細分薛淆。感應(yīng)同步器由滑尺和定尺組成。用正弦波信號對滑尺兩相繞組進行激磁,繞組上激磁信號的幅值相等,相位相差90°,兩路信號分別為

(1) 式中 Um——激磁信號幅值 ω——激磁信號角頻率 一般選取激磁信號頻率為2～10Hz匿贴。 定尺上的感應(yīng)電勢為ex＝Amsin2π(f0+fx)t

(2)式中 Am——感應(yīng)同步器的傳遞系數(shù) f0——激磁頻率 fx——由移動速度決定的瞬時位移頻率 由式(2)可得出以下結(jié)論: (1)感應(yīng)電勢ex為定尺繞組輸出信號,是一個正弦信號,其瞬時頻率為f0±fx凑篇。 (2)可以認(rèn)為輸出信號由兩部分組成,即頻率為f0的激磁信號和定尺相對滑尺移動時產(chǎn)生的運動頻率為fx的信號。 (3)由于滑尺兩相繞組在空間相差90°,定尺相對滑尺的移動方向不同,則混頻情況也不同耗述⊥欣混頻的一般通式為fd＝f0±fx

(3)設(shè)感應(yīng)同步器極距為p(mm),定、滑尺間的相對移動速度為v(mm／s),在時間t內(nèi),定妒彭、滑尺間的相對位移為s,則有fx＝v／p

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

(5)實際測量時,通過計數(shù)器在時間t內(nèi)的計數(shù)來完成

的計算谢燎。

3．差頻細分 根據(jù)上述分析,為了提高細分精度,就必須提高細分頻率和采用高速計數(shù)器。由于提高細分計數(shù)速度比較困難,因此可采取降低激磁頻率的方法幕笋。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,在細分頻率一定的情況下提高細分精度钧椿。 由式(3)或式(2),混頻信號通過乘法器相乘后得到 eω＝cmsin［2π(f0+fi+fs)+2π(f0+fi-fs)］t (6) 由式(6)可獲得f＝(f0+fi)±fs信號。由于f0和fi比較接近,通過低通濾波將高頻信號濾掉,獲得的低頻信號為fd＝f0-fi+fs (7) 若適當(dāng)選取f0和fi值,可獲得頻率較低的fd值,從而可以顯著提高細分精度椿笤。三盹屠、測量系統(tǒng)主要軟、硬件的實現(xiàn)方法 在設(shè)計差頻數(shù)字細分測量系統(tǒng)時,應(yīng)綜合考慮硬件及軟件功能,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高膀捷。系統(tǒng)硬件主要包括:(1)激磁及差頻電路迈嘹；(2)細分計數(shù)電路；(3)鍵盤担孔、顯示及打印機接口電路江锨；(4)存貯器及D／A轉(zhuǎn)換接口電路吃警。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,主要模塊有:(1)監(jiān)控管理程序糕篇；(2)測量程序；(3)數(shù)據(jù)處理程序酌心；(4)打印拌消、輸出程序。 1．激磁及差頻電路 電路組成如圖2所示安券。激磁信號頻率為f0,由8254通道0產(chǎn)生墩崩；參考信號頻率為fc,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)侯勉。方波信號f0經(jīng)過激磁電路變?yōu)榉迪嗟瑞谐铩⑾辔徊顬?0°的正、余弦信號,分別加到感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組上以睦。另一路方波信號fc經(jīng)過濾波后變?yōu)橥囝l淬正弦信號,然后與前放輸出的復(fù)合信號f0±fv進行差頻泌醋。差頻電路輸出信號頻率為fd＝(f0-fc)±fv,信號經(jīng)放大、整形后送入計數(shù)電路滤钠。

圖2 激磁及差頻電路

2．細分計數(shù)電路 細分計數(shù)電路如圖3所示赌拒。8254(Ⅰ)的計數(shù)器2和8254(Ⅱ)的計數(shù)器2均工作于方式3,分別對脈沖信號和時鐘信號fd進行計數(shù),采樣信號到時由軟件鎖存其計數(shù)值。8254(Ⅱ)的通道1工作于方式5,遇到fd上升沿時觸發(fā)計數(shù)器0開始計數(shù),采樣信號到時自動關(guān)閉計數(shù)器,其計數(shù)值即為細分計數(shù)值祠裸。系統(tǒng)采用二片8254即可完成數(shù)字細分比相,既簡單又可靠贵郎。 系統(tǒng)還擴展一片8155接口芯片,作為鍵盤、數(shù)碼顯示以及打印機的接口眶昵；擴展一片DAC0832芯片用于模擬量輸出蒂轨。測量結(jié)果可通過示波器觀察或者由函數(shù)記錄儀實時記錄。

圖3 細分計數(shù)電路四拔衙、實際應(yīng)用

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

(1)單個運動部件位置精度檢測求馋。已研制開發(fā)出新型感應(yīng)同步器微機數(shù)顯表［3］,其測量精度達1μm捐憔；與航天部637所合作研制開發(fā)了雷達天線座綜合測角儀,角度定位精度達±1角秒。

(2)兩個運動部件相對運動精度(傳動精度)檢測迫筑。已開發(fā)出滾齒機傳動鏈精度檢查儀宪赶、三爪卡盤平面螺紋精度動態(tài)檢查儀［4］和車床傳動鏈精度測量儀。

(3)控制補償系統(tǒng)的測量反饋脯燃。已應(yīng)用于滾珠絲杠螺紋磨床補償控制系統(tǒng)搂妻、盤絲磨床磨削補償控制系統(tǒng)［5］以及滾齒機加工補償控制系統(tǒng)［6］的測量反饋部分蒙保。該測量系統(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)用效果欲主。

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