操縱桿控制電路在軸承表面輪廓儀中的應用

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.北方工業大學 信息工程學院，北京 100041)

軸承表面輪廓測量儀已廣泛應用于軸承表面輪廓、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的速度平穩滑動進行測量，傳感器信號經處理后送計算機進行計算和顯示。其特點是測量精度高，分辨率最高可達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、準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,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、二維同時驅動、超量程自動保護及直觀性強的特點，相對鼠標、鍵盤更符合人的操作習慣，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構如圖1所示，在傳感器驅動箱上安裝x向驅動電動機，控制傳感器左、右位置；立柱上安裝y向驅動電動機，控制傳感器上、下位置。本電路利用操縱桿控制x,y向電動機進行正、反向運動實現傳感器位置控制，并和計算機數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，轉速隨工作電壓變化，對應的轉速范圍為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—傳感器驅動箱；6—傳感器；7—大理石工作臺圖1 機械結構

R系列微型工業操縱桿上分別裝有x,y向10 kΩ電位器，自由狀態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，當操作者推動操縱桿做上、下、左、右方向移動時，相應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連續變化的模擬信號，利用該信號的正負極性和電壓大小分別控制電動機的旋轉方向和速度，從而實現位置控制。

如圖2所示，操縱桿輸出的模擬信號分為兩路。一路經絕對值電路變為正極性信號(即速度信號)，通過信號放大電路將其絕對值電壓放大至驅動直流電動機所需要的工作電壓，然后經起步門限開關輸入驅動電壓無極調速器，該調速器最大可輸出+18 V,5 A的直流電流驅動電動機。在絕對值電路后設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，即當操縱桿推移角度大于±3°時，才認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電路和互鎖電路。在起步門限開關電路中，當控制邏輯信號為1時，門限開關閉合，放大后的電壓輸入驅動電壓無級調速器；反之，門限開關斷開，無電壓輸入無極調速器。無極調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過過零比較器，被轉換為兩個單值電壓。當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；當輸入信號小于0 V時，過零比較器輸出-15 V,邏輯為0。經過雙半波整流器轉換成一組兩位的數字信號，這組數字信號根據操縱桿的推移方向而變化即構成操縱桿方向信號，該信號送至數據選擇器。

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據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速器輸出的操縱桿驅動電壓和有極調速器輸出的計算機驅動電壓進行選擇，從而控制直流電動機的速度；數據選擇器對操縱桿方向信號和計算機方向信號進行選擇，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，專門設計了動作保護電路。當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行步進微調，這樣既提高了工作效率，又保證了控制精度。同時還設計有急停保護電路，其由與門封鎖電路構成，當按下急停開關時，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被再次旋起。

2 主要電路的實現

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，輸出端為數字量(+15 V時為邏輯1，0 V時為邏輯0)，是模擬電路與數字電路的橋梁[1]。本電路中，采用的基準電壓為0.5 V。當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電壓，輸出端即輸出高電平；反之，當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。這樣設計可避免誤操作，同時識別出“操縱桿已動作”數字信號，方便了后續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 驅動電壓調速器

采用三端可調穩壓管LM338將驅動電壓無級調速和有級調速合為一體，如圖4所示：Ui為操縱桿電壓信號，IN1～IN4分別為4級計算機速度信號，它們之間為互鎖關系。當操縱桿有電壓信號輸出時，IN1～IN4邏輯為0，Q1～Q4斷開，此時電路相當于一個驅動電壓無級調速器，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。當計算機有速度信號輸出時，則Ui呈高阻狀態，相當于斷開，根據計算機速度設定，Q1～Q4中某一路導通。此時電路則為一個驅動電壓有級調速器，每級的輸出電壓與其相應通道電阻和電位器的阻值之和(如R2+W1，R3+W2)有關。LM338最高輸出電壓35 V，最大輸出電流5 A，兩者關系受器件承受的瓦數限制。

圖4 驅動電壓調速器

2.4 互鎖電路

電路由兩個與非門交叉連接組成的RS觸發器和兩個非門構成。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出方向和速度指令，故沒有動作。當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，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-十進制碼譯碼選擇器CD4028進行選擇，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數據選擇器CD4019進行選擇，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 結束語

在輪廓測量儀原有計算機控制系統的基礎上，加入了操縱桿控制電路，充分體現了模擬電路與數字電路的完美結合,極大地提高了操作人員的測量效率，使系統操作更加簡捷、方便，同時增強了儀器測量的安全性。目前，該技術已在輪廓測量儀批量生產中成熟應用，并已推廣到圓柱度測量儀及大型圓度儀等具有二維、三維控制系統的測量儀器中，得到了用戶的一致好評。