基于感應同步器的傳動鏈精密測量系統
摘 要：介紹了基于感應同步器的傳動鏈精密測量系統的組成、工作原理及實際應用，闡述了應用差頻和填充二次細分技術對頻率調制型感應同步器的傳感信號進行數字細分的基本原理。該系統可廣泛應用于傳動誤差和位置誤差的測量以及誤差補償。感應同步器 差頻細分 傳動鏈測量系統
關鍵詞：
inductosyn-transducer-based precise measuring system for transmission chain errors
song xianchun et al
abstract：the makeup，principle and applications of the inductosyn-transducer-based measuring system for transmission chain errors are introduced．by using the twice sub-division technique with defference frequency and fill methods to sub-divide the signal phase of inductosyn transducers，a new measuring system with high accuracy to measure transmission and position errors and to compensate errors is developed．
keywords：inductosyn transducer sub-division by difference frequency transmission chain measuring system
一、前 言
隨著機械加工技術的發展，對機器和執行部件的運動、相對運動的均勻性、平穩性和準確性的要求愈來愈高。因此，對機械運動部件的運動精度和傳動精度進行測量，并據此采取提高精度的措施，對于提高設備的加工精度具有重要意義。國內外學者為此進行了大量研究工作，開發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可分為以下三種類型：（1）模擬傳感器型測量系統，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。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。（2）增量傳感器型測量系統，以光柵、磁柵測量系統為代表。該類儀器的特點是安裝調整技術要求較高，在低速和高速測量時工作性能不穩定，特別是高精度的激光型測量儀對使用環境的影響較為敏感。（3）頻率調制傳感器型測量系統，以采用感應同步器的測量系統為代表。由于感應同步器結構簡單，抗振耐沖擊，抗*力強，能在不同環境下工作，因此該類儀器能較好地克服前兩種測量系統的缺點。
二、測量系統的構成及工作原理
1．系統構成
傳統的感應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同步器施加激磁信號，然后對感應信號進行放大，通過測量感應信號的幅值或相位來反映定尺和滑尺間的相對位移量。傳統的測量系統大多由分立的模擬元器件組成，使系統精度的提高受到諸多因素的限制［1］。本文介紹的測量系統采用了差頻和填充二次細分方法，首先對感應信號進行差頻處理，再將位移信號轉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。采用微機控制的大規模集成電路完成信號的二次細分，可使系統結構簡單，可靠性提高，同時數據處理也極為方便。測量系統的構成如圖1所示。
圖1 測量系統的構成
2．細分原理
利用微機對感應同步器的感應信號進行細分的原理是基于差額細分和填充細分。感應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。
定尺上的感應電勢為
ex＝amsin2π（f0＋fx）t（2）
式中 am——感應同步器的傳遞系數
f0——激磁頻率
fx——由移動速度決定的瞬時位移頻率
由式（2）可得出以下結論：
（1）感應電勢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。
（2）可以認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。混頻的一般通式為
fd＝f0±fx（3）
設感應同步器極距為p（mm），定、滑尺間的相對移動速度為v（mm／s），在時間t內，定、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，通過計數器在時間t內的計數來完成的計算。
3．差頻細分
根據上述分析，為了提高細分精度，就必須提高細分頻率和采用高速計數器。由于提高細分計數速度比較困難，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來增大t值，在細分頻率一定的情況下提高細分精度。
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）
三、測量系統主要軟、硬件的實現方法
在設計差頻數字細分測量系統時，應綜合考慮硬件及軟件功能，使系統結構緊湊、可靠性高。系統硬件主要包括：（1）激磁及差頻電路；（2）細分計數電路；（3）鍵盤、顯示及打印機接口電路；（4）存貯器及d／a轉換接口電路。系統軟件采用模塊化設計，主要模塊有：（1）監控管理程序；（2）測量程序；（3）數據處理程序；（4）打印、輸出程序。
1．激磁及差頻電路
電路組成如圖2所示。激磁信號頻率為f0，由8254通道0產生；參考信號頻率為fc，由8254通道1產生。通道0和1均工作于方式3（分頻器工作方式）。方波信號f0經過激磁電路變為幅值相等、相位差為90°的正、余弦信號，分別加到感應同步器滑尺兩相繞組上。另一路方波信號fc經過濾波后變為同相頻淬正弦信號，然后與前放輸出的復合信號f0±fv進行差頻。差頻電路輸出信號頻率為fd＝（f0－fc）±fv，信號經放大、整形后送入計數電路。
圖2 激磁及差頻電路
2．細分計數電路
細分計數電路如圖3所示。8254（ⅰ）的計數器2和8254（ⅱ）的計數器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，采樣信號到時由軟件鎖存其計數值。8254（ⅱ）的通道1工作于方式5，遇到fd上升沿時觸發計數器0開始計數，采樣信號到時自動關閉計數器，其計數值即為細分計數值。系統采用二片8254即可完成數字細分比相，既簡單又可靠。
系統還擴展一片8155接口芯片，作為鍵盤、數碼顯示以及打印機的接口；擴展一片dac0832芯片用于模擬量輸出。測量結果可通過示波器觀察或者由函數記錄儀實時記錄。
圖3 細分計數電路
四、實際應用
本測量系統具有較大柔性，可用于多種測量目的。當需要測量不同對象時，不需對系統硬件作大的改動，只需編制不同的軟件即可。該系統已成功應用于以下測量項目：
（1）單個運動部件位置精度檢測。已研制開發出新型感應同步器微機數顯表［3］，其測量精度達1μm；與航天部637所合作研制開發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。已開發出滾齒機傳動鏈精度檢查儀、三爪卡盤平面螺紋精度動態檢查儀［4］和車床傳動鏈精度測量儀。
（3）控制補償系統的測量反饋。已應用于滾珠絲杠螺紋磨床補償控制系統、盤絲磨床磨削補償控制系統［5］以及滾齒機加工補償控制系統［6］的測量反饋部分。該測量系統為設備精化改造、提高產品加工精度提供了一種有效的技術手段，解決了實際生產中的許多技術難題，取得了十分良好的應用效果。
若適當選取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。
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一、前 言
隨著機械加工技術的發展，對機器和執行部件的運動、相對運動的均勻性、平穩性和準確性的要求愈來愈高。因此，對機械運動部件的運動精度和傳動精度進行測量，并據此采取提高精度的措施，對于提高設備的加工精度具有重要意義。國內外學者為此進行了大量研究工作，開發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可分為以下三種類型：（1）模擬傳感器型測量系統，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。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。（2）增量傳感器型測量系統，以光柵、磁柵測量系統為代表。該類儀器的特點是安裝調整技術要求較高，在低速和高速測量時工作性能不穩定，特別是高精度的激光型測量儀對使用環境的影響較為敏感。（3）頻率調制傳感器型測量系統，以采用感應同步器的測量系統為代表。由于感應同步器結構簡單，抗振耐沖擊，抗*力強，能在不同環境下工作，因此該類儀器能較好地克服前兩種測量系統的缺點。
二、測量系統的構成及工作原理
1．系統構成
傳統的感應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同步器施加激磁信號，然后對感應信號進行放大，通過測量感應信號的幅值或相位來反映定尺和滑尺間的相對位移量。傳統的測量系統大多由分立的模擬元器件組成，使系統精度的提高受到諸多因素的限制［1］。本文介紹的測量系統采用了差頻和填充二次細分方法，首先對感應信號進行差頻處理，再將位移信號轉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。采用微機控制的大規模集成電路完成信號的二次細分，可使系統結構簡單，可靠性提高，同時數據處理也極為方便。測量系統的構成如圖1所示。
圖1 測量系統的構成
2．細分原理
利用微機對感應同步器的感應信號進行細分的原理是基于差額細分和填充細分。感應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。
定尺上的感應電勢為
ex＝amsin2π（f0＋fx）t（2）
式中 am——感應同步器的傳遞系數
f0——激磁頻率
fx——由移動速度決定的瞬時位移頻率
由式（2）可得出以下結論：
（1）感應電勢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。
（2）可以認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。混頻的一般通式為
fd＝f0±fx（3）
設感應同步器極距為p（mm），定、滑尺間的相對移動速度為v（mm／s），在時間t內，定、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，通過計數器在時間t內的計數來完成的計算。
3．差頻細分
根據上述分析，為了提高細分精度，就必須提高細分頻率和采用高速計數器。由于提高細分計數速度比較困難，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來增大t值，在細分頻率一定的情況下提高細分精度。
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）
三、測量系統主要軟、硬件的實現方法
在設計差頻數字細分測量系統時，應綜合考慮硬件及軟件功能，使系統結構緊湊、可靠性高。系統硬件主要包括：（1）激磁及差頻電路；（2）細分計數電路；（3）鍵盤、顯示及打印機接口電路；（4）存貯器及d／a轉換接口電路。系統軟件采用模塊化設計，主要模塊有：（1）監控管理程序；（2）測量程序；（3）數據處理程序；（4）打印、輸出程序。
1．激磁及差頻電路
電路組成如圖2所示。激磁信號頻率為f0，由8254通道0產生；參考信號頻率為fc，由8254通道1產生。通道0和1均工作于方式3（分頻器工作方式）。方波信號f0經過激磁電路變為幅值相等、相位差為90°的正、余弦信號，分別加到感應同步器滑尺兩相繞組上。另一路方波信號fc經過濾波后變為同相頻淬正弦信號，然后與前放輸出的復合信號f0±fv進行差頻。差頻電路輸出信號頻率為fd＝（f0－fc）±fv，信號經放大、整形后送入計數電路。
圖2 激磁及差頻電路
2．細分計數電路
細分計數電路如圖3所示。8254（ⅰ）的計數器2和8254（ⅱ）的計數器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，采樣信號到時由軟件鎖存其計數值。8254（ⅱ）的通道1工作于方式5，遇到fd上升沿時觸發計數器0開始計數，采樣信號到時自動關閉計數器，其計數值即為細分計數值。系統采用二片8254即可完成數字細分比相，既簡單又可靠。
系統還擴展一片8155接口芯片，作為鍵盤、數碼顯示以及打印機的接口；擴展一片dac0832芯片用于模擬量輸出。測量結果可通過示波器觀察或者由函數記錄儀實時記錄。
圖3 細分計數電路
四、實際應用
本測量系統具有較大柔性，可用于多種測量目的。當需要測量不同對象時，不需對系統硬件作大的改動，只需編制不同的軟件即可。該系統已成功應用于以下測量項目：
（1）單個運動部件位置精度檢測。已研制開發出新型感應同步器微機數顯表［3］，其測量精度達1μm；與航天部637所合作研制開發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。已開發出滾齒機傳動鏈精度檢查儀、三爪卡盤平面螺紋精度動態檢查儀［4］和車床傳動鏈精度測量儀。
（3）控制補償系統的測量反饋。已應用于滾珠絲杠螺紋磨床補償控制系統、盤絲磨床磨削補償控制系統［5］以及滾齒機加工補償控制系統［6］的測量反饋部分。該測量系統為設備精化改造、提高產品加工精度提供了一種有效的技術手段，解決了實際生產中的許多技術難題，取得了十分良好的應用效果。
若適當選取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。
氟橡膠墊片具有一般橡膠*的特殊優點
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