刀具刃口檢測系統的誤差分析

陶志建，張 偉

（大連工業大學 機械工程與自動化學院，大連 116340）

刀具刃口檢測系統的誤差分析

陶志建，張 偉

（大連工業大學 機械工程與自動化學院，大連 116340）

0 引言

觸針式輪廓測量是表面形貌測量的重要方式，廣泛應用于機械、微電子等工業領域[1]。該刀具刃口檢測系統就是利用了這樣的測量方式對刃口進行檢測。測量時由觸針沿被測刃口做接觸掃描，由杠桿、杠桿支承及拉緊彈簧組成的測量機構帶動電感位移傳感器的銜鐵做相應運動，將檢測到的刀具表面輪廓信息轉化為與之對應的電壓信號，經信號放大處理系統后得到數字信號，并由軟件處理，最終得到刃口的表面二維輪廓。該機構特點為:運動靈活，調整方便，對外界干擾不敏感，工作穩定可靠。但由于整個系統由很多部分構成，存在著很多影響測試精度的因素，主要有杠桿幾何結構引起的誤差、傳感器本身輸出特性的非線性、零位誤差、載波信號幅度和頻率的波動、溫度變化等影響因素。這些都會造成測量誤差，從而影響系統的精度。

1 杠桿幾何結構引起的誤差

該測量系統杠桿位移傳感器采用杠桿傳動結構，測力的方向和大小可以調節。在實際測量過程中，杠桿總是繞著支撐點旋轉，所以觸針在上下方向的軌跡實際上是一段弧線，實際采樣點的位置就會因為觸針的弧線軌跡而與被測表面坐標點產生誤差，由此可以得知被測點的實際坐標值與杠桿轉動角度并不是線性關系，從而引起的測量誤差。而且這個誤差會隨著量程越來越大，這是杠桿式儀器普遍存在的量程與測量精度的矛盾。

2 非線性輸出引起的誤差

在檢測過程中，在觸針的帶動下，與觸針相連的杠桿另一端的銜鐵在電感線圈中上下移動，使接入電橋兩臂的電感信號發生變化，但是這里的電橋輸出信號與銜鐵的位移量只有在電感的線性區之內才是線性的，而在線性區之外則是非線性的，并且量程越大非線性誤差也就越大。

假設線圈內磁場強度均勻，則有如下關系：

式中：L——單個線圈的電感量，N——單個線圈的匝數，r——線圈的平均半徑，l——單個線圈的長度，I0——銜鐵進入單個線圈的長度，μ0——空氣隙的磁導率，r0——鐵芯半徑，μm——鐵心的有效導磁率。

單個線圈的靈敏度為：

由于使用單個線圈的非線性誤差比較大，所以電感式輪廓儀一般使用差動電感線圈傳感器，它的輸出線性較單個線圈電感傳感器有所改善。但是，實際上無論是單個線圈還是差動型傳感器的線性輸出范圍一般都小于電感位移傳感器的螺管線圈全長的25%。

由圖1可以看出，電感位移傳感器的線性范圍只局限平衡點附近在很小的區域內，隨著輸入位移的增大，非線性誤差也隨之增大。這就意味著要保證傳感器的精度，必然要求其工作于線性區域范圍內，因此限制了傳感器的量程。

圖1 電感輸出特性曲線

3 零位誤差

電感傳感器采用差動螺管式，觸點位于磁筒內兩差動線圈的中垂線上。理論上講，當觸針的針尖觸點與中間位置持平時，輸出電壓為零。而在實際上，當觸點的位移為零時，傳感器輸出電壓并不為零，而是有零點殘余電壓存在，這樣就造成了零位誤差。產生零位誤差的主要原因有：

1）差動式電感傳感器的兩個電感線圈的電氣參數及導磁體的幾何尺寸不完全對稱；

2）傳感器存在鐵損，傳感器工作在磁化曲線的非線性段；

3）激勵電源信號中含有高次諧波。

零點殘余電壓的危害極大，它會降低測量精度和靈敏度，減小零點殘余電壓的措施是減少激勵電源中的諧波成分，使之工作在磁化曲線的線性段。此外，為了消除零點殘余電壓還可以在差動電橋中接入可調電位器，當電橋有起始不平衡電壓時，通過調節電位器使電橋達到平衡。

4 測量力引起的誤差

在杠桿觸針式傳感器中，測量力主要依靠測力彈簧的彈性變形來提供，并通過調節彈簧不同的變形來實現測量力的調節。測力彈簧采用兩根拉簧作雙向調節，固定方式為兩端鉸鏈。當調節螺釘處于中間位置時，兩拉簧同時被拉長、測力為零，當其中一根拉簧偏離中間位置時，測力方向向上。因此測力可根據需要調節。

在使用該系統對刀具刃口部位進行掃描的過程中，為了保證觸針與刃口輪廓表面可靠接觸，需要有一定的測量力的存在，雖然這個力很小，但由于觸針針尖半徑很小，則被測表面承受的壓強是相當大的。這就會在被測表面上留下劃痕從而影響測量精度。一般情況下，隨著量程的增大，彈簧的彈性變形以及隨之產生的測量力也會增大，觸針對工件輪廓的劃傷也會更加嚴重。因此，測量力是影響觸針式儀器性能提升的一個重要因素。

對于精密測量，需要保證測量桿觸頭與被鍘工件之間適當的接觸力。接觸力過大可能會因為測量系統剛度不足而引起觸頭與被測工件之間的附加位移；接觸力太小，塵土膜及其他干擾可能會使測量觸頭與被測工件接觸不充分，這些都將影響測量的穩定性和精度。該測量儀允許的最大測量力為1.5～2.5N，滿刻度測量力的交化為0.35～0.6N，一般而言，對于“比較鍘量”的傳感器，在整個量程范圍內的測量力一般不應該超過1.5N，而最小的測量力不允許小于0.5N。設傳感器規定的總量程為Y，則在該量程范圍內，測量力的變化不應該超過1.5N，而在保證一定的測量預壓力(-20.5N)的條件下的有效測量量程（即示值范圍ΔY），其測量力的變化不允許大于1N，

在靜態測量中，隨著量程的增大，觸針的測量力也隨之增大，當測量力超出被測件材料的許用應力時，就會產生變形影響測量的精度，為使測量力減小并滿足輪廓測量標準的要求，必然要求傳感器工作在小范圍內，這也使得測量儀的量程受限。

5 結論

1）測量機構是刃口測量系統的關鍵部件。為實現高精度輪廓測量，必須有性能優良的測量機構；

2）采用電感式傳感器的測量機構，具有運動靈活、精度高、測量力調整方便、工作可靠等優點。本文對機構的動態特性進行了分析，并得到了測量力動態變化規律，從而為高精度輪廓測量儀的研制提供了理論基礎；

3）通過合理設計傳感器的安裝角度，可消除測量中的非線性二次項誤差，使觸針位移與傳感器磁芯軸向位移之間具有良好的線性關系，經線性電路及計算機處理后，得到真實的表面輪廓；

4）主要對該檢測系統作了誤差分析。對傳感器和電橋本身輸出特性的非線性、零位誤差等幾個造成系統測量誤差的因素作了定性分析。然后通過誤差補償，完全滿足工業生產和科研實驗的需要。

[1]王云慶,李慶祥.薛實福.LSI制造與測試[J].1995,14(2):22-25.

[3]D.G.Chetwynd,X.Liuand5.T.Smith,Int.J.MaehineTools&M anufaeture,1992,32:239-245.

[4]季文美,方同.陳松淇著.機械振動[M].科學出版社,1985:8-36.

Tool edge detection system error analysis

TAO Zhi-jian, ZHANG Wei

在刃口檢測系統中，測量機構是實現高精度輪廓測量的關鍵。刀具刃口檢測系統測量機構由于復雜的系統結構，存在著許多影響精度的因素。本論文對對系統所存在的誤差進行了分析，其中包括杠桿幾何結構引起的系統誤差，傳感器的零位誤差以及電感自身的的非線性誤差等等。通過分析并補償這些誤差就可以保證測量結果的可靠性。

刃口檢測；誤差分析；非線性誤差

陶志建（1984 -），男，河北滄州人，碩士，研究方向刀具鈍化參數檢測。

TG806

A

1009-0134(2011)5(上)-0082-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).29

2011-02-01