刀具刃口檢測(cè)系統(tǒng)的誤差分析

陶志建，張 偉

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，大連 116340）

刀具刃口檢測(cè)系統(tǒng)的誤差分析

陶志建，張 偉

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，大連 116340）

0 引言

觸針式輪廓測(cè)量是表面形貌測(cè)量的重要方式，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、微電子等工業(yè)領(lǐng)域[1]。該刀具刃口檢測(cè)系統(tǒng)就是利用了這樣的測(cè)量方式對(duì)刃口進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量時(shí)由觸針沿被測(cè)刃口做接觸掃描，由杠桿、杠桿支承及拉緊彈簧組成的測(cè)量機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電感位移傳感器的銜鐵做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，將檢測(cè)到的刀具表面輪廓信息轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大處理系統(tǒng)后得到數(shù)字信號(hào)，并由軟件處理，最終得到刃口的表面二維輪廓。該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)為:運(yùn)動(dòng)靈活，調(diào)整方便，對(duì)外界干擾不敏感，工作穩(wěn)定可靠。但由于整個(gè)系統(tǒng)由很多部分構(gòu)成，存在著很多影響測(cè)試精度的因素，主要有杠桿幾何結(jié)構(gòu)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(hào)幅度和頻率的波動(dòng)、溫度變化等影響因素。這些都會(huì)造成測(cè)量誤差，從而影響系統(tǒng)的精度。

1 杠桿幾何結(jié)構(gòu)引起的誤差

該測(cè)量系統(tǒng)杠桿位移傳感器采用杠桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，測(cè)力的方向和大小可以調(diào)節(jié)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，杠桿總是繞著支撐點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，所以觸針在上下方向的軌跡實(shí)際上是一段弧線，實(shí)際采樣點(diǎn)的位置就會(huì)因?yàn)橛|針的弧線軌跡而與被測(cè)表面坐標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生誤差，由此可以得知被測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值與杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度并不是線性關(guān)系，從而引起的測(cè)量誤差。而且這個(gè)誤差會(huì)隨著量程越來(lái)越大，這是杠桿式儀器普遍存在的量程與測(cè)量精度的矛盾。

2 非線性輸出引起的誤差

在檢測(cè)過(guò)程中，在觸針的帶動(dòng)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(dòng)，使接入電橋兩臂的電感信號(hào)發(fā)生變化，但是這里的電橋輸出信號(hào)與銜鐵的位移量只有在電感的線性區(qū)之內(nèi)才是線性的，而在線性區(qū)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(shè)線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻，則有如下關(guān)系：

式中：L——單個(gè)線圈的電感量，N——單個(gè)線圈的匝數(shù)，r——線圈的平均半徑，l——單個(gè)線圈的長(zhǎng)度，I0——銜鐵進(jìn)入單個(gè)線圈的長(zhǎng)度，μ0——空氣隙的磁導(dǎo)率，r0——鐵芯半徑，μm——鐵心的有效導(dǎo)磁率。

單個(gè)線圈的靈敏度為：

由于使用單個(gè)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(dòng)電感線圈傳感器，它的輸出線性較單個(gè)線圈電感傳感器有所改善。但是，實(shí)際上無(wú)論是單個(gè)線圈還是差動(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)附近在很小的區(qū)域內(nèi)，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(qū)域范圍內(nèi)，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(dòng)螺管式，觸點(diǎn)位于磁筒內(nèi)兩差動(dòng)線圈的中垂線上。理論上講，當(dāng)觸針的針尖觸點(diǎn)與中間位置持平時(shí)，輸出電壓為零。而在實(shí)際上，當(dāng)觸點(diǎn)的位移為零時(shí)，傳感器輸出電壓并不為零，而是有零點(diǎn)殘余電壓存在，這樣就造成了零位誤差。產(chǎn)生零位誤差的主要原因有：

1）差動(dòng)式電感傳感器的兩個(gè)電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體的幾何尺寸不完全對(duì)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(lì)電源信號(hào)中含有高次諧波。

零點(diǎn)殘余電壓的危害極大，它會(huì)降低測(cè)量精度和靈敏度，減小零點(diǎn)殘余電壓的措施是減少激勵(lì)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(diǎn)殘余電壓還可以在差動(dòng)電橋中接入可調(diào)電位器，當(dāng)電橋有起始不平衡電壓時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器使電橋達(dá)到平衡。

4 測(cè)量力引起的誤差

在杠桿觸針式傳感器中，測(cè)量力主要依靠測(cè)力彈簧的彈性變形來(lái)提供，并通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧不同的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量力的調(diào)節(jié)。測(cè)力彈簧采用兩根拉簧作雙向調(diào)節(jié)，固定方式為兩端鉸鏈。當(dāng)調(diào)節(jié)螺釘處于中間位置時(shí)，兩拉簧同時(shí)被拉長(zhǎng)、測(cè)力為零，當(dāng)其中一根拉簧偏離中間位置時(shí)，測(cè)力方向向上。因此測(cè)力可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

在使用該系統(tǒng)對(duì)刀具刃口部位進(jìn)行掃描的過(guò)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(cè)量力的存在，雖然這個(gè)力很小，但由于觸針針尖半徑很小，則被測(cè)表面承受的壓強(qiáng)是相當(dāng)大的。這就會(huì)在被測(cè)表面上留下劃痕從而影響測(cè)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(chǎn)生的測(cè)量力也會(huì)增大，觸針對(duì)工件輪廓的劃傷也會(huì)更加嚴(yán)重。因此，測(cè)量力是影響觸針式儀器性能提升的一個(gè)重要因素。

對(duì)于精密測(cè)量，需要保證測(cè)量桿觸頭與被鍘工件之間適當(dāng)?shù)慕佑|力。接觸力過(guò)大可能會(huì)因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)剛度不足而引起觸頭與被測(cè)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(huì)使測(cè)量觸頭與被測(cè)工件接觸不充分，這些都將影響測(cè)量的穩(wěn)定性和精度。該測(cè)量?jī)x允許的最大測(cè)量力為1.5～2.5N，滿刻度測(cè)量力的交化為0.35～0.6N，一般而言，對(duì)于“比較鍘量”的傳感器，在整個(gè)量程范圍內(nèi)的測(cè)量力一般不應(yīng)該超過(guò)1.5N，而最小的測(cè)量力不允許小于0.5N。設(shè)傳感器規(guī)定的總量程為Y，則在該量程范圍內(nèi)，測(cè)量力的變化不應(yīng)該超過(guò)1.5N，而在保證一定的測(cè)量預(yù)壓力(-20.5N)的條件下的有效測(cè)量量程（即示值范圍ΔY），其測(cè)量力的變化不允許大于1N，

在靜態(tài)測(cè)量中，隨著量程的增大，觸針的測(cè)量力也隨之增大，當(dāng)測(cè)量力超出被測(cè)件材料的許用應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變形影響測(cè)量的精度，為使測(cè)量力減小并滿足輪廓測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，必然要求傳感器工作在小范圍內(nèi)，這也使得測(cè)量?jī)x的量程受限。

5 結(jié)論

1）測(cè)量機(jī)構(gòu)是刃口測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為實(shí)現(xiàn)高精度輪廓測(cè)量，必須有性能優(yōu)良的測(cè)量機(jī)構(gòu)；

2）采用電感式傳感器的測(cè)量機(jī)構(gòu)，具有運(yùn)動(dòng)靈活、精度高、測(cè)量力調(diào)整方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，并得到了測(cè)量力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從而為高精度輪廓測(cè)量?jī)x的研制提供了理論基礎(chǔ)；

3）通過(guò)合理設(shè)計(jì)傳感器的安裝角度，可消除測(cè)量中的非線性二次項(xiàng)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(guān)系，經(jīng)線性電路及計(jì)算機(jī)處理后，得到真實(shí)的表面輪廓；

4）主要對(duì)該檢測(cè)系統(tǒng)作了誤差分析。對(duì)傳感器和電橋本身輸出特性的非線性、零位誤差等幾個(gè)造成系統(tǒng)測(cè)量誤差的因素作了定性分析。然后通過(guò)誤差補(bǔ)償，完全滿足工業(yè)生產(chǎn)和科研實(shí)驗(yàn)的需要。

[1]王云慶,李慶祥.薛實(shí)福.LSI制造與測(cè)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(jī)械振動(dòng)[M].科學(xué)出版社,1985:8-36.

Tool edge detection system error analysis

TAO Zhi-jian, ZHANG Wei

在刃口檢測(cè)系統(tǒng)中，測(cè)量機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高精度輪廓測(cè)量的關(guān)鍵。刀具刃口檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量機(jī)構(gòu)由于復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，存在著許多影響精度的因素。本論文對(duì)對(duì)系統(tǒng)所存在的誤差進(jìn)行了分析，其中包括杠桿幾何結(jié)構(gòu)引起的系統(tǒng)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(guò)分析并補(bǔ)償這些誤差就可以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。

刃口檢測(cè)；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(shù)檢測(cè)。

TG806

A

1009-0134(2011)5(上)-0082-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).29

2011-02-01