容柵位移傳感器自動(dòng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究

鐘 勝

（桂林市晶準(zhǔn)測(cè)控技術(shù)有限公司，廣西 桂林541000）

0 引言

隨著我國(guó)制造業(yè)向智慧工廠的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在機(jī)械產(chǎn)品零部件加工過程中，把實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)納入工廠管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)已成必然趨勢(shì)。生產(chǎn)過程中，企業(yè)在產(chǎn)品尺寸檢測(cè)方面會(huì)投入大量人力物力，希望做到精確、快速的測(cè)量和判斷，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸分享和分析，當(dāng)然，嵌入自動(dòng)生產(chǎn)線的在線檢測(cè)則更是企業(yè)最期待的生產(chǎn)方式。現(xiàn)階段，將制造過程中的尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)納入管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)依然存在很大難度，因?yàn)檫@些工作依靠增加人工是難以完成的，因此，企業(yè)期望用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)品尺寸的快速測(cè)量、判斷和數(shù)據(jù)傳輸，更希望把自動(dòng)檢測(cè)、判斷、處理嵌入生產(chǎn)線。機(jī)械表需操作人員手工持表檢測(cè)、讀數(shù)、抄錄數(shù)據(jù)，之后，人工錄入電腦才能完成檢測(cè)結(jié)果的數(shù)字化存儲(chǔ)和傳輸，這樣，人工檢測(cè)、錄入效率都非常低，遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代工廠網(wǎng)絡(luò)化管理的要求。以汽車玻璃行業(yè)為例，前檔玻璃都需對(duì)整個(gè)尺寸做精密測(cè)量，人工檢測(cè)兩小時(shí)方能完成單件檢測(cè)。半自動(dòng)檢具，是在一個(gè)檢具上安裝幾十個(gè)傳感器，單件檢測(cè)時(shí)間只需五分鐘，并且各種檢測(cè)數(shù)據(jù)可記錄成表格。其他汽車零件如曲軸、凸輪軸等都向自動(dòng)化檢測(cè)發(fā)展，一般的機(jī)械零件檢測(cè)也逐漸向此方向發(fā)展，因此，智能化，高性能的位移測(cè)量傳感器需求巨大，且每年都在增長(zhǎng)。

1 以往容柵測(cè)量技術(shù)較少用于工業(yè)自動(dòng)化位移測(cè)量的原因

容柵測(cè)量技術(shù)從上世紀(jì)八十年代開始應(yīng)用在便攜式量具上，例如卡尺、千分尺等，該技術(shù)具有功耗低、成本低等特點(diǎn)[1]，但國(guó)內(nèi)外都很少把該技術(shù)用于工業(yè)自動(dòng)化位移測(cè)量上，主要有以下原因：

1.1 基本原因

工業(yè)自動(dòng)化對(duì)位移檢測(cè)傳感器有很高的技術(shù)要求，首先是精度要求高，中高端產(chǎn)品測(cè)量精度要求全程在3 μm以內(nèi)，或者更高；第二是使用壽命要長(zhǎng)，由于傳感器是用于批量檢測(cè)，反復(fù)檢測(cè)的次數(shù)要求只少達(dá)到500萬(wàn)次到1 000萬(wàn)次；第三是使用環(huán)境惡劣，生產(chǎn)加工環(huán)境下電磁干擾非常嚴(yán)重；第四是檢測(cè)速度要求，要求檢測(cè)頻次每秒100次以上；第五是傳感器數(shù)據(jù)處理能力須達(dá)到自動(dòng)化的要求。

1.2 價(jià)格高

國(guó)外容柵傳感器研究已經(jīng)比較領(lǐng)先，雖然精度較高，但高精度的傳感器制作工藝，機(jī)械結(jié)構(gòu)和光柵以及電感傳感器沒有區(qū)別，所以成本上沒有優(yōu)勢(shì)，價(jià)格很高，很難普遍推廣應(yīng)用。

1.3 國(guó)內(nèi)容柵傳感器技術(shù)相對(duì)落后

國(guó)內(nèi)方面，容柵傳感器技術(shù)相對(duì)落后，產(chǎn)品測(cè)量精度，使用壽命和可靠性達(dá)不到工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量要求，雖然有一些類似產(chǎn)品，但都屬于低端低精度產(chǎn)品，與國(guó)外同類產(chǎn)品比較不具有競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

2 容柵位移傳感器整體方案設(shè)計(jì)思路

容柵傳感器的基本原理：電容信號(hào)由傳感器副柵發(fā)射柵極傳遞到主柵，主柵接收后再反射到副柵接收極，當(dāng)主柵與副柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)有相位差，以此相位差來測(cè)量到位移。這樣，電容柵條的密度就決定了傳感器的分辨力。主柵與副柵之間的電容穩(wěn)定性決定了傳感器的細(xì)分精度，電容穩(wěn)定性取決于兩個(gè)柵板之間在相對(duì)移動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)平行度，因此，穩(wěn)定可靠的機(jī)械構(gòu)件和結(jié)構(gòu)是容柵傳感器精度的有力保障。

桂林市晶準(zhǔn)測(cè)控技術(shù)有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)，面對(duì)以上問題，根據(jù)容柵位移傳感器的基本原理、誤差規(guī)律、性能特點(diǎn)等，確定了以下整體測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：通過改變?nèi)輺艝艞l的布線方式來提高容柵傳感器分辨力和精度，通過軟件改進(jìn)提高容柵測(cè)微計(jì)數(shù)據(jù)處理功能，通過對(duì)芯片和傳感器振蕩電路創(chuàng)新改進(jìn)，提高容柵傳感器采集頻率，使采集頻率達(dá)到每秒100次。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化使各種部件能組裝成體積較小的有機(jī)整體。

3 具體實(shí)施方案及關(guān)鍵創(chuàng)新

3.1 改進(jìn)容柵傳感器的基礎(chǔ)布線方式，提高分辨力和精度

下面通過圖片來解釋原理：

普通容柵線條的排列方式如圖1所示[2]，在一個(gè)測(cè)量節(jié)距T中，放置編號(hào)1到8的8個(gè)發(fā)射極板，它們都在發(fā)射極板一側(cè)排列，T的尺寸越小，傳感器分辨力越高，由于受生產(chǎn)工藝的限制，每個(gè)發(fā)射極板太密就非常容易粘連。

改進(jìn)型專利布線方式如圖2所示，把發(fā)射極板在接收極的兩邊排列，相鄰極板之間距離拉大，這樣極板在原有工藝極限的情況下再細(xì)一倍。

圖2 專利容柵

雖然采用分布式排列自有專利，降低了對(duì)線條的精細(xì)度要求，但要做到0.5 μm分辨力，最小線條要求也是小于0.1 mm，正常電路板線條腐蝕工藝是非常難以保證質(zhì)量，我們自己改造一臺(tái)小型電路板腐蝕設(shè)備，針對(duì)超細(xì)線條要求精細(xì)調(diào)整腐蝕參數(shù)，最終找到最佳值，通過多次投板實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在最小節(jié)距T由原來的1.08 mm縮小到0.512 mm，最小分辨力由1 μm 縮小到 0.5 μm。

測(cè)量精度不僅受分辨力的影響，還與機(jī)械構(gòu)件動(dòng)態(tài)平行度關(guān)系密切，它直接影響到測(cè)量過程中容柵傳感器兩個(gè)電容極板相對(duì)位置變化，這對(duì)提高重復(fù)定位精度和減少隨機(jī)誤差起到?jīng)Q定性的作用。在這個(gè)思路的前提下提出了全新的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使得利用現(xiàn)有的加工工藝的條件下，能保證傳感器的機(jī)械構(gòu)件動(dòng)態(tài)平行度，解決了測(cè)微計(jì)重復(fù)定位精度的難題。

通過上述在電路和機(jī)械構(gòu)件的研發(fā)和改進(jìn)，使測(cè)微計(jì)精度最高可達(dá)到2 μm。

3.2 提高容柵測(cè)微計(jì)數(shù)據(jù)處理功能

完善原來容柵傳感器的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳感器輸出以及集線器輸出都采用工業(yè)通用的MODBUS協(xié)議，出于縮小產(chǎn)品體積的考慮，傳感器內(nèi)部控制芯片比較簡(jiǎn)單，為了滿足能輸出標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并保持高速數(shù)

據(jù)刷新功能，軟件方面做了大量的優(yōu)化。

3.3 提高容柵測(cè)微計(jì)采集頻率

在跟蹤測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合，需要快速采集測(cè)量數(shù)據(jù)，這樣才能真實(shí)反應(yīng)尺寸的變化規(guī)律，所以高速的采樣頻率的不可少的。

原來容柵傳感器是為低功耗電池環(huán)境下設(shè)計(jì)，采樣頻率一般只有4到8次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)與芯片設(shè)計(jì)公司合作，對(duì)芯片重新改版，提高芯片的使用電壓，改進(jìn)傳感器振蕩電路，增加一路高速振蕩，并對(duì)模擬電路做相應(yīng)調(diào)整，使得在高頻振蕩下，數(shù)據(jù)依然保持原來的精度指標(biāo)，最終使采集頻率達(dá)到每秒100次。

3.4 增加自提起機(jī)構(gòu)

傳感器在某些自動(dòng)使用測(cè)量場(chǎng)景中，需要測(cè)桿自動(dòng)上下移動(dòng)去接觸工件，實(shí)現(xiàn)測(cè)量。這樣，我們?cè)趥鞲衅髦黧w上，利用已有的導(dǎo)向系統(tǒng)，巧妙設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)，測(cè)量桿在活塞機(jī)構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)外部增加氣壓，測(cè)桿就被頂出，減小氣壓，則測(cè)桿縮回。這樣，傳感器固定不動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接觸測(cè)量工件，測(cè)畢自動(dòng)脫離，實(shí)現(xiàn)批量檢測(cè)目的。這一氣缸裝置申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL2016203862315。

4 容柵位移傳感器的技術(shù)指標(biāo)

2018年10月，該項(xiàng)產(chǎn)品通過了桂林市科技局組織的成果鑒定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

容柵位移傳感器，品名稱為測(cè)微計(jì)，其技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）千分測(cè)微計(jì)的分辨率0.5 μm，測(cè)量精度3 μm。

（2）數(shù)據(jù)讀取速度＞100 次/秒。

（3）帶氣缸自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)。

（4）通信協(xié)議為MODBUS，且可記錄最大值和最小值。

5 應(yīng)用場(chǎng)景介紹

5.1 千分測(cè)微計(jì)適用精密加工時(shí)的零件測(cè)量

千分測(cè)微計(jì)適用于精密加工時(shí)測(cè)量的零件直徑、臺(tái)階和曲面，如圖3所示。

圖3 實(shí)際應(yīng)用介紹

5.2 百分測(cè)微計(jì)適合產(chǎn)品形狀測(cè)量

百分測(cè)微計(jì)適合測(cè)量產(chǎn)品形狀，例如在汽車玻璃、板金等自動(dòng)、半自動(dòng)檢具上使用，如圖4所示。

圖4 百分測(cè)微計(jì)適合測(cè)量產(chǎn)品形狀

汽車玻璃、板金等部件，形狀復(fù)雜，檢測(cè)點(diǎn)往往非常多，由于測(cè)微計(jì)具有高性價(jià)比，并且具有多達(dá)64個(gè)測(cè)微計(jì)組合的優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合使用。

擋風(fēng)玻璃檢具，紅色箭頭處安裝了測(cè)微計(jì)。

5.3 應(yīng)用特點(diǎn)

（1）快速組成多測(cè)微計(jì)測(cè)量系統(tǒng)。提供多種類型集線器，可以把多個(gè)測(cè)微計(jì)組合成測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)進(jìn)電腦和PLC處理，最多64個(gè)。圖5所示為32個(gè)測(cè)微計(jì)組合的示意圖。

（2）提供顯示盒組成廉價(jià)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)微計(jì)配套數(shù)據(jù)顯示控制盒，可以顯示當(dāng)前測(cè)微計(jì)的數(shù)據(jù)，可設(shè)置上下公差，具有超差報(bào)警，以及公差比較結(jié)果輸出，驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備等功能。用戶檢測(cè)點(diǎn)少，建議采用這種廉價(jià)方案組成自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。測(cè)微計(jì)系統(tǒng)通信模式是標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，與現(xiàn)有的可編程控制器（PLC）通信非常方便。

圖532 個(gè)測(cè)微計(jì)組合示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

桂林市晶準(zhǔn)測(cè)控技術(shù)有限公司研發(fā)的容柵位移傳感器（測(cè)微計(jì)），集檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸為一體，具有高精度、網(wǎng)絡(luò)化并兼具高性價(jià)比，是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)和領(lǐng)先，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)容柵測(cè)量技術(shù)在高精度、智能化應(yīng)用領(lǐng)域的空白。與國(guó)際一流同類產(chǎn)品相比，主要技術(shù)指標(biāo)基本持平，但價(jià)格只是國(guó)外一流產(chǎn)品的三分之一到五分之一。與其它光柵、電感技術(shù)產(chǎn)品相比，具有價(jià)格顯著低（是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的二分之一，進(jìn)口產(chǎn)品的三分之一）、功耗低等優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于軸承自動(dòng)檢測(cè)、汽車行業(yè)機(jī)械加工零件、汽車玻璃、板金件的在線及自動(dòng)、半自動(dòng)檢測(cè)等。進(jìn)一步研發(fā)方向是增加絕對(duì)值測(cè)量和無線傳輸功能，隨著技術(shù)的突破，將會(huì)極大地?cái)U(kuò)展容柵測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。