接觸式表面輪廓測量系統(tǒng)中的微恒力技術(shù)淺談

王亞萍 張玉明

摘 要：接觸式測量法在表面形貌的測量上應(yīng)用廣泛，具有操作簡單、直觀可靠且通用性等優(yōu)秀特征，實(shí)際應(yīng)用中效果明顯。但其應(yīng)用中存在一定的技術(shù)缺陷，本文就缺陷進(jìn)行分析，并探究微恒力技術(shù)在改善接觸式表面輪廓測量缺陷中的原理及方案選擇。

關(guān)鍵詞：接觸式表面輪廓測量儀；磁力學(xué)；微恒力技術(shù)

工件表面特征測量時(shí)工業(yè)生產(chǎn)中重要的工序之一，在眾多測量儀器中，接觸式表面輪廓測量儀的應(yīng)用較為廣泛，但在接觸式表面輪廓測量儀使用過程中存在一個(gè)重大的技術(shù)問題，也就是測頭接觸力難以掌控的問題[ 1 ]。為解決這一問題，磁力學(xué)基礎(chǔ)下提出的微恒力技術(shù)逐漸被提出并應(yīng)用與該測量系統(tǒng)當(dāng)中，對解決儀器測頭接觸力的掌控起到了重要作用。

1 接觸式測量法及存在的技術(shù)問題

在工業(yè)生產(chǎn)中，工件表面測量時(shí)常采用接觸式測量方法，這種方法屬于最基本的表面輪廓測量方式，該方式的測量原理通常都采取杠桿原理，實(shí)現(xiàn)傳感器與杠桿的非觸針端間接或直接接觸，利用傳感器實(shí)現(xiàn)觸針位移信號(hào)與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)的分析處理，即可得出工件的表面輪廓特征。

實(shí)際工作測量中，可能會(huì)根據(jù)工件表面情況采取不同的測量方法，而不同的方法存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。接觸式測量儀所利用的觸針通常由金剛石構(gòu)成，或由其他堅(jiān)硬度較高的材料制成，在測量時(shí)觸針的針尖在接觸表面形成軌跡，從而勾畫出表面輪廓信息。在這一過程中，觸針需要同被測量的工件表面接觸，為了保證測量較深的溝槽或凹坑，且保證測量過程觸針移動(dòng)速度更快，就必須確保接觸力夠大。

而測量力的大小可能會(huì)造成測量表面發(fā)生形變，影響觸針與表面的接觸。同時(shí)，接觸力過大，可能造成觸針劃入測量工件的表面，形成劃傷。因此，在高精度測量或者軟表面工件測量中，接觸式測量儀并不適用[ 2 ]。

若能夠解決接觸式表面測量儀的測頭力恒定問題，將會(huì)使這一測量方式得到更廣泛的應(yīng)用，且能提升測量結(jié)果的精確性，由此可見，研究接觸式表面輪廓測量觸針接觸力的恒定控制至關(guān)重要。

2 微恒力技術(shù)在接觸式表面輪廓測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)對接觸式表面輪廓測量方法中就觸針接觸力控制的技術(shù)難題，通過分析相關(guān)理論知識(shí)發(fā)現(xiàn)，電磁學(xué)中的磁場與電流的相互作用將會(huì)產(chǎn)生磁力，而恒定的電流與恒定的磁場將產(chǎn)生恒定的磁力，將恒定的磁力應(yīng)用于接觸式表面輪廓測量儀中，則可以實(shí)現(xiàn)對觸針接觸力的恒定控制。具體設(shè)計(jì)如下：

2.1 微恒力技術(shù)磁力系統(tǒng)的磁路方案

根據(jù)磁場與電流相互作用的磁力原理，結(jié)合接觸式表面測量儀測頭部分的基本工作原理，觸針在測量過程中會(huì)隨著表面起伏而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而要控制觸針接觸力的部分肯定需要與觸針相互接觸，并能與觸針同時(shí)運(yùn)動(dòng)，所以為了取得運(yùn)動(dòng)中的恒定接觸力，就需要控制磁場中的電流，保證穿過電流的磁場強(qiáng)度始終恒定。因此，恒定的磁場成為微恒力技術(shù)磁力系統(tǒng)磁路方案設(shè)計(jì)的選擇方向。

恒定磁場設(shè)計(jì)需要保證磁感線方向不發(fā)生變化，磁場大小適中，需要線圈中的電流不發(fā)生變化的情況下，保證線圈中的磁力很定，則可實(shí)現(xiàn)磁力的可控。

我們較為熟悉的很定磁場便是U型磁鐵周圍存在的磁場，在U型磁鐵兩級(jí)之間，磁場可被看作均勻磁場，并且磁場方向與兩極垂直，如圖1所示。

如果有恒定的電流垂直紙面而穿過磁場，就會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生穩(wěn)定的磁力。由于磁場強(qiáng)度和方向的很定不變，所以移動(dòng)過程收到磁場力將始終保持恒定，將這一磁場設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于接觸式表面輪廓測量儀的改進(jìn)中，將實(shí)現(xiàn)對觸針接觸力的恒定控制。但因只有在U形磁鐵的部分區(qū)域存在均勻的磁場，其他區(qū)域磁場并非恒定，為了實(shí)現(xiàn)恒定的磁力，就需要合理設(shè)計(jì)通電導(dǎo)線，使其繞成砸，并套在磁鐵的單一磁極上，這樣就會(huì)使部分導(dǎo)線始終處于均勻磁場范圍內(nèi)。但由于另外部分會(huì)始終存在于非均勻磁場中，所以會(huì)對磁力的方向和大小造成影響，無法保證磁力的穩(wěn)定性[ 3 ]。根據(jù)這一問題，我們讓磁場處于通電導(dǎo)體中，通電導(dǎo)體的電流維持恒定，相當(dāng)于產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，雖然磁場并不均勻，但只要能保證某個(gè)區(qū)域維持磁通量恒定，而電導(dǎo)體長度比此段區(qū)域長，區(qū)域外磁通量與區(qū)域內(nèi)磁通量小，則線圈無論如何運(yùn)動(dòng)，都會(huì)保證存在很定的有效電流，穿過有效電流的磁通量不變，則確保了線圈上的力維持恒定。

2.2 磁路設(shè)計(jì)

由設(shè)計(jì)可知，磁力線穿透性好，用已知的磁路來求磁場相對容易，但要根據(jù)已知的磁場來獲取最佳磁路則相對困難。但我們可以通過了解磁的特征，設(shè)計(jì)可行的、想要的磁路。除需要根據(jù)結(jié)構(gòu)與形式的差異來確定磁路的種類。最簡單的兩種磁路分別是串聯(lián)磁路和并聯(lián)磁路。并聯(lián)磁路的磁體磁勢不改變，磁能增加；而串聯(lián)磁路磁體的磁通不變，磁勢增加。由于磁鐵的形狀已經(jīng)固定，不會(huì)輕易改變，并且磁鐵并不能產(chǎn)生需要的最佳磁場，所以可采取面極式磁路，但其缺點(diǎn)為需要要求較高的永磁鐵。通過綜合磁路結(jié)構(gòu)磁場難以控制問題，最終提出環(huán)形磁極方案，該方案的優(yōu)勢在于，氣隙中的磁場處于上端導(dǎo)體位置，線圈縱向深度足夠大時(shí)磁場最強(qiáng)，其他區(qū)域可忽略不計(jì)，從而通過線圈中磁通量的恒定來實(shí)現(xiàn)線圈中磁力的很定。

3 總結(jié)

接觸式表面輪廓測量系統(tǒng)中采用微恒力技術(shù)將有助于實(shí)現(xiàn)對觸針接觸力的很定控制。這一過程設(shè)計(jì)復(fù)雜的磁力學(xué)原理。本次研究對微恒力產(chǎn)生的磁路方案與設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，最終選取了環(huán)形磁極方案，并簡單分析選擇的全過程，期望為今后的研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫艷玲，梁煜恒，常素萍，等.接觸式表面輪廓測量儀的非線性誤差分析與補(bǔ)償[J].計(jì)量技術(shù)，2015，（5）：10-13.

[2] 曹鵬，郎巖梅，霍煒.表面輪廓測量儀角度測量誤差校準(zhǔn)用夾具設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2012（8）：191-192.

[3] 孫艷玲，常素萍.接觸式表面輪廓測量儀測量力線性可控的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2014，35（z1）：34-38.