大型輪廓測量儀

張慧，宋曉波，張帥軍，王典仁

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039；3.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

大型軸承先進制造技術已開始推廣，公差等級為P2的軸承制造技術和公差等級為G5的鋼球磨研技術等已在生產中應用，這就要求輪廓和粗糙度等二維表面形貌測量儀滿足先進制造技術的要求，提升測量精度和測量范圍。目前，市場上針對內徑300 mm以上精密零件表面輪廓的測量主要采用便攜式輪廓測量儀，此類測量儀分辨率低，粗糙度測量量程小，測量參數(shù)單一，不能滿足現(xiàn)代制造技術的要求，為此開發(fā)了一種高精度大型輪廓測量儀。

1 測量原理

如圖1所示，大型輪廓測量儀采用二維直角坐標測量原理。水平方向驅動箱由電動機通過同步帶傳動，帶動精密滑動導軌進行水平方向的移動，并通過高精度的光柵尺進行測量，建立X坐標的精密測量基準。被測件表面形貌的測量通過高精度大量程差動電感式傳感器實現(xiàn)，測量量程可達±10 mm。垂直方向的升降采用立柱導軌實現(xiàn)，立柱導軌采用大理石立柱作為基準面，采用編碼器進行下位移量的測量和定位，通過大功率步進電動機和滾珠絲杠調節(jié)立柱的升降。

圖1 測量原理示意圖Fig.1 Diagram of measuring principle

測量時，被測工件置于測量工作臺上，移動立柱裝置，使傳感器測頭接近工件，然后通過操縱桿將電感傳感器測頭伸到被測部位，輸入測量長度開始測量。測量過程中，傳感器由水平導軌帶動，沿工件表面采集變化信號，同時通過高精度光柵尺采集水平方向相應位置信號，傳感器的位移量經信號解調、濾波放大等前置電路處理及AD轉換后與光柵采樣的X向位置信號一起送入計算機，兩者組成二維坐標。測量結束后在專用測量軟件界面顯示真實的測量曲線，經誤差修正和數(shù)據(jù)處理（濾波、最小二乘等）后，可按GB/T 3505—2009《產品幾何技術規(guī)范（GPS） 表面結構 輪廓法 術語、定義及表面結構參數(shù)》給出輪廓度、波紋度、粗糙度等二維形貌測量結果，也可給出曲率半徑、凸度、雙溝中心距、倒角、溝槽等尺寸測量結果［1］。

2 性能指標

測量范圍：內徑φ320≤d≤φ440 mm；外徑φ480≤D≤φ650 mm；粗糙度測量誤差2%＋4 nm。

輪廓半徑測量誤差：半徑名義尺寸的0.02%～0.1%。

X向導軌有效行程≥200 mm，直線精度≤1μm，移動速度可選0.5，1 mm/s。

Z向立柱導軌有效行程≥400 mm，速度可選0.5，1，3 mm/s；

Z向提升裝置有效行程≥300 mm，移動速度10～15 mm/s。

3 主要結構設計

3.1 整體結構

大型輪廓測量儀的整體結構如圖2所示，測量儀配有粗糙度（高精度）和輪廓（大量程）2種傳感器，根據(jù)被測件測量參數(shù)選擇合適的傳感器和測針。首先通過Z向提升裝置使被測工件接近傳感器，通過操作桿上下移動Z向立柱導軌和X向水平導軌，使測針接觸被測工件，然后通過工作臺的各個旋鈕找準測量部位，輸入測量長度后開始測量，測量完畢后計算機對所有的X向和Z向測量數(shù)據(jù)進行處理和存儲，最后按照用戶需求顯示二維形貌測量的各種參數(shù)，還可對測量結果進行存儲和打?。?］。

圖2 結構示意圖Fig.2 Diagram of structure

3.2 電感傳感器

粗糙度傳感器具有精度高，靈敏性強，測力小等特點，非常適合工件表面粗糙度的測量；輪廓傳感器具有量程大，精度高等特點，適合大型軸承套圈溝道輪廓的測量。這2種傳感器均采用螺管式差動電感線圈作為信號發(fā)生源，既可用于微小位移測量，又可用于一般量程測量。另外，采用滾動式導向回轉支承作為測桿旋轉移動支承點，摩擦小，回程誤差和重復性誤差也相對較??；采用杠桿自重觸壓被測輪廓，配合測力彈簧及平衡套平衡自重的方式調整測量力的大小。

傳感器采用螺管式差動電感線圈作為信號發(fā)生源，其中電感線圈的設計尤其關鍵，直接影響到儀器的測量精度。設線圈窗口面積為SN，導線直徑為d1，則線圈匝數(shù)N為

式中：kN為窗口充填系數(shù)，與繞制工藝有關，一般取0.4～0.7。

電感值與窗口面積和導線直徑的關系為

式中：Rm為磁路磁阻。

在不考慮渦流損耗和磁滯損耗的情況下，磁芯在雙線圈中心位置時，單個線圈的品質因數(shù)為

式中：ω為電源角頻率；Rc為銅損電阻；f為電源頻率；l為線圈平均匝長；ρ為導線材料電阻率。

由以上公式可以看出，為獲得適當大的電感值與較高的品質因數(shù)，應考慮：1）增大窗口面積；2）窗口設計成細長形，減小l值；3）選擇較細的高強度漆包線作為導線，一般選用線徑為d1＝0.04～0.16 mm。為使導線強度可靠，制造時將線圈繞好后用膠粘結于骨架內。

在以上設計基礎上，測量儀中傳感器線圈的設計參數(shù)為：磁芯和磁套選用坡莫合金，磁芯外徑2.5 mm，長度4 mm（導磁長度）；線圈內設有內骨架，中有隔墊，外有磁套，線圈線徑0.053 mm，分兩端，有中間抽頭，每段700匝以上；2個線圈的單個電阻值為105～110Ω，總阻值為215～220Ω。

3.3 X 向水平導軌

3.3.1 主要結構

X向需要高移動精度，保證傳感器測頭在測量粗糙度時可以精確地測量被測工件的微觀不平度間距。定導軌要求傳動配合面（上表面）直線度小于1μm，動導軌與定導軌的接觸部位采用尼龍鑲頭，并在鑲頭中心填充存油物，而且可以考慮在定導軌表面涂覆固體潤滑脂，從而保證動導軌在定導軌上移動時有良好的移動精度，不產生爬行現(xiàn)象。定導軌采用的材料經過淬、回火及多次穩(wěn)定處理。上導軌和前導軌的鑲頭制作成固定形式以保證在測量過程中的移動精度；下導軌以及后導軌的鑲頭采用彈性方式，以消除定導軌側面和下表面的平面度及平行度誤差，以及長期測量過程中出現(xiàn)磨損時帶來測量誤差［3］。

3.3.2 直線性誤差

定導軌配合面的直線性是影響測頭移動精度的關鍵因素。測量儀定導軌的直線性為0.5 μm/200 mm，滿足測量要求；為了更好地消除X向的測量誤差，設計時在X向導向裝置中增加了零位檢測開關，采用高精度光柵尺實現(xiàn)X向全程定位，并通過測量標準平鏡進行X向的全程線性修正。

傳感器對平鏡在X向全程（200 mm）得到一組測量數(shù)據(jù)（PXi，PYi），經低通濾波后得到一組濾波后的數(shù)據(jù)點（PXi1，PYi1），再用最小二乘法進行計算，得到最小二乘直線上的點（EXi，EYi），然后對數(shù)據(jù)點（PXi1，PYi1）進行B樣條曲線擬合，得到（BXi，BYi），按照傳感器分辨率取值間隔和X向等值取樣的方式得到數(shù)據(jù)表（EYi，BYi），實際測量時在導軌的每一點通過數(shù)據(jù)表替換的方法消除X向導軌在每一點的直線性偏差。

3.4 Z 向立柱導軌和Z 向提升裝置

Z向調整包含Z向立柱導軌和Z向提升裝置兩部分。為減小定導軌的摩擦因數(shù)并提高定導軌的耐磨性能，Z向立柱導軌采用花崗巖材料并進行表面拋光處理，導軌的鑲頭采用與X向導軌一樣的結構形式。Z向提升裝置采用高精度重載直線導軌作為導向，通過滾珠絲杠進行傳動，兩者配合使用可以實現(xiàn)Z向測量位置的快速定位［4］。

4 電氣設計

電氣部分采用電感式位移傳感器及測量電路，精密光柵及計數(shù)細分卡，水平方向采用直流減速電動機及其控制電路，垂直方向采用絕對值型編碼器，側掛裝置采用步進電動機及其控制電路，實現(xiàn)快速升降和精確定位，采用高精度多功能數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其工作原理框圖如圖3所示。

圖3 電氣設計原理框圖Fig.3 Block diagram of electrical design principle

5 軟件設計

測量軟件的設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of software design

6 試驗分析

選取粗糙度樣板和標準球作為試驗數(shù)據(jù)分析樣件，測試結果見表1。由表可知，測量儀達到了預期的性能和指標，部分性能和指標也達到了國外較高水平，測量結果可以作為數(shù)據(jù)依據(jù)，對軸承套圈加工設備進行有效調整，從而有效地保證了軸承的各方面性能要求。

表1 儀器測值示值誤差試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of indication error of measured valve of instrument

7 結束語

大型輪廓測量儀是針對內徑300 mm以上的軸承套圈零件輪廓進行有效、準確測量的儀器，具有測量精度高，定位快速可靠等優(yōu)點，用戶可以通過檢測結果對加工設備進行調整，提高產品的加工精度和可靠性，有效地解決了大型軸承產品在套圈滾道加工過程及終檢中相關尺寸的精密測量問題。

目前，正在對表面粗糙度Ra值很小的球面測量數(shù)學模型的完善，線性誤差的減小等問題進行更深入的分析，以使測量儀能夠獲得更高的測量精度，達到國際領先水平。