懸臂式大量程精密三維輪廓測量儀的研制

鄒華東，林勝鵬，張志田

（清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，廣東清遠(yuǎn) 511510）

0 引言

在汽車及其零部件、軸承、內(nèi)燃機(jī)、紡織機(jī)械等機(jī)械制造行業(yè)，大量復(fù)雜零件存在著高精度測量的要求，如汽車軸承的滾道、箱體的直徑、表面粗糙度和形位誤差的測量，傳統(tǒng)的表面形貌與粗糙度測量儀器不能適應(yīng)大量程下大曲率、長溝道等異型曲面表面的動(dòng)態(tài)連續(xù)絕對(duì)測量，無法滿足凸輪形狀、軸承孔徑與齒輪漸開線等高精度大曲率檢測的要求。在新型材料的設(shè)計(jì)與改型方面，對(duì)于材料表面的性能分析中有非常重要的一塊是對(duì)材料表面微觀三維形貌的分析處理，目前的表面粗糙度測量儀大都僅僅對(duì)表面進(jìn)行二維評(píng)價(jià)，對(duì)于三維的特征評(píng)價(jià)指標(biāo)目前市場上很少有成型產(chǎn)品[1-3]。

目前，對(duì)工程表面粗糙度與輪廓同時(shí)測量的儀器還十分缺乏。目前英國泰勒·霍普森生產(chǎn)的Form Talysurf PGI表面粗糙度輪廓儀，采用位相光柵干涉的方法，使用60mm長金剛石測桿，測量量程可達(dá)12.5mm，分辨率高達(dá)0.8nm。這種基于柱面光柵的大量程輪廓測量儀，采用杠桿結(jié)構(gòu)，大量程測量時(shí)，杠桿旋轉(zhuǎn)角度過大，測量接觸點(diǎn)與測量力變化大，導(dǎo)致較大的橫向線性誤差；其次，它的基于光柵原理的增量計(jì)數(shù)方式與無零位結(jié)構(gòu)，當(dāng)杠桿受外界劇烈沖擊時(shí)，易產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)的累積誤差，降低了測量速度，不便于階梯與陡坑的測量。哈量生產(chǎn)的基于電感式的輪廓測量儀，采用兩級(jí)杠桿放大結(jié)構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)大量程輪廓的測量，雖然克服了無零位與光柵計(jì)數(shù)誤差累積的問題，但由于傳感器本身的測量范圍有限，測量范圍放大的結(jié)果使其非線性誤差增加，難以滿足工件表面高精度測量的要求，目前測量范圍：4/20mm，測量精度：0.3%，分辨力：0.25μm/4mm，1.25μm/20mm。華中科技大學(xué)研制的基于邁克爾遜的杠桿式激光干涉測量儀與柱面光柵干涉儀，雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，也極大提高了輪廓測量精度與測量范圍，但由于兩者都采用脈沖計(jì)數(shù)方式，在抖動(dòng)劇烈環(huán)境下，易產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)的缺點(diǎn)，同樣也不適合階梯與陡坑的測量[4-6]。

分析上述的幾種大量程輪廓儀可以看出：一方面它們測量方式上采用單傳感器的結(jié)構(gòu)，無法完成真正大量程的測量，并且測量精度也難以得到保證；另一方面由于采用杠桿的測量結(jié)構(gòu)，當(dāng)杠桿旋轉(zhuǎn)角度過大時(shí)，探針實(shí)際觸點(diǎn)與被測點(diǎn)相差較大，不能反映真實(shí)表面信息。

目前現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展，這些產(chǎn)業(yè)制造的復(fù)雜零件需要對(duì)其表面加工的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控測量，以確保產(chǎn)品的整體品質(zhì)，而目前該類產(chǎn)品基本的精密輪廓測量以控制其加工精度，對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量有促進(jìn)作用，而對(duì)復(fù)雜零件表面的輪廓與粗糙度進(jìn)行同步測量目前技術(shù)難度較大，所以對(duì)該類產(chǎn)品的需求較為迫切，本項(xiàng)目研制的儀器的目的正是基于這方面的考慮，如能夠成功開發(fā)并應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)業(yè)，能夠產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于精密制造業(yè)的品質(zhì)控制具有促進(jìn)作用。

1 儀器基本原理

整個(gè)系統(tǒng)大致有硬件和軟件兩大部分，硬件的主體包含有電感測微系統(tǒng)、應(yīng)變片測力系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，軟件主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、表面粗糙度測量軟件、表面輪廓測量軟件，各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，以完成復(fù)雜形狀工件的表面輪廓和表面粗糙度測量。具體如圖1所示。

圖1 儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.1 二維微位移傳感器基本原理

圖2二維微位移傳感器

圖2 為大量程二維微位移傳感器的基本原理。該傳感器主要由1個(gè)電感位移傳感器和1個(gè)力傳感器組成。其中垂直方向的電感微位移傳感器為主傳感器，負(fù)責(zé)檢測表明形貌在垂直方向的起伏變化，力傳感器是輔助傳感器，當(dāng)觸針在水平方向遇到較大阻力時(shí)（遇到陡坑），此時(shí)簧片7發(fā)生變形，電阻應(yīng)變片8檢測到形變后阻值變化，電阻變化經(jīng)處理電路轉(zhuǎn)換成受力值，當(dāng)該值超過設(shè)定閾值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制掃描工作臺(tái)下降使觸針順利通過陡坑。電感位移傳感器和力傳感器都是安裝在可動(dòng)支架7上，可動(dòng)支架和固定支架通過可變形簧片7連接到一起。當(dāng)觸針發(fā)生垂直位移時(shí)，杠桿繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁芯與線圈間發(fā)生位移，觸針在水平方向受力時(shí)，可動(dòng)框架連接的簧片發(fā)生變形位移，電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化。這樣該傳感器能夠完成雙方向的探測。

圖3儀器測量原理

1.2 儀器測量原理

圖3 為輪廓測量儀的測量原理。對(duì)工件進(jìn)行測量時(shí)，X-Y方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)按照規(guī)定軌跡逐個(gè)點(diǎn)行進(jìn)，此時(shí)工件表面的形貌起伏帶動(dòng)觸針上下移動(dòng)，由電感處理電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過AD采樣和數(shù)據(jù)處理后獲得其高度方向上的微小位移信息。

測量過程中遇到陡坑時(shí)，觸針受力產(chǎn)生導(dǎo)致簧片變形，應(yīng)力傳感器檢測到后由處理電路進(jìn)行處理，如果應(yīng)力超過閾值，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)垂直位移掃描工作臺(tái)下降，使得觸針順利通過陡壁，衍射光柵位移傳感器記錄垂直位移掃描工作臺(tái)的垂直位移量，并加入到由原來電感信號(hào)獲取的位移量中。最后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果送入評(píng)定軟件進(jìn)行處理，得到最終測量結(jié)果。

除此之外，為擴(kuò)大量程范圍和保證電感工作在線性區(qū)域，當(dāng)電感傳感器獲取的垂直方向位移信號(hào)超過規(guī)定閾值時(shí)，垂直位移工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)工件朝反方向運(yùn)動(dòng)設(shè)定距離，使得傳感器工作在正確區(qū)域，以確保獲取到正確數(shù)據(jù)，減少測量誤差。

2 測控電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)處理電路

電感信號(hào)的處理采用基于AD598的信號(hào)處理電路，詳細(xì)見參考文獻(xiàn)7，主要的處理過程為電感信號(hào)經(jīng)過AD598芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，完成后由智奕樂電子公司的AD采集卡USB6005采集，測量數(shù)據(jù)經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)，由于電壓值大小與電感測頭位移成正比例關(guān)系，所以計(jì)算機(jī)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)可以獲得對(duì)應(yīng)的高度位移信息。

對(duì)于應(yīng)力傳感器信號(hào)的處理需要準(zhǔn)確、高精度和快速的轉(zhuǎn)換處理，常用的HX711處理芯片由于響應(yīng)速度慢，不適合該場景使用。AD7190是一款超低噪聲ADC，內(nèi)置E-△調(diào)制器、緩沖器、PGA和片內(nèi)數(shù)字濾波，主要用于測量寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，該器件的抗噪能力很高，非常適合傳感器測量、工業(yè)和過程控制應(yīng)用。

AD7190具有128倍PGA，增益誤差最大是50ppm，這個(gè)參數(shù)是很優(yōu)秀的，同時(shí)積分非線性INL最大為±5ppm，4.8khz最高速率，并提供SINC3與SICN濾波器，非常適合傳感器測試，工業(yè)和過程控制應(yīng)用，特別廣泛應(yīng)用于電子秤和壓力測量。這款器件可配置為兩路差分輸入或四路偽差分輸入，可以對(duì)輸入進(jìn)行緩沖，也可以不緩沖。圖4為基本應(yīng)用電路圖，IN+、IN-、OUT+、OUT-分別對(duì)應(yīng)傳感器電橋電路的四個(gè)引出端子。

圖4 基本應(yīng)用電路圖

AD7190的串行接口包含四個(gè)信號(hào):CS、DIN、SCLK、DOUT/RDY。DIN 線路用于將數(shù)據(jù)傳輸至片內(nèi)寄存器中，DOUT/RDY則用于從片內(nèi)寄存器中獲取數(shù)據(jù)。SCLK是器件的串行時(shí)鐘輸入，所有數(shù)據(jù)傳輸(無論是DIN上還是DOUT/RDY_上)均相對(duì)于SCLK信號(hào)進(jìn)行。圖5為AD采集電路圖，AD7190芯片通過 SCLK，DOUT，DIN 引腳分別和主控芯片STM32F103C8T6的PB4，PB5，PB6引腳連接，兩者之間采用SPI通訊。主控芯片通過SPI通訊可以獲取AD7190的轉(zhuǎn)換值，完成后通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換值可以獲取二維微位移傳感器的受力情況，通過受力判斷來控制垂直位移工作臺(tái)的垂直位移。

圖5 AD采集電路圖

2.2 運(yùn)動(dòng)控制電路

三維輪廓測量儀的運(yùn)動(dòng)控制電路主要用于控制包括X-Y精密位移工作臺(tái)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)Z方向垂直位移工作臺(tái)。圖6為運(yùn)動(dòng)控制電路的框圖。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制電路的框圖

衍射光柵位移傳感器用于Z方向垂直位移工作臺(tái)的位移計(jì)量，光柵位移傳感器的信號(hào)經(jīng)過差分放大電路處理后，經(jīng)過過零比較器，轉(zhuǎn)換為兩路相差為90度的方波信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)過通用可編程邏輯芯片GAL20V8作四細(xì)分處理，完成后送入單片機(jī)進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)，最后將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理得到Z方向的位移。當(dāng)壓力傳感器處理電路采集到的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，觸發(fā)垂直位移傳感器向下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)控制由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)獲得數(shù)據(jù)信息后將其轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號(hào)，控制16位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD669進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，然后通過高壓驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行移動(dòng)，并根據(jù)反饋回來的Z向位移信息進(jìn)行閉環(huán)控制。

X-Y精密位移工作臺(tái)由計(jì)算機(jī)通過雷賽運(yùn)動(dòng)控制卡DMC1340發(fā)出對(duì)應(yīng)的方向和脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器后控制伺服電機(jī)按照預(yù)定的采集路徑進(jìn)行信號(hào)采集，每經(jīng)過一個(gè)位置點(diǎn)，電感測微傳感器采集一次Z方向的位移信息。

3 三維輪廓評(píng)定軟件實(shí)現(xiàn)

在C++builder6.0開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了三維輪廓評(píng)定軟件，在軟件界面上有測量參數(shù)、濾波方式、評(píng)定區(qū)域和評(píng)定參數(shù)選擇，還可以直觀地看到測量、濾波及評(píng)定效果以及控制伺服電機(jī)速度，形成一個(gè)虛擬儀器人機(jī)交互界面。

評(píng)定參數(shù)中除了國標(biāo)中規(guī)定的Ra、Rz、Ry、S、Sm、tp外，還有根據(jù) GB/T33523規(guī)定的 14 個(gè)形貌參數(shù)[2，7]，分別為 Sq、Sz 、Ssk、Sku 、Str 、Sal、Std、SΔq 、Ssc、Sdr 、Sbi、Sci和 Svi。

三維輪廓測量軟件的主體界面如下：

圖7 三維輪廓測量軟件主體界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 儀器精度測試

為了驗(yàn)證儀器的精度，對(duì)中國計(jì)量院提供的A8149多刻線樣板進(jìn)行了測量，樣板的標(biāo)準(zhǔn)值為0.344μm，采樣間隔為1μm,采樣長度l=0.4mm,評(píng)定長度Ln=2l=0.8mm。在同一位置反復(fù)測量5次后，得到示值誤差為4.2%，示值變動(dòng)性為3.5%。圖8為其中一次的粗糙度曲線,評(píng)定結(jié)果為0.32μm.

圖8 標(biāo)準(zhǔn)樣塊的輪廓曲線

4.2 應(yīng)用測試

為檢測輪廓測量儀對(duì)于起伏較大工件的測量效果，取直徑為2mm的鋼球進(jìn)行測量。圖9為直徑為2mm的鋼球原始輪廓測量曲線，經(jīng)多項(xiàng)式濾波后的表面粗糙度曲線見圖10,取樣長度為0.25mm，評(píng)定長度Ln=2l，測得 Ra為 0.41μm。

圖9 鋼球表面輪廓測量曲線

圖10 鋼球表面粗糙度曲線

5 小結(jié)

本文介紹的懸臂式大量程輪廓測量儀，采用二維微位移傳感器，配合垂直位移工作臺(tái)，對(duì)于深溝類和表面輪廓起伏較大的部件也能夠滿足測量要求，三維輪廓評(píng)價(jià)軟件具有測量形貌和評(píng)價(jià)表面粗糙度等功能。