刀具刃口检测系统的误差分析

陶志建，张 伟

（大连工业大学 机械工程与自动化学院，大连 116340）

刀具刃口检测系统的误差分析

陶志建，张 伟

（大连工业大学 机械工程与自动化学院，大连 116340）

0 引言

触针式轮廓测量是表面形貌测量的重要方式，广泛应用于机械、微电子等工业领域[1]。该刀具刃口检测系统就是利用了这样的测量方式对刃口进行检测。测量时由触针沿被测刃口做接触扫描，由杠杆、杠杆支承及拉紧弹簧组成的测量机构带动电感位移传感器的衔铁做相应运动，将检测到的刀具表面轮廓信息转化为与之对应的电压信号，经信号放大处理系统后得到数字信号，并由软件处理，最终得到刃口的表面二维轮廓。该机构特点为:运动灵活，调整方便，对外界干扰不敏感，工作稳定可靠。但由于整个系统由很多部分构成，存在着很多影响测试精度的因素，主要有杠杆几何结构引起的误差、传感器本身输出特性的非线性、零位误差、载波信号幅度和频率的波动、温度变化等影响因素。这些都会造成测量误差，从而影响系统的精度。

1 杠杆几何结构引起的误差

该测量系统杠杆位移传感器采用杠杆传动结构，测力的方向和大小可以调节。在实际测量过程中，杠杆总是绕着支撑点旋转，所以触针在上下方向的轨迹实际上是一段弧线，实际采样点的位置就会因为触针的弧线轨迹而与被测表面坐标点产生误差，由此可以得知被测点的实际坐标值与杠杆转动角度并不是线性关系，从而引起的测量误差。而且这个误差会随着量程越来越大，这是杠杆式仪器普遍存在的量程与测量精度的矛盾。

2 非线性输出引起的误差

在检测过程中，在触针的带动下，与触针相连的杠杆另一端的衔铁在电感线圈中上下移动，使接入电桥两臂的电感信号发生变化，但是这里的电桥输出信号与衔铁的位移量只有在电感的线性区之内才是线性的，而在线性区之外则是非线性的，并且量程越大非线性误差也就越大。

假设线圈内磁场强度均匀，则有如下关系：

式中：L——单个线圈的电感量，N——单个线圈的匝数，r——线圈的平均半径，l——单个线圈的长度，I0——衔铁进入单个线圈的长度，µ0——空气隙的磁导率，r0——铁芯半径，µm——铁心的有效导磁率。

单个线圈的灵敏度为：

由于使用单个线圈的非线性误差比较大，所以电感式轮廓仪一般使用差动电感线圈传感器，它的输出线性较单个线圈电感传感器有所改善。但是，实际上无论是单个线圈还是差动型传感器的线性输出范围一般都小于电感位移传感器的螺管线圈全长的25%。

由图1可以看出，电感位移传感器的线性范围只局限平衡点附近在很小的区域内，随着输入位移的增大，非线性误差也随之增大。这就意味着要保证传感器的精度，必然要求其工作于线性区域范围内，因此限制了传感器的量程。

图1 电感输出特性曲线

3 零位误差

电感传感器采用差动螺管式，触点位于磁筒内两差动线圈的中垂线上。理论上讲，当触针的针尖触点与中间位置持平时，输出电压为零。而在实际上，当触点的位移为零时，传感器输出电压并不为零，而是有零点残余电压存在，这样就造成了零位误差。产生零位误差的主要原因有：

1）差动式电感传感器的两个电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不完全对称；

2）传感器存在铁损，传感器工作在磁化曲线的非线性段；

3）激励电源信号中含有高次谐波。

零点残余电压的危害极大，它会降低测量精度和灵敏度，减小零点残余电压的措施是减少激励电源中的谐波成分，使之工作在磁化曲线的线性段。此外，为了消除零点残余电压还可以在差动电桥中接入可调电位器，当电桥有起始不平衡电压时，通过调节电位器使电桥达到平衡。

4 测量力引起的误差

在杠杆触针式传感器中，测量力主要依靠测力弹簧的弹性变形来提供，并通过调节弹簧不同的变形来实现测量力的调节。测力弹簧采用两根拉簧作双向调节，固定方式为两端铰链。当调节螺钉处于中间位置时，两拉簧同时被拉长、测力为零，当其中一根拉簧偏离中间位置时，测力方向向上。因此测力可根据需要调节。

在使用该系统对刀具刃口部位进行扫描的过程中，为了保证触针与刃口轮廓表面可靠接触，需要有一定的测量力的存在，虽然这个力很小，但由于触针针尖半径很小，则被测表面承受的压强是相当大的。这就会在被测表面上留下划痕从而影响测量精度。一般情况下，随着量程的增大，弹簧的弹性变形以及随之产生的测量力也会增大，触针对工件轮廓的划伤也会更加严重。因此，测量力是影响触针式仪器性能提升的一个重要因素。

对于精密测量，需要保证测量杆触头与被铡工件之间适当的接触力。接触力过大可能会因为测量系统刚度不足而引起触头与被测工件之间的附加位移；接触力太小，尘土膜及其他干扰可能会使测量触头与被测工件接触不充分，这些都将影响测量的稳定性和精度。该测量仪允许的最大测量力为1.5～2.5N，满刻度测量力的交化为0.35～0.6N，一般而言，对于“比较铡量”的传感器，在整个量程范围内的测量力一般不应该超过1.5N，而最小的测量力不允许小于0.5N。设传感器规定的总量程为Y，则在该量程范围内，测量力的变化不应该超过1.5N，而在保证一定的测量预压力(-20.5N)的条件下的有效测量量程（即示值范围ΔY），其测量力的变化不允许大于1N，

在静态测量中，随着量程的增大，触针的测量力也随之增大，当测量力超出被测件材料的许用应力时，就会产生变形影响测量的精度，为使测量力减小并满足轮廓测量标准的要求，必然要求传感器工作在小范围内，这也使得测量仪的量程受限。

5 结论

1）测量机构是刃口测量系统的关键部件。为实现高精度轮廓测量，必须有性能优良的测量机构；

2）采用电感式传感器的测量机构，具有运动灵活、精度高、测量力调整方便、工作可靠等优点。本文对机构的动态特性进行了分析，并得到了测量力动态变化规律，从而为高精度轮廓测量仪的研制提供了理论基础；

3）通过合理设计传感器的安装角度，可消除测量中的非线性二次项误差，使触针位移与传感器磁芯轴向位移之间具有良好的线性关系，经线性电路及计算机处理后，得到真实的表面轮廓；

4）主要对该检测系统作了误差分析。对传感器和电桥本身输出特性的非线性、零位误差等几个造成系统测量误差的因素作了定性分析。然后通过误差补偿，完全满足工业生产和科研实验的需要。

[1]王云庆,李庆祥.薛实福.LSI制造与测试[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.陈松淇著.机械振动[M].科学出版社,1985:8-36.

Tool edge detection system error analysis

TAO Zhi-jian, ZHANG Wei

在刃口检测系统中，测量机构是实现高精度轮廓测量的关键。刀具刃口检测系统测量机构由于复杂的系统结构，存在着许多影响精度的因素。本论文对对系统所存在的误差进行了分析，其中包括杠杆几何结构引起的系统误差，传感器的零位误差以及电感自身的的非线性误差等等。通过分析并补偿这些误差就可以保证测量结果的可靠性。

刃口检测；误差分析；非线性误差

陶志建（1984 -），男，河北沧州人，硕士，研究方向刀具钝化参数检测。

TG806

A

1009-0134(2011)5(上)-0082-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).29

2011-02-01