大中型精密钢球专用电动轮廓仪的设计

　　该文介绍一种适用于大中型精密钢球表面粗糙度测量的电动轮廓仪的工作原理和设计万案。仪器根据M制轮廓针描法原理进行设计。由于采用了特殊结构的高灵敏度压电传感器和极低自振量的旋转式电动驱动机构，使仪器的“虚假信号”降低到了(0.002一0.003) u m(Ra)、示值变动性达到(0.001一0.002) a m(Ra)水平。

　　1前言

　　对精密钢球表面粗糙度开展有效测量是轴承行业函待解决的大间题。由于成品钢球表面粗糙度规定值非常小L一般可小于0.01 N., m( Ra)]，而且又是球面形状，因此测量时的外部干扰和仪器自身干扰、以及被测钢球形状特性都将严重影响测量结果的可信度。

　　本文涉及的钢球专用电动轮廓仪，由于采用了特殊结构的触针式压电传感器、极低自振量的回转式驱动机构以及有效的信号处理方法，使仪器关键技术指标达到了较高的实用水平。经国内重点钢球生产企业多年来的使用表明，仪器能完全满足精密钢球产品质量检验与控制的要求，其外形见图1.

　　2　仪器工作原理

　　为了消除被测钢球球面形状对测量结果的影响，仪器采用回转式驱动机构和传感器刚性连接测量方式。测量时，要求驱动机构回转中心穿过被测钢球的几何球心;压电传感器固定在工作台立柱上，其外壳以刚性方式连接，传感器触针压缩一很小位移量后放置在被测钢球表面最高点;当驱动机构带动被测钢球作匀速平稳转动时，传感器同步采集钢球表面粗糙度的微观轮廓形貌，并将其转化为相应的轮廓电信号;通过仪器对输出信号的预处理、A/D 转换和计算机对信号的进一步处理，以及按表面粗糙度参数标准定义进行运算，最后输出钢球表面粗糙度的测量结果，其工作原理见图2。该仪器具有两项表面粗糙度高度参数的测量运算功能。

　　3主要技术分析

　　3.1传感技术

　　传感器设计的优劣是关系到整台仪器研制成败的关键。为提高仪器测量灵敏度和测量结果的一致性，对原有的高灵敏度压电传感器进行了重新改进设计，以满足检测钢球表面粗糙度微弱信号的特殊要求。

　　(1)为提高传感器灵敏度，将压电元件由串联电荷输出方式改为并联输出方式，这样可以较大幅度提高传感器的灵敏度和信噪比，其结构见图3。当图中a点形变vs-o.ol,}m时，根据下式并代人设计参数，可得传感器输出电荷变化量.

　　(2)测量时传感器壳体采用刚性连接方式，去掉其导头，由驱动机构回转轴提供测量基准线。这样既使传感器触针方便地瞄准被测钢球的测量面，减少测量误差，又使传感器触针与钢球切平面处处垂直，符合相关标准定义，也避免了使用导头带来的不稳定性。