接触式二维形貌测量仪

　　20世纪30年代初德国首先对表面微观粗糙度参数进行定量测量,随后出现了一些基于机械和光学方法实现信号转换的表面特征记录仪器。美国、英国等国相继生产了表面轮廓仪,并迅速取得表面特征测量领域中的主导地位。中国研究开发较晚,20世纪50年代开始研究粗糙度测量,80年代开始研究二维轮廓测量。近年来,随着传感技术的发展和精密机械制造业的市场需求,二维形貌测量仪开始逐步得到国内研发人员的重视和关注。

　　触针式二维形貌仪是目前最常用、最可靠的二维形貌测量仪,并且一直是各国相关国家标准及国际标准制定的依据。其中有关表面粗糙度的测量仪更是接触式二维形貌测量仪的典型仪器。本文对新开发的二维形貌测量仪进行了介绍。

　　1 测量原理及特点

　　采用二维直角坐标测量原理。x方向,直流电机带动精密滑动导轨作为传感器移动装置,并通过高精度的光栅尺进行测量,建立x坐标的精密测量基准;z坐标有高精度大量程差动电感式传感器来实现二维形貌的测量,立柱导轨的上下位移量可通过绝对编码器进行测量和定位(行程可达400mm以上)。测量过程中,被测件置于多维调整台上。将电感传感器探头伸到被测部位,按规定的x向移动范围进行测量,传感器的位移量经前置电路处理及A/D转换后送入计算机,在专门对此装置开发的测量软件中进行分析和有针对性的数据处理,测量并显示真实的测量曲线,再经放大、误差修正和数据处理后,按照各种需要的二维形貌技术参数给出相应的测量结果。

　　由于基准直线运动采用专门设计制作的摩擦系数小的精密滑动导轨,故移动精度高、稳定性好、寿命长,而且运动灵活性好、直线性好、操作方便;运动距离采用光栅尺计量,x轴的尺寸坐标精确;数据采集及数据处理均采用计算机,故测试精度高、测试功能多样,又可方便地大量存储数据、打印图形和数据。

　　其主要性能指标如下:

　　(1)使用范围:x方向移动范围≤200mm;z方向移动范围≤400mm。

　　(2)测量范围:高精度测量量程为±0.5mm,分辨率为0.01μm;大量程测量量程为4mm,分辨率为0.1μm;导轨直线性系统精度≤0.2μm/30mm;光栅尺:分辨率为0.5μm,全长误差为±1μm;z方向编码器:1024点/周, z向系统分辨率为4μm。

　　(3)测量误差:轮廓和波纹度3%;粗糙度0.02%~1%。

　　2 仪器的机械设计

　　仪器机械结构如图1所示。立柱导轨垂直安装在测量基座右侧,传感器驱动箱安装在立柱上;工作台安装在基座上,可水平左右移动;金刚石测针插进驱动箱一侧下端的电感传感器内,向着工作台,可在x向电机的带动下经过x向传动系统沿x向导轨水平左右移动,移动距离由x向光栅采集并将信号经过采集卡送入计算机,传感器在左右移动过程中,两端由x向限位装置进行限位;驱动箱安装在z向传动系统中的丝杠螺母上,驱动箱在z向电机的带动下随z向传动系统在立柱上可垂直移动,移动距离由z向编码器采集和处理后送入计算机。