一种新型滚动轴承表面形貌测量仪

　　随着现代图像分析、数据处理等科学技术的不断进步,表面形貌的检测技术也发生了根本性的变化,从广泛使用了近60年的二维轮廓界面的测量评定,发展到定量化三维表面形貌的测量评定,从传统的对平面表面形貌的测量评定,发展到对曲面表面形貌的测量评定[1-2]。对于轴承表面形貌的测量也是如此。然而,大多数传统接触式形貌测量仪器由于本身在设计方案上的局限性,无法很好地兼顾测量精度与量程,且没有大量程三维形貌测量的功能。

　　本文介绍的是一种经过全新设计的、测量原理不同于传统形貌测量仪器的大量程、高精度轴承表面二维及三维形貌测量仪,其采用新型二维位移传感器和基于激光垂直扫描的三维位移工作台,构成一个使杠杆在每一个采样间隔都能回到平衡位置的闭环控制系统,在量程增大时测量精度保持不变,传感器的测量触针能轻松越过各种沟槽和陡壁。

　　1 测量原理

　　仪器的测量原理如图1所示。测量时,计算机发出驱动控制指令使x-y二维工作台逐个采样间隔移动,触针在被测工件的表面微观峰谷上扫描,引起二维位移传感器中的垂直位移传感器(主传感器)产生一个零位偏移量,计算机根据该零位偏移量来控制z方向伺服电机和压电陶瓷驱动器驱动垂直扫描工作台沿直线导轨作垂直运动,使杠杆又回到平衡位置,同时零位偏移量恢复零值。因为在每个采样间隔中杠杆都要回到平衡位置,所以大大减小了测量的非线性误差。

　　在测量过程中,当触针碰到陡峭轮廓表面时,水平方向的阻力会引起二维位移传感器中的水平位移传感器(辅助传感器)发生零位偏移量。一旦该零位偏移量超过某个设定值,垂直扫描工作台就会下降,直到零位偏移量小于设定值,从而使触针顺利地划过陡峭轮廓表面。

　　对于每个采样间隔,衍射光栅位移传感器记录下垂直扫描工作台的垂直位移量,这一过程称为垂直扫描。最后将垂直扫描的结果(即z轴坐标值)结合采样点的x和y轴坐标值输入评定软件进行处理从而得到最终的测量结果。

　　2 二维位移传感器

　　传统触针式形貌测量仪器均采用一维位移传感器,而本轴承形貌测量系统却采用一种新型二维位移传感器。图2为这种新型二维位移传感器的结构原理,其由两个差动电感位移传感器组成,一个垂直位移传感器用于探测触针的垂直位移,另一个水平位移传感器用于探测触针的水平位移。新型二维位移传感器结构特征是:固定支架通过四个平行簧片与可动支架连接,固定支架和可动支架之间安装有水平位移传感器,杠杆的一端安装触针,另一端安装垂直位移传感器。当触针发生垂直位移时,杠杆将绕着杠杆支点转动,使主传感器的磁芯相对于线圈运动;当触针发生水平位移时,可动支架通过四个簧片整体沿x方向作水平摆动,使辅助传感器的磁芯发生相对于线圈的运动。