接触式表面轮廓测量系统中的微恒力技术浅谈

王亚萍 张玉明

摘 要：接觸式测量法在表面形貌的测量上应用广泛，具有操作简单、直观可靠且通用性等优秀特征，实际应用中效果明显。但其应用中存在一定的技术缺陷，本文就缺陷进行分析，并探究微恒力技术在改善接触式表面轮廓测量缺陷中的原理及方案选择。

关键词：接触式表面轮廓测量仪；磁力学；微恒力技术

工件表面特征测量时工业生产中重要的工序之一，在众多测量仪器中，接触式表面轮廓测量仪的应用较为广泛，但在接触式表面轮廓测量仪使用过程中存在一个重大的技术问题，也就是测头接触力难以掌控的问题[ 1 ]。为解决这一问题，磁力学基础下提出的微恒力技术逐渐被提出并应用与该测量系统当中，对解决仪器测头接触力的掌控起到了重要作用。

1 接触式测量法及存在的技术问题

在工业生产中，工件表面测量时常采用接触式测量方法，这种方法属于最基本的表面轮廓测量方式，该方式的测量原理通常都采取杠杆原理，实现传感器与杠杆的非触针端间接或直接接触，利用传感器实现触针位移信号与电信号之间的相互转换，再经过计算机的分析处理，即可得出工件的表面轮廓特征。

实际工作测量中，可能会根据工件表面情况采取不同的测量方法，而不同的方法存在各自的优缺点。接触式测量仪所利用的触针通常由金刚石构成，或由其他坚硬度较高的材料制成，在测量时触针的针尖在接触表面形成轨迹，从而勾画出表面轮廓信息。在这一过程中，触针需要同被测量的工件表面接触，为了保证测量较深的沟槽或凹坑，且保证测量过程触针移动速度更快，就必须确保接触力够大。

而测量力的大小可能会造成测量表面发生形变，影响触针与表面的接触。同时，接触力过大，可能造成触针划入测量工件的表面，形成划伤。因此，在高精度测量或者软表面工件测量中，接触式测量仪并不适用[ 2 ]。

若能够解决接触式表面测量仪的测头力恒定问题，将会使这一测量方式得到更广泛的应用，且能提升测量结果的精确性，由此可见，研究接触式表面轮廓测量触针接触力的恒定控制至关重要。

2 微恒力技术在接触式表面轮廓测量系统中的应用

为了实现对接触式表面轮廓测量方法中就触针接触力控制的技术难题，通过分析相关理论知识发现，电磁学中的磁场与电流的相互作用将会产生磁力，而恒定的电流与恒定的磁场将产生恒定的磁力，将恒定的磁力应用于接触式表面轮廓测量仪中，则可以实现对触针接触力的恒定控制。具体设计如下：

2.1 微恒力技术磁力系统的磁路方案

根据磁场与电流相互作用的磁力原理，结合接触式表面测量仪测头部分的基本工作原理，触针在测量过程中会随着表面起伏而发生运动，而要控制觸针接触力的部分肯定需要与触针相互接触，并能与触针同时运动，所以为了取得运动中的恒定接触力，就需要控制磁场中的电流，保证穿过电流的磁场强度始终恒定。因此，恒定的磁场成为微恒力技术磁力系统磁路方案设计的选择方向。

恒定磁场设计需要保证磁感线方向不发生变化，磁场大小适中，需要线圈中的电流不发生变化的情况下，保证线圈中的磁力很定，则可实现磁力的可控。

我们较为熟悉的很定磁场便是U型磁铁周围存在的磁场，在U型磁铁两级之间，磁场可被看作均匀磁场，并且磁场方向与两极垂直，如图1所示。

如果有恒定的电流垂直纸面而穿过磁场，就会在导线上产生稳定的磁力。由于磁场强度和方向的很定不变，所以移动过程收到磁场力将始终保持恒定，将这一磁场设计方案应用于接触式表面轮廓测量仪的改进中，将实现对触针接触力的恒定控制。但因只有在U形磁铁的部分区域存在均匀的磁场，其他区域磁场并非恒定，为了实现恒定的磁力，就需要合理设计通电导线，使其绕成砸，并套在磁铁的单一磁极上，这样就会使部分导线始终处于均匀磁场范围内。但由于另外部分会始终存在于非均匀磁场中，所以会对磁力的方向和大小造成影响，无法保证磁力的稳定性[ 3 ]。根据这一问题，我们让磁场处于通电导体中，通电导体的电流维持恒定，相当于产生稳定的磁场，虽然磁场并不均匀，但只要能保证某个区域维持磁通量恒定，而电导体长度比此段区域长，区域外磁通量与区域内磁通量小，则线圈无论如何运动，都会保证存在很定的有效电流，穿过有效电流的磁通量不变，则确保了线圈上的力维持恒定。

2.2 磁路设计

由设计可知，磁力线穿透性好，用已知的磁路来求磁场相对容易，但要根据已知的磁场来获取最佳磁路则相对困难。但我们可以通过了解磁的特征，设计可行的、想要的磁路。除需要根据结构与形式的差异来确定磁路的种类。最简单的两种磁路分别是串联磁路和并联磁路。并联磁路的磁体磁势不改变，磁能增加；而串联磁路磁体的磁通不变，磁势增加。由于磁铁的形状已经固定，不会轻易改变，并且磁铁并不能产生需要的最佳磁场，所以可采取面极式磁路，但其缺点为需要要求较高的永磁铁。通过综合磁路结构磁场难以控制问题，最终提出环形磁极方案，该方案的优势在于，气隙中的磁场处于上端导体位置，线圈纵向深度足够大时磁场最强，其他区域可忽略不计，从而通过线圈中磁通量的恒定来实现线圈中磁力的很定。

3 总结

接触式表面轮廓测量系统中采用微恒力技术将有助于实现对触针接触力的很定控制。这一过程设计复杂的磁力学原理。本次研究对微恒力产生的磁路方案与设计进行分析，最终选取了环形磁极方案，并简单分析选择的全过程，期望为今后的研究提供参考。

参考文献：

[1] 孙艳玲，梁煜恒，常素萍，等.接触式表面轮廓测量仪的非线性误差分析与补偿[J].计量技术，2015，（5）：10-13.

[2] 曹鹏，郎岩梅，霍炜.表面轮廓测量仪角度测量误差校准用夹具设计[J].机械工程师，2012（8）：191-192.

[3] 孙艳玲，常素萍.接触式表面轮廓测量仪测量力线性可控的研究与实现[J].计量学报，2014，35（z1）：34-38.