大型轮廓测量仪

张慧，宋晓波，张帅军，王典仁

（1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039；3.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

大型轴承先进制造技术已开始推广，公差等级为P2的轴承制造技术和公差等级为G5的钢球磨研技术等已在生产中应用，这就要求轮廓和粗糙度等二维表面形貌测量仪满足先进制造技术的要求，提升测量精度和测量范围。目前，市场上针对内径300 mm以上精密零件表面轮廓的测量主要采用便携式轮廓测量仪，此类测量仪分辨率低，粗糙度测量量程小，测量参数单一，不能满足现代制造技术的要求，为此开发了一种高精度大型轮廓测量仪。

1 测量原理

如图1所示，大型轮廓测量仪采用二维直角坐标测量原理。水平方向驱动箱由电动机通过同步带传动，带动精密滑动导轨进行水平方向的移动，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。被测件表面形貌的测量通过高精度大量程差动电感式传感器实现，测量量程可达±10 mm。垂直方向的升降采用立柱导轨实现，立柱导轨采用大理石立柱作为基准面，采用编码器进行下位移量的测量和定位，通过大功率步进电动机和滚珠丝杠调节立柱的升降。

图1 测量原理示意图Fig.1 Diagram of measuring principle

测量时，被测工件置于测量工作台上，移动立柱装置，使传感器测头接近工件，然后通过操纵杆将电感传感器测头伸到被测部位，输入测量长度开始测量。测量过程中，传感器由水平导轨带动，沿工件表面采集变化信号，同时通过高精度光栅尺采集水平方向相应位置信号，传感器的位移量经信号解调、滤波放大等前置电路处理及AD转换后与光栅采样的X向位置信号一起送入计算机，两者组成二维坐标。测量结束后在专用测量软件界面显示真实的测量曲线，经误差修正和数据处理（滤波、最小二乘等）后，可按GB/T 3505—2009《产品几何技术规范（GPS） 表面结构 轮廓法 术语、定义及表面结构参数》给出轮廓度、波纹度、粗糙度等二维形貌测量结果，也可给出曲率半径、凸度、双沟中心距、倒角、沟槽等尺寸测量结果［1］。

2 性能指标

测量范围：内径φ320≤d≤φ440 mm；外径φ480≤D≤φ650 mm；粗糙度测量误差2%＋4 nm。

轮廓半径测量误差：半径名义尺寸的0.02%～0.1%。

X向导轨有效行程≥200 mm，直线精度≤1μm，移动速度可选0.5，1 mm/s。

Z向立柱导轨有效行程≥400 mm，速度可选0.5，1，3 mm/s；

Z向提升装置有效行程≥300 mm，移动速度10～15 mm/s。

3 主要结构设计

3.1 整体结构

大型轮廓测量仪的整体结构如图2所示，测量仪配有粗糙度（高精度）和轮廓（大量程）2种传感器，根据被测件测量参数选择合适的传感器和测针。首先通过Z向提升装置使被测工件接近传感器，通过操作杆上下移动Z向立柱导轨和X向水平导轨，使测针接触被测工件，然后通过工作台的各个旋钮找准测量部位，输入测量长度后开始测量，测量完毕后计算机对所有的X向和Z向测量数据进行处理和存储，最后按照用户需求显示二维形貌测量的各种参数，还可对测量结果进行存储和打印［2］。

图2 结构示意图Fig.2 Diagram of structure

3.2 电感传感器

粗糙度传感器具有精度高，灵敏性强，测力小等特点，非常适合工件表面粗糙度的测量；轮廓传感器具有量程大，精度高等特点，适合大型轴承套圈沟道轮廓的测量。这2种传感器均采用螺管式差动电感线圈作为信号发生源，既可用于微小位移测量，又可用于一般量程测量。另外，采用滚动式导向回转支承作为测杆旋转移动支承点，摩擦小，回程误差和重复性误差也相对较小；采用杠杆自重触压被测轮廓，配合测力弹簧及平衡套平衡自重的方式调整测量力的大小。

传感器采用螺管式差动电感线圈作为信号发生源，其中电感线圈的设计尤其关键，直接影响到仪器的测量精度。设线圈窗口面积为SN，导线直径为d1，则线圈匝数N为

式中：kN为窗口充填系数，与绕制工艺有关，一般取0.4～0.7。

电感值与窗口面积和导线直径的关系为

式中：Rm为磁路磁阻。

在不考虑涡流损耗和磁滞损耗的情况下，磁芯在双线圈中心位置时，单个线圈的品质因数为

式中：ω为电源角频率；Rc为铜损电阻；f为电源频率；l为线圈平均匝长；ρ为导线材料电阻率。

由以上公式可以看出，为获得适当大的电感值与较高的品质因数，应考虑：1）增大窗口面积；2）窗口设计成细长形，减小l值；3）选择较细的高强度漆包线作为导线，一般选用线径为d1＝0.04～0.16 mm。为使导线强度可靠，制造时将线圈绕好后用胶粘结于骨架内。

在以上设计基础上，测量仪中传感器线圈的设计参数为：磁芯和磁套选用坡莫合金，磁芯外径2.5 mm，长度4 mm（导磁长度）；线圈内设有内骨架，中有隔垫，外有磁套，线圈线径0.053 mm，分两端，有中间抽头，每段700匝以上；2个线圈的单个电阻值为105～110Ω，总阻值为215～220Ω。

3.3 X 向水平导轨

3.3.1 主要结构

X向需要高移动精度，保证传感器测头在测量粗糙度时可以精确地测量被测工件的微观不平度间距。定导轨要求传动配合面（上表面）直线度小于1μm，动导轨与定导轨的接触部位采用尼龙镶头，并在镶头中心填充存油物，而且可以考虑在定导轨表面涂覆固体润滑脂，从而保证动导轨在定导轨上移动时有良好的移动精度，不产生爬行现象。定导轨采用的材料经过淬、回火及多次稳定处理。上导轨和前导轨的镶头制作成固定形式以保证在测量过程中的移动精度；下导轨以及后导轨的镶头采用弹性方式，以消除定导轨侧面和下表面的平面度及平行度误差，以及长期测量过程中出现磨损时带来测量误差［3］。

3.3.2 直线性误差

定导轨配合面的直线性是影响测头移动精度的关键因素。测量仪定导轨的直线性为0.5 μm/200 mm，满足测量要求；为了更好地消除X向的测量误差，设计时在X向导向装置中增加了零位检测开关，采用高精度光栅尺实现X向全程定位，并通过测量标准平镜进行X向的全程线性修正。

传感器对平镜在X向全程（200 mm）得到一组测量数据（PXi，PYi），经低通滤波后得到一组滤波后的数据点（PXi1，PYi1），再用最小二乘法进行计算，得到最小二乘直线上的点（EXi，EYi），然后对数据点（PXi1，PYi1）进行B样条曲线拟合，得到（BXi，BYi），按照传感器分辨率取值间隔和X向等值取样的方式得到数据表（EYi，BYi），实际测量时在导轨的每一点通过数据表替换的方法消除X向导轨在每一点的直线性偏差。

3.4 Z 向立柱导轨和Z 向提升装置

Z向调整包含Z向立柱导轨和Z向提升装置两部分。为减小定导轨的摩擦因数并提高定导轨的耐磨性能，Z向立柱导轨采用花岗岩材料并进行表面抛光处理，导轨的镶头采用与X向导轨一样的结构形式。Z向提升装置采用高精度重载直线导轨作为导向，通过滚珠丝杠进行传动，两者配合使用可以实现Z向测量位置的快速定位［4］。

4 电气设计

电气部分采用电感式位移传感器及测量电路，精密光栅及计数细分卡，水平方向采用直流减速电动机及其控制电路，垂直方向采用绝对值型编码器，侧挂装置采用步进电动机及其控制电路，实现快速升降和精确定位，采用高精度多功能数据采集卡和计算机组成数据处理系统，其工作原理框图如图3所示。

图3 电气设计原理框图Fig.3 Block diagram of electrical design principle

5 软件设计

测量软件的设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图Fig.4 Flow chart of software design

6 试验分析

选取粗糙度样板和标准球作为试验数据分析样件，测试结果见表1。由表可知，测量仪达到了预期的性能和指标，部分性能和指标也达到了国外较高水平，测量结果可以作为数据依据，对轴承套圈加工设备进行有效调整，从而有效地保证了轴承的各方面性能要求。

表1 仪器测值示值误差试验数据Tab.1 Test data of indication error of measured valve of instrument

7 结束语

大型轮廓测量仪是针对内径300 mm以上的轴承套圈零件轮廓进行有效、准确测量的仪器，具有测量精度高，定位快速可靠等优点，用户可以通过检测结果对加工设备进行调整，提高产品的加工精度和可靠性，有效地解决了大型轴承产品在套圈滚道加工过程及终检中相关尺寸的精密测量问题。

目前，正在对表面粗糙度Ra值很小的球面测量数学模型的完善，线性误差的减小等问题进行更深入的分析，以使测量仪能够获得更高的测量精度，达到国际领先水平。