寧波水表股份有限公司 姚靈
摘要 本文介紹了一種適用于大中型精密鋼球表面粗糙度測量的電動輪廓儀的工作原理和設計方案。儀器采用M制輪廓針描法原理進行設計。由于采用了特殊結構的高靈敏度壓電傳感器和極低自振量的旋轉式電動驅動機構，使儀器的“虛假信號”降低到了0.002～0.003μm（Ra）、示值變動性達到了0.001～0.002μm（Ra）水平。
關鍵詞 電動輪廓儀 表面粗糙度 粗糙度測量儀器 精密鋼球
一．前言
對精密鋼球表面粗糙度開展有效測量是軸承行業亟待解決的大問題。由于成品鋼球表面粗糙度規定值非常小[一般可小于0.01μm（Ra）]，而且又是球面形狀，因此測量時的外部干擾和儀器自身干擾、以及被測鋼球形狀特性都將嚴重影響測量結果的可信度。
本文涉及的鋼球專用電動輪廓儀，由于采用了特殊結構的觸針式壓電傳感器、極低自振量的回轉式驅動機構以及有效的信號處理方法，使儀器關鍵技術指標達到了較高的實用水平。經國內重點鋼球生產企業多年來的使用表明，儀器能完全滿足精密鋼球產品質量檢驗與控制的要求，其外形見圖1。
圖1
二．儀器工作原理
為了消除被測鋼球球面形狀對測量結果的影響，儀器采用回轉式驅動機構和傳感器剛性連接測量方式。測量時，要求驅動機構回轉中心穿過被測鋼球的幾何球心；壓電傳感器固定在工作臺立柱上，其外殼以剛性方式連接，傳感器觸針壓縮一很小位移量后放置在被測鋼球表面最高點；當驅動機構帶動被測鋼球作勻速平穩轉動時，傳感器同步采集鋼球表面粗糙度的微觀輪廓形貌，并將其轉化為相應的輪廓電信號；通過儀器對輸出信號的預處理、A/D轉換以及計算機的對信號的進一步處理，以及按表面粗糙度參數標準定義進行運算，最后輸出鋼球表面粗糙度的測量結果，其工作原理見圖
2。該儀器具有兩項表面粗糙度高度參數的測量運算功能，其定義如下，
1. 輪廓算術平均偏差Ra
式中： y (x)——表面粗糙度輪廓函數；
l——取樣長度值，在數值上等同于儀器截止波長。
2. 輪廓最大高度Ry
Ry= RP －Rm （2）
式中： RP——取樣長度內，輪廓最大峰高；
Rm——取樣長度內，輪廓最大谷深。
圖2
三．主要技術分析
1. 傳感技術
傳感器設計的優劣是關系到整臺儀器研制成敗的關鍵。為提高儀器測量靈敏度和測量結果的一致性，對原有的高靈敏度壓電傳感器進行了重新改進設計，以滿足檢測鋼球表面粗糙度微弱信號的特殊要求。
（1）為提高傳感器靈敏度，將壓電元件由串聯電荷輸出方式改為并聯輸出方式，這樣做可以較大幅度提高傳感器的靈敏度和信噪比，其結構原理見圖3。當圖中A點形變ΔS=0.01μm時，根據下式并代入設計參數，可得傳感器輸出電荷變化量ΔQ ,
≈ 77.64 × 10－14(C)
式中：d31——壓電元件橫向壓電系數；
E ——楊氏模量；
b ——壓電元件寬度；
h ——壓電元件厚度；
L ——壓電元件長度；
ΔS ——壓電元件端部變形量。
其靈敏度S為，
傳感器輸出電荷經電荷放大器放大后，可得微伏級電壓。電荷放大器輸出電壓ΔU可用下式求得，
式中：C ——電荷放大器積分電容器容量。
當C = 1000～4700pF，ΔS=0.01μm時，ΔU ≈ 0.17～0.78mV。該輸出足以滿足后續電路對信號的處理要求。
圖3
（2）測量時傳感器殼體采用剛性連接方式，去掉其導頭，由驅動機構回轉軸提供測量基準線。這樣做既能使傳感器觸針方便地瞄準被測鋼球的測量面，減少測量誤差，又能使傳感器觸針與鋼球切平面處處垂直，符合相關標準定義，也避免了使用導頭帶來的不穩定性。
（3）在傳感器上設置觸針壓縮量指示裝置，使傳感器每次裝調后觸針對被測表面的靜測力基本相同，可明顯改善傳感器的測量一致性。
（4）當傳感器觸針針尖半徑小于5μm時，觸針靜測力小于0.004N（采用特殊材料、形體的彈性元件和阻尼“打滑”結構來實現）。
2. 驅動技術
驅動機構應提供極平穩的勻速回轉驅動力，使傳感器在測量過程中只感受被測表面粗糙度信號，而無其他振動干擾量存在。一般來說，驅動機構與粗糙度同頻振動量振幅值應小于0.003μm，才能保證超精密表面粗糙度的正常測量。該儀器驅動機構采用穩速精密直流電機和減壓供電，二級皮帶隔振、阻尼消振等技術，使驅動機構自振量達到了設計要求。驅動機構結構原理見圖4。
圖4
3. 抗干擾技術
儀器的干擾源主要來自機械和電氣兩方面，他既可由自身產生，也可由外界引入。
機械干擾主要有：外界振動、沖擊影響（儀器測量時，機床、汽車及其他機械裝置運動時產生的振動與沖擊，其頻譜中與表面粗糙度測量頻率范圍相同的頻率成分的影響），儀器驅動機構中因電機轉動慣量的存在而產生同頻振動影響，被測鋼球裝夾偏差（如驅動回轉中心與鋼球幾何中心不重合）引入的影響等。
電氣干擾主要有：交流電源通過電網線直接從儀器電源部分進入的干擾，交流電源線以電磁輻射方式對儀器的耦合干擾，用電器開關啟閉的電磁干擾和電器的電磁輻射等。
如果這些機電干擾不能有效地加以抑制，就很難保證對微弱信號的識別、分離、采集和處理。因此如何提高儀器的信噪比，削弱干擾源的影響顯得尤為重要。本設計通過以下幾種措施來提高儀器的信噪比。
（1）采用大質量工作平臺，在其底部襯有一定厚度的高密度防振材料。這樣可完全隔斷外界振動和沖擊的中、高頻分量通道（低頻分量的影響可用電濾波方式加以去除）。
（2）采用轉動慣量極低的精密直流電機并施以降壓供電運行，可使電機自身的振動量大大下降，角頻率有所降低；通過二級皮帶傳動，大部分振動已被吸收，再經阻尼消振器消振，輸出軸上已無同頻振動存在。通過底座傳到回轉軸上的電機振動，因驅動機構殼體質量較大，也使振動中的中、高頻分量得以大幅度衰減。
（3）采用電源濾波器，消除從電網線進入的各種電干擾。
（4）對傳感器信號輸出通道上的每一環節和儀器電箱加以精心屏蔽與接地，杜絕外界干擾進入。
（5）應用模擬和數字濾波以及自相關等技術處理測量信號，識別、分離非粗糙度的頻率分量干擾源。
四．信號處理方法
壓電傳感器輸出的電荷信號經電荷放大器和電壓放大器的放大、模擬濾波以及A/D轉換后送入PC機進行信號處理和被測粗糙度參數的運算。
一般來說，復雜表面微觀輪廓x(t)主要由兩種成分輪廓信號的線性迭加所組成，一種是由N次諧波組成的確定性周期輪廓信號xo(t),
另一種則是由平穩隨機過程組成的隨機輪廓信號n(t)（鋼球表面粗糙度一般由隨機輪廓所組成）。見下式，
因相關分析可從復雜表面輪廓中識別與分離不同頻率成分（諧波）的確定性信號，所以可用自相關函數Rx(τ)作工具實施分離。
將式（7）代入式（8），
由于周期輪廓信號與隨機輪廓信號完全無關，因此自相關函數可表示為，
其中：
式中：Rx0(τ)― 確定性（即周期性）輪廓信號的自相關函數；
Rn(τ)――隨機輪廓信號的自相關函數。
可見，利用自相關函數可以檢測到淹沒在復雜輪廓形貌中的各種周期性成分。
自功率譜函數Gx（ω）是自相關函數的傅氏變換，通過它可求得周期性成分的頻率，并與寬范圍頻率的隨機信號相區別，
因此用定量的表面粗糙度評定參數輔以現代的相關和譜分析技術，可以對任何形貌的表面作出較為客觀的分析與評價。
五．結語
精密鋼球專用電動輪廓儀使用時會涉及到很多因素，因此每一環節的考慮不周均會影響到測量結果的可靠性。除了儀器本身的制造精度外，測量可靠性還與儀器使用人員的技術素質、儀器使用環境條件（如溫度、濕度、振動、供電電壓波動）以及表面粗糙度標準器（樣板）的準確度和形式等因素有關。
精密鋼球表面粗糙度測量技術是一項難度較大且涉及到較多相關領域的測量技術，其在提高精密軸承技術含量與質量檔次等方面具有非常重要的現實意義。為了提高儀器的測量準確度和測量可靠性，今后應在新穎傳感器的研究開發（傳感器靈敏度和穩定性的繼續提高、測量力的不斷減小等）、極低自振量驅動機構的設計、信號處理和誤差（干擾）分離技術以及標準粗糙度樣板研制等方面作出進一步提升，以滿足精密鋼球測量的發展需要。
參考文獻：
1.姚靈.表面微觀輪廓的信號處理與分析.上海計量測試.1993.4
2.姚靈.電池殼體內曲面表面粗糙度測量系統.工具技術.2000.6
2.強錫富等.表面粗糙度測量精度的探討.中國計量測試學會幾何量專業委員會.1983
Research and Design on Surface Roughness Stylus
Instrument Used for the Measurement Precision Bearing Balls
Yao Ling
( Ningbo Water Meter Co.,Ltd )
Abtract: This paper will introduce the principle and design of stylus instruments for the measurement of surface roughness by the profile methed used for the measurement precision bearing balls . This instrument uses the design principle of profile contact (stylus) methed by the system M . As make use of special high sensitivity piezoelectricity transducer and tiny vibration driver , the residual profile of stylus instrument has achieved 0.002～0.003μm (Ra), the variation of indication has achieved 0.001～0.002μm (Ra) .
Keyword: Profile meter by the system M Surface roughness Contact (stylus) instrument for measurement surface roughness Pricision bearing ball
作者簡介：姚靈 寧波水表股份有限公司技術總監、教授級高級工程師、寧波大學兼職教授
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寧波水表股份有限公司 姚靈
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注：本文曾在《上海計量測試》2009年第一期上發表
