接觸式表面輪廓測量系統中的微恒力技術淺談

王亞萍 張玉明

摘 要：接觸式測量法在表面形貌的測量上應用廣泛，具有操作簡單、直觀可靠且通用性等優秀特征，實際應用中效果明顯。但其應用中存在一定的技術缺陷，本文就缺陷進行分析，并探究微恒力技術在改善接觸式表面輪廓測量缺陷中的原理及方案選擇。

關鍵詞：接觸式表面輪廓測量儀；磁力學；微恒力技術

工件表面特征測量時工業生產中重要的工序之一，在眾多測量儀器中，接觸式表面輪廓測量儀的應用較為廣泛，但在接觸式表面輪廓測量儀使用過程中存在一個重大的技術問題，也就是測頭接觸力難以掌控的問題[ 1 ]。為解決這一問題，磁力學基礎下提出的微恒力技術逐漸被提出并應用與該測量系統當中，對解決儀器測頭接觸力的掌控起到了重要作用。

1 接觸式測量法及存在的技術問題

在工業生產中，工件表面測量時常采用接觸式測量方法，這種方法屬于最基本的表面輪廓測量方式，該方式的測量原理通常都采取杠桿原理，實現傳感器與杠桿的非觸針端間接或直接接觸，利用傳感器實現觸針位移信號與電信號之間的相互轉換，再經過計算機的分析處理，即可得出工件的表面輪廓特征。

實際工作測量中，可能會根據工件表面情況采取不同的測量方法，而不同的方法存在各自的優缺點。接觸式測量儀所利用的觸針通常由金剛石構成，或由其他堅硬度較高的材料制成，在測量時觸針的針尖在接觸表面形成軌跡，從而勾畫出表面輪廓信息。在這一過程中，觸針需要同被測量的工件表面接觸，為了保證測量較深的溝槽或凹坑，且保證測量過程觸針移動速度更快，就必須確保接觸力夠大。

而測量力的大小可能會造成測量表面發生形變，影響觸針與表面的接觸。同時，接觸力過大，可能造成觸針劃入測量工件的表面，形成劃傷。因此，在高精度測量或者軟表面工件測量中，接觸式測量儀并不適用[ 2 ]。

若能夠解決接觸式表面測量儀的測頭力恒定問題，將會使這一測量方式得到更廣泛的應用，且能提升測量結果的精確性，由此可見，研究接觸式表面輪廓測量觸針接觸力的恒定控制至關重要。

2 微恒力技術在接觸式表面輪廓測量系統中的應用

為了實現對接觸式表面輪廓測量方法中就觸針接觸力控制的技術難題，通過分析相關理論知識發現，電磁學中的磁場與電流的相互作用將會產生磁力，而恒定的電流與恒定的磁場將產生恒定的磁力，將恒定的磁力應用于接觸式表面輪廓測量儀中，則可以實現對觸針接觸力的恒定控制。具體設計如下：

2.1 微恒力技術磁力系統的磁路方案

根據磁場與電流相互作用的磁力原理，結合接觸式表面測量儀測頭部分的基本工作原理，觸針在測量過程中會隨著表面起伏而發生運動，而要控制觸針接觸力的部分肯定需要與觸針相互接觸，并能與觸針同時運動，所以為了取得運動中的恒定接觸力，就需要控制磁場中的電流，保證穿過電流的磁場強度始終恒定。因此，恒定的磁場成為微恒力技術磁力系統磁路方案設計的選擇方向。

恒定磁場設計需要保證磁感線方向不發生變化，磁場大小適中，需要線圈中的電流不發生變化的情況下，保證線圈中的磁力很定，則可實現磁力的可控。

我們較為熟悉的很定磁場便是U型磁鐵周圍存在的磁場，在U型磁鐵兩級之間，磁場可被看作均勻磁場，并且磁場方向與兩極垂直，如圖1所示。

如果有恒定的電流垂直紙面而穿過磁場，就會在導線上產生穩定的磁力。由于磁場強度和方向的很定不變，所以移動過程收到磁場力將始終保持恒定，將這一磁場設計方案應用于接觸式表面輪廓測量儀的改進中，將實現對觸針接觸力的恒定控制。但因只有在U形磁鐵的部分區域存在均勻的磁場，其他區域磁場并非恒定，為了實現恒定的磁力，就需要合理設計通電導線，使其繞成砸，并套在磁鐵的單一磁極上，這樣就會使部分導線始終處于均勻磁場范圍內。但由于另外部分會始終存在于非均勻磁場中，所以會對磁力的方向和大小造成影響，無法保證磁力的穩定性[ 3 ]。根據這一問題，我們讓磁場處于通電導體中，通電導體的電流維持恒定，相當于產生穩定的磁場，雖然磁場并不均勻，但只要能保證某個區域維持磁通量恒定，而電導體長度比此段區域長，區域外磁通量與區域內磁通量小，則線圈無論如何運動，都會保證存在很定的有效電流，穿過有效電流的磁通量不變，則確保了線圈上的力維持恒定。

2.2 磁路設計

由設計可知，磁力線穿透性好，用已知的磁路來求磁場相對容易，但要根據已知的磁場來獲取最佳磁路則相對困難。但我們可以通過了解磁的特征，設計可行的、想要的磁路。除需要根據結構與形式的差異來確定磁路的種類。最簡單的兩種磁路分別是串聯磁路和并聯磁路。并聯磁路的磁體磁勢不改變，磁能增加；而串聯磁路磁體的磁通不變，磁勢增加。由于磁鐵的形狀已經固定，不會輕易改變，并且磁鐵并不能產生需要的最佳磁場，所以可采取面極式磁路，但其缺點為需要要求較高的永磁鐵。通過綜合磁路結構磁場難以控制問題，最終提出環形磁極方案，該方案的優勢在于，氣隙中的磁場處于上端導體位置，線圈縱向深度足夠大時磁場最強，其他區域可忽略不計，從而通過線圈中磁通量的恒定來實現線圈中磁力的很定。

3 總結

接觸式表面輪廓測量系統中采用微恒力技術將有助于實現對觸針接觸力的很定控制。這一過程設計復雜的磁力學原理。本次研究對微恒力產生的磁路方案與設計進行分析，最終選取了環形磁極方案，并簡單分析選擇的全過程，期望為今后的研究提供參考。

參考文獻：

[1] 孫艷玲，梁煜恒，常素萍，等.接觸式表面輪廓測量儀的非線性誤差分析與補償[J].計量技術，2015，（5）：10-13.

[2] 曹鵬，郎巖梅，霍煒.表面輪廓測量儀角度測量誤差校準用夾具設計[J].機械工程師，2012（8）：191-192.

[3] 孫艷玲，常素萍.接觸式表面輪廓測量儀測量力線性可控的研究與實現[J].計量學報，2014，35（z1）：34-38.