一種高精度圓度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏 欣，王 棟，蔡 宇，張?jiān)讫?/p>

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械零件加工制造中，很多零件的外形是圓形或者是圓柱體，加工工件的圓度誤差會(huì)直接影響各個(gè)零部件的配合精度、回轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)、摩擦、噪聲等，因此會(huì)降低其使用壽命，同時(shí)也會(huì)影響機(jī)器的精度[1]。所以圓度誤差是評(píng)價(jià)回轉(zhuǎn)體零件精度的重要參數(shù)，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。

原始的圓度誤差測(cè)量方法主要以人工測(cè)量為主。檢測(cè)人員利用游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具對(duì)工件進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，同時(shí)人工測(cè)量必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，停機(jī)時(shí)間的增加，削弱了機(jī)時(shí)的利用率，降低了加工效率，因而人工測(cè)量方式的測(cè)量效率和測(cè)量精度都相對(duì)較低[2]。

鑒于傳統(tǒng)的測(cè)量手段測(cè)量過(guò)程煩瑣低效，影響工件的加工效率，本文設(shè)計(jì)了一種高精度在線圓度測(cè)量系統(tǒng)，采用電感式位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了加工工件的在線測(cè)量。

1 技術(shù)方案

圓度測(cè)量系統(tǒng)采用高精度電感式位移傳感器，位移傳感器由3個(gè)依次排列的線圈和可移動(dòng)鐵芯組成。電感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電感式位移傳感器結(jié)構(gòu)

位移測(cè)量時(shí)，首先向線圈P中通入交變激勵(lì)電流，從而產(chǎn)生交變的激勵(lì)磁場(chǎng)B1，當(dāng)傳感器進(jìn)行圓度測(cè)量時(shí)，被測(cè)工件帶動(dòng)鐵芯在線圈中移動(dòng)，次級(jí)線圈S1，S2在鐵芯的作用下會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

圖1中的位移傳感器，設(shè)線圈P，S1，S2的長(zhǎng)度均為D，3個(gè)線圈的匝數(shù)均為N，半徑為R，鐵芯在線圈中的位置為X。當(dāng)通入交變的激勵(lì)電流I時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度B1為：

式1中I為通入線圈P的激勵(lì)電流，μ0為空氣隙的磁導(dǎo)率。

由于的電感式位移傳感器結(jié)構(gòu)上D＞＞R，所以式1可以簡(jiǎn)化為：

可以推導(dǎo)出激勵(lì)磁場(chǎng)B1的作用下S1和S2電感值L為：

設(shè)圓形鐵芯的半徑為r，磁導(dǎo)率為μ。當(dāng)鐵芯伸入電感式位移傳感器時(shí)，磁導(dǎo)率將增大。

μ'=μ0·μ，磁導(dǎo)率的變化將會(huì)帶來(lái)線圈S1和S2電感值的變化。設(shè)鐵芯在S1線圈部分的長(zhǎng)度為d，則線圈S1的電感值為：

若鐵芯繼續(xù)向S1方向移動(dòng)Δd，則線圈S1的電感變化值為：

則電感式位移傳感器的靈敏度為：

從式6中可以看出，隨著鐵芯在線圈中移動(dòng)，線圈S1和S2的電感值呈線性變化的趨勢(shì)，數(shù)值的大小由線圈的匝數(shù)N、線圈長(zhǎng)度D和鐵芯的半徑r決定。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電感式位移傳感器的性能，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括STM32F103核心板、H橋PWM輸出直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、串口A/D轉(zhuǎn)換電路板、信號(hào)調(diào)理電路等。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了更好地測(cè)試傳感器性能，實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同參數(shù)分別繞制了兩個(gè)位移傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。參數(shù)1：線圈長(zhǎng)度D=5 mm，線圈外徑R=8 mm，線圈P，S1，S2的匝數(shù)N均為300，鐵芯的半徑r=3 mm，磁導(dǎo)率μ=700。參數(shù)2：線圈長(zhǎng)度D=5 mm，線圈外徑R=10 mm，線圈P，S1，S2的匝數(shù)N均為300，鐵芯的半徑r=5 mm，磁導(dǎo)率μ=700。

利用螺旋測(cè)微器推動(dòng)位移傳感器，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，參數(shù)1傳感器的線圈繞制半徑小于參數(shù)2傳感器，所以參數(shù)1線圈的感應(yīng)電壓小于參數(shù)2線圈。但通過(guò)圖3—4的趨勢(shì)線可以看出，參數(shù)1線圈的測(cè)量線性度優(yōu)于參數(shù)2線圈。說(shuō)明繞制的線圈半徑越小，感應(yīng)磁場(chǎng)的一致性越好，測(cè)量越準(zhǔn)確。同時(shí)感應(yīng)電壓的分辨率就會(huì)下降，所以系統(tǒng)要綜合考慮AD的采樣精度來(lái)確定線圈的半徑。

圖3 參數(shù)1傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 參數(shù)2傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種高精度電感式位移傳感器。通過(guò)分析和實(shí)際驗(yàn)證，電感式位移傳感器的測(cè)量線性度和分辨率與傳感器線圈的繞制半徑有很大的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)場(chǎng)景定制傳感器的參數(shù)。