宁波水表股份有限公司 姚灵
摘要 本文介绍了一种适用于大中型精密钢球表面粗糙度测量的电动轮廓仪的工作原理和设计方案。仪器采用M制轮廓针描法原理进行设计。由于采用了特殊结构的高灵敏度压电传感器和极低自振量的旋转式电动驱动机构，使仪器的“虚假信号”降低到了0.002～0.003μm（Ra）、示值变动性达到了0.001～0.002μm（Ra）水平。
关键词 电动轮廓仪 表面粗糙度 粗糙度测量仪器 精密钢球
一．前言
对精密钢球表面粗糙度开展有效测量是轴承行业亟待解决的大问题。由于成品钢球表面粗糙度规定值非常小[一般可小于0.01μm（Ra）]，而且又是球面形状，因此测量时的外部干扰和仪器自身干扰、以及被测钢球形状特性都将严重影响测量结果的可信度。
本文涉及的钢球专用电动轮廓仪，由于采用了特殊结构的触针式压电传感器、极低自振量的回转式驱动机构以及有效的信号处理方法，使仪器关键技术指标达到了较高的实用水平。经国内重点钢球生产企业多年来的使用表明，仪器能完全满足精密钢球产品质量检验与控制的要求，其外形见图1。
图1
二．仪器工作原理
为了消除被测钢球球面形状对测量结果的影响，仪器采用回转式驱动机构和传感器刚性连接测量方式。测量时，要求驱动机构回转中心穿过被测钢球的几何球心；压电传感器固定在工作台立柱上，其外壳以刚性方式连接，传感器触针压缩一很小位移量后放置在被测钢球表面最高点；当驱动机构带动被测钢球作匀速平稳转动时，传感器同步采集钢球表面粗糙度的微观轮廓形貌，并将其转化为相应的轮廓电信号；通过仪器对输出信号的预处理、A/D转换以及计算机的对信号的进一步处理，以及按表面粗糙度参数标准定义进行运算，最后输出钢球表面粗糙度的测量结果，其工作原理见图
2。该仪器具有两项表面粗糙度高度参数的测量运算功能，其定义如下，
1. 轮廓算术平均偏差Ra
式中： y (x)——表面粗糙度轮廓函数；
l——取样长度值，在数值上等同于仪器截止波长。
2. 轮廓最大高度Ry
Ry= RP －Rm （2）
式中： RP——取样长度内，轮廓最大峰高；
Rm——取样长度内，轮廓最大谷深。
图2
三．主要技术分析
1. 传感技术
传感器设计的优劣是关系到整台仪器研制成败的关键。为提高仪器测量灵敏度和测量结果的一致性，对原有的高灵敏度压电传感器进行了重新改进设计，以满足检测钢球表面粗糙度微弱信号的特殊要求。
（1）为提高传感器灵敏度，将压电元件由串联电荷输出方式改为并联输出方式，这样做可以较大幅度提高传感器的灵敏度和信噪比，其结构原理见图3。当图中A点形变ΔS=0.01μm时，根据下式并代入设计参数，可得传感器输出电荷变化量ΔQ ,
≈ 77.64 × 10－14(C)
式中：d31——压电元件横向压电系数；
E ——杨氏模量；
b ——压电元件宽度；
h ——压电元件厚度；
L ——压电元件长度；
ΔS ——压电元件端部变形量。
其灵敏度S为，
传感器输出电荷经电荷放大器放大后，可得微伏级电压。电荷放大器输出电压ΔU可用下式求得，
式中：C ——电荷放大器积分电容器容量。
当C = 1000～4700pF，ΔS=0.01μm时，ΔU ≈ 0.17～0.78mV。该输出足以满足后续电路对信号的处理要求。
图3
（2）测量时传感器壳体采用刚性连接方式，去掉其导头，由驱动机构回转轴提供测量基准线。这样做既能使传感器触针方便地瞄准被测钢球的测量面，减少测量误差，又能使传感器触针与钢球切平面处处垂直，符合相关标准定义，也避免了使用导头带来的不稳定性。
（3）在传感器上设置触针压缩量指示装置，使传感器每次装调后触针对被测表面的静测力基本相同，可明显改善传感器的测量一致性。
（4）当传感器触针针尖半径小于5μm时，触针静测力小于0.004N（采用特殊材料、形体的弹性元件和阻尼“打滑”结构来实现）。
2. 驱动技术
驱动机构应提供极平稳的匀速回转驱动力，使传感器在测量过程中只感受被测表面粗糙度信号，而无其他振动干扰量存在。一般来说，驱动机构与粗糙度同频振动量振幅值应小于0.003μm，才能保证超精密表面粗糙度的正常测量。该仪器驱动机构采用稳速精密直流电机和减压供电，二级皮带隔振、阻尼消振等技术，使驱动机构自振量达到了设计要求。驱动机构结构原理见图4。
图4
3. 抗干扰技术
仪器的干扰源主要来自机械和电气两方面，他既可由自身产生，也可由外界引入。
机械干扰主要有：外界振动、冲击影响（仪器测量时，机床、汽车及其他机械装置运动时产生的振动与冲击，其频谱中与表面粗糙度测量频率范围相同的频率成分的影响），仪器驱动机构中因电机转动惯量的存在而产生同频振动影响，被测钢球装夹偏差（如驱动回转中心与钢球几何中心不重合）引入的影响等。
电气干扰主要有：交流电源通过电网线直接从仪器电源部分进入的干扰，交流电源线以电磁辐射方式对仪器的耦合干扰，用电器开关启闭的电磁干扰和电器的电磁辐射等。
如果这些机电干扰不能有效地加以抑制，就很难保证对微弱信号的识别、分离、采集和处理。因此如何提高仪器的信噪比，削弱干扰源的影响显得尤为重要。本设计通过以下几种措施来提高仪器的信噪比。
（1）采用大质量工作平台，在其底部衬有一定厚度的高密度防振材料。这样可完全隔断外界振动和冲击的中、高频分量通道（低频分量的影响可用电滤波方式加以去除）。
（2）采用转动惯量极低的精密直流电机并施以降压供电运行，可使电机自身的振动量大大下降，角频率有所降低；通过二级皮带传动，大部分振动已被吸收，再经阻尼消振器消振，输出轴上已无同频振动存在。通过底座传到回转轴上的电机振动，因驱动机构壳体质量较大，也使振动中的中、高频分量得以大幅度衰减。
（3）采用电源滤波器，消除从电网线进入的各种电干扰。
（4）对传感器信号输出通道上的每一环节和仪器电箱加以精心屏蔽与接地，杜绝外界干扰进入。
（5）应用模拟和数字滤波以及自相关等技术处理测量信号，识别、分离非粗糙度的频率分量干扰源。
四．信号处理方法
压电传感器输出的电荷信号经电荷放大器和电压放大器的放大、模拟滤波以及A/D转换后送入PC机进行信号处理和被测粗糙度参数的运算。
一般来说，复杂表面微观轮廓x(t)主要由两种成分轮廓信号的线性迭加所组成，一种是由N次谐波组成的确定性周期轮廓信号xo(t),
另一种则是由平稳随机过程组成的随机轮廓信号n(t)（钢球表面粗糙度一般由随机轮廓所组成）。见下式，
因相关分析可从复杂表面轮廓中识别与分离不同频率成分（谐波）的确定性信号，所以可用自相关函数Rx(τ)作工具实施分离。
将式（7）代入式（8），
由于周期轮廓信号与随机轮廓信号完全无关，因此自相关函数可表示为，
其中：
式中：Rx0(τ)― 确定性（即周期性）轮廓信号的自相关函数；
Rn(τ)――随机轮廓信号的自相关函数。
可见，利用自相关函数可以检测到淹没在复杂轮廓形貌中的各种周期性成分。
自功率谱函数Gx（ω）是自相关函数的傅氏变换，通过它可求得周期性成分的频率，并与宽范围频率的随机信号相区别，
因此用定量的表面粗糙度评定参数辅以现代的相关和谱分析技术，可以对任何形貌的表面作出较为客观的分析与评价。
五．结语
精密钢球专用电动轮廓仪使用时会涉及到很多因素，因此每一环节的考虑不周均会影响到测量结果的可靠性。除了仪器本身的制造精度外，测量可靠性还与仪器使用人员的技术素质、仪器使用环境条件（如温度、湿度、振动、供电电压波动）以及表面粗糙度标准器（样板）的准确度和形式等因素有关。
精密钢球表面粗糙度测量技术是一项难度较大且涉及到较多相关领域的测量技术，其在提高精密轴承技术含量与质量档次等方面具有非常重要的现实意义。为了提高仪器的测量准确度和测量可靠性，今后应在新颖传感器的研究开发（传感器灵敏度和稳定性的继续提高、测量力的不断减小等）、极低自振量驱动机构的设计、信号处理和误差（干扰）分离技术以及标准粗糙度样板研制等方面作出进一步提升，以满足精密钢球测量的发展需要。
参考文献：
1.姚灵.表面微观轮廓的信号处理与分析.上海计量测试.1993.4
2.姚灵.电池壳体内曲面表面粗糙度测量系统.工具技术.2000.6
2.强锡富等.表面粗糙度测量精度的探讨.中国计量测试学会几何量专业委员会.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
作者简介：姚灵 宁波水表股份有限公司技术总监、教授级高级工程师、宁波大学兼职教授
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宁波水表股份有限公司 姚灵
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注：本文曾在《上海计量测试》2009年第一期上发表
