表面粗糙度測量儀的製作方法

2023-10-10 05:47:49

專利名稱:表面粗糙度測量儀的製作方法
本發明涉及一種表面粗糙度測量儀當前，提高表面粗糙度測量儀的精度，已越來越顯示其必要性，在此種儀器內，一個與待測工件表面相接觸的接觸元件的微小位移被探測而轉變為一個電信號，並以一予定的方式處理該信號，便能測得該工件的表面粗糙度。
用上述類型的測量儀時，作為對探測到的電信號的一種處理方法，迄今廣泛採用的一種模擬式處理方法是直接對由位移產生的模擬輸出信號進行積分。然而，隨著近年來電子技術方面的進步，現已提出一種數字式方法，該方法通過模-數轉換將模擬輸出信號變換為數位訊號並對其進行數字處理。
總的說來，當採用數字式方法時，便提出一個與測量精度有關的被測數據取樣次數問題。例如，當測量一個予定長度時，若取樣次數取得少，那麼兩次取樣的間隔時間較長，因而降低了測量精度。當取樣次數增加時，就可獲得較高的測量精度。然而，取樣次數的增加要求測量儀器具有較高的響應速度，因此這樣做必然受到經濟上的限制。
在這種情況下，為減輕用於該電路的費用，現已提出這樣一種方法根據工件的測量長度(L)，在恆定取樣情況下，探針相對於工件的速度隨著過程速度而變。但是採用這種方法時，每單位長度取樣的次數會隨著測量長度(L)的增加而減少，因此該法有測量長度越長，測量精度就越低的缺點，而且，要精確地改變探針相對於測量長度(L)的速度是極其困難的。
因此，現已研製出的本發明目的在於消除上述先有技術的缺點為表面粗糙度測量儀具有極好的精度和經濟效益並具有高度的實用性提供了保證。
為此目的，本發明的結構特徵在於在一個表面粗糙度測量儀內，包括一個測量儀主體;一個探頭;該探頭包括一個通過主體可旋轉地支撐在其一端的測量臂，而在其上配置一個接觸元件，該元件與旋轉軸相距一個予定的距離;一個位移探測器，用於檢測代表測量臂的旋轉位移的電信號;和一個信號處理部件，用於以一予定的方式處理來自位移探測器的輸出信號，從而測得被測工件的表面粗糙度-該工件與接觸元件接觸或相對於接觸元件移動，本發明採用如下配置位移探測器是一種模擬信號輸出型探測器;並配有一個模/數(A/I)轉換器而將所得到的模擬輸出信號轉換為數位訊號;該數字輸出信號由一個運算電路以一予定方法進行處理-通過該運算電路，當任何設定的測量長度以取樣次數N劃分即該長度被2n等分時，計算待測工件的表面粗糙度;配備一個定時電路用於取樣控制在每次取樣時，使A/D轉換器將模擬輸出信號轉換為數位訊號。
現對附圖簡要說明如下圖1是表示該表面粗糙度測量儀的截面圖;
圖2是表示電路配置的方框圖;
圖3是表示一種模擬開關型可變電阻器的方框圖;
圖4是表示不同於前述電路配置的另一種電路結構的方框圖;
圖5至圖7表示表面粗糙度圖8表示不同於上述電路配置的又一種電路結構的方框圖;
圖9和圖10表示表面粗糙度;
圖11表示不同於上述電路配置的另一種電路結構的方框圖;
現將本發明的最佳實施例說明如下圖1表示該實例的表面粗糙度測量儀的一個截面。圖1中，探頭B是可搖動地、為測量儀的主體A通過一可動軸2所支撐，可動軸2確保了探頭相對於主體A在旋轉和垂直方向上位置可調，以便調節支撐部件4，-其外表面是由外殼3覆蓋，以適合工件的尺寸，外形等情況，而且可動軸2安裝到主體A是可拆卸的，這樣，為使探頭B適應工件的外形等等情況，可更換新的探頭B。另一方面，一個棒狀測量臂5是通過絞絲彈簧6，可搖動地裝在支撐部件4的下表面。
測量臂5是由第一臂7和第二臂8構成，第一臂7藉助於支撐部件4並通過絞絲組簧6，擺動式地支撐在其中央部分，而第二臂8與第一臂7的一端相連，在第一臂7上，
擺動支點位置等距的兩處，裝有介質體9和10，也就是說介質體9和10處在絞絲組簧6的兩邊，而且測量臂5在由彈簧片製成的壓縮彈簧11的驅動下，是旋轉地偏向順時針方向，壓縮彈簧11的彈力可藉助螺絲12來調節。
第二臂8位於保護殼13內，而整個保護殼13從外殼3的一端伸出，在第二臂8的前端部裝有一個與其軸線相垂直的接觸元件14。在保護殼13前端部的側面製成一個半球形的滑槽部分15，該部分帶有一個開口16以使第二臂8的接觸元件14能伸到外面。由於這種結構，那麼當接觸元件14與放在桌子17上的元件18的待測表面相接觸後又假如桌子17按附圖中箭頭所標方向運動時，則測量臂5就會以絞絲彈簧6為支點，按照工件18表面不平度擺動。
另一方面，在支撐部件4中，埋置一對檢測線圈21和22-它們位於第一臂7的介質體9和10的對面，並與介質體9和10形成一間隙，支承部件4中位於第一臂7的另一端的對面還有一保持器25，用於保持測量臂5處於一予定的姿態。檢測線圈21和22，分別通過導線23和24穿過可動軸2，被引向主件A中的一個信號處理部件C。當保持器25由來自主體A的相應信號所激勵時，測量臂5適於維持在這樣一種姿態使測量臂5的另一端在對著外殼3中的突物26的方向上加力。由於這種安排，使測量臂5的接觸元件14位於保護殼13內。總之，支持部件4，測量臂5，接觸元件14，介質體9和10及檢測線圈21和22構成了探頭B。
圖2表示主體A中的電路結構。圖2中，兩個檢測線圈21和22，和一個模擬開關型可變電阻器31構成電橋電路32-作為一個模擬信號輸出型位移探測器，用於檢測代表測量臂5的轉動位移的電信號，同時該電橋電路32的輸入和輸出線被連到信號處理部件C。如圖3所示，模擬開關型可變電阻器31是由多個電阻器331至336一個個地依次串聯，而模擬開關341至346又分別並聯在331-336上而成，而且這些模擬開關341-366由控制部件35控制。由於這一安排，我們可予先設置當測量臂5處於一定姿態時，在兩個檢測線圈21和22之間連接點上的一個輸出信號S1的相位與電阻器333和334之間連接點上的一個輸出信號S2的相位相反。結果，當測量臂5，由於工件18的表面不平而從所設置的狀態移位時，對應檢測線圈21和22的電感量，由於介質體9，10和檢測線圈21，22之間的間隙變化，而發生改變，從而使這兩個電感量的變化值作為通過電橋電路32輸出的被測值。
從電橋電路32來的輸出，即兩個檢測線圈21，22的連接點上的輸出信號S1和在電阻器333，334之間連接點上的輸出信號S2，二個信號分別通過電阻器36和37而合成一個信號輸入至運算放大器38;然後運算放大器的輸出信號又傳送至A/D轉變器39。此時，當輸出信號S1和輸出信號S2相位相反，則兩個信號S1和S2互相抵消，以致使運算放大器38的輸出變成零。
A/D轉換器39，將來自運算放大器38的輸出信號轉換為數位訊號，而每一次的轉換命令脈衝由定時電路40給出，定時電路40適用於計入來自一個時鐘脈衝發生器41的時鐘脈衝，並且每當其計入數達到對應於測量長度L1-L3的一個計數時，便對A/D轉換器39發出轉換命令脈衝，測量長度L1-L3是由用於設置測量長度的設定裝置42設定的。這裡，多種測量長度的不同計數值都由設置測量長度的設定裝置42設定，三種類型的測量長度(如日本工業標準JIS提出的L1＝0.25mm，L2＝0.8mm和L3＝2.5mm)是分別根據取樣數N來等分的。此外，取樣次數N是這樣予設的當表面粗糙度是根據最大高度(Rmax)法來測量時，取樣數是1024即210;當表面粗糙度是根據中心線平均粗糙度法(Ra)來測量時，取樣數是512即29。用這種配置，對由設定裝置42設置的任何測量長度，通過被取樣數N等分而得到的數位訊號N，從A/D轉換器39被送到運算電路43。
運算電路43，按照最大高度(Rmax)運算命令或中心線平常粗糙度(Ra)運算命令，計算來自A/D轉換器39的數位訊號，並通過印表機45記錄該結果。如果從A/D轉換器39來的數位訊號超過一個予定的極限高度值時，一例如超出印表機45的刻度值時，則由報警設備46發出警報。就最大高度(Rmax)法來說，則藉助於最大值與最小值之差超過由A/D轉換器39給定的數值N時可得到這一反應再者，就中心線平均粗糙度(Ra)法而言，答案可通過下式獲得y＝∫l0｜f(x)｜dx因此，根據這個實施例，各測量長度被予定的取樣數N所等分，在取樣時得到的信號被轉換為數位訊號而工件的表面粗糙度是基於數位訊號而得到的，以使不管測量長度如何，都能得到恆定的取樣次數而且在測量儀和工件間沒有相對運動的速度變化，從而能避免由取樣次數減少所引起的測量精度下降問題。
附帶說，在最大高度(Rmax)法中，最大高度0.38um是取的實際值-這是當測量長度L1＝0.25mm，L2＝0.8mm和L3＝2.5mm(如JIS所規定的)，按取樣數N＝16000，被等分時得到的實際值。下表表示，當取樣次數N變為8000，4000，2000和1000時，最大高度對該實測值的有效精度。另外補充一下，試驗構件用的是由東京工業技術中心(TOKyO Industrial Technology Center)生產的待研磨件。
根據此表，可了解到對每個測量長度的最大高度對實測值的有效精度，即當取樣數N＝10000時，最大高度隨著取樣數N的減少而增加。然而，甚至當測量長度L1＝0.25mm同時取樣數N＝1000時，在L1＝0.25mm時，實測值是0.38um。因此，誤差為0.38um×0.058＝0.022um，-從實用精度來看，該誤差已不成為問題。此外，根據中心線平均粗糙度(Ra)法，答案由下式得到y＝∫Lo｜f(x)｜dx因此，取樣次數N可以更小些，唯一的條件是取樣數N＝500或更高一些，顯然，這一條件是滿足的。所以，就最大高度(Rmax)法來說，當取樣數N取為1024或更高，就中心線平均粗糙度(Ra)法來說，取樣數取為512或更高，則就實用觀點考慮，精度已不成問題。
此外，由設定裝置42設置的測量長度L1，L2和L3，每一個均是被自動地設定，等分，因而不必再調節相對運動的速度。
再者，取樣數N被取為2n，因而運算可通過移位法來完成，以致可縮短運算周期，簡化程序同時可簡化硬體的結構。這樣既提高了經濟效益又降低了存貯容量，以致減少了功率損耗，尤其能使該種測量儀適於製成內部備有電池的便攜型測量儀。
此外，在上面的說明中運算結果由印表機記錄，並在超過予定值時發出報警，不過，還可採用如圖4所示的電路結構。在圖4中，運算電路43使印表機45連續地記錄來自A/D轉換器39的數位訊號，按照最小二乘方，以數位訊號為依據，尋找一根中值線，並使存儲器50去儲存該中值線的傾角。順便說一下，若根據最小線得到的中值線是
y＝A+Bx……(1)則A =i = 1nyin- B ·i = 1nxin……(2)]]>B =i = 1nxi · yi -i = 1nxin·i = 1nyii = 1n(xi2) -(i = 1nxi )2n……(3)]]>其中n是取樣總數，xi和yi是取樣時間NO。i時的坐標值。因此，中直線的傾斜角可藉助方程(3)求得。
另一方面，從A/D轉換器39來的數位訊號除了被送到運算電路43外，還被送到報警裝置46和增益控制電路51。當來自A/D轉換器39的數字輸出信號超過高度極值時-例如該值超出印表機45的刻度，增益控制電路47，根據貯存在存貯器44中的中值線的傾斜角，控制A/D轉換器39的增益，即，根據工件18和接觸元件14對運動參考線之間的一個相對傾角。隨著這種安排，例如，當工件18和接觸元件14對運動參考線之間的相對傾角為零時，則測量值如圖5所示，而當被測得值由於相對運動時的傾角而超出刻度時-如圖6所示，則隨即將進行如圖7所示的校正。
就上述布局來說，中值線是基於來自A/D轉換器39的數位訊號藉助最小二乘法找到的，中值線的傾角，即，工件18和接觸元件14相對於運動的參考線之間的傾角被存儲，而且，當數位訊號超過予設的極值時，則A/D轉換器39的增益，根據該相對傾角而受到控制，以使在測量表面粗糙度過程中，可獲得沒有超出刻度的並具有適當精度的測量。再說，當測值超出刻度時，如上所述，增益受到控制-為下步測量做好準備，因而不必要控制工件，測量就能很快完成。
此外，儲存在存貯器50中的中值傾角可被送到控制部件35，作為一個命令值如圖8所示。在此情況下，控制部件35在一個方向上控制模擬開關341-346在此方向上，可抵消作為命令值給出的傾角，並控制電阻器331-336的值連續可變，從而自動地校正被測得的值。例如，當被測值超出刻度-如圖9所示時，隨後的測量工作就是如圖10所示的校正。
根據這一方法，測量儀的增益不受控制，以使測量精度不降低，這是此法的一個優點。
此外，在探頭更換型表面粗糙度測量儀中，如圖11所示，對不同的探頭B，識別標記54部分是不同的，與探頭B的識別標記54相關的各探頭B的特徵被存貯在存貯器內，器件55位於信號處理部件C內，用於每當更換新的探頭B時，讀出探頭B的識別標記54，以使在運算電路43中所予設的常數，可根據讀出的識別標記相關的特徵值而被更新。
在此情況下，每更換一次探頭，利用校正電路52，自動地更新運算電路43中的常數K。也就是說，探頭B被換成一個新的以後，當探頭B的識別標記54被讀出器件55所讀出時，校正電路52便根據跟存貯器53讀出的識別標記相關的特徵值來更新運算電路43裡的常數K。在存貯器53裡，有予先存貯的、對應於待更換探頭的各識別標記54的特徵值。例如，予先存貯測量臂5的轉動位移值，輸出信號的特性曲線和各探頭B的特性曲線。就這種結構來說，在任一種探頭B可靠連到主體A以後，當該探頭B的識別標記54由讀出器件55讀出時，與上述識別標記54有關的特徵值從存貯器53讀出。然後，校正電路52根據從存貯器53所讀出的特徵值，更新運算電路43中的常數K。總之，在此後的運算期間，這樣更新的常數被用作一個校正值。
就上述的結構來說，可提供如下優點消除了每更新一次新探頭時與信號處理部件C不匹配的問題(recessity of matching)附帶說明，測量長度不必限於上述實施例中的三種類型(L1＝0.25mm，L2＝0.3mm，L3＝2.5mm)，但至少這三種由JIS所規定的測量長度，可作研究之用。
此外，作為位移探測器，除了上面實施例中所描述的橋式電路32的結構外，任何一種能用模擬信號檢測代表測量臂5的旋轉位移的探測器，例如象差動變壓器一類，均可為我們所採用。
而且，說到工件18和接觸元件14間的相對運動，可與上述實施例相反-使接觸元件14相對待測工件18運動。在此情況中，可採用這樣一種布局它們之間的相對運動值是由一個編碼器或類似裝置檢測，該類裝置代替了來自時鐘脈衝發生器41的時鐘脈衝，而這個編碼器的輸出被送入時間電路40，在該電路內，按測量長度對編碼器的輸出計數，由此產生轉換命令脈衝。就這一布局而言，其優點在於即使它們之間的相對運動速度是變化的，但每單位長度的脈衝數是不變的。
正如上面已談到的，按照本發明，不論測量長度如何，取樣數能達到恆定，而且測量儀器和工件之間的相對運動速度不變，因此本發明能提供測量精度極高而又廉價的表面粗糙度測量儀。
本發明的工業實用性在於根據本發明的表面粗糙度測量儀，通常可用於測量待測工件的表面外形的領域內。
權利要求
1.一種表面粗糙度測量儀，其中所述的測量儀包括一個測量儀的主體；一個探頭-包括一個測量臂，由主體可旋轉地支承在它的一端，並在距旋轉支點一個予定距離的位置上配備一個接觸元件；一個位移探測器，用於檢測一個以電信號形式的測量臂的旋轉位移；和一個信號處理部件，用於以一予定方式處理從位移檢測器來給出信號，由此測得待測工件的表面粗糙度-該工件處於與所述接觸元件接觸或與其相對運動狀態，特徵在於其中的位移探測器是模擬信號給出型探測器，一個模/數轉換器將為此獲得的模擬給出信號轉換為數位訊號，上述數位訊號經運算電路處理，由此計算出所述工件的表面粗糙度-計算時任何設定的測量長度被取樣數N即2n所等分；一個時間電路，用於取樣控制在每次取樣時，由模/數轉換器將模擬給出信號轉換為數位訊號。
2.如權項1所述的表面粗糙度測量儀，在根據最大高度(Rmax)法計算表面粗糙度時，所述的取樣數N被取為1024或更高。
3.如權項1所述的表面粗糙度測量儀，在根據中心線平均粗糙度(Ra)法計算表面粗糙度時，所述的取樣數N被取為512或更高。
4.如權項1所述的表面粗糙度測量儀，其中所述的運算電路，當檢測到一個過高測量值時，使一個報警設備給出警報。
5.如權項1所述的表面粗糙度測量儀，其中所述的運算電路對所述模/數轉換器的
出信號探尋工件與測量臂對運動參考線之間的相對傾斜角。
6.如權項1所述的表面粗糙度測量儀，其中所述的運算電路探尋當按照最小二乘方作為中線時的所述相對傾角。
7.如權項5所述的表面粗糙度測量儀，其內備有一個存貯器，用於由所述運算電路找到的所述相對傾角和備有對所述位移探測器的
出信號進行控制的裝置-其控制方向是抵消作為命令值的儲存在所述存貯器裡的相對傾角。
8.如權項7所述的表面粗糙度測量儀，其中所述的位移探測器是一個電磁感應型橋-式電路。
9.如權項7所述的表面粗糙度測量儀，其中所述的控制裝置是控制在所述橋路裡的一個阻抗。
10.如權項1所述的表面粗糙度測量儀，其中所述的探頭是可更換地裝在測量儀器的主體上。
11.如權項10所述的表面粗糙度測量儀，其中所述運算電路藉助於一個予設的常數計算與工件尺寸等有關的電信號，這些電信號是來自所述探頭的
出信號。對各個探頭規定了互不相同的識別標記;在所述信號處理部件備有一個設備-用於自動地閱讀所述識別標記，和一個用於儲存各探頭的特徵值的存貯器。所提供的一個校正電路，用於自動地更新所述信號處理部件的一個常數，它是在更換了一個新的探頭後，在藉助所述讀出裝置讀出探頭的識別標記時，根據與儲存在所述存貯器中的識別標記有關的特徵值進行校正的。
12.如權項11所述的表面粗糙度測量儀，其中所述存貯器檢測檢測部件的一種特徵值，-所述檢測部件的輸出信號已連到所述信號處理部件，並自動存貯與所述讀出裝置讀出的識別標記相關的特徵值。
專利摘要
一種表面粗糙度測量儀，其中，來自一個位移探測器(32)(為用電檢測測量臂(5)的一個旋轉位移)的一個模擬給出信號被轉換為數位訊號，然後計算這一輸出信號，以便測量一個待測工件(18)的表面粗糙度。這個表面粗糙度測量儀藉助設置裝置(42)設定取樣數N，即2n等分待測長度。該測量儀還包括一個定時電路(40)用作取樣控制，使每次取樣時控制模/數轉換器39。
文檔編號G01B7/34GK85105285SQ85105285
公開日1987年1月7日 申請日期1985年7月10日
發明者水野哲 申請人:株式會社三豊製作所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan