1.前言

指針式千分表（DIALGAGES以下簡(jiǎn)稱“DG”）不僅可以簡(jiǎn)單地作為尺寸量具應(yīng)用于比較測(cè)量?jī)x器的測(cè)量臺(tái)，而且可以廣泛地作為嵌入?埋置式裝置裝在支架、夾具上或裝配在深度計(jì)，厚度計(jì)或其他測(cè)量?jī)x上使用，用途廣泛。

三豐早在卡尺和千分尺之前，就著手進(jìn)行DG的數(shù)顯化了，利用具有高精度、實(shí)時(shí)測(cè)量功能的光電檢測(cè)器和靜電電容（低電壓、低電流）檢測(cè)器，成功地開(kāi)發(fā)出DigimaticIndicator—數(shù)顯千分表（DIGIMATICINDICATORS以下簡(jiǎn)稱“ID”）。該產(chǎn)品作為數(shù)顯手持量具的主力產(chǎn)品，得到了改良和發(fā)展。

通常ID中所使用的檢測(cè)器全部都是采用增量檢測(cè)方式，即通過(guò)感應(yīng)安裝在心軸上的標(biāo)尺與固定在框架上的柵格相關(guān)位置變量。三豐進(jìn)一步利用其在靜電電容檢測(cè)器開(kāi)發(fā)過(guò)程中獲得的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出公司**的**原點(diǎn)型（ABS）靜電電容檢測(cè)器。這種靜電電容檢測(cè)器是通過(guò)讀取刻在標(biāo)尺上的**位置刻度來(lái)得到測(cè)量數(shù)據(jù)的。

本文將介紹采用了這種**原點(diǎn)測(cè)量法的**原點(diǎn)型（ABS）Digimatic數(shù)顯千分表ID-C系列。

*ABS（**原點(diǎn)）是“absolute”的縮寫(xiě)。

2.開(kāi)發(fā)理念

當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益呈現(xiàn)出平穩(wěn)走勢(shì)，各行業(yè)商家都越來(lái)越傾向于使用低成本的產(chǎn)品，向節(jié)約型公司發(fā)展。因此，制造業(yè)領(lǐng)域的眾多公司也必須積極適應(yīng)這種全球競(jìng)爭(zhēng)的新需要。

ID-C系列產(chǎn)品采用了**原點(diǎn)（ABS）標(biāo)尺技術(shù)，有效提高了產(chǎn)品的技術(shù)性能和品質(zhì)，以拉開(kāi)與其他產(chǎn)品的差距。同時(shí)兼顧降低制造成本，以滿足當(dāng)前市場(chǎng)需要，其設(shè)計(jì)理念如下。

 

1)	采用**原點(diǎn)標(biāo)尺，無(wú)需再頻繁地進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)確認(rèn)操作。
2)	采用**原點(diǎn)標(biāo)尺，響應(yīng)速度無(wú)極限，有效提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。
3)	采用大型LED大字符顯示，更便于讀數(shù)。
4)	通過(guò)采用通用零部件和商品改良，進(jìn)一步降低制造成本。

圖1ID-C系列

3.產(chǎn)品概述

3-1 規(guī)格

ID-C系列由上面圖1中所示的5種基本型號(hào)產(chǎn)品構(gòu)成。

分辨率可分為1μm和10μm兩種設(shè)計(jì)，各型號(hào)均具有12.7mm、25.4mm或50.8mm3種量程。量程為12.7mm的兩種型號(hào)：一種是采用輕型鋁制心軸的低測(cè)力型，另一種是具有IP53防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的封裝防塵型。這些產(chǎn)品的主要規(guī)格見(jiàn)下面表1。

表1ID-C系列主要性能

型號(hào)   ID-C112   ID-C125B   ID-C150B   ID-C1012   ID-C1025B   ID-C1050B   測(cè)量范圍   12.7mm   25.4mm   50.8mm   12.7mm   25.4mm   50.8mm   分辨率   0.001mm   0.01mm   精度   0.003mm   0.003mm   0.006mm   0.020mm   0.030mm   0.040mm   軸套外徑   Φ8mm   測(cè)針裝配部   硬質(zhì)合金M2.5×0.45（三豐千分表通用）   顯示   液晶顯示（LCD）（6位，負(fù)號(hào)），字符高度為8.5mm   功能   ZERO/ABS 預(yù)調(diào) TOL（公差判斷和放大顯示） +/-（切換測(cè)量方向） 測(cè)量值輸出   顯示裝置旋轉(zhuǎn)角度   330o   電池壽命   一個(gè)氧化銀電池（SR44）可連續(xù)使用5,000小時(shí)   測(cè)力   1.2N   1.8N   2.3N   0.9N   1.8N   2.3N   重量   160g   190g   280g   160g   190g   280g

3-2 特點(diǎn)

(1) **原點(diǎn)標(biāo)尺

使用在標(biāo)尺上帶有**原點(diǎn)型靜電電容檢測(cè)器的ID-C，原點(diǎn)經(jīng)設(shè)置后，即使斷電，也仍可保留，無(wú)需每次開(kāi)機(jī)后重新設(shè)置原點(diǎn)，用戶可在開(kāi)機(jī)后直接進(jìn)行測(cè)量。這種**原點(diǎn)型檢測(cè)器，是通過(guò)直接讀取刻在標(biāo)尺上的位置信息，從而得到可靠的測(cè)量位置，對(duì)速度或加速度均無(wú)任何限制，**不會(huì)像從前使用的型號(hào)那樣出現(xiàn)“超速錯(cuò)誤”。

(2) 電池壽命更長(zhǎng)

以在開(kāi)發(fā)數(shù)顯手持量具時(shí)積累的節(jié)能電路方面經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合**原點(diǎn)型檢測(cè)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了ID-C的低耗電量，從而使電池壽命得以延長(zhǎng)：一個(gè)氧化銀電池可連續(xù)工作約5,000小時(shí)。

(3) 公差判斷功能

ID-C系列產(chǎn)品具有新建的公差判斷功能，公差判斷更簡(jiǎn)便：只需一次性設(shè)置上限和下限就可進(jìn)行公差判斷。并且放大顯示功能使公差判斷結(jié)果更易讀取。

(4) 顯示裝置更清晰易讀

LCD字符高度為8.5mm（比以前增大1.6倍），更清晰且易于讀數(shù)。

3-3 結(jié)構(gòu)

以圖2所示的ID-C 112（分辨率為1μm，測(cè)量范圍為12.7mm）結(jié)構(gòu)為例。
三豐產(chǎn)品的主要零部件都盡可能采用模塊化設(shè)計(jì)，這不僅能夠提高組裝的質(zhì)量和效率，也能夠有效利用減少零部件個(gè)數(shù)，提高通用性。

ID-C112系列包括4個(gè)主要組裝模塊：顯示組件、柵格組件、標(biāo)尺組件和內(nèi)部框架組件。ID-C的測(cè)針、后蓋等附件與DG產(chǎn)品通用。

標(biāo)尺組件固定在穿過(guò)內(nèi)部框架組件的心軸上。由標(biāo)尺基準(zhǔn)電極和與其成對(duì)的反向電極組成的柵格，與包含信號(hào)處理集成電路（MN146）的檢測(cè)電路板一起，由兩個(gè)板簧夾持著，共同構(gòu)成了柵格組件。由于柵格組件采用了一種簡(jiǎn)單懸掛結(jié)構(gòu)，這樣即可保持滑塊與標(biāo)尺表面的輕微接觸，又可保持與檢測(cè)器間的間隙和方位。顯示組件通過(guò)一個(gè)O形環(huán)和一個(gè)移動(dòng)FPC固定到內(nèi)部框架組件上，以確保顯示裝置可進(jìn)行330o旋轉(zhuǎn)。

 

圖2 ID-C112結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4.**原點(diǎn)型靜電電容檢測(cè)器

用于ID-C系列產(chǎn)品中的**原點(diǎn)型檢測(cè)器由標(biāo)尺上所形成的3個(gè)軌跡（Coarse、Medium、Fine）和柵格上所配置的傳送電極和兩對(duì)接收電極構(gòu)成。當(dāng)標(biāo)尺移動(dòng)時(shí)，通過(guò)柵格層之間的靜電電容藕合器傳送震動(dòng)信號(hào)。該信號(hào)中的相位變化由接收電極檢測(cè)到。信號(hào)處理過(guò)程中將這一信息轉(zhuǎn)換為位置信息。首先是上方的Coarse軌跡，然后是Medium軌跡和Fine軌跡，位置一個(gè)個(gè)確定以后，從而可以檢測(cè)出標(biāo)尺的位移量—**位置。

在此對(duì)1μm讀數(shù)**原點(diǎn)型檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)作簡(jiǎn)單概述。
 

圖3、標(biāo)尺和柵格的結(jié)構(gòu)

 

4-1 結(jié)構(gòu)

利用平版印刷電路技術(shù)在玻璃晶片上形成

圖4、柵格薄膜4層結(jié)構(gòu)橫截面

電極圖案，如上面圖3標(biāo)尺和柵格結(jié)構(gòu)圖所示。

在標(biāo)尺上，由鉻層（≒2000?）形成（Coarse、Medium、Fine）3個(gè)軌跡圖形，然后用二氧化硅（SiO2）保護(hù)膜（厚度約為1000?）涂蓋整個(gè)表面。

柵格具有4層薄膜結(jié)構(gòu)，如上面圖4所示。

接收電極和接線板在**層，通過(guò)**層（絕緣層）上的通孔與第三層的傳送電極和接線盒相連。第四層是一個(gè)保護(hù)層，覆蓋除接線盒之外的一切。在這種四層結(jié)構(gòu)中，硅化鈦（TiSi2）用作電極、接線板和接線端口的配料之一，二氧化硅（SiO2）用絕緣和保護(hù)膜的材料，這種材料的配合使用有助于防止電極在高濕度環(huán)境下生銹。

4-2 規(guī)格

本**原點(diǎn)型檢測(cè)器不僅僅用于ID系列產(chǎn)品，考慮到還可擴(kuò)展到*小分辨率為1μm的其它數(shù)顯手持工具的使用兼容性，作出了省空間設(shè)計(jì)。

新型柵格外部尺寸為10.5×15mm，與傳統(tǒng)靜電電容INC檢測(cè)器的尺寸23×10mm相比，面積減小68%，而精度和非直線度容許值與原有型號(hào)相同，甚至性能更好。

下面表2列舉了各軌跡的分辨率與基本周期之間的對(duì)應(yīng)情況；圖5圖示出檢測(cè)器單體精度的代表測(cè)量例。圖6列舉出為確保該精度所必需的柵格安裝誤差的容許范圍（非直線度容許值）。

表2軌跡的基本周期和分辨率

標(biāo)尺軌跡   基本周期   插入數(shù)   分辨率   Coarse   65.536mm   256   0.256mm   Medium   4.096mm   256   0.016mm   Fine   0.256mm   256   0.001mm

圖5、檢測(cè)器單體精度

5.制造成本

很難預(yù)測(cè)日本制造業(yè)究竟能不能，或者說(shuō)什么時(shí)候能再次進(jìn)入一個(gè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的時(shí)代？日本制造業(yè)的發(fā)展很有可能處于一個(gè)長(zhǎng)期低迷的狀態(tài)。在此期間，國(guó)際制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)更為激烈，有效降低制造成本不僅能改善目前的收益狀況還可以作為將來(lái)企業(yè)生存的支柱。因此，制造業(yè)眾多公司將不得不通過(guò)整個(gè)公司的改革與提高去迎接這一挑戰(zhàn)。

在ID-C系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，降低制造成本被作為本次商品開(kāi)發(fā)的重要課題?；谶@一個(gè)理念，將現(xiàn)有產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行**改良，改進(jìn)將生產(chǎn)工藝與制造技術(shù)集成一體的工程設(shè)計(jì)，通過(guò)推行上述措施，三豐取得了巨大的成效?，F(xiàn)將其中的一部分介紹給大家。

5-1重新審查并合理減少多余的產(chǎn)品零部件

在日本經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁發(fā)展的“泡沫”階段，需要重新審查那些*初為追求高效而選用的高價(jià)零部件和材料，要著眼于在確保能滿足性能要求的同時(shí)，減少多余零部件，尋求低價(jià)替代品。此外，我們還要努力尋求減少零部件數(shù)量的方法，例如將分離式的補(bǔ)充性零部件集成為模塊等。

 

(1)柵格組件	從原先的9個(gè)零部件構(gòu)成改進(jìn)成由4個(gè)零部件形成的模塊。
(2)空氣阻尼器	使用新設(shè)計(jì)的心軸帽取代了以前6個(gè)部件的配置（采用**原點(diǎn)型標(biāo)尺，響應(yīng)速度無(wú)極限，并且無(wú)需使用節(jié)氣閥。盡管對(duì)于長(zhǎng)量程型號(hào)的儀器，為確保測(cè)量精度仍需繼續(xù)使用節(jié)氣閥，但還是成功地從心軸導(dǎo)軌中省去了起著節(jié)氣閥作用的部件。）
(3)螺絲的通用化	傳統(tǒng)型號(hào)要使用14種不同規(guī)格的60顆螺絲，而ID-C系列削減到僅需要使用9種規(guī)格的50顆螺絲。
(4)顯示裝置罩	罩體材料從具有高隔熱性、高防沖擊性的**原點(diǎn)型樹(shù)脂材料換為一般耐熱等級(jí)的**原點(diǎn)型樹(shù)酯材料。
(5)遮蔽板	遮蔽板由于無(wú)明顯效果而不再使用（由電路板和FPC代替抗干擾措施）。

*	以上零部件的數(shù)量由原有產(chǎn)品的47個(gè)減少到了ID-C122型的32個(gè)，大約削減了33%的原有零部件。

		間隙   30±15μm   橫搖 （滾動(dòng)誤差）   ±0.2deg   回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （偏轉(zhuǎn)誤差）   ±1.0deg   縱搖 （俯仰誤差）   ±0.15deg
圖6、安裝誤差的容許值

5-2 降低*初的模具成本

雖說(shuō)使用模制零部件可以大大節(jié)省成本，但使用復(fù)雜的高性能模具，初始成本是相當(dāng)高的，這便相對(duì)增加了折舊和攤銷(xiāo)成本，結(jié)果也就造成了較高的產(chǎn)品價(jià)格。因此，關(guān)鍵是要購(gòu)買(mǎi)適于批量生產(chǎn)的模具和認(rèn)真選擇模具供應(yīng)商。

ID-C系列產(chǎn)品有33個(gè)模制部件（包括沖壓制件），與模具供應(yīng)商共同制定出技術(shù)解決方案之后，*初的模具成本比*初預(yù)計(jì)減少了28%。

5-3 提高**原點(diǎn)型檢測(cè)器的成品率

如上所述，新型**原點(diǎn)型檢測(cè)器比原有型號(hào)的檢測(cè)器尺寸減小到68%，這就意味著每塊玻璃墊板上可生產(chǎn)出1.7倍于以前的檢測(cè)器。此外，由于三豐清原工廠進(jìn)行了制造流程上的改進(jìn)，**原點(diǎn)型檢測(cè)器的生產(chǎn)成本降低了約二分之一，產(chǎn)量大幅度提高。

6.結(jié)論

以上簡(jiǎn)要介紹了用于ID-C系列的**原點(diǎn)型靜電電容檢測(cè)器在改進(jìn)與降低成本方面所取得的成功。因?yàn)镮D產(chǎn)品在測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，許多客戶都要求提高測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示功能和測(cè)量精度。在成功開(kāi)發(fā)出**原點(diǎn)型靜電電容檢測(cè)器的基礎(chǔ)上，三豐將繼續(xù)努力開(kāi)發(fā)新型ID產(chǎn)品，力求以高增值性能不斷滿足客戶的新需求。