数显千分表产品应用技术

1、前言 

指针式千分表（DIAL GAGES以下简称“DG”）不仅可以简单地作为尺寸量具应用于比较测量仪器的测量台，而且可以广泛地作为嵌入•埋置式装置装在支架、夹具上或装配在深度计，厚度计或其他测量仪上使用，用途广泛。

三丰早在卡尺和千分尺之前，就着手进行DG的数显化了，利用具有高精度、实时测量功能的光电检测器和静电电容（低电压、低电流）检测器，成功地开发出Digimatic Indicator—数显千分表（DIGIMATIC INDICATORS以下简称“ID”）。该产品作为数显手持量具的主力产品，得到了改良和发展。

通常ID中所使用的检测器全部都是采用增量检测方式，即通过感应安装在心轴上的标尺与固定在框架上的栅格相关位置变量。三丰进一步利用其在静电电容检测器开发过程中获得的专业技术，开发出公司独创的绝对原点型（ABS）静电电容检测器。这种静电电容检测器是通过读取刻在标尺上的绝对位置刻度来得到测量数据的。

本文将介绍采用了这种绝对原点测量法的绝对原点型（ABS）Digimatic数显千分表ID-C系列。
*ABS（绝对原点）是“absolute”的缩写。

2、开发理念 

当今的经济发展日益呈现出平稳走势，各行业商家都越来越倾向于使用低成本的产品，向节约型公司发展。因此，制造业领域的众多公司也必须积极适应这种全球竞争的新需要。

ID-C系列产品采用了绝对原点（ABS）标尺技术，有效提高了产品的技术性能和品质，以拉开与其他产品的差距。同时兼顾降低制造成本，以满足当前市场需要，其设计理念如下。
1) 采用绝对原点标尺，无需再频繁地进行基准点确认操作。
2) 采用绝对原点标尺，响应速度无极限，有效提高了测量数据的可靠性。
3) 采用大型LED大字符显示，更便于读数。
4) 通过采用通用零部件和商品改良，进一步降低制造成本。


图1 ID-C系列

3、 产品概述 

3-1 规格
ID-C系列由上面图1中所示的5种基本型号产品构成。
分辨率可分为1μm和10μm两种设计，各型号均具有12.7mm、25.4mm或50.8mm3种量程。量程为12.7mm的两种型号：一种是采用轻型铝制心轴的低测力型，另一种是具有IP53防护标准的封装防尘型。这些产品的主要规格见下面表1。

表1 ID-C系列主要性能

型号	ID-C112	ID-C125B	ID-C150B	ID-C1012	ID-C1025B	ID-C1050B
测量范围	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
轴套外径	Φ8mm
测针装配部	硬质合金M2.5×0.45（三丰千分表通用）
显示	液晶显示（LCD）（6位，负号），字符高度为8.5mm
功能	ZERO/ABS 预调 TOL（公差判断和放大显示） +/-（切换测量方向） 测量值输出
显示装置旋转角度	330o
电池寿命	一个氧化银电池（SR44）可连续使用5,000小时
测力	1.2N	1.8N	2.3N	0.9N	1.8N	2.3N
重量	160g	190g	280g	160g	190g	280g

 

3-2 特点
(1) 绝对原点标尺
使用在标尺上带有绝对原点型静电电容检测器的ID-C，原点经设置后，即使断电，也仍可保留，无需每次开机后重新设置原点，用户可在开机后直接进行测量。这种绝对原点型检测器，是通过直接读取刻在标尺上的位置信息，从而得到可靠的测量位置，对速度或加速度均无任何限制，绝对不会像从前使用的型号那样出现“超速错误”。
(2) 电池寿命更长
以在开发数显手持量具时积累的节能电路方面经验为基础，结合绝对原点型检测器技术，实现了ID-C的低耗电量，从而使电池寿命得以延长：一个氧化银电池可连续工作约5,000小时。
(3) 公差判断功能
ID-C系列产品具有新建的公差判断功能，公差判断更简便：只需一次性设置上限和下限就可进行公差判断。并且放大显示功能使公差判断结果更易读取。
(4) 显示装置更清晰易读
LCD字符高度为8.5mm（比以前增大1.6倍），更清晰且易于读数。

3-3 结构
以图2所示的ID-C 112（分辨率为1μm，测量范围为12.7mm）结构为例。
三丰产品的主要零部件都尽可能采用模块化设计，这不仅能够提高组装的质量和效率，也能够有效利用减少零部件个数，提高通用性。

ID-C 112系列包括4个主要组装模块：显示组件、栅格组件、标尺组件和内部框架组件。ID-C的测针、后盖等附件与DG产品通用。

标尺组件固定在穿过内部框架组件的心轴上。由标尺基准电极和与其成对的反向电极组成的栅格，与包含信号处理集成电路（MN146）的检测电路板一起，由两个板簧夹持着，共同构成了栅格组件。由于栅格组件采用了一种简单悬挂结构，这样即可保持滑块与标尺表面的轻微接触，又可保持与检测器间的间隙和方位。显示组件通过一个O形环和一个移动FPC固定到内部框架组件上，以确保显示装置可进行330o旋转。

 

4. 绝对原点型静电电容检测器

用于ID-C系列产品中的绝对原点型检测器由标尺上所形成的3个轨迹（Coarse、Medium、Fine）和栅格上所配置的传送电极和两对接收电极构成。当标尺移动时，通过栅格层之间的静电电容藕合器传送震动信号。该信号中的相位变化由接收电极检测到。信号处理过程中将这一信息转换为位置信息。首先是上方的Coarse轨迹，然后是Medium轨迹和Fine轨迹，位置一个个确定以后，从而可以检测出标尺的位移量—绝对位置。

在此对1μm读数绝对原点型检测器的结构和特点作简单概述。
 

 

4-1 结构
利用平版印刷电路技术在玻璃晶片上形成

电极图案，如上面图3标尺和栅格结构图所示。

在标尺上，由铬层（≒2000Å）形成（Coarse、Medium、Fine）3个轨迹图形，然后用二氧化硅（SiO2）保护膜（厚度约为1000Å）
涂盖整个表面。

 

4-2 规格
本绝对原点型检测器不仅仅用于ID系列产品，考虑到还可扩展到最小分辨率为1μm的其它数显手持工具的使用兼容性，作出了省空间设计。

新型栅格外部尺寸为10.5×15mm，与传统静电电容INC检测器的尺寸23×10mm相比，面积减小68%，而精度和非直线度容许值与原有型号相同，甚至性能更好。

下面表2列举了各轨迹的分辨率与基本周期之间的对应情况；图5图示出检测器单体精度的代表测量例。图6列举出为确保该精度所必需的栅格安装误差的容许范围（非直线度容许值）。

表2 轨迹的基本周期和分辨率

标尺轨迹	基本周期	插入数	分辨率
Coarse	65.536mm	256	0.256mm
Medium	4.096mm	256	0.016mm
Fine	0.256mm	256	0.001mm

 

5. 制造成本

很难预测日本制造业究竟能不能，或者说什么时候能再次进入一个经济飞速发展的时代？日本制造业的发展很有可能处于一个长期低迷的状态。在此期间，国际制造业的竞争更为激烈，有效降低制造成本不仅能改善目前的收益状况还可以作为将来企业生存的支柱。因此，制造业众多公司将不得不通过整个公司的改革与提高去迎接这一挑战。

在ID-C系列产品的开发过程中，降低制造成本被作为本次商品开发的重要课题。基于这一个理念，将现有产品零部件的设计进行全面改良，改进将生产工艺与制造技术集成一体的工程设计，通过推行上述措施，三丰取得了巨大的成效。现将其中的一部分介绍给大家。

5-1 重新审查并合理减少多余的产品零部件

在日本经济强劲发展的“泡沫”阶段，需要重新审查那些最初为追求高效而选用的高价零部件和材料，要着眼于在确保能满足性能要求的同时，减少多余零部件，寻求低价替代品。此外，我们还要努力寻求减少零部件数量的方法，例如将分离式的补充性零部件集成为模块等。

(1)栅格组件       从原先的9个零部件构成改进成由4个零部件形成的模块。
(2)空气阻尼器    使用新设计的心轴帽取代了以前6个部件的配置（采用绝对原点型标尺，响应速度无极限，并且无需使用节气阀。尽管对于长量程型                        号的仪器，为确保测量精度仍需继续使用节气阀，但还是成功地从心轴导轨中省去了起着节气阀作用的部件。）
(3)螺丝的通用化    传统型号要使用14种不同规格的60颗螺丝，而ID-C系列削减到仅需要使用9种规格的50颗螺丝。
(4)显示装置罩    罩体材料从具有高隔热性、高防冲击性的绝对原点型树脂材料换为一般耐热等级的绝对原点型树酯材料。
(5)遮蔽板    遮蔽板由于无明显效果而不再使用（由电路板和FPC代替抗干扰措施）。
* 以上零部件的数量由原有产品的47个减少到了ID-C 122型的32个，大约削减了33%的原有零部件。
 

 

5-2 降低最初的模具成本
虽说使用模制零部件可以大大节省成本，但使用复杂的高性能模具，初始成本是相当高的，这便相对增加了折旧和摊销成本，结果也就造成了较高的产品价格。因此，关键是要购买适于批量生产的模具和认真选择模具供应商。

ID-C系列产品有33个模制部件（包括冲压制件），与模具供应商共同制定出技术解决方案之后，最初的模具成本比最初预计减少了28%。

5-3 提高绝对原点型检测器的成品率

如上所述，新型绝对原点型检测器比原有型号的检测器尺寸减小到68%，这就意味着每块玻璃垫板上可生产出1.7倍于以前的检测器。此外，由于三丰清原工厂进行了制造流程上的改进，绝对原点型检测器的生产成本降低了约二分之一，产量大幅度提高。

6. 结论

以上简要介绍了用于ID-C系列的绝对原点型静电电容检测器在改进与降低成本方面所取得的成功。因为ID产品在测量领域应用广泛，许多客户都要求提高测量数据的实时显示功能和测量精度。在成功开发出绝对原点型静电电容检测器的基础上，三丰将继续努力开发新型ID产品，力求以高增值性能不断满足客户的新需求。