（机械制造及其自动化专业论文）精密电位器线性修刻系统研究与开发.pdf

摘要 精密电位器是一种分辨力高，能连续调节的电位器，在军工、航空航天及精 密机械等行业被广泛应用，而且随着军工和航空航天技术的飞速发展，对电位器 技术指标的要求也越来越高。但由于电位器中所用的电阻浆料涂覆技术及原有修 刻设各的落后等原因，现有国产精密电位器无法保证国防和航空航天的需要。本 论文主要是针对这一国情来开展工作，目的是通过对电位器修刻技术的研究与开 发，以期进一步提高电位器的线性精度。 论文首先对精密电位器线性修刻技术的国内外发展状况做出了概括地叙述， 然后从电位器的工作原理入手，针对市场急需并有良好发展前景的精密电位器， 通过分析影响其线性精度的关键因素，明确了提高电位器线性精度的关键问题。 另外为提高电位器修刻水平，从修刻原理和修刻方式等方面进行了深入探讨，指 出了目前电位器修刻技术的缺点和不足，在此基础上提出了最佳修刻方式。 ， 论文对影响电阻体修刻精度的信号采集、恒流源及机械传动精度的等方面进 行了详细的分析研究，根据精密电位器修刻机的基本功能，开发出电位器修刻机 通用技术方案。 根据精密电位器修刻技术方案，完成了回转式合成碳膜精密电位器修刻机设 计。 论文最后作出了全文结论并提出研究展望。 关键词：精密电位器修刻技术线性精度数控技术 a bs t r a c t t h ep r e c i s i o np o t e n t i o m e t e r , a sah i g h - r e s o l u t i o np o t e n t i o m e t e rw h i c hc a nb e m o d u l a t e dc o n t i n u o u s l ya n ds t e p l e s s ，h a sf o u n daw i d ea p p l i c a t i o ni nm i l i t a r y i n d u s t r y , a s t r o n a u t i c sa n dp r e c i s i o nm a c h i n ee n g i n e e r i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo ft h em i l i t a r yi n d u s t r ya n da s t r o n a u t i c s ，t h er e q u e s tf o rt h et e c h n i q u e o ft h ep o t e n t i o m e t e ri sh i g h e rt h a nb e f o r e a sar e s u l to ft h eu n a d v a c e ds c r a p i n g m a c h i n ea n dt h eu n d e v e l o p e dd a u b i n gt e c h n o l o g yo ft h ep a s t ym a t e r i a lu s e df o r p o t e n t i o m e t e r ，t h ep r e c i s i o np o t e n t i o m e t e rp r o d u c e da th o m ec a n tm e e t t h ed e m a n d o fn a t i o n a ld e f e n c ea n da s t r o n a u t i c s i no r d e rt oi m p r o v et h el i n e a r i t yo ft h e p o t e n t i o m e t e rb ys t u d y i n g a n dd e v e l o p i n gt h e t r i m m i n gt e c h n i q u e o ft h e p o t e n t i o m e t e r , t h i sp a p e ri sw r o t ec o n s i d e r i n gt h ea b o v e s i t u a t i o n f i r s t l yt h ed e v e l o p m e n to ft h et r i m m i n gt e c h n i q u eo ft h ep o t e n t i o m e t e rw i t h i n a n dw i t h o u ti sr e c i t e dr e s u m p t i v e l yi nt h i sp a p e r , s e c o n d l y , s t a r t i n gw i t ht h ep r i n c i p l e o ft h ep o t e n t i o m e t e r , t h ek e yt oi m p r o v et h el i n e a r i t yo ft h ep o t e n t i o m e t e ri s c o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h es h o r t a g eo fh i g hp r e c i s i o np o t e n t i o m e t e rf u l lo ff u t u r eb y a n a l y z i n gt h ek e yf a c t o r st h a ta f f e c tt h et r i m m i n gp r e c i s i o n o t h e r w i s e ，i no r d e rt o i m p r o v et h es c r a p i n gt e c h n i q u eo ft h ep o t e n t i o m e t e r , t h es c r a p i n gp r i n c i p l ea n d m e t h o di sd i s c u s s e dh o m ea n dt h et e c h n i c a ld i s a d v a n t a g eo fs c r a p i n gp o t e n t i o m e t e ri s p o i n t e do u tb a s e d o nw h i c ht h eb e s ts c r a p i n gq u o m o d oi sp u tf o r w a r d i nt h i sp a p e rt h es a m p l i n go ft h es i g n a l ，t h ec o n s t a n tc u r r e n tr e s o u r c ea n dt h e p r e c i s i o no ft h ed r i v e rt h a ti n f l u e n c et h es c r a p i n gp r e c i s i o ni sa n a l y z e da n d r e s e a r c h e d c a r e f u l l y t h eu n i v e r s a lt e c h n i c a lp r o j e c to ft h ep o t e n t i o m e t e rs c r a p i n gm a c h i n ei s d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h eb a s i cf u n c t i o no f t h ep o t e n t i o m e t e rs c r a p i n gm a c h i n e t h es c r a p i n gm a c h i n eu s e df o rt h er o t a t o r yp o t e n t i o m e t e ri sd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ep r o j e c to ft h ep o t e n t i o m e t e rs c r a p i n gm a c h i n e f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sa r eg i v e na n dt h ef u t u r ew o r k s a r ep r o s p e c t e d k e yw o r d s ：p r e c i s i o np o t e n t i o m e t e r , s c r a p i n gt e c h n i q u e ，l i n e a r i t y , n c - t e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多哥丕么 学位论文版权使用授权书 只巧b 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 f 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：劢、，丕鸽 导师签名： 学位论文作者签名：幻v 他 导师签名： 签字r ； 目：叩年月彩日签字嗍玲夕年月拍 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 精密电位器是一种分辨力高，能连续调节的电位器，广泛应用于军工、航空 航天、精密机械等行业【l j 。它成本较低、适用范围较广，随着电子技术的发展， 其应用越来越广，同时对其各项技术指标的要求也越来越高。 随着中国加入w t o 和国际制造业向中国的转移，国内电阻电位器行业的发 展目前处于快速增长阶段。一方面，国内电子制造业飞速发展，在国内生产和组 装的电子整机激增，带来巨大的需求；另一方面，近几年电位器出口的持续增长 也对电阻电位器行业的发展产生了推动力 6 1 。据海关资料统计，2 0 0 0 年，我国内 地出口电阻电位器9 7 1 亿只，创汇额2 2 3 5 9 万美元，同比分别增长7 4 9 和1 6 6 。 而电子工业系统内企业，2 0 0 0 年销售电阻电位器7 8 7 亿只，同比增长7 0 7 ，其中 出口3 7 8 9 亿只，同比增长8 3 3 ，产销率为9 0 7 。 据中国电子元件行业协会信息中，d , 2 0 0 6 年中期发布的信息，2 0 0 6 年企业整体 经营进入新一轮增长期。电子元件外贸出口形势继续好转。特别是一些跨国大公 司和国内较大的通信公司大量出口为整机配套的电子元件，也给生产元件的中小 企业带来巨大商机。2 0 0 6 年上半年全国生产电位器的厂家为1 2 0 余家，销售收入 达到3 5 1 0 亿元， 在这样的形势下，各企业都在努力扩大市场占有份额，但要想把自己的产 品做强做大，而且能打入国际知名大公司，必须靠高的产品质量、高的生产效率、 良好的服务信誉和价格优势等。对于国内生产电位器的企业，特别是电子工业系 统内企业，为生产出更具竞争力的产品，迫切需要更先进的制造设备，以便抓住 机遇求得更大发展。精密电位器线性修刻机是提高产品质量的关键设备。如果依 靠进口，一方面资金投入太大无法实现，另一方面国外对最先进修刻技术仍保密 封锁。因此无论从电位器生产企业的利益考虑，还是从国内经济发展趋势出发， 对精密电位器的修刻系统进行研究与开发，缩小与国际先进水平的差距，都是十 分重要和必要的。概括地讲，本文的研究工作具有以下重要意义： 1 ) 提高国产电位器精度，稳定产品质量； 2 ) 为企业提高生产效率，创造经济效益； 3 ) 降低工人劳动强度； 4 ) 为开发更高精度、更多种产品规格的修刻系统作理论与实践的准备。 从现实意义来讲本课题是有针对性的为国内数家电位器生产企业提高产品 第一章绪论 精度和生产效率，实现生产自动化，提高经济效益，使这些企业的关键设备尽快 实现更新换代而进行的科研项目。 1 2 国内外精密电位器修刻技术现状 1 2 1 电位器的基本概念 ( 1 ) 电位器 电位器是通过一定方式改变某一种电参量( 电阻、电容、电感等) ，来改变 输出电位的一种可调节的电子元件。 ( 2 ) 电位器的分类 电位器的分类方法很多，常用以下几种分类方法。 一、按构造原理分，电位器可以分为电阻式电位器、光电式电位器、感应式电位 器等，它们的构造和工作原理各不相同。其中电阻式电位器的应用最为广泛。 电阻式电位器的基本组成包括电阻体、接触刷、骨架或基体以及基座。其中 电阻体和接触刷是电位器的工作部分，而电阻体是决定电位器电气性能的关键性 构件。 二、按电阻体形式分，电位器可以分为线绕式电位器和非线绕式电位器两大类。 非线绕式电位器按照电阻体材料的不同又分为金属膜电位器、导电塑料电位 器及合成碳膜电位器等。构成电阻体的材料不同，电位器的性能也不同，其使用 场合和适用范围也就不同。 1 、金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。金 属膜一般是用真空蒸发、溅射或者其它镀膜方法，将金属及其氧化物、化合物或 电阻合金丝、箔、粉等，沉积在绝缘的基体上形成的。这类电位器的特点是分辨 率高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。但造价高、工艺复杂。 2 、导电塑料电位器是用特殊工艺将d a p ( 邻苯二甲酸二稀丙脂) 电阻浆料 覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将d a p 电阻粉热塑压在绝缘基体的凹 槽内形成的实心体作为电阻体。它具有t 平滑性好、分辩力优异耐磨性好、寿命 长、动噪声小、可靠性极高、耐化学腐蚀等十分优良的特性。它可以用于宇宙装 置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等。 3 、合成碳膜电位器是在电子技术领域中应用最为广泛的一种非绕线式电位 器。它是用丝网印刷法、流延法或者喷涂法，将经过研磨的碳黑，石墨，石英等 材料涂覆绝缘基体上，经过高温聚合，使碳黑粒连成导电链网包围填料颗粒，石 墨粉粒填充在碳黑颗粒之间，再分布在固化的有机粘结相中，并牢固的附着在基 体的表面上，形成厚膜电阻体的电位器。合成碳膜电位器的制造工艺简单、便于 2 第一章绪论 自动化生产、价格低廉、分辩力高、耐磨性好、寿命较长。但缺点是电流噪声太 非线性大，耐潮性以及阻值稳定性差。 三、按运动方式分，电位器可以分为旋转式电位器和直滑式电位器。 四、按电位器用途分，电位器可以分为微调电位器、预调电位器和精密电位器。 精密电位器是实际输出函数特性复现理论输出函数特性的精度较高的电位 器。对于台成碳膜电位器和导电塑料电位器通过采用修刻电阻件的方法，获得 最佳的输出特性，电位器经过任刻以后，线性度一般可达01 左右。 五、按输出特性分，电位器可分为线性和非线性的。如图1 - l 和1 - 2 所示。 a ) 旋转式鞭密合成碳膜电位器b ) 直滑式精密台威碳膜电位器 圈1 - 3 精密合成碳膜电位器 第一章绪论 1 2 2 电位器的工作原理脚 电位器在电路中既可以作变阻器使用，也可以作分压器使用。当电位器作 变阻器使用时，它是个两端元件，串接在电路中，如图1 4a 所示，通过调节接 触电刷2 在电阻体上的位置，起到调节电路中电阻值大小的作用。当电位器作 分压器用时，它是个四端元件，并接在电路中，如图l 一4b 所示，调节驱动装置 操纵接触电刷在电阻体表面上从一端运动到另一端时，能够从输入电压u i 中，获 得线性的输出电压u o x 。在输出端空载情况下，存在以下关系式： u 。e x u io e 式中u i 电位器引出端1 与3 之间的输入电压； u 帆电位器引出端1 与2 之间的输出电压； 0 。电位器引出端1 与3 之间的总行程； 0 x 电位器引出端l 与2 之间的行程。 输出电压u a x 与输入电压u i 之比称为输出比，0 。与0 。之比称为行程比。 33 a ) 作变阻器使用的原理b ) 作分压器使用的原理 图1 4 电位器工作原理 1 2 3 电位器的评价指标 2 电位器精度的高低关键是看其输出特性好坏，输出特性是描述电位器的输出 比( u o x u i ) 随行程比( o 。o 。) 变化的一个基本特性，它又分为理论输出特性和 实际输出特性。 ( 1 ) 理论输出特性 由上述的分压器作用原理可知，线性电位器的输出特性是一条斜率为l ，截 距为0 的直线，这是一种绝对理想的理论直线( 见图1 5 ) ，称为绝对理论直线。 4 第一章绪论 但由于电阻体结构和接触电刷形状、大小等的影响，这种绝对理想的状态是难以 达到的，因而线性电位器的理论输出特性用数学表达式表示为如下形式： 告= k 芑+ b m 2 ， u i 0 、 式中，k 、b 为待定系数。 由于端电阻等因素的影响，k l ，b o ，这种形式下的理论直线( 如图1 5 所示) 称为独立理论直线。也就是线性电位器的理论输出特性是用独立理论直线 来表示的。 u “ 矿 1 0 o u o x u i l 0 o 图卜5 理论输出特性 图1 - 6 电位器输出特性 ( 2 ) 实际输出特性 在规定行程上，当行程比从0 变到1 时，与各行程比所对应的实际输出比各 点的连接线，称为实际输出特性。对于每一只电位器，实际输出特性为一条曲线， 它并不完全与理论输出特性相重合，而是具有复现理论输出特性的随机变化偏 差，如图1 6 所示。 ( 3 ) 线性精度 线性电位器的线性精度是指实际输出特性与理论输出特性之间的偏差。从 图1 - 6 中可以看出，在不同的行程比处，偏差也不同。其中最大偏差c m 戤称为这 只电位器的线性精度，它不应超过允许的偏差范围。线性精度通常用下式表示： c ：i 坠坠i 1 0 0 i u j i 式中c 线性精度o u o f 实际输出电压； u m 理论输出电压； u i 输入总电压。 ( 1 3 ) 第一章绪论 当参考的理论输出特性直线是绝对理论直线时，此时的线性精度称为绝对线 性度；当参考的理论输出特性直线是独立理论直线时，此时的线性精度称为独立 线性度。 1 2 4 国内外电位器修刻技术现状及发展趋势 随着国际生产的大转移和我国内地电子信息工业的高速发展，内地已成为世 界传统引线式电位器的主要生产基地之一。全国生产电位器的厂家为1 2 0 余家， n 2 0 0 0 年电子工业系统内有合成碳膜电位器生产企业近3 0 家，以合成碳膜电位器 为主产品的厂家至少2 0 多家1 2 , 3 1 。国内本土企业生产导电塑料电位器近1 0 家。电 子工业系统内企业年产量达到g 1 亿只左右，其中合成碳膜电位器有4 7 6 亿只， 出1 2 1 2 5 7 亿只。 目前，我国精密合成碳膜电位器生产能力不断增强，电位器修刻这一生产工 艺中的关键技术也有了较快的发展，产品精度和可靠性得到较大的提高。但是与 国际先进水平相比，国内厂家的修刻技术在总体上还有差距。国外目前高端电位 器产品的独立线性度远远高于国内，如美国的m i d o r i 公司生产c p p 6 0 导电塑料 电位器和n o v o t e c h n i k 公司及v i s h a y 公司等企业的电位器，独立线性度均在0 0 5 至0 0 2 。而国内最好水平也只有0 1 ，且能达到此精度的电位器厂家主要是 依靠与国外企业合资，引进国外先进设备和技术来提高产品质量。如辽宁电位器 总厂与日本a l p s 公司的合资。也有一些专业生产合成碳膜电位器的厂家，如武 进市华宇电位器厂、无锡市电位器厂以及上海环球电位器有限公司等，用自行研 制的修刻设备生产出了较高质量的产品。另外，上海好光科工贸有限责任公司研 发的导电塑料电位器全自动修刻机，修刻精度可达0 1 ，但没有完整的技术 报道，在公开的资料中找不到修刻技术方面的信息。还有部分厂家仍然沿用过去 的手工修刻和半自动修刻设备，产品精度较低。天津大学为某电位器生产厂家研 制的旋转式精密合成碳膜电位器修刻检测系统，修刻精度堇0 2 t3 1 ，部分产品达 n o 1 ，已在实际生产中使用了五年多，运行正常，开机率1 0 0 9 6 。 就国外的电位器修刻技术情况来看，其电位器的生产技术已经非常成熟，尤 其在日本。例如，著名的企业a l p s 、松下、村田、三洋等公司，都拥有先进的 生产设备和技术水平，电位器年产量均在数亿以上，且产品精度高，可靠性高。 美国、日本、德国、法国等国家也都在不断研究更为先进的电位器生产设备。但 由于其使用的有关精密电位器方面的加工设备和加工工艺都对外严格保密，因而 很难获取国外的精密电位器加工的先进技术信息。 第一章绪论 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要内容包括以下几个方面： l 、研究影响电位器线性精度的因素 从电位器的定义和工作原理入手，针对市场发展前景看好的某种精密电位 器，分析影响其线性精度的关键因素，找出其中主要问题。 2 、精密电位器修刻原理和修刻方式的分析和研究 从最原始的修刻原理着手进行分析，找到一种最佳的修刻方法。根据确定的 最佳的修刻方法，分析和选择出适用性较强的修刻方式。 3 、精密电位器修刻系统总体方案的研究与设计 根据修刻原理和修刻方式，分析对电阻体修刻精度影响的因素，研究修刻机 的基本功能，确定通用性较强的修刻系统总体方案。 4 、针对回转式合成碳膜电位器研发出一套精密修刻系统 参考企业在用的精密合成碳膜电位器修刻系统，并根据企业实际情况和所提 技术要求的电位器类型，完成包括基础部件、运动部件、驱动系统等部分的具体 设计结构，形成一套完整的可应用的精密合成碳膜电位器修刻设备。 第二章精密电位器修刻技术研究 第二章精密电位器修刻技术研究 2 1 影响电位器线性精度的因素 对于常用的非绕线电阻式电位器，其电位的输出是靠接触刷与电阻体相对机 械运动来实现的，电位器的线性精度取决于构成电位器的电阻体、接触电刷、基 体和驱动装置等。 1 、电阻体的影响 电阻体是将电阻浆料或电阻粉用印刷法、流延法或喷涂法涂覆在基体上经过 高温烧结或聚合而制成的电阻元件，是提供总电阻值、影响电位器线性精度的关 键性构件。电阻体影响电位器线性精度的主要因素有： 1 ) 电阻浆料本身的特性，如导电相颗粒大小不均匀性、分布不均匀性，电 阻率随温度变化而变化，耐湿、耐热、耐氧化、耐腐蚀、耐磨损性高低，电阻稳 定性及接触电阻大小等。 2 ) 电阻体横截面积的不均匀性，如厚度不均或宽度不均等。 3 ) 两端银带的影响。为了降低电阻体端点的接触电阻，减小端点突跳，一 般在电阻体两端涂覆分子银过渡带，但银带宽度和银带之间的距离很难保证完全 一致，使各电阻体的总电阻值和理论线性特性相异，影响电位器线性精度。 2 、接触电刷的影响 接触电刷是沿电阻体运动，引出输出电位的导电性接触构件。对于不同材质、 不同批次的材料及其制造误差的影响，其弹性会有所不同，因而与电阻体的接触 力不同，造成接触电阻不同，线性精度也就不同。 3 、基体的影响 基体是电位器的绝缘支撑体，电阻浆料是涂覆在基体上，基体的几何形状和 尺寸精度对电阻体横截面积不均匀性、电刷与电阻体接触的松紧有很大的影响。 另外基体的电绝缘性、导热性、机械强度等因素也会对线性精度产生影响。 4 、驱动装置的影响 驱动装置是电位器中用于操纵接触刷沿电阻体运动的构件。通常有转轴、滑 柄和导向螺杆等三种形式。驱动装置自身的精度高低会对电刷与电阻体接触的松 紧有很大的影响，因而间接影响线性精度。 5 、装配工艺的影响 电位器由电阻体、电刷、基体、基座、驱动装置及外壳等构件装配而成，因 第二章精密电位器修刻技术研究 此即使各元件精度性能都很好，但由于装配误差的存在，使电位器的线性精度受 到影响。 本文仅对电阻体电阻变化的不均匀性进行分析和研究，采用修刻电阻体的方 法提高线性精度，来达到精密电位器的精度要求。修刻的关键在于保证电阻体膜 层截面积的均匀性，即电阻值变化均匀性。 2 2 精密电位器修刻原理 在众多的资料中，有很多关于电阻膜浆料的配制及涂覆工艺的文章，也有少 部分控制部分的介绍资料，但对于修刻技术和原理基本上没有介绍。 从掌握的文献资料看，目前精密电位器的修刻从原理上主要有以下几种： ( 1 ) 电桥法 电桥法工作原理如图2 - 1 所示【刀。如为一个桥臂，凡为一个桥臂，r i 和r 。为 c k b r 5 r x a d f l l l ：被修刻电阻体：r 。、1 1 2 ：精密电阻箱：i t , 、i t , 1 电阻箱： l l i ：多圈电位器：y ：光点指零表：7 ：五位数字电压表 图2 - 1 电桥法修刻原理 一个桥臂，r 。和拟修刻电阻体r x 为另一个桥臂。由于r 。和r 2 是作为复现理论 输出特性的两个标准电阻器，电桥调节平衡前要按被修刻电阻体的实测情况进行 初始设置。为保证电桥平衡后该桥臂总阻值不变，i k 初始值设为修刻电阻体r x 修 刻后与修刻前阻值之差。然后将电刷移到拟修刻电阻体r 。前零位上，调节电阻凡， 使检流计y 指示为零，电桥y 处于平衡状态，四个对应桥臂电阻比值相等，b 、e 两点间无电流通过，相当于断开状态。此时以z 为电桥又相当于组成一个新的电 桥电路，调整r 。使电压表z 为零，调整r 。使检流表y 为零。这样两个电桥电路同时 9 第二章精密电位器修刻技术研究 达到平衡状态。此时精密电阻箱切换到下一个档位，z 电桥失去平衡，修刻刀开 始对电阻体某一截面进行修刻，当阻值增加到一定数值时，z 电桥又达到一个新 的平衡状态。如此逐点切换精密电阻箱的阻值，同时逐点修刻电阻体，使阻值分 布均匀，来达到提高线性精度的目的。目前采用这种原理来进行电位器修刻的厂 家还很多。 应用电桥法修刻电阻体的具体修刻步骤是： 1 ) 将待修刻电阻体安装在修刻工作台上，测得其有效行程0 。； 2 ) 假设刻线分辨率为a ，修刻前与修刻后阻值之差为r 欧姆，则预先设定 各电阻值为：r 。= 0 ，1 1 2 = ( 0 。a ) 1 0 0 欧姆，1 1 3 ( 1 3 ) r z ，r 6 = r ； 3 ) 加电压调节凡做为零，即电桥平衡； 4 ) 调前零位补偿：使电刷处于前零位上，调r 。及凡，使z 、y 都指零； 5 ) 调后零位补偿：一般凭经验在r ：上加适当的补偿值； 6 ) 修刻：电刷前移a 值，r 。增1 0 0 欧姆，r ：减1 0 0 欧姆，控制修刻刀头进 行修刻，同时减少，使y 指示为零，并观察z 的指示，控制其为某一定 值，即当z 指示为该定值时，修刻刀停止，修刻工作台移到下一位置继 续修刻，直至在有效行程范围内修刻完毕为止。 这是应用较为普遍的一种修刻方法，有时可达到较高的精度，但是调整较为 麻烦，可靠性差，质量不稳定，修刻效率低，不适于大批量自动化生产。 ( 2 ) 恒流法 恒流法的工作原理如图2 - 2 所示瞌3 ，此原理是在电桥法的基础上改进得到的。 用标准分压器代替了原来的两个标准电阻箱，其电压输出u b 表示修刻电阻体的 图2 - 2 恒流法 e 理论输出特性。被修刻电阻体w 由恒流源i 提供恒定电流，当电刷处于前零位准 备开始修刻时，按测得的电阻体实际输出特性所回归的理论输出特性设置标准电 位器初始值，并开始对w 的截面进行修刻。此时电阻体阻值升高，当阻值升高到 使电位器的a 点电压u 。与u b 相等时，标准分压器和被修刻电位器w 之间连接的精 密电流计a 指示电流为零。标准分压器按理论输出特性切换到下一档位，b 点电 位增高，使精密电流计a 处于非零状态，电阻体开始继续被修刻直n u 。与u b 再次 1 0 第二章精密电位器修刻技术研究 相等，修刻停止。如此逐点切换标准分压器档位，逐点修刻电阻体， 图2 - 3 输出特性 直到修完全部行程。采用这种方法可使电阻体的电压输出和标准分压器的电压输 出曲线趋于重合，如图2 3 所示。由于流经电阻体的电流是恒定值，所以电阻体 电压的线性变化反映的就是电阻值的线性变化。从而使电阻体线性度得到提高。 用此方法的问题主要在于i 和e 难以达到协调，而且i 、e 很难达到稳定， 因此目前这种方法很少被采用。 ( 3 ) 改进的恒流法 改进的恒流法是在上述恒流法的基础上加以改进，利用微机技术克服了原始 恒流法存在的缺陷。改进的内容主要是：一、手动调节修刻位置变为数控精密定 位平台调节和控制修刻位置；二、恒流源改为程控恒流源；三、标准分压器复现 理论输出特性改为利用计算机程序，由实际输出特性直接拟合目标直线；四、由 电流表人工读数改为计算机采集数据等。 改进的恒流法的原理如图2 - 4 所示，首先恒流源与被修刻的电阻体两固定端 连接成一回路，当修刻刀对电阻体某一截面进行修刻时，随截面积减小，电阻值 增高，该截面电压值随之增高，计算机从修刻点处的活动电刷实时采集到此电压 信号，将此电压信号转换成数字量后与计算机中的目标直线计算比较，当采集值 与目标直线上对应点完全相符时，计算机给修刻刀发出指令停止该位置修刻，然 后计算机控制伺服机构驱动精密转台移到下一个位置重复上述过程，直至修刻完 毕。 第二章精密电位器修刻技术研究 图2 - 4 改进的恒流法 此修刻方法能有效提高电位器的线性精度。按照这样的修刻原理，电位器的 修刻精度主要取决于恒流源电流输出稳定性和工作台定位精度。因此设计修刻系 统时对恒流源的精度参数和工作台的结构必须认真考虑和研究。 2 3 电位器修刻方式 如1 2 1 所介绍的，精密电位器是对合成碳膜电位器或导电塑料电位器采用 修刻电阻体的方法生产出来的。其中合成碳膜电位器的电阻体是用经过研磨的碳 黑、石墨、石英等材料涂覆于基体表面而成。而导电塑料电位器电阻体是用特殊 工艺将d a p ( 邻苯二甲酸二烯丙脂) 浆料覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜 而成。表面的涂膜厚度不均匀或基体表面精度较低均会使得实际输出特性和理论 输出特性有较大偏离，不能达到合格的线性度。因而有必要通过修刻使电阻体达 到一定的线性度。 修刻的目标就是在电位器整个行程的各个需要修刻的位置上，按照需要适量 地去除浆膜。修刻的方式一般有以下几种： 一、从边沿上开始进行宽度的修刻。这种方式是从电阻体浆膜带的边沿开始，沿 宽度方向进行修刻，如图2 5 所示。修刻深度可以是全厚或部分厚度，修刻后的 电阻浆膜带在整个行程上宽度不一，但剩下的浆膜厚度保持涂覆原状，其中b 为 最大修刻宽度，具体数值根据不同电阻浆膜宽度确定。这种修刻方式的缺点是当 采用全厚修刻时对基体有损伤，而且由于基体和电阻浆膜的强度、硬度不同，使 修刻力不稳定。 第二章精密电位器修刻技术研究 行程方向 r i l t l 图2 - 5 从边沿上开始宽度修刻 宽 度 方 向 电阻浆膜 图2 - 6 从中间进行宽度修刻 二、在电阻体中间区域进行宽度的修刻。这种方式是从电阻体浆膜带的中间开 始，沿宽度方向进行修刻。如图2 - 6 所示。修刻深度为部分厚度t ，修刻后的电 阻浆膜带在整个行程上宽度不一，但剩下的浆膜截面积保持一致，其中最大修刻 宽度b 要确保刻刀与电刷不能相碰。这种修刻方式的缺点是当电阻浆膜涂覆厚 度均匀性较差时，在有限的宽度上不能实现理想的修刻。 三、沿电阻体厚度方向修刻。此方式是沿电阻体浆膜厚度方向进行修刻，修刻后 的电阻浆膜带宽度与原来相比不变，但在整个行程上厚度不一，如图2 7 所示。 由于浆膜自身厚度很小，一般在0 0 5 r a m 至0 0 8 r a m 左右范围内，所以修刻浆膜的 厚度对修刻的运动精度要求非常高。 四、宽度和厚度同时修刻。此方式指沿电阻体浆膜宽度和厚度方向同时进行修刻， 一般情况是先沿宽度方向进行修刻，当接近规定的修刻宽度范围而电阻体仍不能 达到线性精度要求时开始厚度方向修刻。其优点是能弥补电阻浆膜涂覆不均的影 响，提高整体修刻精度水平。 五、断续修刻和连续修刻。 第二章精密电位器修刻技术研究 断续修刻方式是在一个位置上沿宽度或厚度方向修刻，当计算机采集信号比 对合格后，修刻刀停止修刻并离开电阻体表面，沿行程方向移到下一个位置再进 震t 。裔i 图2 7 沿厚度方向修刻 刀开始修刻。这种修刻方式的缺点是修刻效率低。采用手工或步进电机驱动时为 此方式。 连续修刻方式是指修刻刀不论沿何方向修刻，修刻刀始终不离开电阻浆膜 带，修刻轨迹在行程方向是连续的。此方式修刻效率高，但必须是采用伺服电机 驱动装置。 综合上述几种方式，由于电阻体浆膜具有较大的宽度，采用宽度修刻或宽度、 厚度同时修刻更容易实现，并有利于提高修刻精度。断续修刻和连续修刻方式的 选择取决于采用何种伺服方案。 2 4 本章小结 分析了电位器各有关构件对电位器线性精度的影响，其中电阻体作为电 位器核心件，对精度影响最大，应该首先提高电阻体线性精度。 通过对修刻原理和修刻方式的分析，明确了对采用涂覆电阻浆膜的电阻 体提高精度的最佳修刻方法。 1 4 第三章修刻系统总体方案的设计 第三章修刻系统总体方案的设计 3 1 修刻精度的分析 3 1 1 影响修刻精度的关键因素 电位器的修刻技术旨在提高电位器的输出线性精度，以满足军工、航空航天、 精密机械等行业对电位器的高精度要求。精密电位器的核心构件是电阻体，电阻 体修刻精度的高低，对于保证和提高精密电位器的线性精度，具有至关重要的影 响。因此，在修刻系统的设计阶段，对系统内影响修刻精度的因素及它们对修刻 精度的影响程度必须进行认真分析，以确保所设计的系统能达到修刻精度要求。 在i 2 节中提到，输出特性是描述电位器的输出比( u j ) 随行程比( e 。0 。) 变化的一个基本特性，而修刻的目标就是使实际输出特性曲线逼近理论输出特性 直线，故输出比( u 似u i ) 和行程比( 0 。0 。) 产生误差的因素即是影响修刻精度 的因素。这一误差的来源分析起来，主要包括：数据采集部分、恒流源部分和机 械传动机构、工频干扰、电阻浆膜质量及接触电刷等六个方面。 3 1 2 各关键因素对修刻精度的影响 1 、数据采集系统 数据采集系统的主要作用是采集图1 - 4 所示的电位器输出端1 、2 之间的实 际电压u o f ，与在该位置的目标电压u m 相比较，以决定是否继续修刻。故其采集 精度对提高修刻精度至关重要。 设该部分的采集精度为艿，即有：i 叫- - l u 。f - - u o t i 根据公式( 1 - 3 ) ，有： c - l 剖川。l u i i = 岛圳。 在不考虑其他因素对修刻精度影响的条件下，如要保证修刻精度达到0 1 ， 则： i o l c u i = o i l o v = o o i v = l o m v 即在不考虑其它误差的情况下数据采集允许的最大误差为4 - 10 m v 。 第三章修刻系统总体方案的设计 2 、恒流源 恒流源为图1 _ 4 所示的电位器提供的输入电压u i 是电源的输出电流l 和待修 刻电位器目标阻值的乘积，它是计算电位器线性度必不可少的参数。因此应保证 一定的恒流源精度。 设恒流源的精度为，7 ，即有：吲= 式中i f 恒流源的实际输出电流； i 。恒流源的理论输出电流。 如图1 - 6 所示，根据公式( 1 - 3 ) ，有： c - l 划舢i u i l ：隧鲁! ! i x m o = 二_ u u 7 0 i r j ，l 。= 鲁削。 ri i i = 鲁蚓x l o o 式中u i 电位器引出端1 与3 之间的输入电压； u o x 电位器引出端l 与2 之间的输出电压； u o f 电位器引出端l 与2 之间的实际输出电压； u m 电位器引出端1 与2 之间的理论输出电压； r 电位器的总电阻； 凡电位器引出端1 与2 之间的电阻。 在不考虑其他因素对修刻精度影响的条件下，如要保证修刻精度达到0 1 ， 则： c ：冬蚓o 1 r r 鱼1 h 咄= o 1 即恒流源允许的最大电流输出误差为0 1 。 3 、机械传动机构 不同类型的电位器其修刻系统的传动机构有所不同：根据2 3 节中的修刻方 式分析，旋转式电位器的修刻系统需要2 个直线定位平台，1 个旋转定位平台； 1 6 第三章修刻系统总体方案的设计 直滑式电位器的修刻系统需要3 个直线定位平台。对于旋转式电位器修刻系统， 需要考虑对修刻精度影响的是旋转定位平台。这是因为修刻宽度方向的进给由数 据采集部分的实时检测结果来控制；而修刻厚度方向上的进给启动率很低，基本 上是由宽度方向的进给来补偿。 根据图卜4 、图卜6 和公式( 1 - 2 ) 有： 坐：k 堕- 4 - b u i 0 。 忽略端电阻等因素的影响，令k = i ，b = 0 ，以理想情况进行估算，则有： u 。0 。 u i 0 。 坠：竺 u i 0 。 u “e x 一= = 一u i 0 。 u o f u mo x f 0 n 一= = 一 u i 0 。 如图3 1 所示。上式中 u 0 f 电位器引出端1 与2 之间的实际输出电压； u m 电位器引出端l 与2 之间的理论输出电压； o ) f 电位器引出端l 与2 之间的实际行程； 0 蛆电位器引出端l 与2 之间的理论行程。 u “ u i u 0 f u i 仉 u 。 0 0 。0 。 0 。 0 。 图3 1 理想情况下电位器的输出特性 设定位平台的定位精度为仃，即有：h - 1 0 , c r - o d 1 7 第三章修刻系统总体方案的设计 根据公式( 1 - 3 ) ，有： ：i e x f 。o ，c tl 10 0 1 - - - - - - - - - 4 = x i e 。 l ：丝1 0 0 o 。 在不考虑其他因素对修刻精度影响的条件下，如要保证修刻精度达到0 1 ， 则： i 叫c 乜= 志 即定位平台允许的最大定位误差为千分之一的总行程。有所不同的是，0 在旋转式电位器修刻系统中是角度量，而在直滑式电位器修刻系统中是直线长度 量。 。 4 、工频干扰 修刻机是集机械、电机、电子、计算机为一体的复杂的机电一体化系统，工 作在环境较差的工业现场。在这样的环境中，系统常会受到各种干扰。而系统本 身既有强电，又有弱电，也会产生内部干扰信号。从系统本身看，如图l - 4 中电 位器1 、2 端间的输出电压u 以和1 、3 端间的输入电压u i 均为o l o v ，信号较弱， 容易受到外界干扰，从而影响采集电压的准确性，导致修刻精度降低。 5 、电阻体膜层质量 电位器基体内壁涂有一层电阻浆膜，浆膜原料的配制和涂覆工艺是影响膜层 质量的主要原因。如果膜层极不均匀，有明显的局部电导率变化( 例如，有较大 的碳黑“团块”或膜层上有杂质、斑点等) ，也会严重地影响修刻精度。这种误 差因素是本修刻系统难以解决的。 6 、接触电刷 采集系统采到的电压信号是电位器前端点与接触电刷之间的输出电压，因此 接触电刷的结构形状也影响着电位器的线性精度。电刷与电阻体内壁接触得越紧 密，对线性精度的影响也越小。 7 、电刷与刻刀的相对位置 刻刀的运动是计算机根据采集到的信号，经过分析计算而发出驱动指令的，而 信号的采集前端来自于电刷，如果电刷与刻刀位置相异，则刻刀修刻的位置并非计 算机指定的位置，修刻精度无法保证。因此电刷触点与刻刀尖的位置必须一致。 第三章修刻系统总体方案的设计 3 2 修刻机基本功能的研究 作为一台普通制造加工设备，在设计时一般应满足以下几个要求，即运动要 求、精度要求、静力学要求、动力学要求、生产率要求和价格要求等。其中由于 修刻机运行速度较低，出现共振可能非常小，故可不考虑动力学方面问题。就总 体设计而言，主要考虑宏观结构，从功能需求出发来研究分析机床所需运动坐标 数，确定主运动和迸给运动，为完成后续具体设计奠定基础。因此满足运动要求 是首要研究任务。另外，修刻旋转式和直滑式两种运动形式不同的电位器，显然 需要修刻机具有不完全相同的运动，但是由于二者的基本修刻原理相通，故修刻 机在运动和布局也会有相似或相同之处。 3 2 1 修刻机的主要运动分析 根据第二章分析，采用宽度修刻对提高线性精度有利，因此按宽度修刻的方 式，不考虑电位器的零位搜索和检测等问题，单纯从修刻运动的角度出发，得出 如下结论： 1 ) 如图3 - 2 所示，电阻体的修刻需要控制三个运动( 不包括主轴的旋转) ， 分别为： 运动i ：刀具沿行程方向的相对运动； 运动i i ：刀具沿宽度方向的相对运动： 运动：刀具沿厚度方向的相对运动。 。2 ) 运动i 与运动需要联动，运动y 独立。 图3 - 2 电阻体的修刻运动 在图3 2 中，x 表示行程方向，y 表示宽度方向，z 表示厚度方向。根据 运动分析，x 、y 需要联动，z 为独立运动。当某一型号电位器的电阻体初次装 1 9 第三章修刻系统总体方案的设计 夹在工作台上后，首先沿z 向运动，确定将修刻掉的电阻浆膜厚度t ( 如图2 - 6 所示) ，然后修刻刀与电阻体沿y 向开始相对运动，x 与y 根据计算机指令实时 联动，提供进给运动。按照系统控制的轨迹运动。对于同一型号电位器的修刻， 虽然每次刀具都要重复运动，但是对于同一型号尺寸的电位器，刀具每次下降所 到的最低位置是固定的，同样不需反复调整。 3 2 2 修刻机的运动分配与布局 当修刻机的运动确定后，刀具和电位器的相对运动也就被确定了。但是，运 动是相对的，它既可以分配给刀具，也可以分配给工作台。就这里的三个相对运 动而言，存在表3 - 1 所列的几种分配方案： 表3 - 1 运动分配方案 方案运动 运动i 运动运动 looo 2oo 3oo 4o 5oo 6o 7o 8 注：o 表示分配给刀具；表示分配给工作台 运动的合理分配，