開發(fā)出絕對原點型Digimatic數(shù)顯千分表ID-C系列產(chǎn)品

1、前言 

指針式千分表（DIAL GAGES以下簡稱“DG”）不僅可以簡單地作為尺寸量具應用于比較測量儀器的測量臺，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，厚度計或其他測量儀上使用，用途廣泛。

三豐早在卡尺和千分尺之前，就著手進行DG的數(shù)顯化了，利用具有高精度、實時測量功能的光電檢測器和靜電電容（低電壓、低電流）檢測器，成功地開發(fā)出Digimatic Indicator—數(shù)顯千分表（DIGIMATIC INDICATORS以下簡稱“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中所使用的檢測器全部都是采用增量檢測方式，即通過感應安裝在心軸上的標尺與固定在框架上的柵格相關(guān)位置變量。三豐進一步利用其在靜電電容檢測器開發(fā)過程中獲得的專業(yè)技術(shù)，開發(fā)出公司獨創(chuàng)的絕對原點型（ABS）靜電電容檢測器。這種靜電電容檢測器是通過讀取刻在標尺上的絕對位置刻度來得到測量數(shù)據(jù)的。

本文將介紹采用了這種絕對原點測量法的絕對原點型（ABS）Digimatic數(shù)顯千分表ID-C系列。
*ABS（絕對原點）是“absolute”的縮寫。

2、開發(fā)理念 

當今的經(jīng)濟發(fā)展日益呈現(xiàn)出平穩(wěn)走勢，各行業(yè)商家都越來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這種全球競爭的新需要。

ID-C系列產(chǎn)品采用了絕對原點（ABS）標尺技術(shù)，有效提高了產(chǎn)品的技術(shù)性能和品質(zhì)，以拉開與其他產(chǎn)品的差距。同時兼顧降低制造成本，以滿足當前市場需要，其設計理念如下。
1) 采用絕對原點標尺，無需再頻繁地進行基準點確認操作。
2) 采用絕對原點標尺，響應速度無極限，有效提高了測量數(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) 通過采用通用零部件和商品改良，進一步降低制造成本。


圖1 ID-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種基本型號產(chǎn)品構(gòu)成。
分辨率可分為1μm和10μm兩種設計，各型號均具有12.7mm、25.4mm或50.8mm3種量程。量程為12.7mm的兩種型號：一種是采用輕型鋁制心軸的低測力型，另一種是具有IP53防護標準的封裝防塵型。這些產(chǎn)品的主要規(guī)格見下面表1。

表1 ID-C系列主要性能 

3-2 特點
 (1) 絕對原點標尺
使用在標尺上帶有絕對原點型靜電電容檢測器的ID-C，原點經(jīng)設置后，即使斷電，也仍可保留，無需每次開機后重新設置原點，用戶可在開機后直接進行測量。這種絕對原點型檢測器，是通過直接讀取刻在標尺上的位置信息，從而得到可靠的測量位置，對速度或加速度均無任何限制，絕對不會像從前使用的型號那樣出現(xiàn)“超速錯誤”。
(2) 電池壽命更長
以在開發(fā)數(shù)顯手持量具時積累的節(jié)能電路方面經(jīng)驗為基礎，結(jié)合絕對原點型檢測器技術(shù)，實現(xiàn)了ID-C的低耗電量，從而使電池壽命得以延長：一個氧化銀電池可連續(xù)工作約5,000小時。
(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，公差判斷更簡便：只需一次性設置上限和下限就可進行公差判斷。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計，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數(shù)，提高通用性。

ID-C 112系列包括4個主要組裝模塊：顯示組件、柵格組件、標尺組件和內(nèi)部框架組件。ID-C的測針、后蓋等附件與DG產(chǎn)品通用。

標尺組件固定在穿過內(nèi)部框架組件的心軸上。由標尺基準電極和與其成對的反向電極組成的柵格，與包含信號處理集成電路（MN146）的檢測電路板一起，由兩個板簧夾持著，共同構(gòu)成了柵格組件。由于柵格組件采用了一種簡單懸掛結(jié)構(gòu)，這樣即可保持滑塊與標尺表面的輕微接觸，又可保持與檢測器間的間隙和方位。顯示組件通過一個O形環(huán)和一個移動FPC固定到內(nèi)部框架組件上，以確保顯示裝置可進行330o旋轉(zhuǎn)。

圖2 ID-C 112結(jié)構(gòu)簡圖

4. 絕對原點型靜電電容檢測器

用于ID-C系列產(chǎn)品中的絕對原點型檢測器由標尺上所形成的3個軌跡（Coarse、Medium、Fine）和柵格上所配置的傳送電極和兩對接收電極構(gòu)成。當標尺移動時，通過柵格層之間的靜電電容藕合器傳送震動信號。該信號中的相位變化由接收電極檢測到。信號處理過程中將這一信息轉(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，位置一個個確定以后，從而可以檢測出標尺的位移量—絕對位置。

在此對1μm讀數(shù)絕對原點型檢測器的結(jié)構(gòu)和特點作簡單概述。

圖3、標尺和柵格的結(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3、標尺和柵格的結(jié)構(gòu)

電極圖案，如上面圖3標尺和柵格結(jié)構(gòu)圖所示。

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

4-2 規(guī)格
本絕對原點型檢測器不僅僅用于ID系列產(chǎn)品，考慮到還可擴展到最小分辨率為1μm的其它數(shù)顯手持工具的使用兼容性，作出了省空間設計。

新型柵格外部尺寸為10.5×15mm，與傳統(tǒng)靜電電容INC檢測器的尺寸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應情況；圖5圖示出檢測器單體精度的代表測量例。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

圖5、檢測器單體精度

5. 制造成本

很難預測日本制造業(yè)究竟能不能，或者說什么時候能再次進入一個經(jīng)濟飛速發(fā)展的時代？日本制造業(yè)的發(fā)展很有可能處于一個長期低迷的狀態(tài)。在此期間，國際制造業(yè)的競爭更為激烈，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企業(yè)生存的支柱。因此，制造業(yè)眾多公司將不得不通過整個公司的改革與提高去迎接這一挑戰(zhàn)。

在ID-C系列產(chǎn)品的開發(fā)過程中，降低制造成本被作為本次商品開發(fā)的重要課題。基于這一個理念，將現(xiàn)有產(chǎn)品零部件的設計進行全面改良，改進將生產(chǎn)工藝與制造技術(shù)集成一體的工程設計，通過推行上述措施，三豐取得了巨大的成效。現(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)濟強勁發(fā)展的“泡沫”階段，需要重新審查那些最初為追求高效而選用的高價零部件和材料，要著眼于在確保能滿足性能要求的同時，減少多余零部件，尋求低價替代品。此外，我們還要努力尋求減少零部件數(shù)量的方法，例如將分離式的補充性零部件集成為模塊等。

(1)柵格組件       從原先的9個零部件構(gòu)成改進成由4個零部件形成的模塊。
(2)空氣阻尼器    使用新設計的心軸帽取代了以前6個部件的配置（采用絕對原點型標尺，響應速度無極限，并且無需使用節(jié)氣閥。盡管對于長量程型                        號的儀器，為確保測量精度仍需繼續(xù)使用節(jié)氣閥，但還是成功地從心軸導軌中省去了起著節(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、高防沖擊性的絕對原點型樹脂材料換為一般耐熱等級的絕對原點型樹酯材料。
(5)遮蔽板    遮蔽板由于無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個減少到了ID-C 122型的32個，大約削減了33%的原有零部件。

圖6、安裝誤差的容許值

5-2 降低最初的模具成本
雖說使用模制零部件可以大大節(jié)省成本，但使用復雜的高性能模具，初始成本是相當高的，這便相對增加了折舊和攤銷成本，結(jié)果也就造成了較高的產(chǎn)品價格。因此，關(guān)鍵是要購買適于批量生產(chǎn)的模具和認真選擇模具供應商。

ID-C系列產(chǎn)品有33個模制部件（包括沖壓制件），與模具供應商共同制定出技術(shù)解決方案之后，最初的模具成本比最初預計減少了28%。

5-3 提高絕對原點型檢測器的成品率

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

6. 結(jié)論

以上簡要介紹了用于ID-C系列的絕對原點型靜電電容檢測器在改進與降低成本方面所取得的成功。因為ID產(chǎn)品在測量領(lǐng)域應用廣泛，許多客戶都要求提高測量數(shù)據(jù)的實時顯示功能和測量精度。在成功開發(fā)出絕對原點型靜電電容檢測器的基礎上，三豐將繼續(xù)努力開發(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。