（测试计量技术及仪器专业论文）新型洛氏硬度计的开发.pdf

摘要 论文题目：新型洛氏硬度计的开发 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：张涛 导师：于殿泓副教授 摘要 签名：立蟠l 签名：i 丝：芝竺 j 洛氏硬度计是检测材料和零件硬度较精密的计量仪器，用来测量材料或者成品半成品 的相应硬度，其性能指标主要体现在检测精度和操控性两个方面。目前，国内制造的洛氏 硬度计的检测与控制系统大多由基于8 位微控制器( 如8 0 5 1 ) 的低端嵌入式系统实现， 由于其本身性能和资源的限制，用该类控制器实现的洛氏硬度计检测与控制系统的功能， 已满足不了目前市场的需求。 嵌入式a r m 微控制器的出现，弥补了以往低端微控制器存在的不足，其具有性能优 越、资源丰富、扩展功能强大等优点。本课题将以a r m 微控制器为核心，开发一种新型 的洛氏硬度计。主要工作包括以下几个方面： 1 在分析传统洛氏硬度计工作原理的基础上，考虑其存在的缺陷，设计出操作方便、 功能优越、人机交互界面友好的新型洛氏硬度计。 2 根据系统功能分析，结合当前市场的需求，设计出新型洛氏硬度计系统的各个功 能模块，并在不断实验和调试的过程当中选择合适的功能模块，使整个系统稳定、可靠、 效率高。选用a r m 7 微控制器结合实时操作系统i t c o s i i 以实现各方面的要求。 3 综合考虑洛氏硬度检测过程中的每个环节，结合各个功能模块在整个测量过程中 所起到的作用，在软件编程方面结合实时操作系统i t c o s i i ，将整个系统功能分解为多 任务，使系统运行稳定、可靠、效率高。最终，通过整个系统的软件调试将各个功能模块 的任务很好的结合起来，完成了新型洛氏硬度计的开发。 本文论述了以p h i l i p s 公司的a r m 7t d m i s 系列的l p c 2 1 3 2 为嵌入式核心处理器， 辅以g c o s i i 嵌入式的新型洛氏硬度检测系统的总体设计及其具体实现。研究表明，以 l p c 2 1 3 2 微处理器和g c o s i i 实时操作系统为核心的新型洛氏硬度检测系统，具有成本 低、实时性高、低功耗等特点，能够体现出很好的应用价值。 关键词：嵌入式；洛氏硬度计；实时操作系统；l p c 2 1 3 2 芯片 a b s t r a c t t i t l e ：d e v e l o p m e n to f t h en e wr o c k w e l lh a r d n e s s t e s t e r m a j o r ：m e a s u r e m e n t ，m e t r o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n n a m e ：t a oz h a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d i a n h o n gy u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h er o c k w e l lh a r d n e s st e s t e ri sap r e c i s i o nm e a s u r e m e n tl n s t r u m e n ti nm a t e r i a la n dp a r t h a r d n e s st e s t i n g ，w h i c hi so f t e nu s e di nd e t e c t i o no fm a t e r i a l s ，p r o d u c ta n dh a l f - f i n i s h e d p r o d u c t i t sp e r f o r m a n c ei sd e c i d e db ym e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n dm a n i p u l a t i o nc a p a b i l i t y a t p r e s e n t ，m o s to ft h ed e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo nr o c k w e l lh a r d n e s st e s t e rm a n u f a c t u r e di n c h i n aa r ed e v e l o p e db yu s i n gl o w e n d8 - b i tm i c r o p r o c e s s o r ( e g 8 0 50 b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o no fp e r f o r m a n c ea n dr e s o u r c e si nt h es y s t e m ，t h ef u n c t i o n so ft h em i c r o p r o c e s s o rc a n n o tr e a c ht h em a r k e tr e q u i r e m e n t s 。 t h es h o r t c o m i n g so ft h el o w e n d m i c r o p r o c e s s o ra r co v e r c o m eb ye m b e d d e da r m m i c r o p r o c e s s o rw i t h e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，a b u n d a n tr e s o u r c e sa n dp o w e r f u le x t e n s i o n f u n c t i o n i nt h i st h e s i s ，an e wt y p eo f r o c k w e l lh a r d n e s st e s t e rb a s e do na r mi sd e s i g n e d t h r e ec o n t e n t sa r em a i n l yi n c l u d e da sf o l l o w s ： f i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lr o c k w e l lh a r d n e s st e s t e r sw o r k i n g p r i n c i p l ea n di t sd e f e c t s ，an e wr o c k w e l lh a r d n e s st e s t e ri nw h i c hi n t e g r a t e dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，s u p e r i o rf u n c t i o na n df r i e n d l yh c i ( h u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ) i sd e s i g n e d 。 s e c o n d ，o nb a s i so ft h ea n a l y s i so fs y s t e mf u n c t i o na n dc u r r e n tr e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t ， e v e r yf u n c t i o nm o u l do fn e wr o c k w e l lh a r d n e s st e s t e ri sd e s i g n e d b yt h ec o n t i n u o u s e x p e r i m e n t sa n dd e b u g g i n gp r o c e s s i n g ，t h es u i t a b l ef u n c t i o nm o u l d sa r ea d o p t e d ，w h i c hc a n k e e pt h es y s t e ms t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dh i 曲e f f i c i e n c y a r m 7m i c r o c o n t r o l l e rw i t hr t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) i a c o s i ii su s e dt om e e tv a r i o u sr e q u i r e m e n t s t h i r d ，c o n s i d e r i n ge a c hs t e p so f t h es y s t e md e t e c t i o np r o c e s s ，f u n c t i o n so fe v e r ym o u l da n d t h er t o s t c o s i ip r o g r a m m i n g ，t h es y s t e mf u n c t i o n sa r ed i v i d e di n t om u l t i t a s k s t h u si t c a l lk e e pt h es y s t e ms t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y a f t e rd e b u g g i n ge v e r ym o u l d f u n c t i o n ，t h en e wr o c k w e l lh a r d n e s st e s t e ri sd e v e l o p e d i ti s p r o v e d t h a tt h er o c k w e l lh a r d n e s s m e a s u r i n gs y s t e m b a s e do nl p c 213 2 m i c r o p r o c e s s o ra n dr t o si _ t c o s i i h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wc o s t ，h i 曲r e a l t i m e ，l o w p o w e ra n ds oo n i th a sav e r yg o o da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，r o c k w e l lh a r d n e s st e s t e r , r t o s ，l p c 2 13 2 i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特另t ld n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盔圣 砂j 挥；月 日 学位论文使用授权声明 本人兰丝渔 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：虹导师签名：塾 年月日 绪论 1 绪论 1 1 洛氏硬度计的发展与现状 洛氏硬度计的检测方法最初是由美国人洛克威尔( s er o c k w e l l 和h m r o c k w e l l ) 在1 9 1 4 年提出的。以后他们在1 9 1 9 年和1 9 2 1 年两次对硬度计的设计进行了改进，奠定 了现代洛氏硬度计的雏形。到1 9 3 0 年威尔逊( c h w i l s o n ) 进行了更新设计，使洛氏硬 度检测和设备更趋完善，一直沿用至今d 。 硬度计在各种力学性能试验机中应用最为广泛，得到人们多方面的关注。从2 0 世纪 8 0 年代开始，随着改革开放形势科学技术的迅速发展进步，各种硬度计及计量测试技术 有很大的进展。由于采用了高灵敏度位移传感器，c c d 图像处理系统及激光干涉仪等先 进的策测量技术，通过与微电子及计算机技术的结合，实现了压痕的自动测量及检测过程 自动控制，推出了一批高精度全自动硬度计，达到了机电一体化，为科学技术的发展、产 品品质的提高及计量检测工作提供了有力保障。 目前广泛使用的数显洛氏硬度计，莱州华银试验仪器公司生产的h r s 一1 5 0 型等，已 采用了高精度光栅位移传感器测量压痕深度，以微电子技术进行程序控制，实现了检测力 施加自动化、硬度指示数字化、检测过程自动化，具有数据采集、计算、显示、打印及各 种硬度值间及强度换算等功能。另外，如h r d 1 5 0 型电动洛氏硬度计，这种机型采用了 自动对零专用表测量压痕深度，仅以上升工作台操作即可完成施加预检测力和表针自动对 零过程，消除了人工对零误差。该机主轴系统为无摩擦式结构，主检测力的施加、保持、 卸除均电器控制达到自动完成一个检测过程。这些基本上是洛氏硬度计的发展现状，随着 科技的不断发展，缺陷也在不断的体现出来，所以还有相当的改进与发展的空间。 随着国民经济建设的迅速发展，工业产品的品质和品种及新材料、新工艺的采用，使 得硬度计也必将有更大的进步。 1 2 嵌入式系统概述 随着电子技术的迅速发展，特别是微处理器的性能不断的提升，存储空间的不断扩展， 片上系统的嵌入成为可能。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术 与各个行业的具体应用相结合的产物。目前，各种各样的嵌入式系统设备在应用数量上已 远远超过通用的计算机。 1 2 1 嵌入式系统的定义 在嵌入式系统中，操作系统和功能软件集成与计算机硬件系统中，就是说，系统的应 用软件与系统的硬件一体化，类似于我们通用计算机的b i o s 的工作方式。特别适合与要 求实时性和多任务的体系。 所谓嵌入式系统，就是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、适应 应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统 西安理工大学硕士学位论文 是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 这一点就决定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统2 1 。 它一般具有这样几个特性：执行特定的功能，以微处理器和外围构成核心，严格的时序和 稳定性的要求以及全自动循环操作。 1 2 。2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统主要有嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等 组成。大致可以分为硬件和软件两部分。 嵌入式系统硬件部分，包括微处理器、存储器和各种外设器件如键盘、显示器、触摸 屏等，其核心为嵌入式微处理器。嵌入式微处理器采用“增强型通用微处理器。由于嵌 入式系统通常应用环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性 以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理 器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括 r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较 差3 1 4 1 。嵌入式微处理器目前主要有x 8 6 、p o w e rp c 、m i p s 、a r m 、d s p 系列等等。 嵌入式系统的软件可分为两大部分：作为开发平台的嵌入式操作系统和在其基础上开 发的应用程序。嵌入式操作系统是种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、 系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等“1 6 1 。嵌入式操作系统 具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够提供库函数、 驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高 效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。目 前常见的嵌入式操作系统由l i n u x 、v x w o r k s 、i x c o s i i 等 t - g l 。 1 2 3 嵌入式系统的发展现状 嵌入式系统实软件和硬件的综合体，事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存 在了。它最早于六十年代晚期在通信中用于控制电话交换机中的电子机械交换的控制，当 时被称为“存储式程序控制系统( s t o r e dp r o g r a mc o n t r 0 1 ) i t 0 | 。 随着应用的发展，其涵盖范围和领域也越来越广泛，几乎包括了我们周围的所有电器 设备，如电视机顶盒、掌上p d a 、移动计算设备、多媒体设备、医疗仪器乃至路由器、 交换机等。进入2 0 世纪9 0 年代，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术 也获得了更为广阔的发展空间，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共 同发展方向。在自动控制领域，嵌入式系统不仅应用于a t m 机、自动售货机、工业控制 等专用设备，它还与移动通信设备、g p s 、娱乐、p d a 设备等相结合，发挥出巨大作用。 目前，嵌入式系统已经广泛应用到工业、交通、能源、通信、科研、医疗卫生、国防以及 日常生活等领域 1 1 - 1 3 。 2 绪论 据调查，目前国际上已经有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用 于嵌入式开发的仪器设备更是数不胜数。有些学者断言：“嵌入式技术将成为后p c 时代 的主宰 。目前对嵌入式系统的研究主要集中在以下几个方面： a 嵌入式芯片 嵌入式芯片的研究包括：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式d s p 处理器和 嵌入式片上系统。目前常用的微处理器有：a m l8 6 8 8 、p o w e rp c 、a r m 系列等。 b 嵌入式操作系统 操作系统的引入对于嵌入式的开发起到了极大的推动作用。在嵌入式操作系统下设计 的应用程序能够实现网络等复杂的功能，能够不再考虑底层设备的管理。从2 0 世纪8 0 年代起出现了各种商用的嵌入式操作系统，他们都是为专用系统开发的，如v x w o r k s ， p a l m o s ，w i n d o w s c e 等t 1 4 1 l l s i 。目前，由于l i n u x 的内核的可裁减性和稳定性，人们通过 对l i n u x 核心的改写和增减功能，便形成了各种适应不同要求的嵌入式l i n u x 操作系统， 如：r t l i n u x ，p c l i n u x 。为了界面的友好性，在其上开发了图形界面系统，如：m i n i g u i ， m i c r o w i n d o w s ，o p e n g u i 等1 1 6 - 1 8 | 0 c 嵌入式产品 在特定的嵌入式软、硬件平台下，从应用的角度出发，开发了各种具有特定功能的嵌 入式产品，如p d a 、w e b t v 等。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美 好的前景，同时市场需求也向嵌入式产品提出了新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的 功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付 更加激烈的市场竞争。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的 发展以及i n t e m e t 技术在信息家电、工业控制技术等领域的应用，嵌入式系统与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来1 1 9 1 0 1 3 课题提出的意义及研究内容 以洛氏硬度计目前的发展现状看，大多采用8 位单片机的低端单片机系统实现其自动 化，其不足之处有显示器件简单、粗糙，功能单调、有限，工作的可靠性与稳定性较低， 大部分数显洛氏硬度计采用光栅作为位移传感器，虽然精度高，但是价格相对比较昂贵， 有这些不足之处，就意味着有改进与发展的空问。 本文主要的研究内容有： ( 1 ) 总体方案的研究与设计 ( 2 ) 系统硬件电路设计 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统的移植和裁减 ( 4 ) 系统软件模块的设计 根据所研究的内容，本文的其他章节安排如下： 第二章系统总体方案的设计提出了课题的总体设计方案，详细介绍了洛氏硬度计的 1 西安理工大学硕士学位论文 结构与原理，以及嵌入式系统的硬件平台与软件结构的特点。 第三章系统硬件电路的设计主要介绍了基于a r m 的自动落实硬度计系统的硬件设 计内容，包括各个模块的具体实现、系统硬件性能分析等。 第四章基于c o s i i 系统的软件设计主要介绍了嵌入式实时操作系统g c o s i i 的 特点及其移植到a r m 芯片l p c 2 1 3 2 的过程。具体讨论了l ，t c o s i i 系统各模块的软件设 计，主要包括容栅传感器数据采集及处理、l c d 的显示、键盘的控制：步进电机的控制 等等。 第五章结论与展望对全文的总结，给出新型洛氏硬度计的测试结果，提出一起存在 的不足，并对后续的工作作了进一步的展望。 4 系统总体方案的研究与设计 2 系统总体方案的研究与设计 2 1 洛氏硬度计的结构与检测方法 洛氏硬度计是检测材料和零件硬度较精密的计量仪器，它的示值准确与否是非常重要 的。对硬度计的管理、使用与维护，除开使用部门和检测人员应认真对待外，还应定期委 托国家计量部门检定，以保证示值准确和检测质量。 2 1 1 洛氏硬度计的结构 洛氏硬度计属于压入法硬度计，即也是静力法硬度计。静力法硬度计一般是由机架、 加荷机构、压头及测量装置几部分组成。 a 机架 它是硬度计上所有部件的支承体，应具有很好的刚性和稳定性。按形状可分为门式和 悬臂式两种。洛氏硬度计采用的悬臂式，检测力一般都是通过杠杆放大之后加在主轴上的。 b 加荷机构 加荷机构包括产生检测力的装置、加卸检测力装置、控制施加检测力速度装置等。洛 氏硬度计是利用杠杆机构产生检测力的。它的优点是砝码通过杠杆放大形成检测力，体积 小、质量轻。一般洛氏硬度计因其最大检测力仅为1 4 7 0 n ( t 5 0 k g f ) ，多采用单杠杆的加 荷方式( 如常用的h r - 1 5 0 a 、h r 1 5 0 d t 、h r 1 5 0 f ) ，如图2 1 所示。 试样 诋 ，r 二、 一 j 套形刀子 砝码 一压头 图2 - 1 单杠杆加荷机构示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co fl o a d i n gm e c h a n i s mo fs i n g l el e v e r c 测量装置 压痕的深度和平面几何尺寸的测量( 后者指布氏、维氏及显微硬度压痕) 装置，可分 为机械式和光学测量。洛氏硬度检测属于机械式，测量工具是专用百分表。 西安理工大学硕士学位论文 d 压头 压头在硬度试验中是一个至关重要的部件，它的精度和品质是保证示值准确性的重要 因素。由于试验方法的不同，压头有不同的材料、不同的几何形状和不同的精度要求。洛 氏硬度试验法用的是q 1 5 8 8 和c p 3 1 7 5 的淬火钢球和夹角为1 2 0 。的圆锥体金刚石压头。 2 。1 。2 洛氏硬度检测方法 a 原理 洛氏硬度检测法采用1 2 0 。金刚石圆锥或淬火钢球( 规定直径) 作为压头，在初始检 测力f o 作用下，再加上主检测力f l ，在总检测力f 作用下，将压头压入试样表面。之后 卸除主检测力，在保留初始检测力f o 测量压痕深度残余增量e ，1 0 0 ( 或1 3 0 ) 减去e 值 ( e 值以0 0 0 2 m m 为单位) 即为洛氏硬度值。 b 符号及计算公式 洛氏硬度检测及计算公式所用符号及其含义见表2 1 所示。 表2 - 1 洛氏硬度符号及其说明 t a b 2 - 1s i g na n de x p l a n a t i o no fr o c k w e l lh a r d n e s s 符号说明符号 说明 a 金刚石圆锥角( 1 2 0 。) h r aa 标尺洛氏硬度= 1 0 0 - e r金刚石圆锥体项部曲率半径m m h r c c 标尺洛氏硬度= 1 0 0 - e d钢球直径r a m h r d d 标尺洛氏硬度= 1 0 0 - e f o初始试验力n h r bb 标尺洛氏硬度= 1 3 0 - e f l主试验力n h r ee 标尺洛氏硬度= 1 3 0 - e f总试验力n h r f f 标尺洛氏硬度= 1 3 0 - e l l o施加主试验力在初始试验力下的压痕深度r a m h r g g 标尺洛氏硬度= 1 3 0 - - e h l在主试验力下的压痕深度增量m m h r hh 标尺洛氏硬度= 1 3 0 - - e e去除主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度 h r k k 标尺洛氏硬度= 1 3 0 - - e 增量，用o 0 0 2 m m 为单位表示 根据洛氏硬度( h r ) 定义，一个洛氏硬度单位在特定条件下定义为0 0 0 2 m m 的压痕 深度残余增量。 规定洛氏硬度读数如下：用金刚石压头( a c d 标尺) 为1 0 0 e ；用钢球压头( b e f g h k 标尺) 为1 3 0 e ，即h r = k e 。 由h r = k e 公式看出，压痕深度的残余增量e 越大，则洛氏硬度值越低；e 越小，硬 度值越高。式中k 为定义常数，用钢球压头为1 3 0 ；用金刚石压头为1 0 0 。所谓标尺，是 用不同压头和总检测力的组合加以区分。例如用金刚石圆锥压头，总检测力为1 4 7 1 n ( 1 5 0 k g f ) 时，是h r c ；如用1 5 8 7 m m 钢球作压头，总检测力为9 8 0 7 n ( 1 0 0 k g f ) 时， 是b 标尺h r b 。 6 系统总体方案的研究与设计 e 是去除主检测力后，在初始检测力f o 的残余压痕深度增量。用金刚石压头，1 4 7 1 n 总检测力条件下，在卸除主检测力后，如e 为o 0 8 m m ，因为每一洛氏硬度单位为o 0 0 2 m m ， 则h r c = 1 0 0 4 0 = 6 0 。由此可看出此值无量纲为一有条件的无名数。 k 值为什么定义为1 0 0 和1 3 0 7 当压头为金刚石圆锥体时，因为h r c ( a ) 规定用于 测量较硬的材料，如淬火后的钢及硬质合金等，一般不会出现压入深度为0 2 m m 而使硬 度值为零的情况。当压头为钢球时，多用于测量中等及较低硬度的材料，硬度值跨度较大， 为了避免出现负值，将用钢球的洛氏标尺k 值均定为1 3 0 。 c 检测过程及其示意图 洛氏硬度检测过程示意图见图2 2 、图2 3 、图2 4 所示。 图2 2 、图2 3 、2 4 中1 位，表示试样台上升，试样表面接触压头后，开始加上初始 检测力f o ，杠杆向上，百分表大指针顺时针方向旋转两圈或三圈至零点，小指针同步指 红点为止( 在光学洛氏硬度计投影屏上刻度向上移动，用金刚石锥，刻线指到1 0 0 ；用钢 球相当于1 3 0 ) 。在初始检测力f o 作用下，压头压入试样深度h o 。反映硬度的压入深度是 从l l o 这一位置开始计算的。 。 2 位表示加上主检测力f l 后，杠杆向下，压头进一步压入试样，此时压入的深度决定 于试样的硬软。百分表上指针反时针旋转到某一位置为止( 光学洛氏硬度计投影屏上刻度 向下移动到某一位置) 。在主检测力f l 作用下压头压入深度为h l 。 3 位表示卸除主检测力f l 后，保留初始检测力f o 时，压头由于试验材料的弹性变形， 试样向上推起压头。推起的高度决定于该材料的弹性回复大小。当杠杆向上，百分表指针 顺时针旋转到某一刻度止( 在光学投影屏上刻度向上移动少许) ，此时可直接从百分表或 光学投影屏上读出硬度数值。图2 2 、图2 3 、图2 4 中e 为被试材料的实际压入深度。 卸掉初始检测力f o ，压头离开样品表面，百分表指针回零，光学洛氏硬度计投影屏上 刻度向下移动至起始位置。 图2 3 和图2 - 4 是整个测量过程中试样表面所产生的变化。 02 f o f o + f i 邓 34 f o 图2 2 洛氏硬度检测过程示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i co fm e a s u r i n go fr o c k w e l lh a r d n e s s 7 ( a ) 金刚石圆锥 图2 3 两种不同压头的实验示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co ft e s to ft o wd i i t i r e n tp r e s s ( b ) 钢球 试样表面 凸i 1 星l z l _ 皇 一1 l l o h u 图2 - 4 用金刚石圆锥压头试验示意图( h r a 、h r c 、h r d ) f i g 2 - 4s c h e m a t i co ft e s to fd i a m o n d c o n ep r e s s d 洛氏硬度标尺及技术参数 已被替代的g b 2 3 0 8 3 金属洛氏硬度试验方法标准中只有h r a 、h r b 、h r c 三个 标尺。现行g b t 2 3 0 9 1 金属洛氏硬度试验方法标准将原来三个洛氏标尺扩展为9 个 标尺。见表2 2 所示。 8 系统总体方案的研究与设计 表2 2 洛氏硬度标尺及技术参数 t a b 2 - 2g a u g ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k w e l lh a r d n e s s 洛氏硬度标 硬度符号压头类型 初始检测主检测力总检测力 尺力f 0 n f i n f ，n 洛氏硬度范围 ah r a 1 2 0 。金刚石圆锥9 8 0 7 4 9 0 3 5 8 8 4 2 0 一8 8 h r a bh r b1 5 8 7 5 m m 钢球9 8 0 78 8 2 69 8 0 72 0 lo o h r b ch r c1 2 0 。金刚石圆锥9 8 0 71 3 7 31 4 7 12 m v 7 0 h r c dh r d 1 2 0 。金刚石圆锥9 8 0 7 8 8 2 6 9 8 0 74 m 一7 h r d eh r e 3 1 7 5 m m 钢球 9 8 0 78 8 2 69 8 0 77 0 。1 0 0 h r e f h r f1 5 8 7 5 m m 钢球9 8 0 74 9 0 35 8 8 46 0 lo o h r f gh r g 1 5 8 7 5 m m 钢球9 8 0 7 1 3 7 31 4 7 l 3 m 固4 h r g hh r h 3 1 7 5 m m 钢球 9 8 0 74 9 0 35 8 8 48 0 1 0 0 h r h k h r k3 1 7 5 m m 钢球9 8 0 71 3 7 31 4 7 14 0 - - 10 0 h r k e 标尺的应用规则 h ra 一适用于测定坚硬或薄硬材料硬度，如硬质合金、渗碳后淬硬钢、经硬化处理后 的薄钢带、薄钢板等。因为对于h r c 6 7 的材料若仍用1 4 7 1 n 检测力易于损坏金刚石压 头。宜用检测力较小，压入深度较浅的h r a 标尺。 h r b 一适宜用于测定中等硬度的材料，如经退火后的中碳和低碳钢、可锻铸铁、各种 黄铜和大多数青铜以及经固溶处理时效后的各种硬铝合金等。适用范围是h r b 2 0 1 0 0 。 当试样硬度小于2 0 h r b 时，因为这些金属的蠕变行为，试样在检测力作用下变形将持续 很长时间，表上的指针或光学投影刻度将长时缓慢移动，难以测量准确。而当h r b 1 0 0 时，因为钢球压入的深度过浅，灵敏度降低，影响测量精度。 h r c 一最适用于测定经淬火及低温回火后的碳素钢、合金钢以及工、模具钢，也适用 于测定冷硬铸铁、珠光体可锻铸铁、钛合金等。一般h r b 1 0 0 的材料可用c 标尺测定， 当h r c 2 0 时，由于金刚石压头压入过深，压头圆锥的影响增大，产生下滑现象，影响 测量准确性，宜换用h r b 标尺测定。 h r d 一是介于h r a 和h r c 之间的一种标尺，适用于压入深度介于a 和c 标尺之间 的各种材料，如表面热处理强化后的钢试样、珠光体可锻铸铁等。 h r e 一适用于测定一般铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金及其类似软金属。 h r 卜适用于韧化黄铜、紫铜、一般铝合金等。 h r g 一适用相当于h r b 近于1 0 0 的材料。因为这时可比h r b 检测近于1 0 0 时的灵敏 度高。 h rh 一适用于铝、锌、铅等软金属合金，因为h 标尺使用压头直径大；检测力又小， 且可迅速直接读数。 9 西安理工大学硕士学位论文 h r k 一适用于轴承合金和其他软金属材料。 以上除洛氏a 、b 、c 三个标尺外，其余洛氏d 、f 、g 等6 个标尺都是在修订后 的标准中增添的。因为在i s o 标准中，这些标尺早已有应用，我国加入w t o 以后，国际 贸易、技术交流将会更加频繁，为参照对比国际上各种硬度要求，这些标号的应用是很重 要的。 洛氏硬度检测操作简便、迅速、工作效率高。由于其使用检测力小，所产生的压痕比 布氏硬度检测的压痕小，因而对制件表面没有明显损伤。由于使用金刚石压头和两种直径 钢球作为压头、有三种检测力，共计有9 个标尺( 见表2 2 所示) ，可以测量从较软到较 硬材料的硬度，使用范围宽广。再者有预检测力，所以试件表面轻微的不平度对硬度值的 影响比布氏、维氏小。因此，适用于成批生产大量检测的机械、冶金热加工过程中以及半 成品或成品检测。特别适用于刃具、模具、量具、工具等的成品制件检测。 2 2 系统总体设计方案 该系统主要应用于数字式容栅传感器信号的采集以及处理。由于数字式容栅传感器采 取在梳状电极中增加反射电极的独到结构，使发射极与接收极同处于动尺上，传感器电路 与传感器之间无活动引线，且处理、测量电路已集成为专用芯片。本系统通过对a r m 处 理器的语言编程，实现对各种外围设备( 包括键盘、图形液晶显示器、触摸屏、实时时钟 等) 的数字控制，同时在处理器中通过嵌入式程序的移植，可以实时获得相应的数据显示、 功能控制等，是一种低成本、高性能、测试方法简单、精度高的材料硬度测试仪器。本章 主要是在数字式容栅传感器输出的非标准同步数字信号的采集与处理的基础上完成了系 统硬件及软件的总体设计。 2 2 1 系统硬件结构设计 本系统的核心部分是由a r m 处理器及其外部设备组成的，他们完成了整个系统的控 制和数据传输、处理等任务。我们采用了一款l p c 2 1 3 2 处理器为内核的硬件平台，这款 处理器基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s c p u 处理器，对代码规模 有严格要控制的应用，可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失 却很小1 。并且根据功能需求，考虑整个系统的性能，以及顾及到它的成本问题，l p c 2 1 3 2 的性价比以及开发时间等指标都能达到最优。 鉴于新型洛氏硬度计的功能，按照模块化的设计思想，其硬件部分主要包括主控制器 模块、数据采集模块、串口通讯模块、人机交互模块和辅助功能模块。其他的一些小的模 块还包括电源管理模块、复位模块、时钟模块等等，这些是l p c 2 1 3 2 能够正常运行的最 基本模块。主控制模块是整个系统的核心，主要负责各个模块的控制、数据采集和处理以 及通讯等等，是整个新型洛氏硬度计的关键所在。 我们可以通过硬件语言编程实现对各个外围器件的地址的译码和锁存、对实时时钟芯 片的操作、对e e p r o m 芯片的操作等功能，这样不但可以增加可编程应用的灵活性，更 1 0 系统总体方案的研究与设计 可以降低系统功耗和系统综合成本，提高系统的可靠性和安全性。系统总体的电路原理图 见附录a 所示。系统硬件总体框图如图2 5 所示。 数 字 式 容 栅 传 感 器 图2 - 5 系统硬件结构示意图 f i g 2 - 5s c h e m a t i co fs y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 2 2 2 系统软件结构设计 系统软件总体框架如图2 - 6 所示。硬件驱动程序完成对系统硬件资源的抽象，为上层 软件提供函数调用。通过抽象底层硬件的物理行为，能够为软件设计建立一个优良的接口， 使上层软件在底层标准接口的定义下工作：将来硬件性能提高了，上层软件不用作过多的 修改，只需要修改底层驱动就可以了。 图2 - 6 系统软件结构示意图 f i g 2 - 6s c h e m a t i co fs y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r e 西安理工大学硕士学位论文 实时多任务操作系统具有任务调度、任务控制、任务间通信与同步、系统资源管理、 存储器管理等功能，可以为应用程序提供统一的调用接口，且要具有非常高档可靠性和良 好的可裁剪性，满足嵌入式和实时性要求。开发者可以将更多的注意力放在对每个具体任 务的处理上。这使得程序结构模块化，且易于纠错、维护和升级，从而使开发效率提高。 在本设计中，我们移植了实时操作系统g c o s i i 到a r m 处理器中。 用户任务程序位于系统最上层，它是根据要求，在操作系统基础上建立具有不同功能 的任务模块，有操作系统统一管理，共同完成系统功能。任务之间的协调主要依赖于系统 的消息队列。 2 3 本章小结 本章对洛氏硬度计的结构与测量原理作了较为详细的介绍。从对数字式容栅传感器的 数据采集与处理出发，采用嵌入式实时操作系统肛c o s i i 对不同功能任务模块的统一管 理完成整个系统功能，并完成了系统硬件及软件的总体设计。 1 2 系统硬件电路研究与设计开发 3 系统硬件电路研究与设计开发 本章重点讲述新型洛氏硬度检测系统中传感器的选择以及硬件电路的具体实现，包括 微控制器系统、人机交互模块、传感器输入模块等。 3 1 容栅传感器的介绍 容栅传感器是近十几年来从国外发展起来的一大类新型电容传感器。这类传感器具有 体积小，抗干扰能力强、造价低、功耗小、易集成、精度高、环境适应性强等一系列优点。 近年来，容栅传感器在高精度大位移测量中得到了广泛的应用，最为成功的例子有千分尺、 百分尺、高度仪，坐标仪和机床行程检测等| 2 0 | 0 3 1 1 容栅传感器的工作原理 容栅传感器的动栅和定栅的结构和安装示意图如图3 1 所示： 发射极e m lm 2 m 3m 4 圈凸 定栅 跚髓嘲煳腼阳丽脚= = 1 1 图3 - 1 答栅传感器结构与安装示意图 f i g 3 - 1s c h e m a t i co fs t r u c t u r ea n df i xf o rc a p a c i t a n c ea r r a ys e n s o r s 图3 一l 中动栅上排列一系列尺寸相同、宽度为l o 的发射极片1 ，2 ，3 8 ，用e 表示， 公共接收极为r ，定栅上均匀排列着一系列的尺寸相同、宽度和间隙各为4 l o 的反射电极 片m 1 ，m 2 ，电极片间互相电绝缘。动栅和定栅的电极片面对，平行安装。当发射电 极片l ，2 ，3 8 分别加以激励电压e 1 ，e 2 e 8 时，通过电容耦合在反射极片上产生电荷， 再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。 当容栅发射极e 被加载一个频率和相位严格按周期变化的激励电压信号v e 时，根据 电容的工作原理，反射极m 将会感应产生与v e 频率及相位相同电压信号v m ( 充电电 西安理工大学硕士学位论文 荷q - - v c ，当工艺结构确保c 一定时，q o c v ) 。同理，在接收极r 将得到频率与相位也 与激励信号相同的感应信号v r 。 当反射极m 相对于发射极e 发生位移时，尽管反射极m 在一瞬间，任一位置均对应 于该瞬间和位置上发射极e i 的相应激励状态，但移动的反射极m 上所感应的信号则不能 保持其静止时所感应的信号波形，而产生随位移x 变化而导致相位于频率变化的感应信 号v m 。随之，接收极r 也产生随v m 而变化的感应信号v r 。 这样，在由容栅传感器的制造工艺保持其结构参数精确一致的条件下，只要由电路保 证产生加载于发射极上的激励信号之频率和相位的稳定，并由电子细分逻辑决定相位变化 的最小分辨率，则该最小相位变化便对于一定的位移变化a x 。假设最小分辨率( 最小相 位变化) 为一格时钟脉冲1 l r ，则所述变化的对应关系定义为脉冲当量a s 。 a s = a x 、i ， ( 3 1 ) 当静止时，输出方波的频率及相位一定，当定