（测试计量技术及仪器专业论文）基于触针式电动轮廓仪的智能化测量系统研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 表面粗糙度是影响机械零件及产品性能的一项重要指标，它反映的是工件表面微观 几何形状误差。表面租糙度的测量是几何量测量中的个重要领域，对制造业的发展有 着重要的推动作用。对表面粗糙度的评价，主要分为定性和定量两种评定方法，应用最 广泛的是采用触针式电动轮廓仪对表面粗糙度进行多参数定量评定【l i 】 本文对表面微观几何形状误差评定理论、评定参数及分析方法的发展进行了总结、 分析，对相关国际、国家标准的发展进行了总结，对表面粗糙度的常用测量方法进行了 分类和讨论本文重点总结了触针式电动轮廓仪的发展及国内外研究现状，对触针式电 动轮廓仪技术的发展趋势进行了讨论。 近年来，由于国际、国家标准的变更，许多陈旧的表面粗糙度测量仪已经无法符合 新标准的要求。此外，其中很多测量仪的电子测量装置已经老化，但机械部分大部分都 还能正常使用，这批仪器的停用对资源造成了很大的浪费。因此，改装新的电子测量系 统和相应软件，让这些仪器重新恢复使用，是一个急需解决的问题，对表面粗糙度标准 的推广及电动轮廓仪技术的发展有着重大的现实意义1 1 3 1 。 基于匕述现状，本文提出对旧的触针式表面粗糙度测量仪进行升级改造，研制先进 的测控电路，开发操作方便、功能强大、运行可靠的智能化测量软件，最终研制出一套 多功能、多参数、高性能、高可靠、操作方便的智能化表面微观几何形状测量系统。 本文重点讨论触针式电动轮廓仪的总体设计、数据处理算法优化设计、测量控制及 数据处理软件的开发。本文研究了触针式电动轮廓仪的总体设计及硬件设计重点讨论 了表面轮廓数据的误差补偿、标度变换、高斯及f i r 数字滤波、中线求解及坐标变换等数 据预处理环节的基本原理、算法设计及软件编制。重点讨论了表面微观几何形状误差评 定参数及统计分析( 自相关函数a c f ，功率谱密度p s d ) 、频谱分析( d f t ，f f i ) 的数学模型、 算法设计及软件编制。研制、开发了表面微观几何形状误差测量的测量控制及数据处理 软件。 关键词：表面粗糙度数字滤波，统计分析，频谱分析，算法优化 当耋矍三盔：罂圭兰竺耋銮 竺! 蝥 a b s t r a c t s u r f a c ei d i l g h n e 鹦i sa ni n d i c e st h a th a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nm a c h i n ep a r t sa n d p r o d u c tl , e r f o n n a w 七。i tr e f l e c t ss u r f a c e m i c r o c o s m i ca 惭i ng e o m e t r i c a lf o r m s u r f a c e m e t r o l o g yi sa ni m p o r t a n tf i e l do fg e o m e t r ym c c o l o g ya n dh a si m p o a a n ti m p u l s ea c t i o n0 1 1 m a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t t h ea s s e s s m e n to fs u r f a c er o u g h n e s sm o s t l y c o n s i s t so f q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v em e t h o d s a m o n gm a n ys u r f a c er o u g h n e s sm e a s u r e m e n t s , t r a c e r n e e d l ee l e c t r i cp r o f i l em e t e r sh a v eb e e nt h em o s tw i d e l ya p p l i e d t h et h e s i sh a ss m n m e r i z e dt h ed e v e l o p m e n to f a s s e s s m e n tt h e o r y 9a s s e s s - n e n tp a r a m e t e r s , a n a l y 糊p r o c x ：d u r e sa n dc o r r e l a t i v es t a n d a r d sa b o u ts u r f a c em i c r o c o s m i ca 耐i ng e o m e t r i c a l f o r m m e t h o d so fs u r f a c e 删出血e 辎m e a s t a c n g m ti nc o l l l i n o nl 】s eh a sb e e ns o r t e da n d d i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h et h e s i ss l m l m m e f i z e dd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ha c t u a l i t yo f t r a c e r n e e d l ee l e c t r i cp r o f i l em e t e ri nd e t a i la n dd i s c u s s e di t st e n do f d e v e l o p m e n t i n r e c e n t y e a r s ，a s e r i e s o f n a t i o n a ls t a n d a r d s o f s u r f a c e 如q g b m 豁m e a s m e m e n t h a v e b e e n r e - e d i t e dw i t hc h a n g e so fi n t e r n a t i o n a ls 【跚x i a 坩s t h e r e f o r e , m a n yo l di n s t r c n c n t sc a l m o t c o n f o r mt on e ws t a n d a r d s f u r t h e r m o r e , t h ee l e c t r o n i cm e a s u r e m e n td e v i c eo fm a n y i n s l r u m e n t sh a sb e e na g e d d e a c t i v a t i n gt h e mw i l l u s ep r o d i g i o u s sl o s s s or e b i l i m a gt h e s e i n s l r t t m e n t sb yr e t i r i n gt h ee l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ts y s t e ma n du p g r a d i n gt h es o r w a r ei si n u r g e n t n e e d a n d h a s i m p o r t a n t r e a l i s t i c m e a n i n g b a s e dt h em e n t i o n e da c t u a l i t y , t h et h e s i sp u t sf o r w a n lu p g r a d ea n dr e b l l i l d m go fo l d p r o f i l em e t e r sb yd e s i g n i n ga d v a n c e dm e a s m e m e n tc i r c u i ta n dd e v e l o p i n gc o n v e n i e n t , p o w e r f u lm e a s u r e m e n ts o l 确l r e t n a m a t e l y ai n t e u e c a m l i z 蝴s u r f a c em i c r o c o s m i cg e o m e t r y m s i i n g s y s t e m w i t h m u l f i f i m e f i o n , m i l l 】印。r 锄1 威h i g h p e r f 砸m 蕊i s d e v e l o p e d t h et h e s i sh a se m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e do v e r a l ld e s i g no f t h et r a c e rn e e d l ee l e c t r i cp r o f i l e n 托t 既：d e s i g no f d a t ap r o c e s s j l l ga l g o r i t h m sa n dd e v e l o p m e n to f m e a s u r i n ga n dd a t a 愀 s o c a r e i nt h et h e s i s , d a t ap r e p r o e e s s i n gn l l m 耐ca l g o r i t h m ss u c ha se r r o rc o m p e n s a t i o n , s c a l ec o n v e r s i o n , g a u s sa n df i rd i g i t a lf i l t e r , m i d l i n es o l u t i o na n dc o o r d i n a t ew a n s f o r m a t i n n a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h et h e s i sh a sa l s oe m p h a t i c a l l yd i s c u s s e dt h en u m e r i ca l g o r i t i n mo f a s s e s s m e n tp a r a m e t e r s , s t a t i s t i c a la n a l y s i s ( a u t o e o r r e l a t i o nf u i 娥o l la c f , p o w e rs p e c d e n s i t y p s d ) a n d s p e c 砌a n a l y s i s 兀：f f l ) i n t h e m e s i s , a m e a s u r i n g a n d d m p r o c e s s m g s o f l w a l o f s u r f a c er o u g h n e s sh a sb e e nd e v e l o p e d k e yw o r d s ：s u r f a c er o i l 舾涮g i t a lf i l t e r , s t a t i s t i c a la n a l y s i s ；s p e e n u ma m l y s i s ；a l g o r i t l a n o p t i m i z a t i o n 量 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 表面粗糙度测量概述 i 1 1 表面粗糙度的概念 第一章绪论 表面粗糙度主要是由加工过程中刀具和零件表面之间的摩擦、切削分离时的塑性变 形，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的，属于微观几何误差嘲。 对于机械加工形成的工件表面，其几何结构可以用三种结构形式一形状误差、表 面波纹度和表面粗糙度来描述。在这三种结构形式中，表面粗糙度是工件表面的微观几 何形状误差。 表面粗糙度是影响零件及产品性能的一项重要指标。表面租糙度不仅直接影响机械 零件的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳能力、密封性能以及装配质量和配合性质等【4 5 l ，而且 还对机械设备的工作性能、动力消耗、振动及噪声等也有很大影响嘲为此我国已制定 和发布了一系列有关表面粗糙度的国家标准，基本形成了表面租糙度的标准体系。合理 选择零件的表面粗糙度，对机械和仪器的使用性能和使用寿命均起着重要的作用。因此， 在保证零件尺寸、形状和位置精度的同时，还应正确选择零件的表面粗糙度，特别对运 转速度快、装配精度高、密封性要求严的产品嗍，尤其需要注意。 1 1 2 表面粗糙度测量技术的发展 美国早在1 9 4 0 年发布了a s a b 4 6 1 粗糙度国家标准，随后各个工业发达国家也相继颁 布了自己的国家标准。为实现各国使用标准的统一，便于国际间的各种沟通与交流，1 9 6 6 年，国际标准化组织制定了第个有关表面粗糙度参数的国际标准，即i s o r4 6 8 - - 1 9 6 6 表面粗糙度。随着科学技术的不断进步和多年的实践验证，经过多次酝酿修改，到1 9 8 2 年正式修订为国际标准i s o4 6 8 - 1 9 8 2 表面粗糙度参数、参数值和给定要求的通则【t 3 l 。 我国与1 9 6 8 年颁布了g b1 0 3 1 1 9 6 8 表面光洁度国家标准它与当时的i s o r4 鹤 基本上是一致的。1 9 8 2 年又遵循采用i s o 国际标准的原则，对1 9 6 8 年的g b1 0 3 1 国家标准 进行了修订，经修订后的标准为g b1 0 3 1 - - 1 9 8 3 表面粗糙度参数及其数值，同年颁布 了g b3 5 0 5 - - 8 3 表面粗糙魔术语表面及其参数。我国根据国内发展的需要并遵循国 际标准的原则，在国标g b1 0 3 1 8 3 和g b3 5 0 5 - - 8 3 中规定了六个评定参数，即尼，r ：， 震，s ，瓯，舻。这六个评定参数已经在我们机械加工领域开始使用，在有些领域 至今还在沿用。 g b t3 5 0 5 - - 2 0 0 0 产品几何技术规范表面结构轮廓法表面结构的术语、定义及 尝奎墨三查兰塑圭兰竺兰兰 釜= 兰丝兰 参数是等效采用i s o4 2 8 7 ：1 9 9 7 产品几何技术规范( g p s ) 表面结构：轮廓法术语、 定义和表面结构参数，是对g b t3 5 0 5 - - 1 9 8 3 表面粗糙度术语表面及其参数修订。 6 1 3 t 3 5 0 5 - - - 2 0 0 0 刺 粗糙度轮廓( r ) 、波纹度轮廓、原始轮廓( p ) 及其参数均下了定义， 且每个表面结构参数都有对应的三个轮廓参数，扩大了该标准的适用范围，还增加了轮 廓的总高度、评定轮廓的陡度、轮廓截面高度等表面结构参数。取消了g b t3 5 0 5 - - 1 9 8 3 中表面轮廓微观不平度十点高度( 置，) 的参数及定义，而粗糙度轮廓最大高度的参数用 符号忍表示代替了旧标准中的粗糙度轮廓最大高度的参数符号置， 近年来，表面轮廓的评定参数已经发展到3 0 多个，并在二维表征的基础上，发展了 比较完善的三维评定体系。时间序列理论、波谱分析理沦、随机过程理论、分形几何理 论、模糊数学方法等理论方法都被用来研究表面形貌表征和建模。一般来说，对于不同 的表面性能要求，需要用不同的表征参数或参数组合来加以描述和控制。 表面粗糙度反映的是机械零件表面的微观几何形状误差。对表面粗糙度的评价，主 要分为定性和定量两种评定方法。定性测定是将待测表面和已知表面光洁度级别的标准 样板相比较，通过日估或借助于显微镜以判别其级别；而定量评定则是通过一定的测量 方法和相应的仪器，测出待测表面的不平度参数值。 目前，应用较广的表面粗糙程度测量方法主要有粗糙度样板比较法、光切法、干涉 法、触针法以及印模法等。 非接触测量方法主要有激光三角法探针、临界角法探针、外差干涉式轮廓测量、激 光数字散斑轮廓测量、扫描隧道显微镜( s t y ) 、原子力显微镜( a 雕) 、扫描探针显微镜 ( s p m ) 、扫描电子显微镜( s 刚) 、扫描近场光学显微镜( s n o m ) 、光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 等1 2 1 1 。 1 2 本课题的提出背景、来源、目的和意义 近年来，由于国际标准的变更，我国也相应地制定了一系列关于表面粗糙度测量的 新标准。因而，许多陈旧的表面粗糙度测量仪已经无法符合新标准的要求。此外，其中 很多表面粗糙度测量仪由于制造年代久远，它们的电子测量装置都已经老化而不能使用， 但机械部分大部分都还能正常使用，这批仪器的停用对资源造成了很大的浪耕“j 。因此， 改装新的电子测量系统和相应软件，让这些仪器重新恢复使用，是一个急需解决的问题， 对表面粗糙度标准的普及推广及电动轮廓仪技术的发展有着重大的现实意义。 本课题是为适应技术标准发展和实际应用需要而进行的研究，是省自然科学基金项 目“表面微观几何形状误差测量的计算机控制系统研究”的一部分。本课题的主要任务 是改造相关测量电路，研制出一套表面粗糙度测量、分析与处理软件系统，对旧的触针 式表面粗糙度测量仪进行升级改造，使其符合新的国家标准，成为多参数、多功能、操 作方便的智能化测量系统。 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 触针式电动轮廓仪的发展及研究现状 触针式电动轮廓仪是应用最广泛、发展最成熟的表面粗糙度测量方法。其基本原理 是安装在传感器上的触针在光滑表面上平稳滑动，触针头随被测表面的形貌上下波动， 波动的垂直距离由传感器转换为电信号，检测到的电信号经放大、处理后给出能够体现 被测表面形貌的表征参数数值。它具有测量直观、高精度、高可靠性、多参数、能给出 被测表面二维或三维轮廓等优点 早在1 9 2 9 年，德国的旌马尔茨( g s c h m a l t z ) 首先对表面微观不平度的参数进行了 定量的测量，随后出现了一些基于机械和光学方法实现信号转换的表面特征记录仪器 1 9 3 6 年，美国的艾h 特( e j a b b o t t ) 研制成功第一台车间用的测量表面粗糙度的轮廓 t 已它是现在美b e n d i x 公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。1 9 4 0 年，英国t a y l o r h o b s o n 公司研制成功了表面粗糙度测量仪t a l y s u r f 从那时以来，各国也竟相研制轮廓 仪，轮廓仪从此进入了表面特征测量领域，并迅速取得了主导地位嘲。 近年来，为适应各工业制品高精度化要求，对触针式仪器从各方面进行了大量开发研 究，在高倍率化、高性能化、多功能化、提高效率、降低成本等方面，有了惊人的进步。 一是在各种测量机匕追加机构以扩大测量自由度；二是利用计算机实现澳4 量系统的柔性 化从表面粗糙度测量仪的历史看，也可以说是不断提高倍率和分辨率的历史。 轮廓仪技术的发展同电子技术、计算机技术、信号处理技术等发展相适应。以 t a l y s u r f 系列产品为例，它经历了电子管电路技术( t a l y s u r f 3 型) ，晶体管电路技术 ( t a l y s u r f 4 型) 和集成电路技术( t a l y s u r f 5 p5 z5 l ) 等阶段。目前已经进入了数字 技术、计算机技术辅助轮廓仪的新阶段，如t a l y s u r f 硼、t a l y s u r f6 型和f o r m t a l y - s u r f ， 而每一阶段的转变都使轮廓仪达到了一个更先进的水平。 触针式轮廓仪尽管有产生划痕、扫描速度低、测量区域有限等缺点，但它仍是目前最 常用、最可靠的表面粗糙度测量仪，并且一直是各国国家标准及国际标准制定的依据。 近年，英国在n p l 的n a n o s u r f 与t a l y s t e p 的基础上研制成功了n a n o s t 印型轮廓仪，其 垂直分辨力可达o 0 3 姗，放大倍率为5 0 0 0 - 2 0 0 0 万倍。测量范围0 i n m - l oum ，仪器工作 范围5 0 m m ，工作台移动速度0 5 - 0 0 0 5 m s ，t 作温度一2 0 - + 7 0 。如此高分辨率的仪器， 其关键已转向温度影响与外界干扰，因此仪器采用了温涨系数为零的玻璃陶瓷，并在结 构上采取了措施，减小隔离驱动部分带来的振动影响。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的主要工作是，在原有触针式电动轮廓仪机械架构的基础上，改进老化的测 控电路，形成以单片机为核心的高精度、高可靠、控制灵活方便的下位机澳4 控电路。研 制出一套界面友好、操作方便、功能强大、运行可靠快捷的上位机智能化软件系统，以 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 完成参数设定、数据采集、数据存储、数据处理及测量结果显示、存储、打印等工作。 进行上、下位机间的通信设计，使上、下位机能够高效率地协调工作。 最终，研制出套多功能、多参数、高性能、高可靠、操作方便的智能化表面微观 几何形状测量系统。具体上，本课题可分为以下几个方面的研究内容： l 、研究、优化表面轮廓数据预处理数值算法，表面结构的基本评定参数及频谱分析 的数值算法，以及自相关函数、功率谱密度等统计分析算法。 2 、研究表面粗糙度测量的各种传感器，选出适合触针式轮廓仪测量的传感器元件 研究表面轮廓模拟信号的处理过程，选择各种电子器件，设计出传感器信号高精度、高 可靠、操作方便的模拟通道。 3 、完成表面粗糙度测量的工业p c 机软件设计，包括参数设定、数据采集、数据存储、 数据处理、测量结果显示、存储、打印以及通信等模块。 4 、以新的触针式轮廓仪的有关标准，完成对整个系统的校准工作。对整个表面粗糙 度测量系统进行精度分析，确定整个测量系统的测量不确定度及其它性能参数。 4 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及硬件组成 2 1 系统总体设计 第二章总体设计及硬件组成 触针式电动轮廓仪是应用最广泛、发展最成熟的表面结构测量方法触针式表面粗 糙度测量仪一般由传感器、模拟信号处理电路、s ，l i 及a d 转换器、计算机及输出外设、 驱动器、步进电机、立柱、平台等部分组成l 。触针式电动轮廓仪的典型结构如图2 1 所示。 图2 1 触针式电动轮廓仪典型结构 根据传感器原理的不同，触针式仪器可分为电感式、压电式、电容式等，还可分为 有导头式和无导头式。导头式仪器仅限于测量表面粗糙度，而无导头式仪器除可用于测 量表面粗糙度外，还可用于测量表面波纹度和表面几何形状【1 7 1 根据仪器的结构、外形、 重量和使用方法，触针式仪器可分为台式和便携式两种 本课题是在利用失效触针式电动轮廓仪立柱、平台等机械结构的基础上，设计相应 的电感传感器、测量电路、单片机系统、电机驱动等部分，并开发工业p ( 、肌的表面结构 测量软件，使之称为一个完整的表面结构测量系统。 本课题设计触针式电动轮廓仪的系统框图如图2 2 所示。 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及硬件组成 2 2 传感器设计 工业p c 机 单片机 图2 2 触针式电动轮廓仪典型结构 本课题所设计的触针式电动轮廓仪采用电感传感器，电感传感器是电动轮廓仪的关 键部件。它的主要工作原理如下，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针一般成锥 角为6 0 。或9 0 。的圆锥形，针尖为圆弧形，半径r 般为2 朋。测量时将触针与被测 表面垂直接触，用驱动箱以一定速度拖动传感器。由于被测表面轮廓高低起伏，触针在 被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围 在磁芯周围的两个差动电感线圈的电感值发生变化，从而将位移量转换成电信号。它具 有测量直观、高精度、高可靠性、多参数、能给出被测表面二维或三维轮廓等优点。 本课题采用的电感传感器类型为线性可变差动变压器( 简称l v c r r ) ，它具有高精度、 高灵敏度、高线性度等优点，而且工作可靠、使用寿命长刚。其工作原理见图2 3 。 6 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及硬件组成 2 3 测量电路 图2 3 电感传感器原理示意图 测量电路是电动轮廓仪重要组成部分，对表面结构测量的精度、速度及方便性有很 大的影响。本系统中，测量电路主要的功能是，实现电感传感器输出小信号的信号调理、 低通滤波、线性放大、采样保持及矗d 转换等，最终把信号转变称为能被单片机处理的 数字量。 本课题中，选用可编程模拟信号处理集成模块，尽量减少模拟信号处理的中间环节。 这样，可以有效降低噪声干扰，实现测量参数的动态调整，并且使系统易于进行功能扩 展。测量电路各部分连接，以及和单片机的组合，见图2 4 c = 表面轮廓信号 2 3 1 信号调理电路 图2 4 测量电路和单片机原理框图 电感传感器的信号调理电路，采用a d i 公司的l v d r r 集成信号调理芯片a d 6 9 8 ，它在一 块集成电路芯片上解决了全部的l v i ) t 信号调理问题。在同l v l ) t 相连接时，只需附加少 量的外部无源元件设置频率和增益，可将l v d t 位移量转化为规模可调的直流电压信号， 7 山东理工大学硕士学位论文 第二章总体设计及硬件组成 且精度和线形度高，价格低，其满量程非线性失真仅为0 0 5 跚m ) 6 9 8 和l v d t 连接方 式，如图2 5 。 2 3 2 放大电路 图2 5a d 6 9 8 和l v d t 连接图 信号放大电路采用可编程的高精度仪器放大器，可实现信号增益动态调整，以适应 不同粗糙度等级的被测件。可编程仪器放大器的实现，可以用高精度仪器放大器结合可 编程数字电位器。本课题采用i n a 3 2 6 3 2 7 作为高精度仪器放大器，采用x 9 3 1 5 w 为精密 数字电位器，用于自动调节i n a 3 2 6 3 2 7 的增益 i n a 3 2 6 3 2 7 是美国德州仪器公司推出的精密电源正负限输入输出仪表放大器它 的主要特点是输入或输出接近电源电压，因此能够提高输入和输出的动态范围。其共模 输入电压范围为：- 2 0 m v + l o o m v ，共模抑止比高( 1 1 4 d b ) ，并可保持良好的线性 i n a 3 2 6 3 2 7 的增益可通过与输入信号隔离的外部增益电阻来设置，而且工作性能稳定。 i n a 3 2 6 采用8 脚惦o p 封装，i n a 3 2 7 采用1 0 脚i s o p 封装，其中脚6 ( 使能端) 为 高电平有效( 电平电压应大于1 6 v ) 。其引脚图见图2 - - 6 所示。 毫 量薹v m _ 口莹 图2 - - 6i n a 3 2 6 3 2 7 封装结构 8 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及硬件组成 i n a 3 2 6 是一个2 级放大器，每级的增益分别由r l 、i i 2 设置，总增益g = 2 r 2 r 1 外 接电阻r l 、勉除对增益起决定性作用外，也直接影响到稳定性及温度漂移，医此要求精 度较高时，应采用低温度系数的精密电阻。外接电阻在+ 5 ，单电源2 5 y 双电源两种情 况下有着不同的最佳配置r 1 的最佳值可通过式r l = v i n m x 1 2 5l la 来计算，但r 1 不 能小于2 kq 双电源供电时，i n a 3 2 6 典型外接元件配置如图2 7 v 口酬 g - 箕心哪 b - l l d - 垃 图2 7i n a 3 2 6 外接元件典型配置图 数字电位器是种可由外部微处理器来自由设定阻值的可变屯阻器与机械式电位 器不同，它没有机械摩擦，因而具有优良的耐用性。另外，可可以实现电阻值的自动调 整，特别适合用于调节放大器的增益。x 9 3 1 5 w 是美国x i c o r 公司推出的数字电位器，总 阻值为1 0 kq ，触点抽头数3 2 个。x 9 3 1 5 1 内含铲p r o m ，即使电源断电，仍能够记忆所设 定的电阻值x 9 3 l 删的封装如图2 - - 8 。 孵手一一壬 蕊昌：一：目茗 q 5 p 1 一j 图2 8x 9 3 1 5 w 的封装图 图2 - - 9 是x 9 3 1 5 w 的工作原理图。图中，开关的转换采用了所谓“断开前接通”的 方式。也就是说，模拟活动触点移动、两个开关连续切换时，即将断开的c m o s 开关还没 有断开，另一个c m o s 开关就已经接通。因此，在控制结束、活动触点位置确定之前， 端与觇端之f 田的阻篷在瞬间会出现下降。 9 2 3 3 滤波电路 图2 9x 9 3 1 5 w 的工作原理图 标准规定的触针针尖半径最小为2 ，删，因此波长小于2 ，朋的信号不属于表面轮廓 信号。如果传感器以l 哪s 速度的运动，则表面轮廓信号最高频率为5 0 0 h z ，高于5 0 0 h z 的信号成分就是外部干扰信号和测量电路噪声所以，应该用低通滤波器把高频噪声和 干扰信号滤除。图2 一l o 是典型有源低通滤波器电路图。 哺 图2 1 0 典型有源低通滤波器电路图 2 3 4 采样及m d 转换电路 表面轮廓数据经滤波后，需要转变为数字信号才可以送入单片机处理，这就需要s h 和a d 转换电路。本课题中，采用a d s 7 8 0 5 作为s h 和枷转换器件。 髓公司的高精度转换器a d s 7 8 0 5 ，集成了s h 和a 加功能，具有较高的性能价格比， 最高的转换频率可达i o o k h z ，在仪器仪表中得到广泛的应用。a d s 7 8 0 5 芯片有2 8 脚双排 直插式或贴片式封装，只需单端5 1 ，电源供电即可正常工作。芯片内部含有采样保持、电 压基准和时钟等电路，极大简化用户的电路设计，同时提高了系统的稳定性。a l k s 7 8 0 5 采用0 4 0 s 工艺制造，功耗低( 最大功耗为l o o m w ) ，单通道输入，模拟输入电压的范围 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及硬件组成 为_ 1 0 r ，采用逐次逼近式工作原理，转换结果由1 6 位数据线并行输出，启动转换和读 取上次转换的结果可以同时进行焘d $ 7 8 0 5 的封装结构如图2 一1 1 图2 1 1a d s 7 8 0 5 的封装结构图 a d s 7 8 0 5 的典型外围电路配置，如图2 1 2 。 v i ：辛圣委 量h 秒”寺”一 艇c 一淑 型 - ! 匡 訇： l 宝 ：il | 1 ： 莲 - l - 2 4 本章小结 图2 1 2a d s 7 8 0 5 的典型外围电路配置图 本章首先对触针式电动轮廓仪的一般结构组成、分类及特点进行了介绍然后，分 析了本课题中触针式电动轮廓仪的总体设计，给出了系统组成框图。 对电感传感器的基本原理、组成结构及突出特点进行了介绍，分析了电感传感器的 机械结构。对电感传感器在表面轮廓测量领域的应用进行了分析，总结了电感传感器在 表面结构测量领域的优势。 对触针式电动轮廓仪的测量电路进行了总结、分折，并给出了本课题中测量电路的 总体设计、对电感传感器的信号调理电路a d 6 9 8 进行了分析，介绍了其基本原理，对它 的应用进行了讨论对由i n a 3 2 6 3 2 7 和x 9 3 1 5 w 组成的可编程仪器放大器进行了分析， 对其工作原理及应用进行了讨论。对表面轮廓数据的滤波进行了研究，对低通滤波器的 原理及应用进行了讨论对s i 和a d 集成芯片a d s 7 8 0 5 进行了研究，对其优势、特点 进行了介绍，对其工作原理及典型应用进行了讨论。 l l 山东理工大学硕士学位论文 第三章表面轮廓教据预处理算法设计 第三章表面轮廓数据预处理算法设计 3 1 采样数据误差补偿及标度变换 3 1 1 误差补偿 l 、误差分析 本课题表面轮廓数据的采集电路主要由电感传感器、低通滤波器、仪器放大器、s h 及a d 转换器组成。上述模拟通道的主要误差来源分析如下： ( 1 ) 电感传感器 已定系统误差：零点漂移误差。；非线性误差。 随机误差：随机噪声6 。 ( 2 ) 低通滤波器 未定系统误差：波形畸变、失真e 。 随机误差：随机噪声6 ：。 ( 3 ) 仪器放大器 已定系统误差：零点漂移误差，；非线性误差。 随机误差：随机噪声6 。 ( 4 ) 鲫及a d 转换器 已定系统误差：零点漂移误差。 随机误差：a i ) 量化误差6 ；随机噪声6 。 2 、误差补偿 上述误差，可以在各个元件的技术参数中获得。经低通滤波器后6 。基本上被滤除， 故6 - 可忽略不计。设仪器放大器为k ，采样值为y ，采样真值为y 。采样校正值为y 妊， 总误差为，校正后误差为姓，则单次测量表面轮廓数据模拟通道误差合成如下i s ： 总误差： a a = ( k a - + k 矿3 + + s ) 士( 肠i ) 2 + 慨) 2 + 磊2 + 瓯2 + 岛2 ( 3 - - 1 ) 采样真值： y , - - y - ( k a - + k 2 + 3 + + 5 ) ( 肠i ) 2 + ( ：如) 2 + 焉2 + 瓯2 + 磊2 ( 3 - - 2 ) 采样校正值： ym f - = y - ( k x 。+ k 2 + 3 + + 6 )( 3 3 ) 校正后误差： 山东理工大学硕士学位论文第三章表面轮廓数据预处理算法设计 3 1 2 标度变换 矿土厮丽可匾再虿磊巧_ ( 3 4 ) 采样数据经误差补偿后，还有经标度变换才能转换为表面微观几何误差数值。设传 感器的传递系数为k 表面轮廓数据真值为y ，表面轮廓数据校正值为y ，传感器电压真 值为校正后误差为，则y 的求解过程如下嘲： 传感器电压真值： 炉y i k( 3 5 ) y o = ( y - ( k 。+ k 一3 + 。+ 6 ) ) k 表面轮廓数据真值： + y o - - y j k l v o - - ( y - ( k 。+ k 一3 + 。+ 5 ) ) k k ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 表面轮廓数据校正值： y ( y - ( k l + k 2 + 3 + 厶+ 5 ) ) k k ( 3 9 ) 校正后表面轮廓数据误差： = 3 2 表面轮廓数据的数字滤波 3 2 1 表面结构及滤波器模型 ( 3 1 0 ) 1 、表面轮廓的划分 经过机械加工的零件，表面结构主要包括表面粗糙度、表面波纹度和表面缺陷三个 方面。 表面粗糙度主要是由加工过程中刀具和零件表面之间的摩擦、切削分离时的塑性变 b 山东理工大学硕士学位论文第三章表面轮廓数据预处理算法设计 形，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的，属于微观几何误差。它影响着工 件的摩擦系数、密封性、抗腐蚀性、疲劳强度、接触刚度及导电、导流性能等。 表面波纹度主要是由于在加工过程中加工系统的振动、发热以及在回转过程中的质 量不均衡等原因而形成，具有较强的周期性，属于微观和宏观之间的几何误差。它影响 着工件的运动精度及配合性能等。 表面缺陷是零件在加工、贮存或使用期间，非故意或偶尔形成的一种表面状况。它 不存在周期性及规律性，但发生缺陷也有其内在的规律。表面缺陷的可接受程度取决于 表面的用途或功能，并和缺陷的大小、形状，数目相关。 区分形状误差、表面粗糙度与表面波纹度，通常由在表面轮廓截面上采用三种不通 的频率范围的定义来划定。也有以峰一峰间距来区分的，如间距小于i m m 的称为表面粗 糙度；l 1 0 m m 范围的称表面波纹度；大于1 0 m m 的为形状误差。另一种以间距和幅度的 比来划分，比值小于5 0 的是粗糙度；5 0 1 0 0 0 的是波纹度；大于1 0 0 0 的视为形状误差。 滤波器的作用就是根据不同的波长范围把表面粗糙度、表面波纹度分离出来，分别 进行评定。g b t3 5 0 5 - 2 0 0 0 中定义了三种滤波器：丑、屯、以，处于五和丸之间的轮 廓属于粗糙度轮廓，处于屯和五，之间的轮廓属于波纹度轮廓。三种滤波器和粗糙度轮 廓、波纹度轮廓的关系如图3 1 。 t 瑚 l 鲫 ， 、 ，一、 雌秘 | 入lt彳 图3 1 表面轮廓滤波器 2 、模拟滤波器的应用 在早期生产的一些电动轮廓仪中，使用电子元器件组成的模拟滤波器从表面轮廓中 分离出粗糙度轮廓。中线在滤波过程中自动确定。根据国际标准，这种滤波器采用两级 髓网络的级联形式，简称2 r c 滤波器，每级r c 网络都属于一阶的巴特沃斯型高斯滤波 器。由i s 0 标准规定，这种2 r c 滤波器在截止波长屯对应点的增益为7 5 ，这样长波段 的传输特性为： k ：j 一 ( 3 1 1 )= 二。( 3 一) ( 1 一q 5 7 7 _ ，以，丸) 2 式中疋信号波长 允截l e 波长 传输系数表达式： “ 山东理工大学硕士学位论文第三章表面轮廓数据预处理算法设计 足：。j 一：旦( 3 - - 1 2 ) l + 妻亿疋) a o j 式中滤波前信号幅值 口i 滤波后信号幅值 标准2 r c 模拟滤波器的传输特性曲线如图3 2 所示，模拟滤波器最大缺点是只能截 止一定的波长，为将粗糙度与波纹度分离开，需要针对不同的截止波长，配置不同档的 滤波器，并且相位是非线性的。由此，造成模拟滤波器的电路设计十分复杂，同时不利 于滤波器功能的扩展。因此，模拟滤波器在工程设计上的应用逐渐被数字滤波器所取代 但在一些特殊的、不易于进行数字模拟的及一些专业领域模拟滤波器仍发挥着十分重要 的作用。 图3 2 标准2 r o 模拟滤波器传输特性曲线 3 、数字滤波器的应用 随着计算机技术的飞快发展，运算速度越来越快，而且随着数字信号处理理论的发 展，各种数字滤波算法也比较成熟，这两个因素使得在计算机上实现数字滤波成为可能。 数字滤波相比模拟滤波有着很大的优势，由于数据是存储在计算机里的，这样就可以设 计不同频带的数字滤波器对数据进行滤波，还可进行滤波前后数据的比较。 随着电动轮廓仪的发展，数字滤波器已经在智能化的电动轮廓仪中广泛应用。这样 就可以设定不同的截止波长对表面轮廓数据进行滤波，利于方便地分离出粗糙度轮廓、 波纹度轮廓以及对数据进行频谱分析。 由于相比模拟滤波器具有明显的优势，数字滤波器已经成为当前滤波技术的首选方 案。目前，用于表面轮廓数据滤波的数字滤波器有以下几种模型：零相位滤波器、2 夥滤 波器、高斯滤波器、三角滤波器和用于特殊场合的i i l ( 滤波器等。 ( 1 ) 零相位滤波器 零相位滤波，也称为纯振幅滤波或相位校正滤波，信号通过这样的系统，相位不会 产生失真。用模拟电子滤波器实现零相位滤波，在技术上是很难的。然而采用数字的方 山东理工大学硕士学位论文 第三章表面轮廓数据预处理算法设计 法，因为处理不是实时的，实现起来就容易的多了。事实上，在进行表面粗糙度测量时， 轮廓数据被采集后是存储在计算机内存中的，而且是有限时宽的。当进行零相位滤波时， 先将数据按正常的时问序列通过滤波器，然后按颠倒序列的时间次序再通过同一滤波器。 零相位滤波原理如图3 3 所示。 删 j 卜例 “例( i 卜例 y ( n ) - - r ( - n ) 图3 - - 3 零相位滤波器原理 设匕述三个过程的等效滤波器为1 1 ( n ) ，其z 变换为也( z ) ，则零相位滤波器可以 表示为： = 器= 帮啡) ( 3 - - 1 3 ) 其中，r ( z ) 和u ( z ) 分别是r ( n ) 和u ( n ) 的z 变换。 又因为： r ( z 。1 ) = 日g 一1 ) ( ，g ) ( 3 1 4 ) 将式( 3 - - 9 ) 代入式( 3 - - 1 0 ) 有： h , ( z ) f f i h ( z ) 日) ( 3 - - 1 5 ) 那么，等效滤波器的频率特洗过那可写成： 皿g 加) = 日g 扣) g 加) = 1 日g 归】2 e 一( 3 - - 1 6 ) 式( 3 - 1 2 ) 说明等效滤波器的频率特性为实数，即： 仍kpj-0(3-17) 以上即是零相位滤波器原理。零相位滤波的原理对于高通、低通、带通和带阻都是 一样的，具有普遍的意义 相位校正滤波器就是由于2 r c 滤波器会出现相移现象，为了避免失真，更好地实现 粗糙度数据分离而提出的。其滤波实现方程为【1 7 l ： 船hk2者挚。2y讲(i-11)】+)咖恤l(3-18)i)-cly ( m i + 1 l ，( ，一【 膨一f ) 一一i + 1 ) 】+ c 2 r ( ，一l 式中，c l = 塑丝，c 2 ：4 3 n - 7 8 ( 2 ) 2 r c 滤波器数学模型 根据表面的频率特性理论，表面的粗糙度属于表面的高频成分，而表面的波度则是 山东理工大学硕士学位论文第三章表面轮廓数据预处理算法设计 表面的低频成分因此，从原始轮廓数据中将粗糙度和波度分离应分别采用高通滤波器 和低通滤波器。获得粗糙度的高通滤波器亦称为波度滤波器，同样，获得波度分量的低 通滤波器亦称粗糙度滤波器。 目前，在我国所使用的轮廓仪能够进行数字滤波的绝大多数还都以2 r c 滤波器和零 相位滤波器为主。2 r c 滤波器是以模拟电子滤波器为原型设计的。在电动轮廓仪中模拟 电子滤波器是由两级相同的陋网络级联而成的，它的截止频率定义在它的幅值下降 到7 5 处，因此，一级r c 网络应将频率为的信号幅值衰减为原幅值的3 2 倍这样 的一级r c 网络是属于巴特沃斯型一阶高通滤波器1 1 4 】一阶模拟高通滤波