（机械制造及其自动化专业论文）汽缸垫冲压件二维形貌检测仪设计.pdf

摘要 本文设计了汽缸垫冲压件二维形貌检测仪，它是以现有接触式表面粗糙度测量系 统为基础的触针式检测仪。为了达到提高测量精度以及系统稳定性，同时降低成本的 目的，形成了总的检测仪设计方案，其中包含驱动系统、容栅传感系统、机械结构以 及数据采集系统的初步设计。 通过对驱动系统的设计，选择了细分驱动方案以及单片机系统，并通过分析采用 了脉宽调制( p w m ) 式细分驱动电路，不仅使运行性能得到优化，而且使驱动电路系统的 结构组成更简单，可靠性更高，控制更为方便，从而实现了细分驱动。 为了提高测量精度和范围，采用了容栅传感器，并对其编码器进行了设计，采取 了一系列抗干扰措施，提高了其工作稳定性。在数据采集上我们应用了虚拟仪器技术， 增强了系统的可移植性以及灵活性。 按照设计制作了检测仪实验样机，并进行了误差分析以及系统的不确定度分析， 实验结果基本达到了设计的要求。 关键词：表面粗糙度触针式测量细分驱动容栅传感器虚拟仪器 a b s t r a c t i n l i sp a p e rd e s i g n sc v l i i l d e rg a s k e ts t u n p i n gt 、v od i m e n s i o n a ls u f i a c ef ：e a 眦( 1 e t e c t i n g i n s t 】m m e n t ni sas t y l u sd e t e c t i n gi n s 饥i i l l e n tw h i c hi sd e s i g n e db a s e do n 也ec u r r e n ts t y l u s s u r f a c er o u g h n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m 1 1 1 i sp a p e ri n c l u d e st h ep r e l i m i n a 巧d e s i g no fd r i v e s y s t e m ，c a p a c i t i v em m s d u c e r 、d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i nt 1 1 i sp 印e r ，d r i v es y s t c mi sd e s i g i l e dt ou s es u b d i v i d i n gd m ep l a na n ds i n g l ec h i p s y s t e m n d u 曲a p p l y i n gp u l s ew a v e l e n g t l lm o d u l a t i o ns u b d i v i d i n g “v ec i r c u i t ，n o to n l y n m n i n gp e r f o n n a n c ei si m p r o v e d ，b u ta l s ot h es 臼m c t u r eo fd r i v ec i r c 武s y s t e mi sm a d e m o r e s i 埘【d l e ，r e l i a b l b ea n dc o r e n i e n t ，s om a ts u b d i v i d i n gd r i v ei sr e a l i z e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na i l dr a n g eo fm e a s u r e m e n t ，c 印a c i t i v e 仃 m s d u c e r1 s u s e d 证t h i sd e s i g n n sc o d e ri sa l s od e s i g i l e d 谢mas e r i e so fa n t i - i n t e 疵r e n c em e a s u r e s w l l i c hi m p r o v ei t so p e r a t i n gs t a b i l i 够n 1 】a li n s 协】i i l e n tt e c l l l l o l o g yi sa l s oa p p l i e df 1 0 rt 1 1 e c o l l e c t i o no fd a t a ，w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r en e x i b l e 孤d 仃a i l s p l a n t a b l e am o d e lm a c h i n ei sp r o d u c e db a s e do nt h ed e s i g l lo ft l l ep a p e r e 玎o ra n a l y s i sa n d u n c e n a i l i t ya 1 1 a l y s i sh a v eb e e nd o n eo nt h ep r o t o t y p e t h ee x p e r i i n e n _ t a lr e s l l l t so ft 1 1 e a n a l y s e sm e e tt h ed e s i g nr e q u i n i l e n t s k e y w o r d s ：s u r l a c e r o u g h n e s s ；s 锣l q sm e t h o d ； s u b d i v i s i o n d r 如i n g ；c a p a c i t i v e t r a n s d u c e r ：v i r t u a li n s t r u m e n t 第一章绪论 1 1 本设计研究的目的和意义 本论文研究的是采用细分驱动的触针式二维形貌检测仪。本设计测量的样品多为 汽车金属缸垫等薄片型冲压零件，它们具有单向性布局的规则表面，且多为硬度较小 的不同材料，测量力要求较小，但是测量的范围较大。由于汽车金属缸垫等薄片型冲 压零件具有易形变、表面结构及形貌复杂等特点，利用常规的高度仪检测时施加压力 大，对工件造成形变，很难进行准确的测量，因此本课题采用容栅传感器作为位移传 感部件，对测量中步进电机细分驱动技术进行研究，实现运行中的最小震动，减小了 平移台震动对测量的影响，实现了普通平移台在高精度尺寸检测中的应用；对测量臂 旋转角度带来的误差进行动态实时校正，使测量臂转角带来的误差降至最低；对工件 进行表面倾斜校正，避免了柔性工件形变带来的测量误差，提高了测量精度。 本课题研究成功后，将实现柔性工件的表面尺寸的高精度检测及形貌再现，替代 进口产品而广泛应用于各种柔性垫片的生产加工过程中，尤其是我省的汽车零配件生 产企业中。 1 2 表面测量技术的发展 表面粗糙度的测量在工业生产中的重要性在很早以前人们就已经认识到了。因为 不仅零件的工作性能受表面粗糙度的影响，而且零件的使用寿命也与表面粗糙度有着 非常紧密的联系，所以人们就如何能更好的进行表面粗糙度的测量做了大量的研究， 并且取得了非常丰硕的成果。 德国人施马尔茨在1 9 2 9 年首先公布了一种触针式轮廓记录仪，其放大装置的原理 是采用光学杠杆原理，并且其不平高度的放大率约为2 0 0 倍口2 f 。第一台用于车间进行 测量的轮廓仪由美国人艾卜特在1 9 3 6 年成功研制。英国泰勒哈伯逊公司在1 9 4 0 年成功研制出“泰勒塞夫( t a l y s u r f ) 表面粗糙度测量仪。在此之后，各种测量表 面粗糙度的仪器由各国相继成功开发研制出来乜1 5 3 。非接触式的光学测量技术在接触式 测量技术不断发展和提高的同时也得到了迅速的发展。用于表面粗糙度测量的干涉显 微镜由德国的0 p t o n 公司在1 9 5 1 年率先生产出来。在1 9 6 8 年我国也相继生产出光切 显微镜以及干涉显微镜。表面测量技术随着对表面质量要求的不断提高也在不断地发 展。并且各种表面检测方法也伴随着光学技术、微电子技术和计算机技术的发展而不 断涌现出来。表面测量方法根据测量原理的特征大体可分为以下三类：接触式测量法、 光学测量法和非光学式扫描显微镜法n 卜埘。 一、接触式测量法 使用最广泛的接触式测量仪是触针式轮廓仪，而它所采用的测量方法既叫做触针 法也叫做泰勒法。触针法也是检测表面轮廓的最基本的方法之一。英国的泰勒塞夫 ( t a l y s u r f ) 系列轮廓仪就是典型的产品。触针式轮廓仪的原理是用一个很小的触针接 触在被测表面上，然后用驱动器带动触针移动，触针沿着被测表面的轮廓作上下往复 的运动，然后将这微小的位移信号通过传感器转换为可以运算处理的电信号，表面形 貌特征或者表面轮廓即可由此测得。 近年来，触针式仪器的发展取得了惊人的进步，具有了功能多、成本低、效率高、 倍率高等特点。不但有为了扩大测量自由度，而在各种测量机上添加机构的措施；而且 有为提高测量系统的柔性化而充分利用计算机的措施b 6 q7 | ，即列出各种菜单以供设定测 量的各种条件选用，并使测量值数字化，对要求的各种参数进行计算和保存，同时可 以输出等高图以及射影图，显示或打印测量结果等。这样就可以把数字化的优点充分 反映出来，从而实现人机对话。例如采用了计算机辅助测量的t y l o r s u r f 一5 型轮 廓仪，即可以进行实时测量，同时又能直接显示出对1 5 个评定参数的测量结果幔2 _ 2 4 1 。 二、光学测量法 光学技术于上世纪5 0 年代被引入表面形貌测量，非接触式测量从此走入人们的生 活，但是在8 0 年代后非接触式光学轮廓仪才得以迅猛发展。光学轮廓仪测量方法很多， 但是基于不同原理，大体可分为三类：光学散射法、干涉显微镜法和光学触针法。 光学散射法是以具有一定入射角度的激光照射被测表面时，散射的散射光呈正态 分布，然后根据散射光和表面粗糙度之间的对应关系来确定粗糙度参数。 干涉显微镜法的基本原理是：把光源发出的光分成两束，向被测工件的表面射一 束光，而向参考镜射另一束光，经过反射后两束光相干涉并形成干涉条纹，表面轮廓 的测量就可以通过对干涉条纹的相对变形进行测量来间接完成u 引。 光学触针法的基本原理和触针法测量原理相似，不过是用聚焦光点形成光纤触针 代替机械触针。 三、扫描显微镜法 扫描显微镜法与光学测量方法不同，第一它没有光学物镜，第二它观察图像是通 过计算机显示器实现的，它包括两种，一种是以扫描透射电子显微镜等为代表，被称 作为电子显微镜；另一种是以扫描隧道显微镜等为代表，被称作为扫描探针显微镜n 卜2 1 。 扫描电子显微镜的电子探针是聚集非常细的电子束，电子束以光栅状形式扫描被测表 面，在放大和处理由探测器接收的被激发的二次电子后，即可得到一幅扫描电子图像， 并且图像被放大了很多倍数。由于被测表面轮廓同二次电子的分布和强度有直接关系， 因此被测表面真实轮廓可由扫描电子图像反映。 四、几种测量方法的比较 。 触针式测量方法不但是应用最广泛的，而且也是一种最基本的表面轮廓检测方法， 它具有较大的垂直范围，且动态比率在垂直方向上较高，可以获取波纹度、表面粗糙 度及其它一些形貌特征信息。触针法测量除了具有较低的环境要求，简单的仪器操作 以外，还具有精度较高的测量结果，较好的重复性，高稳定性，较大的量程等优点。 它不仅可以对金属表面进行测量，也可以对非金属表面进行测量。但由于测量方式是 接触性质的，因此有可能损伤被测表面，同时也容易使触针受到磨损。触针式测量仪 可以用于很多行业，譬如制造行业、生产行业、磨损摩擦润滑研究、加工行业等。 光学测量法克服了接触测量的缺点，把测量方式改为非接触式测量，但由于物镜 的数值孔径决定系统的横向分辨率以及衍射效应的存在，所以测量结果会受到一定的 影响。并且因为光学测量受灰尘的影响很大，这就要求被测表面清洁度高，测量条件 要求较为严格，影响测量结果的另一个重要因素是被测表面的反射率。光学测量技术 主要是用在测量反射率大于1 的非常精细的表面，如磁盘、光学镜面等的表面。 扫描探针显微镜法是三种测量方法中水平和垂直分辨率最高的，能够达到原子量 级，但由于其复杂的操作和很小的测量范围，同时有很高的操作环境要求，所以主要 用于纳米或原子级材料的结构分析。 通过比较，在降低成本，提高效率，降低对操作环境要求等方面，我们采用接触 式测量方法最符合要求。 1 3 本设计研究的主要内容 本设计的主要目的是研制出一套汽缸垫冲压件的触针式二维形貌检测仪。具体研 究内容如下： 1 、在检测系统中采用容栅传感器，并对容栅编码器进行设计以及采取有效措施提 高检测系统硬件抗干扰能力； 2 、研究步进电机多级细分驱动，通过多级细分及驱动电流随动调节，实现普通平 移台在高精度尺寸检测中的应用； 3 、检测仪机械结构设计； 4 、用l a b v i e w 编制一套基于虚拟仪器并且适合检测仪的计算机操作体系。该体系 软件不仅可以计算与分析表面粗糙度的各种参数，还可以在测量时同步显示测量结果， 并具有数据保存等基本功能。 5 、对系统进行误差分析以及不确定度分析。 6 、完成触针式二维形貌检测仪的总体调试，包括调试电路、采集数据以及对软、 硬件进行联调。 第二章表面粗糙度的基本概念 在介绍汽缸垫冲压件二维形貌检测系统之前，我们先简单介绍一下与表面粗糙度 有关的知识，从而较为全面的了解和认识有关测量基准、表面粗糙度的定义、评定参 数的定义以及测量中应遵循的原则等相关知识。而在进行检测仪设计以及计算机操作 体系编写时将应用到这些基础知识。 2 1 表面粗糙度的定义 一、表面粗糙度 对微观几何形状误差进行评定的重要指标之一是表面粗糙度，其形成原因主要是 由于在加工零件的过程中，必然会有摩擦出现在被加工表面和刀具之间，并且在切屑 分离过程中还有可能出现金属撕裂和塑性变形，当然除了上述原因之外还有其它的外 部因素n5 j 。根据定义，表面粗糙度包含非切削加工形成的表面微观几何形状，但是， 由机床几何精度等方面原因所导致的表面宏观几何形状误差不包括在内，也不包括气 孔、沙眼等表面缺陷。 选择何种加工方法是影响零件表面粗糙度形成的首要因素。这是因为零件表面粗 糙度的形成，主要来自于切削加工金属时留下的切削痕迹。不同的加工方法、刀具与 工件之间的摩擦、人员的操作技术、机床的精度以及加工环境的温度、振动等都是直 接影响零件加工表面粗糙度的主要因素心五2 4 。 在工业生产中，尤其在对工件表面精度要求较高的制造行业中，零件的表面粗糙 度问题一直是一个关键问题，同时也是评定零件表面加工质量的一个重要指标乜引。 二、表面粗糙度与形状误差、表面波度的关系 按加工后零件表面的几何形状特征不同，表面几何形状误差可以分为宏观、中间 以及微观几何形状误差。即：表面形状误差、表面波纹度以及表面粗糙度。 上述三种几何形状误差因几何特性不同，对零件的使用寿命以及工作性能的影响 也不一样，但是由于在精加工中，在被加工零件的表面上三者往往同时存在，并相互 重叠。因此，在研究中要解决的首要问题就是如何区分上述三者。 三者的区分通常是按照不平度的间距的大小来进行的。间距s 1 0 砌的属于形状 误差；间距s = 1 1 0 m m 的属于表面波纹度；间距s u w ，比较器在t 2 期间输出的是低电平，此时u w u 。由图( 4 4 ) 可以看出，t 1 的宽度 随着u 。的增大而增大，输出脉冲的宽度相应的也就越宽。u 。和输出的脉冲宽度在锯齿 波的线性很好的条件下也会形成较好的线性关系。锯齿波的周期与输出脉冲串的周期 相等都是t 。脉宽调制的电路如图4 5 所示。图中，在l m 3 9 3 比较器上对电压控制信 号( d a 转换器输出) 与锯齿波信号( 运算放大器o p 0 7 输出) 进行比较，控制电压的 矩形波与输出脉冲宽度之间是正比关系，实现脉宽调制的功能。 图4 5 脉宽调制电路 在细分数较大的情况下，比较器的分辨率要求较高才能准确识别d a 转换器输出 的控制电压的微小变化。图中采用比较器为l m 3 9 3 ，其分辨率可以达到1 m v ，而控制 电压在3 2 细分时的变化量远远超过这个值，所以满足电路设计的要求。 4 3 调试硬件电路 完成设计后，在调试硬件电路的工作过程中遇到了如相电压不准、电机转子的抖 动和功率驱动管发热等诸多问题。 一、电机转子抖动问题 实验中发现，步进电机在运行时如果锯齿波的频率较小，如小于1k h z ，就会导 致每转过一个细分步距角时，电机转子在某一位置附近往复振荡而不是停留在固定的 位置上。振荡的幅度随着频率的降低而增大。电机转子振荡的现象会在增大锯齿波信 号的频率时消失。分析表明，由于锯齿波信号频率较小，导致步进电机相电压的积分 效果发生变化，使步进电机在一段时间内a 相绕组导通，而另一段时间内b 相绕组导 通的情况的出现，导通时间的不一致使在两相绕组间步进电机转子做不停地往复运动， 不仅降低了系统的稳定性，更降低了细分精度。为了消除电机转子抖动的问题，设计 中采用的锯齿波信号为2 0 i m z ，不但细分精度得到提高，而且步进电机运行时的电磁 噪声也得到了消除。 二、相电压不准问题 相电流经过换算后就可以得到相电压值，由式( 4 4 ) 可以求出不同的细分数条件下 细分的相电流值。在实验中发现，实际的相电压与理论值在步进电机细分运行时有较 大误差，在电机运行的第一步出现最大误差，误差为2 6 3 1 。表4 1 是1 6 细分时测量 步进电机两相绕组的电压值。 表4 11 6 细分时测量步进电机两相绕组的电压值( 伏) 步数 1234567 8 a 项电压 ( v ) 误差( ) b 项电压 ( v ) 误差( ) 步数 a 项电压 ( v ) 误差( ) b 项电压 ( v ) 误差( ) o 经过分析，发现相电压的大小会受到锯齿波的线性度、d a 转换器的位数等因素 的影响。 d a 转换器的转换精度由转换器的位数决定。并且其分辨率随着转换器位数增高 而增高，而细分电流数据量化时的量化误差与分辨率成反比，分辨率越高则误差就越 小，比如8 位的转换器就没有1 0 位的转换器精度高。 进行脉宽调制时的输出电压会因为锯齿波带有一定的非线性而与参考电压有一定 的误差，脉宽调制电路输出电压误差随着锯齿波的非线性的严重而增大，这样也导致 被加载在电机绕组上的电压出现误差。而且相电压也会因为转换器的输出电压与锯齿 波的电压在幅值上的不一致而被引入较大误差。 为了解决锯齿波的非线性等问题而选用了1 0 位d a 转换器后，重新测得的电压值 见表4 2 。从表中看到由原来最大误差为2 6 3 1 减小为4 2 1 。 表4 2 步进电机两相绕组在1 6 细分时的电压测量值( 伏) 三、功率驱动管的发热问题 由于本设计采用的驱动电路是单电压功率m o s 管驱动电路，所以最为重要的是解 决m o s 管在工作时出现的过热问题，如若不然m o s 管将会因为过热而被烧毁，从而 工； 不能继续工作。电路的阻抗会因为电机某相截止而急剧增大，此时管压将随三正比 d f 增加。m o s 的最大耐压值远比这个峰值电压低，所以很容易出现m o s 管被烧毁。峰 值电感电势的数值在常用的步进电机中可以为电机外加电压5 0 1 0 0 倍。因此，除了要 提供导通回路给电机绕组之外，功率驱动电路还必须提供一个续流回路供绕组断电时 用，这样既保证了电路泄放的速度，又能抑制电感电势，才能更好的保护驱动管。要 较好解决上述问题可以采用并联一个大功率的续流二极管在m o s 的两端的办法。 第五章容栅传感系统设计 5 1 容栅传感器优点 1 坝4 量量程大。容栅传感器非常适合进行大位移测量，因为它采用的是等节距的栅 型结构，所以测量长度与测量的精度没有直接关系。 2 动栅移动速度快。测高仪的动栅移动速度在分辨率为0 0 0 1 m m 时可达l m s ；数 显千分尺的动栅移动速度在分辨率为o 0 1 m m 时可达1 5 m s 。这样的移动速度完全可以 在绝大部分场合使用。 3 传感器的结构简单，不但容易进行机械设计，而且与集成电路更容易制成一体。 传感器主要由动栅和静栅这两个敏感元件组成，结构小巧，其它类型的位移测量系统 在这一点上是不能与容栅传感器相比拟的。 4 对使用环境要求不高。采用适当的防护措施后不仅能抗电、磁场的干扰而且还能 防尘、防油，所以适合车间的生产现场。 5 肩皂耗少。容栅传感器的工作电流小于1 0 微安，所以传感器连续工作一年的时间 只需消耗一颗纽扣式电池。利用这个特点可以在通用精密量具上实现数显。 6 功能多，运用方便。近几年经过几度改进，使容栅测量系统的电子线路逐渐完善， 现在的传感器电路具有功能有很多，例如：数值予值，测量速度过快报警，任意点置 零及电磁电压过低报警等，使测量系统的使用更加方便，对数据的测量也更准确。 5 2 容栅编码器设计 5 2 1 容栅编码器设计的关键问题 功耗低、性价比高等是容栅编码器具有的优点。但外界的干扰很容易影响其工作 的稳定性。所以在进行容栅编码器设计时，为了提高其工作稳定性，就需要采用一些 特殊措施来抵抗干扰。 容栅编码器的工作受环境因素影响很大，尤其是湿度影响。这是因为相应被测量 的变化主要是通过电容传感器两极板之间变化的电容量来反映。两极板问的介电常数 在湿度较大的情况下会发生改变，从而进一步影响了电容值，同时也增大了容栅电路 的漏电流量，削弱了编码器工作的稳定性。因此，为了使容栅传感器能够可靠工作， 一个良好小环境的建立，使外界环境不能影响其工作是非常重要的。 容栅编码器传递信号必须靠电容极板，因此位移信号能正确传递的前提是极板之 间的电场能保证稳定。尤其是在工业环境中，大功率的电磁干扰时常发生，而一般的 容栅数显产品容易受到影响，就大大降低了其工作稳定性，因此在设计时要考虑对电 磁的屏蔽，同时要考虑对外界水汽、油污进行隔绝。 要有效的对寄生电容进行消除以及屏蔽，就必须使动栅和静栅的屏蔽极有效接地。 在一般的情况下，编码器的外壳不但起到搭桥作用，使相互独立的动栅和静栅通过外 壳连接到一起，而且也通过外壳使二者屏蔽极有效接地。同时在进行电路设计时要对 电路进行隔离，采取针对性措施来解决屏蔽极与后续电路同时接地带来的电池短路问 题。 容栅编码器平时工作全靠内部电池来维持，是一种准绝对式传感器。因此，不能 忽视电池的问题。经过实际操作证明，许多不可预料的情况是在电池电压降低时产生 的。因此为有效降低电池的功耗可以设计电池节能电路或采用电池与超级电容并联， 提高电池使用时间，从而延长编码器工作的时间。 除了以上几点，为了保证容栅编码器更加稳定正常的工作，还需要在一些软件和 硬件上采取其他的辅助措施。 5 2 2 电气设计 容栅编码器的电气部分的功能有很多，其中可以完成如：对信号的处理、切换采 样速度等功能 一、信号处理 信号处理的任务就是把数字信号处理和显示成为我们实际需要的测量值，而这个 数字信号是从容栅芯片输出的。为了完成信号处理这个任务，在设计中我们采用两种 单片机来共同工作，一种是a t 8 9 c 2 0 5 1 型，另一种是c 8 0 5 1 f 0 4 0 型。容栅数据通过单 片机a t 8 9 c 2 0 5 1 进行处理。容栅芯片数据是2 4 位的，通过单片机的处理被分成高中 低3 个被加上标志位的字节，然后通过串行通讯把这高中低3 字节依次发送给后续液 晶显示电路。通过单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 对液晶显示电路进行控制。我们还可以选用单片 机m s p 4 3 0 而不选用单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 ，这样选取的好处是降低了功耗，但是单片机 m s 4 3 0 不但价格昂贵，而且因为体积过大不利于电路的集成。 容栅芯片的两种输出信号都是2 4 位数据，分别为绝对式和相对式两种。相对数据 的功能有很多，如保持、清零等，但工作稳定性相对较差，数据锁定常常在相对数据 受外界环境干扰下发生，这极大的不利于产品的推广。在稳定性方面绝对数据比相对 数据就提高不少。 二、编码器采样速率变换 容栅芯片有两种采样模式的设计：慢速和快速，慢速采样模式的1 个采样周期为 2 5 0 m s ，快速采样模式的1 个采样周期为2 0 m s 。采样速度在传感器用于控制时越快越 好，但是由于在上电初始时容栅芯片的采样速度为