（物理电子学专业论文）智能型光纤表面粗糙度传感器在线监测的探究.pdf

学位论文作者签名： 签字日期：b f d 年f 月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢鲞兰些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定特授权墨生墨些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 ( 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：樾 导师签名： 签字日期： d 侈年f 月即日 锯丰 签字同期叫。年f 月汤日 学位论文的主要创新点 一、基于散射原理测量表面粗糙度，通过测量某一反射角度的反射光强值， 根据p b e c k m a n n 等人研究的镜反射光强度与粗糙度参数r 。的关系，来得知粗糙 度信息，设计了圆形角度对称测量支架，探头采用了准直器原理。通过对测量角 度的改变，寻找出最佳测量角。 二、智能型传感器，需要有一套智能型数据采集与处理系统，本系统在v i s u a l b a s i c6 的开发环境下，采用了m s c o n m 控件编写了数据采集与处理系统，采集 方法通过定时器轮循法采集数据，二进制数据收发模式，并使用d a t a r e p o r t 设 计器，设计了数据报表与查询系统。 三、分析了基于散射原理测量表面粗糙度的重要干扰因素，并对干扰因素采 取了改进措施，分析并验证了改进方案。 摘要 现代机械制造工艺对机械加工过程中的表面粗糙度测量的要求日益苛刻，尤 其是自动化测量机床，需要一套测量表面粗糙度的自动化测量系统，这套系统能 够对待侧表面合格值给予提示，测量数据要实时保存，测量中不能受震动的影响。 非接触测量法极大的满足了上述的要求，与其他非接触测量表面粗糙度参数方法 比较，散射理论测量表面粗糙度方法具有操作方便、结构简单、易于在线监测等 优点，根据以上的要求本文做了以下工作： 硬件方向：设计了两种探头方案，梯形框架和半圆形框架。探头采用了7 根 光纤同心圆性排列方式，末端采用准直器原理组成了直径为0 3 7 5 m m 的探头，测 量中通过改变入射光的入射角度值，得出了较精准的测量表面粗糙度的入射角度 信息值。当对不同的r 。值进行测量时，发现入射角度在某一角度时，能够保证接 收到的功率信号经计算更接近表面粗糙度参数r a 值。 软件方向：基于r s 2 3 2 的串行二进制数据交换接口，利用v b 的m s c o m m 和 t i m e r 控件实现了数据的定时采集，通过对实时性数据进行处理分析得出粗糙度 重要特征参数值r 。和反映峰谷特性的参数r ：和。并对测量数据进行了实时保 存和历史保存，并用v b 的d a t er e p o r t 控件实现数据报表的横向打印。 最后探讨了基于散射理论测量造成的主要影响因素，分析了影响因素的主要 来源，并给出了建议方案，并着重分析了入射角度带来的影响。 关键词：光纤表面粗糙度传感器数据采集报表差动补偿 a b s t r a c t t h ec r a f to fm o d e r nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ei sd a yb y d a yh a r s ht ot h es u r v e yo f s u r f a c er o u g h n e s si nm a c h i n e f i n i s h i n gp r o c e s s e s p e c i a l l yt h ea u t o m a t e dm a c h i n e t o o l s ，w h i c hn e e das u i to fa u t o m a t e ds y s t e mf o rt h em e a s u r eo fs u r f a c er o u g h n e s s ， a n dt h es y s t e mc a ng i v ea p r o m p tf o rt h eu n - s c a n n e de x t e r i o r , a n ds a v et h em e s c a l d a t e ，a n dh a v en oi n f l u e n c eo ns h a k e t h ew a y so fn o n - c o n t a c tm e a s u r ei sh u g e l y s a t i s f yt ot h ea b o v e - m e n t i o n e dr e q u e s t t h em e t h o do fs c a t t e r i n gt h e o r ym e a s u r e s s u r f a c er o u g h n e s sh a sm o r ea d v a n t a g et h a no t h e rn o n c o n t a c tm e a s u r e , s u c ha sh a n d y o p e r a t i o nw a y , t h es i m p l ef r a m e ，p r o p i t i o u st ot h eo n - l i n em e a s u r e t h e r e i n a f t e rt h i s t e x td o e sa c c o r d i n gt oa b o v e m e n t i o n e dr e q u e s t ： h a r d w a r e ：h a sd e s i g n e dt w ok i n d so fp r o b e s ，o n ei st r a p e z o i d a lp r o b ea n dt h e o t h e ri sc i r c u l a rp r o b e t h ep r o b eh a ss e l e c t e d7b u n d l e so fo p t i c a lf i b e r s ，w h i c ha d o p t 1 i n e a ra r r a n g e m e n tm e t h o d i nm e a s u r e ，w eh a v eo b t a i n e da c c u r a t es u r v e yf o rt h e s u r f a c er o u g h n e s st h r o u g hc h a n g et h ea n g l eo fi n c i d e n c e ，a n do b t a i n e db e t t e ra n g l eo f i n c i d e n c ev a l u e w h e nl e n g t ho fe x p a n s i o nl i n ki s0 3 7 5r n m ，w h i c hg u a r a n t e et o r e c e i v es i g n a lo fp o w e r , w h i c hi sc l o s e rt op a r a m e t e ro fs u r f a c er o u g h n e s sr av a l u e s o f t w a r e ：b a s e do ne x c h a n g ed a t ac o n n e c t i o no ft h er s 2 3 2s e r i a lb i n a r y , w eu s e m s c o m ma n dt i m e ro fc o n t r o lo fv b ，w h i c hr e a l i z ed a t aa r e g a t h e r e da tf i x e dt i m e t h e no b t a i ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rv a l u er a ，r za n d ，w h i c hr e f l e c t w a v ec r e s ta n dt r o u g ho ft h er o u g h n e s ss u r f a c e w ep r e s e r v et h er e a l t i m ea n d h i s t o r i c a lm e t r i c a ld a t a ，a n du s ed a t er e p o r to fv b ，w h i c hr e a l i z et h ec r y s t a lr e p o r t b yt r a n s v e r s ep r i n t i n g f i n a l l y , t h i s t e x th a sd i s c u s s e dt h e m a j o rf a c t o ro fi n f e c t i o nb a s e do nt h e s c a t t e r i n gt h e o r yi nm e a s u r e , a n da n a l y z e dt h em a i no r i g i no fi n f l u e n c ef a c t o r , a n d t h e nh a sg i v e ns u g g e s t i o n s ，a n de m p h a t i c a l l ya n a l y z e dt h ei n f l u e n c ew h i c ht h ea n g l e o fi n c i d e n c eb r i n g s k e y - w o r d s ：o p t i c a lf i b e r , s u r f a c er o u g h n e s s ，s e n s o r , d a t ac o l l e c t i o n ，r e p o r tf o r m ， d i f f e r e n t i a le x p i a t i o n ： 目录 第一章绪论1 1 1 课题的提出1 1 2 国内外研究概况2 1 3 课题的研究目的及意义2 第二章表面粗糙度概述5 2 1 表面粗糙度标准的发展5 2 2 表面粗糙度的形成6 2 2 1 几何因素6 2 2 2 积屑瘤的累积6 2 2 3 其他因素6 2 3 表面粗糙度的评定基准与测量7 2 4 表面粗糙度标准中的基本参数9 2 4 1 测量表面粗糙度的取样长度l 和评定长度l i l 9 2 4 2 与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数术语1 0 2 4 3 与微观不平度间距特性有关的表面粗糙度参数术语1 l 2 4 4 与微观不平度形状特性有关的表面粗糙度参数术语1 1 2 5 区别表面粗糙度1 1 2 6 测量精准表面粗糙度的迫切性1 2 第三章测量装置的选型1 3 3 1 概述1 3 3 2 光纤的选型1 3 3 3 数据采集系统的选型1 4 3 3 1 采集卡的选型1 4 3 3 2 串口的选型1 5 3 3 3 光功率计的选型1 6 3 3 4 光源的选择1 7 3 3 5 光纤准直器的选型1 8 第四章数据采集与处理系统的软件设计2 1 4 1 概述2 1 4 2 主要技术及算法2 1 4 2 1 用m s c o m m 控件实现微机串口的数据通讯2 1 4 2 2 采用m s c o m m 和t i m e r 控件实现定时接收数据2 2 4 2 3 数据实时性处理2 3 4 3 主要数据通讯程序代码2 5 4 4 报表设计技术2 8 4 4 1 创建a d o 数据源2 9 4 4 2 建立和显示数据报表2 9 4 4 3 报表数据打印和输出3 0 第五章实验工作原理及数据处理 3 1 5 1 系统工作原理3 1 5 2 测量原理3 l 5 3 光纤探头装置3 3 5 3 1 光纤探头3 3 5 3 2 光纤探头支架3 4 5 4 数据处理与分析3 6 5 4 1 梯形支架3 6 5 4 2 圆形支架3 7 5 4 3 结果分析3 7 第六章测量系统干扰处理措施 3 9 6 1 概述3 9 6 2 光源因素3 9 6 3 待测物件的因素4 0 6 4 环境因素4 1 6 5 入射角度因素4 2 6 6 本章小结4 3 第七章总结与展望 4 5 7 1 总结4 5 7 2 展望4 5 参考文献4 7 发表( 录用) 论文情况和参加科研情况说明5 1 致谢5 3 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 表面粗糙度对机器零件表面性能的影响从1 9 1 8 年开始就受到关注。1 9 2 7 年， 报道了用触针法测量表面粗糙度的方法h 引。 近年来，随着机械、电子及光学工业的飞速发展，对精密机械加工表面的质 量及结构小型化的要求日益提高，使得表面粗糙度的测量具有越来越重要的地 位。对激光核聚变驱动器、磁盘、光盘、x 射线光学元件、大功率激光窗口及同 步辐射器元件的表面粗糙度要求，均已达到了纳米级要求。这些需求极大地促进 了表面粗糙度测量技术的发展。 光学散射法具有测量速度快、仪器简单等优点，但是，一方面，由于目前散 射测量法只是对少数表面统计参数的测量，不能反映表面形貌特征，测量精度有 待提高，另一方面，由于表面粗糙度特征的复杂性和表面光学特性的复杂性，因 此，光学散射表面粗糙度测量近年来仍然受到广泛的研究。郑俊丽等介绍了几种 激光非接触测量方法的原理和优缺点，并分析了表面粗糙度测量技术的发展趋势 瞄。程传福等从理论上分析了随机表面散射光强的镜面分量与表面高度概率分布 的关系，并通过对镜面反射分量的相位恢复实现了表面高度概率的测量。尼启 良引入标量和矢量两种散射理论，计算了超光滑表面粗糙度均方根值，并用x 射 线反射率对超光滑表面进行散射测量h 。l i 等人研究了多种金属表面的光散射角 分布，并利用b r d f 模型来建立表面高度统计性质与散射光角分布之间的关系曲1 。 d o n g 等人设计了一个光纤传感器，通过测量表面散射光分布来测量粗糙度参数 。而这些研究都没有涉及散射光强二维分布与粗糙度的关系，也没有涉及散射 光分布与表面形貌的关系。利用激光散射进行粗糙度测量的传统方法都是以散射 光能量的一维分布与粗糙度参数的对应关系来进行的，丢失了粗糙表面引起的二 维散射信息口l 口4 1 。 因此本文在硬件方案上基于散射法的线性测量方式，采用改变入射光角度测 量，通过p b e c k m a n n 等人研究的光强与粗糙度关系，得知三个评定参数值，软 件上采用了v b 6 0 的m s c o m m 控件，编写的采集程序，通过e x c e l 表格输出形式 打印出来，此系统具有操作简单、待测表面的数据具有可存储性，更加适应于在 线测量。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 总体上讲，表面粗糙度的测量方式可分为接触式测量和非接触式测量。其中， 非接触式测量，特别是光学测量方式由于其快速、高精度的特性，已成为表面粗 糙度测量技术中的主要发展方向。非接触式测量发展较快的既包括原子力、扫描 电子显微镜等直接测量方式，又包括了光学散射、散斑、投影等间接测量方法。 同时非光学方法的非接触式测量方法也有很大进展，如超声检测法等。本文主要 针对光学散射法测量的研究，因此下面从国内和国外两个方面讨论其发展现状。 1 国内研究现状 在光纤散射法的研究领域，国内则有华中理工大学、哈尔滨量具厂等单位都 研制出了自己的非接触轮廓仪系引8 h 啪3 。 特点：都具有极高的高度分辨率约为l 唉，并与微型计算机相连县有很高的 自动化程度，但这些仪器目前均属于实验室分析仪器且主要针对平面制件如磁 盘，光盘，光学镜面等。 不足体现在：对环境要求极高，且量程小，对小曲率表面，沟槽表面无法进 行铡最。因此，不能满足精密加工行业的实际需要，如轴承行业轴承内外圈圆孤 面的测量，人工关节表面形貌的测量以及军工行业小孔内侧面，复杂曲面的表面 测量等。 2 国外研究现状 国外如美国的w y k o 公司，德国的f e i n p r u f 公司，h o m m e l 公司，日本的小坂制 作所，英国的n p l 实验室等，都研制出了非接触表面粗糙度轮廓仪。 其特点： 分辨更高 采用了c c d 线性检测法，提高了测量精确度。 极大的消除了来自干扰噪声的影响 这些研究的不足体现在： 在线测量的应用较少 价格及其昂贵。 1 3 课题的研究目的及意义 测量与研究微粗糙度引起的光散射特性，不仅可以了解被测表面的散射损耗 特性，基于散射光的空间分布特性，还可以获得被测表面微粗糙度的统计特性， 2 第一章绪论 有助于了解不同表面的加工工艺。同时表面形貌也极大地影响着零件的使用 性能，合理地表征和评定表面形貌也是一项具有重要意义的课题，当前的在线测 量设备价格极高以及难以实现成批量检测高精度粗糙度板，极大的影响了工作效 率。本课题针对基于散射理论，研究系统设计以平磨、抛光、磨外圆三种样本进 行实验检测。 天津工业大学硕士学位论文 4 第二章表面粗糙度概述 第二章表面粗糙度概述 2 1 表面粗糙度标准的发展 表面粗糙度标准的提出和发展与工业生产技术的发展密切相关，它经历了由 定性评定到定量评定两个阶段。表面粗糙度对机器零件表面性能的影响从1 9 1 8 年开始首先受到注意，在飞机发动机设计中，由于要求用最少材料达到最大的强 度，人们开始对加工表面的刀痕和刮痕对疲劳强度的影响加以研究。但由于测量 困难，当时没有定量数值上的评定要求，只是根据目测感觉来确定。在2 0 世纪 2 0 3 0 年代，世界上很多工业国家广泛采用三角符号( v ) 的组合来表示不同精度 的加工表面。 为探索表面粗糙度对零件性能的影响和度量表面微观不平整度的需要，时间 从上个世纪2 0 年代末到3 0 年代，德国、美国和英国等国家的一些专家已经设计 做出了轮廓记录仪，同时也研究出了通过光切式显微镜和干涉显微镜等非接触型 光学测量方法来测量表面微观不平度的仪器，从数值上定量评定表面粗糙度创造 了条件。从1 9 3 0 年起，对表面粗糙度定量评定参数进行了研究，如美国的a b b o t t 就提出了通过测量表面轮廓峰顶的深度和获取支承长度率曲线来表征表面粗糙 度信息。1 9 3 6 年出版了论述表面粗糙度的专著，这篇专著主要论述了关于表面 粗糙度的评定参数和数值的标准化的一些建议。但粗糙度评定参数及其数值的使 用，真正成为一个被广泛接受的标准应当是从4 0 年代起每个国家都有与其相对 应的国家标准发布以后开始的。 首先是美国在1 9 4 0 年发布了a s ab 4 6 1 国家标准，之后又经过几次修订， 成为现行标准a n s i a s m eb 4 6 卜1 9 8 8 表面结构表面粗糙度、表面波纹度和加 工纹理，该标准采用中线制，并将r 。作为主参数；接着前苏联在1 9 4 5 年发布 了g o c t 2 7 8 9 1 9 4 5 表面光洁度、表面微观几何形状、分级和表示法国家标准， 而后经过了3 次修订成为g o c t 2 7 8 9 1 9 7 3 表面粗糙度参数和特征，该标准也 采用中线制，并规定了包括轮廓均方根偏差( 即现在的r q ) 在内的6 个评定参数及 其相应的参数值。此外，其它工业发达国家制定标准大多是在5 0 年代发布的， 如德国在1 9 5 2 年发布了d i n 4 7 6 0 和d i n 4 7 6 2 关于表面粗糙度的评定参数和常用 术语等方面的标准。 以上各国的国家标准中全部是使用了中线制作为表面粗糙度参数的计算制， 但使用的参数确千差万别，相同点是定义的主要参数依然是r 。( 或r 。) ，它也是在 国际间交流流行最广泛的一个参数胁。1 们。 5 天津工业大学硕士学位论文 2 2 表面粗糙度的形成 测量表面粗糙度，了解表面粗糙度的起因也是特别重要的。本文主要分析了 以下因素造成的表面形貌不规则。 2 2 1 几何因素 由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等 原因，未能将被加工表面上的材料层完全干净地去除掉( 只有当刀具上带有刀具 的副偏角份二的修光刃、且进给小于修光刃宽度时，理论上才不产生残留面积) ， 在已加工表面上遗留下残留面积，残留面积的高度构成了表面粗糙度r 。 刀具切削刃的粗糙度由于直接复映在加工表面上，所以刀具切削刃的粗糙度 值，应低于加工表面要求的粗糙度值。实际上加工表面的粗糙度总是大于按以上 计算的残留面积的高度，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，实际加工表 面的粗糙度才比较接近残留面积的高度，说明影响表面粗糙度的还有其他原因 1 l 】 2 2 2 积屑瘤的累积 积屑瘤的产生，是由于切屑在切削过程中的塑性流动及刀具与切周的外摩擦 超过了内摩擦，在刀具和切屑间很大的压力作用下造成切削底层与刀具前面发生 冷焊。积屑瘤对表面粗糙度的影响有两方面：一方面，它能刻划出纵向的沟纹来， 另一方面，它还会在破碎脱落时沾附在已加工表面上。其主要原因是当积屑瘤处 在生长阶段时，它与前刀面的粘结比较牢，因此积屑瘤在已加工表面上刻划纵向 沟纹的可能性大于对已加工表面的沾附。当积屑瘤处于最大范围以及消退阶段， 它已经不很稼定。这时它一方面虽然还时而刻划沟纹，但更多的是沾附在已加工 表面上。 2 2 3 其他因素 切削过程中如果有振动，表面粗糙度就会显著变大。振动是由于径向切削力 太大，或工件系统的的刚度小而引起的。 切削刃对残留面积的挤压，使残留面积向与进给相反方向变形，使残留面积 顶部歪斜而产生毛刺，加大了表面粗糙度。过渡刃口弧部分的切削厚度是变化的， 近刀尖处的切削厚度很小。当进给小于一定限度后，这部分的切削厚度小于刃口 圆弧所能切下的最小厚度时，就有部分金属未能切除，就会使表面粗糙度增大。 6 对象，他不能作为基准面；二几何表面是个理想表面，他的具体位置也不清楚， 所以要用某个给定面来体现基准面。作为基准面的给定面，它具有几何表面的形 状，其方位和实际表面在空间总的走向一致。 基准面的产生方式不同，对表面粗糙度参数的评定影响很大，一般地，基准 平面的形成可采用，算术平均中心面，包络平面最小二乘法，最小区域参考基准 等形式，而基准曲面可采用：最小二次多项式表面和最小二乘部分圆柱算法确定 u 引。g b 3 5 0 5 8 3 中规定，二维表面分析采用中线制，中线可采用算术平均中线或 最小二乘中线两种算法。对于三维表面形貌的评定基准目前尚未形成统一的标 准。 根据表面粗糙度的国家标准( g b l 0 3 1 8 3 ) 规定，以轮廓中线m 作为测量表面 粗糙度的基准线，轮廓中线m 是这样确定的：在表面存在着许多波峰和波谷的三 维体取一垂直断面，得到图2 1 所示的二维轮廓线，图中的m 即为轮廓中线，它将 轮廓图形划分为上下两部分。在规定的取样长度范围内，被测轮廓上的各点至轮 廓中线m 的距离( y ，y ：y 。) 的平方和为最小，因此轮廓中线m 应具有唯一性，即 同一被测表面只有一条轮廓中线。 图2 - 1 二维轮廓线 订t 表面粗糙度的在过程测量，而且作为机床整个系统的一部分，已经使用了很 长时间，方法也各异，见表2 一l ，鉴于速度的考虑，推荐使用光学方式，但是基于 衍射或散射的方法，仅能产生表面形貌的有限信息。 7 天津工业大学硕士学位论文 表2 1 各种测量方法的测量速度 测量方法测量速度( m s ) 电容法 0 0 2 5 触针法 1 1 超声波检测法 5 气动测量法 5 1 8 表2 - 1 中的方法均可测量实际表面轮廓，有些还具有相当高的速度，但在过 程测量仍局限在实脸室，大部分商用仪器只能离线测量目前市场上大多数粗糙度 仪器是用于产品的质量检查，通常是离线的或统计抽样，但是现代质量控制的趋 势要求1 0 0 检查，而许多现存的粗糙度仪器测量速度太慢如以3 0 0 0 零件h 的速 率，在许多生产线上并不过分，这就要求每个零件总的测量、特征获取和数据处 理时间不多于1 s 。这个指标触针式仪器难以达到，只好采用电磁的、光的或电容 的方式而用非接触方法预测的平均误差因子为5 ，成功地测量r ：却是很难办到的 1 3 - 1 5 o 标准中规定表面粗糙度采用真实表面来评定，事实上任何测量仪器都不可能 得到被测试件的真实表面，而只能是它的近似有效表面，所以现在可用的所有仪 器产生的表面单值记录，都是一种假象，即它们不可能看到再新生的或其它装饰 的表面的特征。被测量表面的微观几何形貌在特定的位置，可能对应两个或更多 的高度离散值这也解释了用分形几何描述表面时，将它们看作是自仿射的单值的， 而不是自相似的( 多值的) n 引。实际中，许多表面不是单值的，正如我们从电子微 观图上所看到的( 遗憾的是不容易测量) ，如许多加工过程被撕裂成不规则的碎 片。在小的尺度上，许多机械表面是多值的，从化学方面的测量推论出，在分子 尺度上表面的实际面积是它们的名义面积的许多倍，因为我们缺乏合适的仪器测 量，所以遗漏了许多重要信息。表面特征包括表面粗糙度、表面波纹度和表面几 何形状等，这三种特性绝非独立存在为了提取准确定义的表面粗糙度信息，通常 要采用“滤波 的方式，如机械滤波、电子和数字滤波技术等。 三维表面粗糙度的分析是在一个区域内进行，所以要求采用数字滤波的形 式，以保证数据的完整性。为了不改变表面的形状，滤波器必须是线性的或零 相位的，同时要求光滑的截止转换，以避免边缘衰减，常用的数字滤波器为区域 滤波器和高斯滤波器，均是可分离的和对称的。然而当表面具有偏斜的幅度分布 时，高斯滤波器的效果并不理想，在中推荐采用双级滤波许多情况下，提取特征 信号的滤波和产生评定基准，是结合在一起考虑的校准样块。 8 第二章表面粗糙度概述 2 4 表面粗糙度标准中的基本参数 随着工业的发展和对外开放与技术合作的需要，我国对表面粗糙度的研究和 标准化愈来愈被科技和工业界所重视，为迅速改变国内表面粗糙度方面的术语和 概念不统一的局面，并达到与国际统一的作用，我国等效采用国际标准化组织 ( i s o ) 有关的国际标准制订了g b 3 5 0 5 - 1 9 8 3 表面粗糙度术语表面及其参数。 g b 3 5 0 5 专门对有关表面粗糙度的表面及其参数等术语作了规定，其中有三个部分 共2 7 个参数术语。 在现行的或修订的国际标准中，采用的是二维测量技术对于大多数工程表 面，正如以前那样，二维技术对粗糙度的测量和表征起着非常合适的作用。从最 常用的尺度依赖参数r a ，可以说明它们的适应性 容易解释 测量时很快收效到一个稳定值 其数值不依赖于总的测量长度 对如何计算平均中线不太敏感 对单个的高峰或低谷不太敏感 用廉价的仪器也可获得高的评价精度 然而它也存在一些缺点，如 它不能用于表面镜面反射图像与原始表面具有相同值的表面 由于它是基于平均中线滤波，所以不适合在接触性能占主要指标的地方 使用。 r 。使用轮廓中心的坐标，对偶然的奇异峰或谷的变化不太敏感，具有较小的 精度，与它相类似的多数也存在同样的问题，所以推荐使用反映峰谷特性的参数 r ：和甩1 。 2 4 1 测量表面粗糙度的取样长度l 和评定长度l n 为了充分合理地反映表面粗糙度的一些特性，为此在测量表面粗糙度时，规 定了两个特征长度：l 和l 。 首先，取样长度是用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度，以l 表 不。 其次，评定长度是用于评定轮廓所必须的一段长度，用l 。表示。评定长度可 以包括一个或几个取样长度。根据g b l 0 3 1 - 8 3 标准规定，一个评定长度内取5 个取 样长度，即l n = 5 l 髓1 。 9 天津_ 丁业火学硕士学位论文 2 4 2 与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数术语 其中定义的常用术语为：轮廓算术平均偏差r 。、轮廓均方根偏差民、轮廓最 大高度r ，和微观不平度十点平均高度r ：等1 1 个参数。 图2 - 2 轮廓算术平均偏差r 。、轮廓最大高度r ，和微观不平度十点高度r ： 其中轮廓算术平均偏差r 。是指在取样长度，范围内，被测轮廓线上各点至轮 廓中线的距离的算术平均值，称为算术平均偏差，如图2 2 中a 所示，即 1 ， 兄= 导j l j ，( x ) b ( 2 - 1 ) 0 或近似为 耻丢弘 ( 2 2 ) 微观不平度十点平均高度r ：是指在取样长度，范围内，被测表面上5 个最大的 轮廓峰高平均值与5 个最大的谷底深的平均值之和称为十点平均高度，如图2 - 2 中b 所示，即 r ：= ( e 5y i = 1 + 壹i = 1y 订) j 后 c 2 3 ， ：= i+ i 5 ( 2 剐 式中：y 为第价最大轮廓峰高；y v i 为第价最大谷底深度。 l o 第二章表面粗糙度概述 轮廓最大高度尺y 是指在取样长度，范围内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的 距离称为轮廓最大高度如图2 2 中c 所示n 引。 2 4 3 与微观不平度间距特性有关的表面粗糙度参数术语 其中有轮廓微观不平度的平均间距s 、轮廓峰密度d 、轮廓均方根波长厶以 及轮廓的单峰平均间距s 等共9 个参数。 2 4 4 与微观不平度形状特性有关的表面粗糙度参数术语 这其中有轮廓偏斜度s 。、轮廓均方根斜率d 。和轮廓支承长度率t ，等共5 个参 数。 2 5 区别表面粗糙度 对于进行表面处理的工件其表面不希望出现由机加工工艺出现的刀花及表 面缺陷或划伤，常常要检测表面的粗糙度，但是表面粗糙度与波纹度的区分有一 定的难度，为此特做以下规定：设两相邻波峰或波谷之间的距离为波距，两相邻 波峰与波谷的水平位差称为波高，当波距与波高的比值大于5 0 d , 于1 0 0 0 时，为表 面波纹度，当波距与波高的比值大于o d , 于5 0 时，为表面粗糙度。 在表面质量的检测中，为了满足某种功能要求，常常需要测量表面粗糙度。 而对于一些要求装饰性能或反光性能的镀层，又要求测量镀层的光泽度。有些文 章中经常将镀层的光泽度与国标中已经废止的光洁度相混淆，从1 9 8 3 年开始 g b l 0 3 1 8 3 已经将表面光洁度改用表面粗糙度来表征固体材料表面微观凹凸不平 的程度。表面粗糙度与表面光洁度都是表征固体材料表面的微观凹凸不平程度 的，但二者描述同一表面状况的规律正好相反，即表面粗糙度越低( 表面光洁度 越高) ，表面越平整光滑。 表面光泽度是指一定照度和一定角度入射光照射到表面，反射光的强度。反 射光的强度越高，表面的光泽度越高。表面粗糙度和表面光泽度均属于固体材料 表面、镀层或涂层的外观质量，但二者却是两个完全不同的概念，表面光泽度高， 其粗糙度不一定低；同样表面粗糙度低，其光泽度不一定高，例如表面着色的镀 层或涂层的表面粗糙度可能很低，但其光泽度却并不一定高，因为一部分入射光 被吸收了。但是，当表面粗糙度很低时，表面平整光滑，则各点法线相平行，当 平行的入射光照射到表面，其反射光也是平行的，没有不同方向的漫反射，其表 面光泽度一定高引。 天津工业人学硕士学位论文 2 6 测量精准表面粗糙度的迫切性 表面粗糙度参数这一概念开始提出时就是为了研究零件表面和其性能之间 的关系，实现对表面形貌准确的量化的描述。随着加工精度要求的提高以及对具 有特殊功能零件表面的加工需求，提出了表面粗糙度评价参数的定量计算方法和 数值规定，同时这也推动了国家标准及国际标准的形成和发展。 在现代工业生产中，许多制件的表面被加工而具有特定的技术性能特征，诸 如：制件表面的耐磨性、密封性、配合性质、传热性、导电性以及对光线和声波 的反射性，液体和气体在壁面的流动性、腐蚀性，薄膜、集成电路元件以及人造 器官的表面性能，测量仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等等功能，而这 些技术性能的评价常常依赖于制件表面特征的状况，也就是与表面的几何结构特 征有密切联系。因此，控制加工表面质量的核心问题在于它的使用功能，应该根 据各类制件自身的特点规定能满足其使用要求的表面特征参量。不难看出，对特 定的加工表面，我们总希望用最( 或比较) 恰当的表面特征参数去评价它，以达到 预期的功能要求；同时我们希望参数本身应该稳定，能够反映表面本质的特征， 不受评定基准及仪器分辨率的影响，减少对随机过程进行测量而带来参数示值误 * 2 0 _ 2 2 】 z o 但是从标准制定的特点和内容上我们容易发现，随着现代工业的发展，特别 是新型表面加工方法不断出现和新的测量器具及测量方法的应用，标准中的许多 参数已无法适应现代生产的需求，尤其是在一些特殊加工场合，如精加工时，用 不同方法加工得到的r 。值相同( 或很相近) 的表面就不一定会具有相同的使用功 能，可见，此时r 。值对这类表面的评定显得无能为力了，而且传统评定方法过于 注重对高度信息做平均化处理，而几乎忽视水平方向的属性，未能反映表面形貌 的全面信息。近年来在表面特性研究的领域内，相对地说，关于零件表面功能特 性方面的研究本身就较为薄弱，因为它牵涉到很多学科和技术领域。机器的各类 零件在使用中各有不同的要求，研究表面特征的功能适应性将十分复杂，这也限 制了对表面形貌与其功能特性关系的研究。 1 2 第三章测量装置的选型 3 1 概述 第三章测量装置的选型 光纤的发散，光源的不稳定性等光学器件都有可能造成极大的能量损失。因 此在测量与研究微粗糙度引起的光散射特性时，光纤探头的硬件选型显得尤为重 要乜3 1 。本文主要针对重要器件进行了选型分析。 3 2 光纤的选型 光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低 的材料作成的包层所包覆，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号 在纤芯中传播前进的媒体。光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性 能也有所差异。光纤主要分为多模光纤和单模光纤两大类，但光纤的种类繁多， 同一根光纤根据不同的分类方法还会有不同名称。为了使光纤具有统一的标准， 国际电信联盟( i t u t 制订了光纤标准( g 标准) 。按照i t u t 关于光纤的建议，前可 以将光纤分为g 6 5 1 、g 6 5 2 、g 6 5 3 、g 6 5 4 、g 6 5 5g 6 5 6 等大类。 单模光纤是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单 模光纤( s m f ：s i n g l em o d ef i b e r ) 。由于，光纤的纤芯很细( 约l o p m ) 而且折 射率呈阶跃状分布，当归一化频率y = 6 5t h e n s t = a s c ( s t ) 一a s c ( ”a ”) + 1 0 e n di f i f s t 8t h e n t t l = ”1 ” e l s e i f s t = 1 1t h e n t t l = ” e l s e t t l = ” e n di f a l = m i d ( s t r _ t t l ，2 ，2 ) t t l = t t l a 1 a 2 = m i d ( s t r _ t t l ，4 ，1 ) t t l = t t l & i t t ! & a 2 e n df u n c t i o n p r i v a t es u bf o r m _ l o a d ( ) d i mi a si n t e g e r o ne r r o rg o t oe r r o r h a n d l e r 写入d e s k t o p i n i 的每行内容，即位号数量及采样频率 o p e na p p p a t h & ”d e s k t o p i n i ”f o ri n p u ta s j f j 1l i n ei n p u tj f j 6 1 ，j s 2 6 第四章数据采集与处理系统的软件设计 l i n ei n p u t 撑1 c o r a l t i m e r l i n t e r v a l = c i n t o s ) t i m e r l e n a b l e d = t r u e o ne r r o rg o t oe r r o r h a n d l e r l m s c o m m 1 p o a o p e n = t r u e o ne r r o rr e s u m en e x t i f e r r ”t h e n m s c o m m 1 p o r t o p e n = f a l s e e n di f e i t c l e a r f o ri = 1t oc i n t ( c o m l ) 一1 l o a dt t l ( i ) w i t ht t l ( i ) l e f t = t t l ( o ) l e f t t o p = t t l ( i - 1 ) t o p + t t l ( 0 ) h e i g h t + 5 w i d t h = t t l ( o ) w i d t h h e i g h t = t t l ( o ) h e i g h t v i s i b l e = f a l s e c a p t i o n = ”& i e n d w j t h n e x t e r r o r h a n d l e r ： m s g b o x ”配置文件出错，请从新配置文件” r e s u m en e x t e r r o r h a n d l e r l ： m s g b o x ”串口打开错误，检查串口是否打开” u n l o a df o r ml 天津t 业大学硕士学位论文 e n ds u b 采集数据处理程序代码如下： p d v a t es u bf o r m _ l o a d o d i ms a , s z ，s z a v e r a g e ，r ql ，r q ，r a ，r y , r z ，d ，m a xa sd o u b l e d = t t i n d e x m a x = t t ( 1 ) f o ri = lt od s z = s z + t t ( i ) i fm a x = t t ( i ) t h e nm a x = t t ( i ) r q l = s q r ( l o g ( t t ( i ) t t ) 宰b c b c ( ( - 1 6 ) 掌3 1 4 幸3 1 4 c o s ( j d ) ) ) s a = s a + r q l n e x t i s z a v e r a g e = s z | d r q = s d r a = s q r ( 2 ( 3 1 4 r q ) ) r y = s q r ( l o g ( m a x t t ) 宰b c 木b c ( ( - 1 6 ) 木3 1 4 木3 1 4 半c o s ( j d ) ) ) r z = s q r ( l o g ( s z a v e r a g e t t ) 幸b c 幸b c ( ( 一1 6 ) 毒3 1 4 木3 1 4 宰c o s ( j d ) ) ) e n ds u b 4 4 报表设计技术 在v i s u a lb a s i c6 中，m i c r o s o r 增加了一种包括在应用程序中创建报表的新方 式，数据报表d a t ar e p o r t 控件很容易的从一个a d o 数据源中显示一个带有打印和 输出按钮的预览打印屏幕。数据报表被当做一个a c t i v e x 设计器，因为它是集成 在v i s u a lb a s i c 环境中的特定a c t i v e x 对象。本系统通过建立的x x h m d b 数据库为 数据源，其步骤如下： ( 1 ) 建立数据报表要使用的a d o 记录集。 ( 2