表面粗糙度的激光检测系统设计

表面粗糙度的激光检测系统设计毕 业 设 计（论 文）题目： 表面粗糙度的激光检测系统设计 （英文）：Design of Laser Detection System for Surface Roughness表面粗糙度的激光检测系统设计摘要随着现代科学技术的进步和发展，各种超精度加工技术的出现，高质量表面加工得以实现，从而对表面粗糙度的测量提出了越来越高的要求。激光粗糙度检测系统与传统式测量仪相比,原理直观,结构简单,数据处理方便。因此，表面粗糙度的激光检测方法必将成为主要的表面粗糙度检测方法之一，发挥着越来越大的作用。本文将从光学、机械、电路三个方面着手设计一种表面粗糙度的激光检测系统，真正实现光机电一体化。设计内容包括机械结构、光路系统、电路系统等。检测系统的核心是基于单片机的控制模块，在89c51单片机的编程控制下，检测系统能够实现平面磨床加工零件的表面粗糙度在线分类智能检测，数据的记录存储，以及显示等功能。基于激光检测的表面粗糙度检测系统能够更精确的检测到粗糙度的变化，另外在单片机以及编程控制下，系统可以对材料进行分类测量，显示，并存储数据，更加智能化。关键词：激光检测；单片机；表面粗糙度；光机电一体化Design of laser detection system for Surface roughnessAbstractWith the progress and development of modern science and technology, the emergence of a variety of ultra-precision processing technology, high quality surface finish can be achieved, which results in ever-increasing demands on the measurement of surface roughness. Comparing with conventional measuring instrument, laser roughness detection system has the following advantages: the principle is more intuitive, structure is simpler and data processing is more convenient. Therefore, the laser detection method will become one of the major surface roughness detection methods and play an increasingly larger role in the future. In this thesis, a laser detection system for surface roughness will be designed, which is a real optical mechatronic system. The design elements include mechanical structure, optical system and electrical system. The core of the detection system is based on the control module of the microcontroller. The detection system can achieve surface roughness of the flat grinding machine parts online classified intelligent detection, data record storage, and display functions under the control of 89c51 microcontroller programming. Detection system based on laser can more accurately detect the roughness changes. In addition, under the control of microcontroller and programming, the system can classify the measurement material, display, and store data more intelligently.Key Words: Laser detection；Microcontroller；Surface roughness；Opto-Mechatronics目 录第1章 绪论11.2 课题研究的背景与意义11.2.1 研究背景11.2.2研究意义21.3 国内外研究现状31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.4 本文主要工作6第2章 总体方案设计72.1 检测系统的整体结构设计72.2光学检测系统的技术原理82.2.1 激光散射法82.2.2 光在粗糙表面的散射现象82.2.3 几何角度关系92.2.4 激光散射表面粗糙度算法理论模型122.3当前方案的分析与应用前景15第3章 机械系统设计163.1整体支架结构的设计163.2尺寸依据与强度校核173.2.1支架外型尺寸的定量依据173.2.2 悬臂的强度校核183.3各部分零件的设计203.3.1 支柱与收缩杆203.3.2杆套和半圆片连杆203.3.3 锁套与三脚支撑柱213.3.4 端座与摇杆223.3.5 悬臂和吊杆243.3.6 可调的锁紧夹具243.4本章小结25第4章 硬件设计264.1光学检测模块的设计264.1.1光源的选择264.1.2 仪器基本光路的设计264.1.3 光电检测器的选择274.2信号处理电路的设计304.2.1初始信号放大电路的设计304.2.2 A/D转换电路的设计334.3单片机的选型374.4 单片机周边模块的设计404.4.1显示模块404.4.2数据存储模块444.4.3键盘模块464.4.4晶振电路及复位电路474.4.5电源电路484.5本章小结49第5章 软件控制505.1采集程序的设计505.1.1键盘扫描505.1.2 ad转换及数据处理555.2显示程序的设计595.3本章小结62总结与展望63致谢64参考文献65第1章 绪论1.1选题的目的与意义表面粗糙度是评定多种工件表面质量的一个重要指标研究并测试表面粗糙度是生产加工领域一个很重要的研究方向。传统的表面粗糙度测量方法可分为两类：接触式和非接触式。当前，国内外广泛应用的触针式粗糙度测量仪器是用一个尖端半径很小的触针压在被测表面上作横移扫描，触针跟随表面轮廓的形状作垂直位移。可以说是最大可能地再现了工件的表面状况，然而这种测量方法有很大的缺陷，测试精度不能保证，测量速度慢，实现在线检测困难。 近年来，国内外对具有快速非破坏性可在线测量特征的非接触式检测技术的研究十分活跃。主要依靠光学、电磁波和图像处理等技术手段实现表面粗糙度非接触测量。随着现代科学技术的进步和发展各种超精度加工技术的出现使得高质量表面加工得以实现从而,对表面粗糙度的测量提出了越来越高的要求。激光粗糙度传感器与传统式测量仪相比,原理直观,结构简单 ,数据处理方便。其次 ,它不存在测量力大小,触针损伤等引入的测量误差.第三 ,激光传感探头细小,可挠曲到设备内部测量 ,以及快速和非接触。能实现生产过程中在线检测等独特优点,各国有关方面竞相开展这方面的研究。本文利用激光检测技术 ,设计了一种便携型激光粗糙度测量仪。与同类仪器相比,结构更简单 ,系统误差小。所以此次选题为表面粗糙度在线非接触检测具有重要的意义。1.2 课题研究的背景与意义1.2.1 研究背景激光检测技术属于非接触式测量技术，与接触式测量方法相比，具有限制更少、效率更高、不损伤测量表面、不易受被测对象表面状态影响等优点，因此高精度的激光检测技术越来越广泛地应用到精密、超精密加工中。超精密加工技术，其精度从微米级到亚微米级、纳米级，在高技术领域和军用工业以及民用医疗工业中都有大量需求。就国防工业而言， 如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、飞机发动机转子叶片、导弹惯性仪表、激光陀螺仪的平面反射镜、红外制导的导弹反射镜等，其表面粗糙度均要求微纳米级， 需要高精度激光检测技术。而非球面作为超精密加工中的重点和难点，其加工和检测技术引起了各个国家的高度重视。目前，非球面的高精度检测技术及设备由日美和欧盟国家掌握，同时鉴于在信息处理、通信、生物、医疗、地面和空间技术、制造业，尤其是国防上的巨大应用前景，国外已对中国实行技术保密和技术封锁。如果一直从国外引进相关先进设备，一是受到许多限制，二是会永远落后于别人，不利于我国制造工业的发展。激光检测技术由于其自身的优势，正在逐步深入信息处理、通信、生物、医疗、制造业等各个领域，形成大规模产业。尤其是随着超精密加工、强激光、光电技术和半导体工业的发展，出现了超光滑或有超精细结构的表面, 高精度的激光检测技术已应用于对该领域的微观形貌的非接触测量。目前，利用激光检测关键技术（激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术）实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，高精密激光检测技术将随着超精密加工技术的发展而发展1。1.2.2研究意义表面粗糙度误差又称为微观几何形状误差， 是机械零件的一个主要几何精度指标， 它直接影响机器或仪器的使用性能和使用寿命。其形成原因主要有： 加工过程中在工件表面留下的刀痕， 刀具和零件表面之间的摩擦， 切削分离时工件表面层的塑性变形，切削过程中的残留物等。目前在生产现场主要是靠目测或触摸对比样板的办法来估计 ，而计量室中常用触针法( T a l y s u r f ) 、 光切显微镜、 干涉显微镜及电动轮廓仪，由于其结构和性能所限，难以实现现场主动测量，而且工作效率不高。表面粗糙度对零件和产品来说是一项非常重要的参数，表面粗糙度对零件使用情况有很大影响。一般说来，表面粗糙度数值小，会提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用会增加。因此，要正确、合理地选用表面粗糙度数值。所以，即时对加工零件的在线检测并正确反馈到计算机上已经成为企业生产的一个重要组成部分。磨床作为机械工业中机床产业的重要组成部分，主要用于机床系统精加工较高端的产品。任何机器零件最终加工的精度和质量，取决于磨床的精度水平。可以说在整个机器制造业中，磨床的总体技术水平与拥有数量，将基本上能够决定产品的加工精度和质量。随着工业的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工显得更加重要。尤其在汽车、电力、船舶、冶金、军工、航空航天等行业2。随着现代高新技术的发展，超精密加工技术应用日益广泛，而对其要求也越来越高。传统的表面粗糙度测量方法是采用机械探针沿被测表面运动从而获取其表面轮廓。这种方法迅速方便、 应用广泛 ,如 Talysurf系列 ,它的垂直和水平精度分别达到 1nm和 1 m。然而 ,这种方法的测量结果易受探针针头直径和形状的影响 ,而且容易损坏被测表面 ,不适用于在线测量。随着工业的发展 ,对表面粗糙度测量的要求越来越高 ,很多零件由抽检改成必检 ,所以发展表面粗糙度在线非接触检测具有重要的意义。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状随着科学技术的进步和社会的发展，人们对于机械产品表面质量的要求越来越高表面粗糙度是评价工件表面质量的一个重要指标，国内外很多学者在表面粗糙度检测方面做了大量研究工作。目前测量表面粗糙度的主要方法有： 接触式测量和非接触式测量。接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面， 能够直观地反映被测表面的信息， 接触式测量方法主要是触针法， 该方法经过几十年的充分发展，以其稳定可靠的特点被广泛应用但接触式测量存在很大的缺陷， 具体表现在： 对高精度表面及软质金属表面有划伤破坏作用； 受触针尖端圆弧半径的限制， 其测量精度有限； 因触针磨损及测量速度的限制， 无法实现在线实时测量3。为了克服接触式测量方法的不足，人们对非接触式测量方法进行了广泛研究 研究表明， 非接触式测量方法具有非接触无损伤快速、测量精度高、易于实现在线测量响应速度快等优点。目前已有的非接触式测量方法包括各种光学测量方法、超声法、扫描隧道、显微镜法、基于计算机视觉技术的表面粗糙度检测方法等。基于光学干涉原理， 1984年美国洛克西德导弹公司 huang采用共模抑制技术研制成功了光学外差轮廓仪， 光外差干涉检测技术是一种具有纳米级测量准确度的高精度光学测量方法， 适用于精加工超精加工表面的测量， 而且可以进行动态时间的研究； 美国的维易科（VEECO） 精密仪器有限公司， 采用共光路干涉法研制了激光干涉仪和光学轮廓仪，可用来测量干涉条纹位相。英国学者Hossein Ragheb 和 Edwin R.Hancock 通过数码相机拍摄的表面反射图来估计表面粗糙度参数， 运用 Vernold Harvey 修正的 B K 散射理论模型获得了比 Oren Nayar 模型更好的粗糙度估计结果。澳大利亚学者Ghassan A.Al-Kindi 和 Bijan Shirinzadeh 对基于显微视觉的不同机械加工表面粗糙度参数获取的可行性进行了评估， 讨论了照射光源与表面辐照度模型对检测的影响，结果显示尽管从视觉数据和触针数据所获得的粗糙度参数存在一定差异， 但是基于视觉的方法仍是一种可靠的粗糙度参数估计方法。可以看出，基于计算机视觉技术的测量方法主要有统计分析、特征映射和神经网络等黑箱估计法。 通过这些方法获得的表面粗糙度参数的估计值受诸多因素的影响，难以给出其准确的物理解释。真正要定量地计算出粗糙度参数， 需要科学的计算。但是随着机械加工自动化水平的提高，基于计算机视觉技术的检测方法处理内容丰富、 处理精度高、 处理速度快、 易于集成等优点将受到越来越多的重视。1.3.2 国内研究现状表面粗糙度的检测方法有比较测量法、非接触测量法、接触测量法和模法比较法是将被测表面与已知其评定参数值的粗糙度样板相比较，如被测表面较光滑时，可借肋于放大镜、比较显微镜进行比较，以提高检测精度。比较样板的选择应使其材料、形状和加方法与被测工件尽量相同。比较法简便实用，适合于车间条件下判断中、低精度的表面。比较法的判断准确程度在很大程度上与检验人员的技术熟练程度有关4。非接触测量法包括光切法、干涉法、激光反射法和激光全息法。光切法显微镜是利用“光切原理”测量表面粗糙度的方法。干涉法是干涉显微镜利用光波干涉原理在被测表面上产生干涉条纹，通过测量表面干涉条纹的弯曲度，实现对表面粗糙度的测量。激光反射法是通过激光束以一定的角度照射到被测表面，通过观测反射强弱测出表面粗糙度。激光全息法的基本原理是以激光照射被测表面，利用相干辐射，拍摄被测表面的全息照片获得一组表面轮廓的干涉图形，然后用硅光电池测量黑白条纹的强度分布，测出黑白条纹反差比，从而评定被测表面的粗糙度程度。接触测量法常用的是针描法。针描法是利用仪器的触针在被测表面上轻轻划过，被测表面的微观不平轮廓将使触针作垂直方向的位移。再通过传感器将位移变化量转换成电量的变化，经信号放大和积分计算后，在显示器上示出被测表面粗糙度的评定参数值。亦可由记录器绘制出被测表面的微观轮廓图形。按针描法原理设计制造的表面粗糙度测量仪器通常称为轮廓仪。根据转换原理的不同，可以有电感式轮廓仪、电容式轮廓仪、压电式轮廓仪等。轮廓仪可测Ra、Rz、 Ry 、S、Sm及tp等多个参数。印模法是用塑性材料将被测表面复制下来制成印模，再对印模进行测量的间接方法。常用的印模材料有川蜡、石腊、塞璐珞、低熔点合金等。由于印模材料不可能完全填满被测表面的谷底，取下印模时又会使波峰被削平，因此印模的高度参数值通常比被测表面的高度参数实际值小，因此应根据实验结果进行修正。印模法一般适用于内表面粗糙度的检测。在激光技术发展过程中，利用ccd 图像处理技术，可以提高测量信噪比，并扩大测量范围，目前其正全面改造着传统的光学测量方法；因其高的分辨率，可以直接用于物体外部尺寸、轮廓以及位移和有关物理量的测量。由于图像具有非常高的信息量，特别是彩色ccd，在遥感技术和光纤传感技术中也得到普遍应用。利用光与物质的相互作用，如激光致超声、激光热效应等新的探测方法，在无损检测中也得到广泛应用。随着科学技术的日新月异， 新的检测方法还会不断出现5。基于光学散射原理测量表面粗糙度的研究方法和理论较多。四川联合大学和哈尔滨理工大学相继提出了一种称之为散射特征值的参数， 表征被测物体表面上反射光和散射光的分散度， 散射特征值与被测物体表面的粗糙度有很好的对应关系。哈尔滨理工大学利用已知表面粗糙度参数值的标准样块测得其散射特征值， 建立关系曲线， 从而实现利用散射特征值测量火炮内膛表面粗糙度。北京理工大学的王仲春等人采用显微镜对检测表面进行放大，并通过对 CCD 采集加工表面微观图像进行处理实现了表面粗糙度的检测哈尔滨理工大学吴春亚 刘献礼等为解决机械加工表面粗糙度的快速在线检测， 设计了一种表面粗糙度图像检测方法， 建立了图像灰度变化信息与表面粗糙度之间的关系模型。1.4 本文主要工作本文主要通过应用激光在线检测被加工零件表面粗糙度，在机床加工零件同时，对零件的表面粗糙度做即时的检测，便于工作人员做出判断，对产品质量检测这一环节有突出的效果。很大幅度的提高了零件精加工的精度和效率，生产的自动化程度提高，缩减了工人体力劳动，降低了生产成本，提高了生产效率。同时，通过这次毕业设计,使我对光机电一体化这个领域有了更深的体会，对于专业知识的把握和创新能力也有了提高，开阔了视野，锻炼了处理难题的能力；另外还可以培养我搜集、整理、筛选信息资料的能力以及掌握科学研究的基本方法及科学研究论文的写作技巧与规范。在这个设计中，把激光、电子、机械等相关专业知识融合到一起，采用合理的传动机构和激光检测装置以及自动控制系统，设计出实用低成本且便于携带的激光在线检测系统，用以即时检测被加工零件表面的粗糙度，以此提高零件的生产效率和产品质量。从而，使零件加工精度和效率提升，节省了劳动力成本6。第2章 总体方案设计2.1 检测系统的整体结构设计由于本次设计结合了光学、电子、编程、机械结构等相关内容，所以整体的结构就相应的分为：硬件系统、机械结构、软件控制几个模块。本文稍后将按照如下结构图进行具体分析： 图2.1 整体结构设计图由于本次设计倾向于设计一种便携型实用型的表面粗糙度在线检测系统，所以机械机构将按照简单实用的思路进行设计，在这里我将采用由整体及部分，由面及点的思路在第三章进行详细介绍。关于硬件系统，我把光学检测系统与硬件电路合起来一章进行介绍，硬件电路也是传统的单片机模块和放大ad模块组合而成，在第四章会详细介绍。在所有硬件和机械结构设计完成后，将对检测系统设计软件控制，在这里，主要是运用c语言等编程工具编制程序，主要分为两大块，采集处理程序和显示程序，采集程序其中会包括ad转换、粗糙度光强以及电压之间的换算、键盘的扫描等程序，以及显示程序，将在第5章详细介绍。2.2光学检测系统的技术原理 2.2.1 激光散射法激光散射法主要是以光学表面的标量散射理论为基础的。标量散射理论主要研究具有微观不规则性的光学表面在全空间的散射总和与表面均方根(root mean square，RMS)粗糙度之间的关系，它以HelmholtzKirchhoff衍射积分为基础，在处理散射问题的过程中不考虑散射光的方向和偏振性。标量散射理论的研究始于20世纪50年代，Davies发现，雷达波在海洋表面产生的散射与海洋表面形貌的统计参数密切相关，并利用标量方法给出了散射在近境面反射光方向的分布。1961年，Bennett HE和Porteus J0等对上述理论进行了修正，给出了光束垂直入射情形下高反金属膜的表面粗糙度与境面反射率间的关系，适用条件为粗糙度远小于入射波长。1963年，Beckmann和Spizzichinotl8提出了具有有限电导率和长度的单层粗糙表面的一维标量散射理论，给出了镜面附近的反射率变换和漫反射散射，并指出对于两维的情况也可以得到类似的结果。1978年Eastman总结了Beckmann的表面散射理论，并运用Kirchhoff边界条件，将矩阵方法用于光线垂直入射情况下多层光学薄膜的散射问题中，研究了恒等界面膜系(膜系中所有界面具有和基片表面完全相同的表面粗糙度)和非恒等界面膜系(膜中每层界面的粗糙度是随机和统计独立的)的散射，得到了恒等表面粗糙度模型和非相关界面粗糙度模型。1979年Carniglia C KlzlJ综合前人的成果，在Eastman理论基础上提出附加表面粗糙度和非相关体内不均匀性的两种散射模型，更全面地解释了光学表面的各种散射现象7。2.2.2 光在粗糙表面的散射现象当一束光(通常为激光)以一定角度入射到粗糙物体表面时，入射光被散射，其中一部分散射光遵循几何光学规律，这部分散射光为镜面方向，即通常所说的镜面反射光，另一部分光则散射到空间的各个方向。散射光强的分布与表面不均匀性的尺度有很大的关系。全部的散射光在空间180。范围内形成中心散射光斑和两翼散射光带。如图所示。散射光的一切性质(强度、偏振与光谱成分)，也都反映了散射介质的性质，研究光的散射现象可以使人们得到关于物质结构的丰富的知识。 图2.2 激光在粗糙表面的散射现象根据光学原理，镜面方向的散射光强和其它方向的散射光强的分布与物体的表面粗糙度有关。镜面方向散射光集中于小面积上，形成由许多光点组成的光斑，其它方向散射光则分布于光斑两侧，形成由许多光点组成的光带。对于表面粗糙度值较小的表面，镜面方向散射光斑的光能较强，其它方向的散射光带宽度较窄；反之，表面粗糙度值较大的表面，镜面方向散射光斑的光能较弱，而其它方向的散射光带则较宽。这一现象定性说明了被照射物体表面粗糙度的大小与散射光能分布之间存在一定的对应关系8。2.2.3 几何角度关系通常散射问题十分复杂，但是简化的数学模型可以实现对其计算求解，一个三维空间，坐标轴为X，Y，z。定义 为在xy平面上微小的紧曲面尺，则在R内的每一点(X，Y)，表面有单位法线， 。如果在方向为S的远处有一点光源，其距离远大于 。那么，到达表面的入射光可看作是平行光，方向为 。假定观测方向为。入射方向和观测方向是常数，表面法线方向是关于(X，Y)的函数。定义矢量-是和的中线。如果某一个特定点(x,y, )，其表面法线 与v方向相反，那么观测方向为镜面方向。如图所示。 图2.3 散射光路的数学模型可以利用上述角度关系估计入射光在表面某点散射后沿方向的辐射强度。定义表面上每点的z坐标轴为法线方向 (即)。根据光源定义x坐标轴方向，使xz平面包含表面法线矢量和入射光矢量。也就是说，xz平面包含矢量，和。注意 (它们是同一个量)，* =0 (它们是垂直的)，= - (它们方向相反)。Y坐标轴 是XZ平面的法线，其方向按由到的右手定则决定。在表面的每一点，矢量-由该点处的坐标系决定。如果是在镜面方向，则有 和 = =0。综上所述，单位矢量 由表面法线和入射光线方向决定。 上述关系如图所示 图2.4 光路矢量关系图继续指定入射角、观测角和方位视角。定义从表面法线到光源方向矢 量的角为入射角，从到观测方向矢量的角为观测角，定义从xy平面到由和构成的平面的角为方位视角。下图体现了上述关系。图2.5 光路的角度方位图由表面法线、光源方向、观测方向、x和y坐标轴的单位矢量，可以将上述角度表示如下: 试中， 2.2.4 激光散射表面粗糙度算法理论模型光路如图所示，单色相干平行光经粗糙表面反射后分为两个部分：一部分是镜面反射光，一部分是向各个方向反射的散射光。 图2.6 激光在粗糙表面的反射模型这些光经过傅氏透镜后光强重新分布。设表面的起伏高度为，坐标平面o选在均值为0的地方，入射面在XoOZ平面内，入射角为，则在傅氏透镜的后焦面(傅氏面)上的光强复振幅分布为 （1）式中，A为光波振幅，为光波波长，为表面上的照明区域， ()为表面的复振幅透过率，x，y为傅氏坐标，k=。当忽略阴影效应和多冲散射造成的影响时，可以假设表面为一个薄的相屏，当入射光照射其上时，且忽略由于斜率存在所产生的影响时，则粗糙表面的复振幅透过率为 （2）式中，z=考虑到照射区域以外 ()=0，则可以将是(1)的积分限扩展到无穷，从而得到完整的傅氏变换式 (3)令, , ,式(2)可以写成 (4)对于大多数粗糙表面来说，其粗糙度起伏高度的分布 可以认为上半部分是高斯分布。此时表面起伏的一维概率密度为（5）2维概率密度为（6）式中，为的均方根，c(t)为表面轮廓的自相关系数。联合特征函数为（7）对高斯型表面，自相关系统有如下形式（8）式中，T为相关长度。根据式(3)以及式(6)(8)，可对式(4)中两个组成项进行计算得（9）在本系统中，采用线型硅光电池作为光强接收元件。则感光单元上接收到的平均光强为（10）式中，为CCD感光单元的纵向宽度，为CCD感光单元的横向宽度。傅氏面中心处(x=0)的光强与偏离中心X处平均光强之比为（11）经整理可得（12）式中，是一个与入射角度、两相比较的光强方向之间的夹角和表面的相关长度有关的函数，是可以确定的常数，只要知道T，就可以通过式（12）计算出的值。但是，一般表面的相关长度是未知的。为了解决这个问题，我们可以这样来考虑，影响相关长度的因素主要是加工的类型及机床系统的振动等，因而对于同一条件下的同一批加工出来的零件，可以认为T是近似相等的。在实际测量中，可用同一批零件中的一个在高一级的仪器上测量得到 的值来定度，以确定固定的值，这样就可利用式(8)测量较粗糙表面的足值了。当时，即可认为的条件满足。对于=06328um垂直入射的情况下，当 =013um时， 则址 ，也就是说在理论上式(8)适用于 的粗糙表面。另一方面， 在实际上此方法也不适用于 过大的很粗糙表面，因为此时表面的阴影效应和多重散射的影响已不能忽略。2.3当前方案的分析与应用前景表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数，随着科技的发展，粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要，激光散射法以其面积采样、测量速度快、数据处理简单等特点，在众多表面粗糙度测量方法中独树一帜，而微电子计算机应用的逐步普及和现代光学技术、激光应用技术的发展，也为光学散射法测表面粗糙度测量技术的发展提供契机。本文设计的激光散射法表面粗糙度测量系统，针对测量的实用性与在线工作稳定性进行了综合考虑，同时结合单片机技术，能够快速、准确地测量出各种表面的粗糙度数值。第3章 机械系统设计3.1整体支架结构的设计由于本系统主要是用来在线测量磨床加工零件的表面粗糙度，所以机械结构的设计尽量能够更适合加工场合，而且稳定性要求也更高。考虑到仪器的安装应该更简便高效，器材也因该便于移动和调整，所以支架的结构不宜设计的过于复杂，重在实用。重点考虑的是，仪器位置的可调性，检测系统要求仪器的检测位置不固定且具有一定的位置移动自由度，不仅在垂直、水平方向可调，且要求可以在水平面旋转一定角度。因此，本机械系统按照这个思路出发，首先选定了可调型三脚支撑结构作为仪器的基础支撑架。为什么选择这么一个结构呢？它有如下几个优点：（1）本结构简单实用，便于收放移动，可单人拆卸组装，携带方便。（2）在满足需求的同时具有不错的稳定性与刚性，抗震能力强。(3)最重要的是，它可以按现场环境和机床工作台高度大小调节垂直高度，水平旋转角度，而且为顶端支架结构的设计提供了良好的扩展空间。 在确定了三脚支撑结构为基础结构后，对于仪器与支架的连接以及安装位置做了大量分析与探讨，最终决定采用悬臂支撑下的吊杆式夹具来固定仪器。这个结构满足了仪器在水平方向移动的需求，同时在不影响仪器进行采光的前提下把仪器稳定在某个范围内，而且此结构对于类似的检测仪器具有一定的兼容性，它可以固定不同尺寸大小的仪器。具体的结构的功能将在下面一节进行详细解释。另外对于本机械机构的材料强度分析与尺寸依据将在下面一小节介绍。整体的机械结构如图3.1所示： 图3.1 整体机械结构图整体的结构大致分为上下两个部分，下面是三脚支撑结构，上面是仪器的夹放机械结构。具体的零件细分为：主支柱、支柱杆套、半圆片连杆、三脚支撑柱、锁套、摇杆、端座、悬臂、收缩杆、吊杆、锁紧夹具等。它的垂直高度可调范围为1230mm2830mm，水平检测范围为半径500m800m，水平面内可360度随意旋转。根据调研，以上测量范围已经足够满足本仪器的检测需求。所以本机构无论从各方面来说，已经满足应用条件。3.2尺寸依据与强度校核3.2.1支架外型尺寸的定量依据对于本系统的机械结构而言，最重要的是所设计的结构能够在实际场合适用，所以本文在对市场上的磨床类产品做了大量的调研之后，制订了相关的尺寸。本文作为参考的是市场上普遍的M7130卧轴式平面磨床，它的参数具体如下：工作台台面尺寸(宽长) 3001000mm最大磨削尺寸(宽长高) 3001000400mm工作台纵向行程(最大) 1100mm磨头砂轮轴中心至工作台距离最大575mm磨头横向每行程断续进给量 3-30mm/次砂轮轴转速 1440rpm砂轮尺寸(外径宽内径) 35040127 mm根据磨床的工作台高度与工作平面大小，本文所设计的支架结构的可调高度范围1230mm2830mm完全满足高度需求，水平检测范围为半径500m800m，也完全满足此类磨床需求。至于各部分零件，无特别要求的将会按照合理条件定制尺寸大小，一些螺纹及齿轮配合，将按照国家标准件有关规定制定大小。3.2.2 悬臂的强度校核本文所设计的支架结构，上端的悬臂需要进行弯曲强度校核，以保证危险截面的作用力在材料许用应力范围内，材料不会发生弯曲、变形。考虑到本系统的工作环境，为了增强仪器工作的稳定性，机械结构将采用强度更高、抗腐蚀性更好的1cr18ni9ti不锈钢，也就是常用的304不锈钢。它的抗拉强度b(MN/m2) =550MPA，屈服强度s(MN/m2) =200Mpa。下面是悬臂的强度校核：(1)确定约束力悬臂右端承受重量最大为1.5Kg,而A、B两处都只有垂直方向的约束力，。由平衡方程 =0和 =0，求得=15N，=15N。 如图所示：Fb=15NABL=800mmFa=15N图3.2 悬臂受力结构图（2）画弯矩图，判断可能的危险截面根据截面所承受的载荷和约束力，可以画出截面的弯矩图，如图3.3所示。根据弯矩图，在A处弯矩最大，为危险截面。=12NmMX图3.3 悬臂弯矩图(3)计算危险截面上的最大应力应用最大应力公式和截面系数公式，可以计算危险截面上的应力：=0.75Mpa(4)分析强度是否在许用应力范围内上述计算结果表明，危险截面上的最大正应力小于304不锈钢的许用应力=200MPa。于是，满足强度条件，即因此，悬臂梁的强度校核安全。3.3各部分零件的设计3.3.1 支柱与收缩杆支柱是结构的主支撑杆，所以将它的尺寸设计的稍大，主支柱的内部挖空一节，用以嵌套收缩杆，收缩杆用以在垂直方向上扩展高度，以满足不同环境下需求。支撑杆长度为1000mm，收缩杆长度为700mm，从而支柱结构能使最大扩展高度达到1500mm左右。支柱的内圆和收缩杆的直径匹配，都为64mm。收缩杆的杆面上有齿纹，与摇杆上的齿轮相配合，用来推动杆的伸缩。图示如下：图3.4 支柱与收缩杆的连接3.3.2杆套和半圆片连杆杆套和半圆片连杆的连接配合图如下所示，两者通过下方的螺纹空连接，一方面牢固可靠，一方面可以实现旋转可调。锁套可以沿着主支柱上下滑动，滑动的同时连杆跟着联动，从而实现支架的收放，这也是支架便于携带安放的原因所在。图3.5 杆套与半圆片连杆连接各自单独的零件实体如下：图3.6 杆套 图3.7半圆片连杆杆套的内径为80mm，螺纹采用3mm螺纹，连杆的长度为700mm，连杆已为连接位置预留了旋转空间。3.3.3 锁套与三脚支撑柱下图为锁套与三角支柱的连接图，锁套的位置是固定在三脚支柱上，这一点与支柱套不同，它的主要作用有两个，一个是连接连杆和三脚柱，另一个重要作用是用来固定三角柱第二层的伸缩长度量，它可以通过内部的暗扣来自动锁紧三角柱，当你按下上面的半圆扣时，第二层管脚放松，此时可以随意拉伸长度，当不再按住时，第二层管脚依靠内部的弹簧自动锁紧当前位置。图3.8 锁套与三脚支柱的连接锁套的内径为30mm，长度为70mm。三脚柱两层的长度收缩范围为1400mm-2200mm。3.3.4 端座与摇杆端座与摇杆的连接如下图，摇杆的作用是穿过端座，最终与嵌套在主支柱内部的伸缩杆相连接，两者通过一个简单的齿轮配合，达到一级传动的效果。当摇杆摇动时，伸缩杆实现收缩长度变化，此时可以调整支架的整体高度。端座的作用相当于一个基准，它用来连接和固定所有的管柱，端座确定了，支架的框架就确定了。 图3.9 端座与摇杆的连接端座的单独零件图如下： 图3.10 端座零件图端座的下面有3对方形螺纹空用来连接三脚柱，端座的内径为70mm，厚度为60mm，螺纹孔内径为10mm。摇杆的插入部分直径为16mm。3.3.5 悬臂和吊杆悬臂这里采用的是2节可伸缩式方形管柱，悬臂拐角处为标准的90度用以维持悬臂的绝对水平。2节悬臂的伸缩长度范围为500mm800mm，足够满足所有的测量需求。吊杆这里采用的是圆柱式结构，也是为了方便激光测量仪器的水平旋转。吊杆的长度为170mm，直径为30mm。下图为悬臂和吊杆的连接图：图3.11 悬臂与吊杆的连接图3.3.6 可调的锁紧夹具如下图所示，夹具是固定在吊杆的下方，通过一个方形销钉与吊杆相连接。下面是两个弯曲方爪组合成一个夹具，夹具这样设计的目的主要是为了在牢固的锁紧仪器的同时，不挡住仪器接收反射回来的光信号。把仪器放在固定位置上，可通过上方的两个锁紧螺丝来锁紧仪器，此夹具机构不仅适用于本文设计的光学检测仪器，而且对于尺寸大小相类似的仪器，只要在夹具的理论夹紧范围大小内，都是可以夹紧的，此夹具兼容性强。此夹具的理论夹紧尺寸范围为：60mm140mm，高度为150mm。图3.12 可调锁紧夹具零件图3.4本章小结本章主要通过分析系统的实际工作环境确定了系统的机械结构，这其中包括了机械结构的外型、功能、尺寸、校核等。本章最主要的工作在于结构确定后的图形绘制工作，这其中需要大量的时间运用cad、proe软件来绘制机械图。总体来说，机械结构包括三脚支架和上端悬臂夹具两部分，其中也包含了大量的计算与分析。经过分析比较，本文的机械结构经济、便携、稳定，非常适合作为表面粗糙度的激光在线检测的支架结构。第4章 硬件设计4.1光学检测模块的设计4.1.1光源的选择光学检测系统采用激光作为光源。激光光源与普通光源相比，因其具有能量集中、方向性好、单色性好和相干性好等优点，已成为高精度检测的理想光源。早期的激光检测系统均采用氦氖(HeNe)激光器作为光源，它具有单色性好、发散角小、稳定等优点，但其体积大、寿命短、相对容易损坏。近些年来，随着半导体激光技术的迅速发展，它因具有体积小、重量轻、机构简单、低电压直流电源供电、可靠性高、使用寿命长等优点而得到广泛的应用。本文整体的设计的思想是便携式的粗糙度测量仪，因此本系统采用半导体激光器作为系统光源。目前市面上常见的半导体激光器是红光半导体激光器，其输出波长一般在650nm左右，这个波长范围可以基本满足本测量系统的要求。半导体激光器作为检测系统的光源通常要求光源输出光强的稳定性好，而激光器电源稳定性的好坏是引起激光光强变化的因素之一，所以激光器需要采用稳压电源。由于半导体激光器有源层横截面的不对称性，远场光斑既不对称又具有很大的光束发散角，且发散角不同，输出光束为像散椭圆高斯光束，所以应用半导体激光器的光学系统需考虑激光束的准直、像差校正等因素。4.1.2 仪器基本光路的设计在光学检测仪器中，光学系统的作用是：使被测物体得到均匀的照明，进而使被测物体按一定、准确的倍率要求成像或投影在光电检测器件的光敏接受面上。基本光路设计如图4.1所示 图4.1 基本光路如上的光路设计既保证了传感器基本功能的实现，同时，又尽可能地使光路变得简单，具有很高地可行性，下面将详细介绍该光路系统的工作过程。半导体激光器l发出的激光首先经过准直光纤2准直，采用自准直光纤准直的原理是通过将光纤的长度正好截为激光在光纤内传播的空间周期长度14的奇数倍，使光线正好由其传播轨迹的正弦曲线项端出射，使出射光束为平行光束，这种方法的优点是体积小、成本低。经过准直后的激光进入一个偏振片3，偏振片是只允许在某单一方向(垂直于传播方向的)振动的光通过，一束多振动方向的光遇到偏振片后，只有一种方向的震动的光可以通过，因此偏振片调节到P偏振可以改善激光器的消光率。之后激光进入非偏振分光片4，分光片的作用是用于提供参考光束以稳定半导体激光器的强度。入射光通过反射镜5改变传播方向，透射到被测样品上，经样品反射和散射后，光强分布发生了变化，光线经过透镜7上，最后被位于透镜后焦面上的检测装置8接收，转化为电信号。4.1.3 光电检测器的选择传感器子系统系统中探测器作为接收携带样品表面信息的光信号的部件，作用十分关键，如果探测器选择的不好，很有可能会影响到整个系统的性能与精度。目前普遍使用的光电探测器有光电池和CCD，下面将对其性能进行分析，以决定本系统最终选择哪种探测器。光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅等，其中最受重试也最常用的是硅光电池。下面将重点讨论硅光电池。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能。光电池的基本结构如图4.2所示图4.2 光电池原理图当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在同一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。硅光电池最重要的是光谱、频率响应及温度特性，由于硅光电池的光电流与照度之间存在严格的线性关系，同时采用了视觉校正和余弦校正，使它可以精确地测量照度值。硅光电池应用的波长范围400rim-1100nm，峰值波长在850nm附近l。因此硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散热措施。光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。开路电压与光照度的关系是非线性的，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。同时，由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差，但作为光电池的硅光电池相对具有较高的频率响应。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长。由于硅光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。在作为光电转换元件，可连接数字式检流计测量光电转换后的光电流值，其性能稳定，反应快，操作简便，读数准确直观。主要用来测量一维光强的分布，根据硅光电池光谱特性和数字式检流计的最小读数可确定光强的测量的范围和精确