基于虚拟仪器技术的表面粗糙度测量仪

基于虚拟仪器技术的表面粗糙度测量仪内容摘要：

随着科学技术的不断进步和“信息时代”的到来，机械、光学工业对加工表面的质量要求越来越高。 这主要是因为表面粗糙度不仅对机械性能、物理性能、集成电路成品率有影响，而且它还影响计算机磁盘存储器磁头和磁盘的耐磨性和寿命，同时也影响磁盘信号的读出幅度和信噪比。 不言而喻，纳米级存储密度需要有低于纳米级粗糙度的表面作为基片，否则无 法实现信息提取。 因此，为实现更高的表面加工质量，相应要求更高的表面粗糙度测量手段。 对于物体表面粗糙度测量技术的研究由来已久，一般来说，根据是否与被测表面接触，表面粗糙度测量方法可分为两大类：接触式和非接触式。 1．接触式 触针式轮廓仪是最广泛使用的接触式测量仪，典型产品是英国 Rank Taylor Hobson 公司的 Taylor Surf 和 Nanosurf 等系列轮廓仪。 它们一般采用金刚石探针，通过驱动杆控制探针沿着工件表面作上下往复的运动，从而正确地反映被侧表面的实际轮廓曲线。 它的优点是：分辨率高、测量范 围大、结果稳定可靠、重复性好，其横向和纵向分辨率分别为 20nm 和。 此外它还作为其它粗糙度测量技术的对比方法。 目前正在对触针的形状、大小、接触力、触针动态特性以及仪器智能化等方面加以不断完善。 其最大缺点为：探针常常会划伤被测表面。 因此，这类触针式表面轮廓仪对轻金属、塑料以及超精加工表面等都不适用。 2．非接触式 由于接触式测量仪的缺点， 20 世纪 50 年代，光学技术被引入物体表面粗糙度的侧量，从而实现了非接触式测量。 大部分非接触式光学形貌仪是在 20世纪 80 年代后才研制和开发出来的。 典型方法有以下几种： 光学散射法 —— 工作原理为：当激光以一定角度入射到粗糙表面上时，散射光沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 5 强度分布呈正态分布，其角分布与表面粗糙度之间有一定的对应关系。 根据其角分布就可测出物体的表面粗糙度。 光学散射法的特点是：测量速度快、仪器结构简单。 但由于它测量的是被侧表面的平均特性，故不能给出表面的形貌，属于一种参数测量技术。 光学探针法 —— 光学探针法的种类很多，但本质上都是以一很小的聚焦光点入射到被测表面，来模拟机械触针进行测量。 干涉显微镜法 —— 在光波干涉测量中，光源发出的光束经过分光后，一束光射向被侧工件表面，另一束光射向参考镜，两束 光经反射后重新相遇形成千涉条纹。 条纹的相对弯曲度即反映被测表面的徽观高度差。 本文研究内容 介绍了表面粗糙度的概念和表面粗糙度测量仪的发展历程、现状及发展趋势，设计基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合，在计算机上用 LabVIEW 可视化的虚拟仪器系统开发平台开发出新的表面粗糙度测量系统。 本次设计的内容安排可以分为三部分： 第一部分是下位机的设计，主要是硬件电路方案的设计、元器件的选择等。 具体的硬件电路包括传感器测量电路以及数据采集电路和数据传输电路等。 在 实验板上每一个硬件电路焊接完成后，每一部分单独调试，在各个部分调试成功后，联调整个硬件电路，最后做出分析，得出结论。 第二部分是上位机的设计，主要是实现 LabVIEW 和单片机通信以及对下位机传输的数据进行处理、显示和存储。 第三部分在上位机和下位机都 调试 成功的前提下，进行联调，得出设计最终结果。 论文具体内容安排如下：第 1 章 介绍了光纤传感器、虚拟仪器技术 和表面粗糙度测量技术的发展状况以及课题的研究目的和意义 ；第 2 章主要是 对粗糙度相关知识做了详细介绍 ；第 3 章 粗糙度测 量 仪总体设计方案。 对本课题任务进行了具体分析 ，确定了的系统的总体设计方案。 第 4 章 粗糙度测 量 仪的 下位机 设计 ；第 5 章 粗糙度测 量 仪的 上位机 设计 ；第六章 粗糙度测 量 仪的调试与分析。 针对硬件调试、软件调试和软硬件联调的结果进行了具体的分析和说明。 沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 6 第 2章 粗糙度的基本概念 在介绍应用光纤位移传感器测量物体表面粗糙度的系统之前，先简单介绍一下有关表面粗糙度的知识，从而对表面粗糙度的定义、表面粗糙度的测量基准、表面粗糙度测量中应遵循的原则以及表面粗糙度评定的参数的定义等有一个较为全面的了解和认识。 这些基本定义是设计实验系统和编制计算机数据处理程序的理论依据。 表面粗糙度的概 念 表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标，它主要是由于在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和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。 表面粗糙度不包括由机床几何精度方面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差，也不包括在加工过程中由机床、刀具、工具系统的强迫振动等所引起的介于宏观和徽观几何形状误差之间的波纹度，以及气孔、沙眼等。 形状误差、波纹度和粗糙度这三类表面几何形状偏差在一个表面上并非孤立存在，大多数加工表面常受其综合影响。 实际上，三者只有分级的不同，没有 原则上的区别。 表面粗糙度的测量参数 在保证零件尺寸、形状和位置精度的同时，对表面粗糙度也有相应的要求。 而对表面粗糙度仅依据某一单独的评定参数是无法满足这种多方面的要求，在研究工作中就出现了大量不同的评定参数，为要表征这些评定参数所需的一些术语、定义就多达 60 多个，这种错综复杂的情况，在尺寸公差中是没有的，也比一般结合件的公差和配合复杂的多，而这也正是近年来国际上各个工业国家积极研究的领域，几乎每年都在开展这方面的研究工作。 为了与国际接轨，我国又先后对标准进行了修订。 修订后的标准 GB/T 1311993《 表面粗糙度符号、代号及其注法》， GB/ T10311995《表面粗糙度参数及其数值》，它们等效采用国际标准 ISO13021992《技术制图 — 标注表面特征的方法》及参照采用国际标准 ISO 4681982《表面粗糙度参数及其数值和给定要求的通则》。 新国标的发布实施将有利于积极采用国际标准和提高产品质沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 7 量，有助于促进表面粗糙度量仪和检测方法的发展与统一，使表面粗糙度术语、评定参数与国际上绝大多数国家取得一致，促进国际间的技术交流和对外贸易。 根据表面粗糙度评定参数的发展，结合我国科技和生产发展的情况，特别是为了 适应与国际接轨的要求，我国于 1995 年修订的国标 GB/T 10311995《表面粗糙度参数及其数值》，规定了表面粗糙度高度参数为 aR ， zR ， yR。 aR ， zR ， yR 分别是： 轮廓算数平均偏差 ( aR )；轮廓最大高度 ( yR ) ；微观不平度十点高度 ( zR )。 aR — 在取样长度 L 内轮廓偏距绝对值的算术平均值； yR — 在取样长度 L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离； zR — 在取样长度内 5个最大的轮廓峰高的平均值与 5 个最大的轮廓谷深的平均值之和。 本文将以 aR 为参数进行粗糙度的测量。 反射式光纤位移传感器的结构 传 感器 通常是由光源光纤和接收光纤构成。 位移传感器中光纤采用 Y 型结构，即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉为两束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。 当光源发出的光，经光源光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光纤输出，被光敏器件接收。 其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移变化时则输出光强作相应的变化。 通过对光强的检测而得到位移量。 图。 图 反射式光纤位移传感器的原理图 反射式光纤位移传感器输出特性 反射式光线位移传感器如图 所示， 光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面（反射面）上，反射光有接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，通过电信号的大小就可以测得物体距离探头的位移。 由于光纤有一定大小的孔径，当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，接收光中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 8 越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区域也越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号就达到了位移一输出信号曲线（图）上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫 前坡区。 当被测表面继续远离时，有部分反射光没有反射进接收光纤，而且由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏元件的输出信号逐渐减弱，进 入曲线的后坡区。 在位移 输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这一区域可以用来进行微米级的位移测量。 在后坡区，信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。 在光峰区，信号达到最大值，其大小取决于被测表面的状态。 所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量，即可用于粗糙度的测量。 图 — 电压输出特 性图。 图 电压 — 位移输出特性 粗糙度测量原理 如前所述，在峰值点附近，输出对距离的变化不敏感，而对粗糙度的变化最敏感，这正是测量粗糙度十分需要的特性。 这里挑选了 7 块研磨样板 ，其 Ra值都是精确标定已知的。 取其中 Ra值最小的样板为基准，细调距离 d 使输出电压为最大，并将此距离固定。 再将其他研磨样板依次换上分别测出其输出电压，作为输出与 Ra 的关系如图所示： 图 粗糙度和电压的关系 实验 中分别对每块样板测出电压十次取平均值。 有关数据如下表所示： 沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 9 表 不同样板表面粗糙度与输出电压数据表 按表的实验数据对 Ra 值和输出电压进行曲线拟合，得出拟合曲线方程。 xxRa  () 式中 Ra 的单位为 um ；输出电压 x 的单位为 V。 得出这种拟合曲线方程后，将用同样加工方法得到的任意工件放在这种仪 器上测量，就能得出这种工件的表面粗糙度。 样板 编号 1 2 3 4 5 6 Ra（ um） 输出电压（ V） 沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 10 第 3章 粗糙度测 量 仪的总体方案设计 本设计是基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合。 具体是利用光纤位移传感器进行粗糙度的测量，然后经过单片机数据采集，串口通信传输到计算机，最后在 LabVIEW 平台上显示测量结果。 总体方案包括下位机硬件和软件设计以及上位机的设计。 下图是总体方案功能框图。 图 总体方案功能框图 下位机 硬件 方案设计 下位机 硬件 方案的设计主要包括测量部分和 单片机 部分的设计。 测量部分 主要包括传感器的 选择和表面粗糙度样板的选择， 单片机部分主要包括 数据采集部分和数据传输部分设计。 传感器的选择 本设计选用 CSYG 型光电 传感器实验 仪 所提供的传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成 Y 型光纤，半圆分布即双 D 型，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。 两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距 X，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一光纤接收光信号，再由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 11 与间距 X 有关。 光纤传感器特性实验 由于光纤传感器探头 由于系统所获得的数据具有非线性和测量仪器本身的误差，输人位移或粗糙度和输出电压之间没有确定的函数关系。 因此往往事先测量一组数据，然后使用此数据进行曲线拟合，得到一条拟合曲线。 表 采集数据电压 — 位移 位移(mm) 0 电压(V) 0 单片机 数据采集和传输电路的设计 本系统采用的单片机是 AT89C52。 选用的 A/D 转换器是 ADC0809， ADC0809 是目前比较常用的一种逐次比较式 8路模拟量输入、 8 位数字量输出的 A/D 转换器。 片内带有锁存功能的 8路选 1的模拟开关，由 C、 B、 A 的 编码来决定所选通道。 输出可直接连到单片机的数据总线上，可对 05V 模拟信号进行转换。 传输部分是基于RS232 通信协议，通过 MAX232 芯片和计算机串口相连进行数据传输。 下位机 软件 系统设计 软件系统主要包括主程序、 A/D 转换、数据传输。 下面详细介绍下位机的软件设计思想。 软件总体流程图如图 所示。 沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 12 图 系统软件总体流 程图 上位机 总体设计 上位机的设计实际就是 LabVIEW 的设计，其主要功能是以数字形式显示被测量物体表面粗糙度。 其具体功能框图如图所示： 开始 程序初始化 数据采集 数据转换 数据传输 计算机 结束 沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 13 图 上位机程序设计流程图 开始 串口初始化 打开串口 发送命令 接收数据 显示粗糙度 数据存储 结束 沈阳航空工业学院毕业设计（论文） 14 第 4章 粗糙度测试仪的下位机 设计 根据总体设计方案的要求，本章详细论述系统硬件部分的设计。 整体电路图见附录Ⅰ。 信号调理电路 信号调理电路的功能主要是完成对光纤传感器。