表面粗糙度测量系统.docx
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表面粗糙度测量系统
精密仪器专业课程设计说明书
姓名：
学号：
U*********
班级：
测控0903班
指导老师：
2013年3月22日
一、需求分析……………………………………………………………………….2
1、设计题目…………………………………………………………………….2
2、粗糙度定义………………………………………………………………….2
3、系统性能要求……………………………………………………………….2
二、设计方案及原理………………………………………………………………4
1、系统原理……………………………………………………………………..4
2、系统分析……………………………………………………………………..5
3、系统说明…………………………………………………………………….5
三、传感器选型……………………………………………………………………..6
四、系统工作台设计………………………………………………………………..7
1、导轨及支承结构选型……………………………………………………......7
2、传动机构选型………………………………………………………………..9
3、电机选型……………………………………………………………………11
4、光栅尺选型…………………………………………………………………13
5、限位开关选型………………………………………………………………14
6、工作台精度分析……………………………………………………….…15
五、信号处理电路设计…………………………………………………….…...17
1、正弦波发生器……………………………………………………………17
2、信号跟随及反相电路……………………………………………………19
3、比较器电路……………………………………………………………….19
4、信号输入及带通滤波电路……………………………………………….20
5、相敏检波电路…………………………………………………………….21
6、低通滤波电路…………………………………………………………….22
7、工频陷波电路…………………………………………………………….22
六、设计不足及可扩展之处……………………………………………….…...24
七、总结………………………………………………………………………….26
附录参考文献…………………………………………………………………..27
一、需求分析
1、设计题目
二维表面粗糙度自动测量系统
2、粗糙度定义
表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，一般是由所采用的加工方法或其它外部因素造成，它是评定机械零件表面质量的重要指标之一。
根据定义，非切削加方法所获得的表面微观几何形状特性属于表面粗糙度的范畴，但是，零件表面的物理特性（如表面应力、硬度、光亮程度、颜色及斑纹等）和表面缺陷（如硬伤、划伤、裂纹、毛刺、砂眼及鼓包等）则不属于表面粗糙度的范畴。
零件表面粗糙度的形成，首先要受加工方法的影响。
这是因为零件表面的粗糙度，主要来自金属被加工时切削工具的切削刀刃在其上留下的切削痕迹。
不同的加工方法、机床的精度、振动及调整状况、工件的装夹、塑性变形和刀具与工件之间的摩擦、操作技术以及加工环境的温度、振动等主要因素，都会不同程度地直接影响零件加工表面的粗糙度。
综上所述，切削加工方法不同，所得的零件加工表面粗糙度也不同。
由于表面粗糙度是在切削加工过程中上述诸种因素共同作用的结果，而且这些因素的作用过程是极其复杂和不断变化的，因此，即使采用一种加工方法，在同样的切削条件下，加工出同一批零件，甚至同一零件的同一表面上的不同部位，所得的表面粗糙度也不尽相同。
3、系统性能要求
1>工作台运行范围25mm；
2>运行速度：
最大达1mm/s；
3>工作台定位分辨率<0.002mm；
4>垂直分辨率：
+-0.01um；
5>测量范围Ra：
+-100um；
6>测量精度<2%。
二、设计方案及原理
本设计拟采用电感传感器，触针扫描则由工作台带动工件相对触针运动的方式。
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Rankl’aylorHobson公司的TaylorSurf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，从而正确地反映被测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0.01um。
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。
1、系统原理
图2.1
表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。
它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削过程中工件加工表面上刀具痕迹以及切削撕裂时的材料塑性变形等。
二维表面粗糙度测量系统组成方框图如图所示，其工作情况如下：
表面粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度时，将传感器放置在被测表面上。
接通电源后，由内置驱动电机推动工作台以某一恒定的速度直线运动时，传感器触针对工件表面扫描并随着工件表面的围观起伏问作上下运动，此时传感器的内部感应线圈的感应电量发生变化，触针的运动由传感器转换成相应的电信号，从而在相敏整流器的输出端产生与被测表面粗糙度成比例的模拟信号，再经测微放大和预处理电路后，由计算机分析处理即可得到工件表面粗糙度参数值并予以输出。
2、系统分析
表面粗糙度测量系统各环节中由工作台的直线运动形成粗糙度的测量基准，由传感器实现被测信息的拾取和转换成信号，由信号处理电路完成信号的放大和预处理，由信号采集电路将被测对象转化为一系列的数据，计算机则实现数据分析和参数评定。
这些环节缺一不可，其中最为关键则是传感器，传感器的特性和可靠性直接左右整个系统的性能和可靠性：
工作台的运行精度包括定位精度也是至关重要的，没有好的测量基准，测量同样是不可靠的；信号处理和采集电路则需要保证信息的不失真，不丢失；计算机数据处理则需要评定原则与统一标准相一致。
3、系统说明
对于这个系统而言，精度是它最基本也是最重要的要求，本设计中应从进一步改善工作台的工作特性和运行精度，传感器的线性范围和稳定性以及信号处理电路的集成化，简化、分析处理软件等几个方面着手，从而达到设计要求。
最后还要对测试结果进行误差分析。
针描法测量技术的准确度，不仅与触针尖端的半径有关，而且与触针的测量力有关。
为使触针与被测表面可靠接触，还需要有一定的测量力。
测量力太小，不能保证触针和被测表面有效接触，而且触针划过的速度受到限制，速度太快，容易产生触针脱开的现象;测量力太大，则表面接触力很大，将会划伤表面，也会影响测量的应用范围。
系统组成
1）传感器
2）一维精密工作台
3）信号处理电路
4）接口电路
5）信号处理软件
三、传感器选型
根据粗糙度测量输出小的特征，本系统选用互感式电感传感器。
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
如下图所示为电感传感器，由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。
当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
电感式传感器的特点是：
①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。
在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
本系统所选差动变压器式传感器具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。
四、系统工作台设计
本系统设计的粗糙度测量仪采用测量头静止，而由工作台承载着被测工件运动的方式测量，因此需要设计一个运行平稳的高精度一维直线运动工作台。
设计要求：
运动参数：
运行范围25mm；运行速度1mm/s
精度参数：
直线基准0.002mm/25mm；直线度0.002mm（突变小于0.05um）；定位分辨率：
<0.002mm；没有机构复合的形位公差
附加要求：
承载能力、刚度和外形尺寸等，承载20KG；刚度20KG小于0.1um；对外形尺寸没有要求
参考一般的精密运动工作台设计方案，我们知道，它们一般都包括直线导轨副、传动机构、驱动源（一般为电动机）以及工作台面这样几个主要部分。
电动机经丝杠螺母传动机构后，旋转运动变为直线运动，驱动与螺母相连的工作台面运动；由于工作台面放置在直线导轨副的滑块部分上，因此可以平稳地在导轨座上运行。
通过选用高精度的导轨，系统可以达到较高的机械精度。
工作台面的侧面安装有光栅尺，用以实时测量工作台的行程。
同时，在工作台面下面安装有两个限位开关，防止工作台运行超出允许的范围。
1、导轨及支承结构选型
导轨一般分为滑动导轨、滚动导轨、气浮或液压导轨。
由于本工作台用于测量表面粗糙度，因此其垂直方向不能有明显的间隙及变动，因此不采用气浮或液压导轨。
目前国内外基本使用如下三种类型导轨，其基本性能比较如下：
将滑动导轨与滚动导轨相比较，虽然前者制造较为容易，成本较低，承载能力大，但其摩擦系数较大，需要较大的驱动力，且容易磨损，同时由于动静摩擦系数差别大因而不易达到较高的定位分辨率。
相比之下，滚动导轨更适合本设计的要求。
这里我们选取HTPM公司生产的滚动导轨。
由于设计的工作台行程较小，我们选取其最小系列的导轨即可满足要求。
图3.2导轨外形
图3.3LM/LMW系列微型直线导轨
电机、联轴器、轴承、丝杠构成了本工作台的主轴系统，所以同时需要设计主轴的支承结构。
由于丝杠副的螺杆较长，考虑到热胀冷缩效应，我们把去承结构设计成一端固定，一端游动的形式。
为了使螺杆能够承受轴向的双向载荷，固定端采用两个角接触球轴承，而游动端采用深沟球轴承。
2、传动机构选型
在这个直线运动工作台中，我们需要一个把电机的旋转运动转化为导轨的直线运动的传动机构。
一般地，有齿轮齿条机构、皮带轮机构、丝杠螺母机构等可以选择。
由于齿轮齿条机构减速比小、消除间隙困难，而皮带轮机构会有弹性滑动现象，且占用空间比较大，它们都难以达到较高的定位精度，因此我们选择了最后一种丝杠螺母机构。
通过在螺母与螺杆间配以滚珠，可以大大减小摩擦系数，不仅提高了传动效率，更可以消除背隙，从而达到较高的定位精度。
同时，由于螺旋机构本身的减速作用，工作台的定位精度可以得到进一步的提高。
我们选用了上银公司（HIWIN）生产的滚珠丝杠。
图3.5滚珠丝杠外形
图3.6滚珠丝杠参数表
通过估算，选取丝杆直径为12mm较为合适，选取导程为2mm以提高减速比，并减小驱动力，通过与整体结构的协调，选取行程为50mm的螺杆副。
综合以上所述，我们确定滚珠丝杠的型号为1R10-2T3-FSI-200-258-0.008。
其含义为：
单牙螺杆，直径12mm，导程2mm，螺帽内珠卷数为3，法兰形螺帽，单螺帽，滚珠内循环，螺杆螺纹部分长110mm，总长180mm。
3、电机选型
一般地，可以用来实现高精度控制的电动机有步进电机和伺服电机两种。
相对而言，步进电机虽然结构简单，价格便宜，但由于缺少反馈环节，因而控制的精度及稳定性都不如伺服电机好，并且伺服电机具有过载能力，因此我们采用伺服电机作为动力源。
我们选取YASKAWA公司生产的Σ-II系列AC伺服电机。
由于工作台运行速度不高，摩擦阻力小，所以选取小型的电机即可满足要求。
图3.8伺服电机外形
图3.9伺服电机性能参数表
最终我们选取了SGMAH-02A型200V的交流伺服电机，并配以13位高精度编码器。
其额定功率20W，额定扭矩0.637N.m，额定转速3000r/min。
对电机参数进行校核计算：
由于工作台载荷为20Kg，加上其自重，假定承重共60Kg，取导轨滚动摩擦系数为0.004，可以计算出运行阻力：
滚珠丝杠传动效率约取0.8，另外，轴承、联轴器等的效率约取0.98，工作台运行速度v=1mm/s，可得电机需要输出的功率为：
所选电机为达到1mm/s的传动速度，工作转速：
因此电机额定转速十分充足。
此时，电机的输出功率为：
因此，电机的输出功率及转矩也都绰绰有余。
4、光栅尺
光栅尺选型
为了实时测量出工作台的位移量，实现高精度定位，我们需要安装位移测量装置。
光栅尺，由于它的大量程及微米级的分辨率，以及成熟的应用技术，自然成为首要选择。
我们选取了信和（SINO）公司生产的光栅尺，分辨率可达0.5um，精度可达±3um。
图3.10KA500光栅尺外形
由于工作台本身尺寸较小，所以我们选取了超薄型的KA200系列；由于工作台行程仅25mm，因此我们选取最小的30mm量程即足够了。
综上，我们最终选取的光栅尺的型号为KA200-30。
光栅尺的安装
5、限位开关选型
为了限制工作台运行范围，防止超量程行走，我们在工作台的两边各安装一个限位开关，用以将工作极限位置反馈给控制电路，保证电机能够及时地停止运转。
一般地，我们可以选择行程开关，接近开关，机械接触开关等方式。
由于行程开关多用于大中型机床，且工作电压较高，因此尺寸相应较大，不适合于本设计的小型仪器。
接近开关工作时，不需要接触，距离数毫米时即可发出信号，但需要配备相关驱动电路，不若机械接触开关简单。
我们选择了欧姆龙（OMRON）公司的D5B5011型机械接触开关作为限位开关。
其含义为：
D5B型，筒径5mm，半球柱塞形，1m长输出软线。
安装板的另一个作用是保护接触头不被过度撞坏。
图3.12机械接触开关外形
图3.13机械接触开关性能参数
6、精度分析
本工作台的精度主要分为水平方向的传动精度及垂直方向的变动精度。
前者主要影响工作台的定位精度，后者则直接影响测量头的测量误差。
由于整体的精度分析较为复杂，且涉及到制造装配误差，因此这里仅给出工作台分辨率和台面受载变形的理论估算。
（1）丝杆刚性
经查得，直径12mm导程
的螺杆刚性约为
，前面已计算得工作台推进力约为2.4N，因此，螺杆刚性会导致变形：
装配时通过加以预压，可以消除滚珠丝杠的背隙，因此可以不考虑背隙引入的误差。
（2）伺服电机分辨率
伺服电机采用13位编码器，相当于对360度圆周角细分为
份，故角度分辨率
；
经导程为
的螺杆转换，直线分辨率相当于：
（3）导轨间隙
虽然导轨也可以通过施加预压来减小间隙，但一般不易完全消除，因此也会影响工作台的定位分辨率。
但是此导轨的技术参数中未能给出数据，因此无法进行理论估算。
综合以上所述，可以估计出导轨的定位分辨率不高于：
因此，就目前可以进行理论计算的部分来看，设计的精度仍然是在允许的范围内的。
五、电路设计
本次试验中，我们所使用的信号处理电路主要包括振荡器、电压跟随器、反相器、相敏检波开关信号、相敏检波、放大、低通滤波七个部分。
这里我们在每个电源输入端都加上了一个极化电容，以滤除电源里的波动部分，减小噪声。
但是实际中由于电源都是一起供电，所以在连接电路时，只把总的电源处加上了极化电容。
1、正弦波发生器
图5.1
振荡器是无须外加输入信号的控制，直接将直流信号转换为具有特定的频率和一定的振幅的交流信号，在本次设计中，振荡器输出的是振幅4V，频率为5KHZ的正弦信号。
本次设计中用的是正反馈振荡器，这种振荡器是指从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号便能产生等幅正弦波输出的振荡器。
振荡的两个条件中，关键是相位平衡条件，如果电路不能满足正反馈要求，则肯定不会振荡。
至于幅值条件，可以在满足相位条件后，调节电路的参数来达到。
一个反馈型振荡器由以下几部分组成。
1）基本放大电路──作用是对反馈信号进行放大。
2）选频网络──作用是获得单一确定的振荡频率。
3）反馈网络──作用是将输出回路中的信号取出一部分加到基本放大器的输入端。
接通电源后，调电位器R5，观察示波器，振荡器由未起振到起振。
起振后不调R5，调P1观察示波器，使峰值
，并使波形不失真。
此时如输出电压有上漂则减小R5，反之则增加。
振荡器产生的频率为
，
峰峰值为8V的交流电压，分别输入：
1）测量电桥、调零电桥作供桥电压
2）相敏整流电路的参考电压
示波器输出结果如下图所示，幅值稳定，频率具有一定的稳定度（由于电路元件有误差，所以频率和
相比也有一定的误差。
）
2、信号跟随器及反相电路
如下图所示
图5.2
首先，振荡器的信号经过一个跟随器（提高原来电路带负载的能力），提取新号A；然后A经过反相运放和一个跟随器，提取信号B。
正弦信号经过跟随器和反相器后幅值和频率不变。
结果和正弦电路的输出一样，这里不再重复累赘。
3、比较器电路
图5.3
输入信号C与零位信号进行比较，通过芯片LM311P输出同频率的矩形波，经过一次反相提取信号D，D经过一次反相提取信号E，信号D和E将作为相敏检波电路中芯片CD4066BCN的控制信号
示波器输出如图所示：
4、信号输入及带通滤波电路
图5.4
传感器接收的信号与信号G比较，通过带通滤波电路截取合适的信号，然后放大输出，作为相敏检波的输入信号。
Con4作为传感器的信号输入端，4个接口分别与传感器的4个接口一一对应。
5、相敏检波电路
图5.5
相敏检波原理：
输入接地，由信号发生器产生的5kHz正弦波作为参考信号，用万用表测直流输出为0，否则应调节电阻使之为0，并且输出端输出对称。
1）用示波器观察输出波形，若波峰不在同一水平线上，可调节电阻。
2）若波形不能翻转时，可能输入脚电压被不希望因素钳位。
3）在调试中，要求参考信号比输入信号大两倍以上。
4）若波形干扰大，波形发毛，是消振电容过小，可适当并接电容或换大。
5）放大后的交流信号通过相敏检波已经转换成有正负性的直流信号，并减小了零位电压值。
6、低通滤波电路
图5.6
低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（movingaverage）所起的作用，低通滤波电路的输入信号是相敏检波的输出信号，该低通绿波电路的上限截止频率为
低于0.29kHz的频率都能得到较大的通过。
7、工频（50Hz）陷波电路
陷波器也称带阻滤波器（窄带阻滤波器），它能在保证其他频率的信号不损失的情况下，有效的抑制输入信号中某一频率信息。
所以当电路中需要滤除存在的某一特定频率的干扰信号时，就经常用到陷波器。
在我国采用的是50hz频率的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时，常会存在50hz的工频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此50Hz陷波器在日常成产生活中被广泛应用
图5.7
六、设计不足及可扩展之处
在本次设计中，虽然我们已经尽自己最大的努力进行了尽可能完善细致的设计，然而由于时间仓促，加之设计实践经验的不足，设计中仍然有一些不足之处，导致设计结果不是太理想。
电路设计就是其中一个很大的问题，电路最后输出的灵敏度不够高，不能检测到传感器微小的变化（当然，也有可能是电路连接有问题）。
其次，电路的供电也是个问题。
这个电路中涉及到了
的供电电压，在实际中比较麻烦，最好是统一成
供电，
使用分压器从
中取得。
支承结构设计中没有进行密封和润滑的设计；在零件制造及装配的工艺方面考虑不充足；设计中没有充分考虑经济性因素。
编写软件对电路做适当的处理，然后直接在计算机上显示出粗糙度值，这样可以让这个仪器更加实用。
目前，采用接触测量法的金刚石触针轮廓仪在工程表面粗糙度测量中仍占主导地位，此类仪器具有测量可靠、操作方便、价格适中以及符合表面粗糙度国际标准的评定要求等优点。
但是，金刚石触针轮廓仪存在以下缺点：
（1）尖锐的金刚石触针在一定测量压力下可能损伤被测工件表面，同时影响测量结果的真实性；
（2）在测量过程中触针可能损坏；（3）触针轮廓仪的量程较小，难以测量曲率较大、沟槽较深的曲面表面粗糙度。
因此，对于一些软金属表面、生化材料表面、橡胶表面、含信息表面以及超精加工表面等一般不宜采用触针轮廓仪进行测量。
为了克服这个问题，可以采用非接触式的光学扫描轮廓仪。
原理如下所示：
通过光纤电缆，将白光从光源发生器里传输到传感器上。
传感器头部配有特制的透镜，通过色差成像技术，将白光转换为其颜色分量，在被测物体表面上形成的光斑，再经由传感器传回到光谱分析仪。
通过测量对焦点的波长，就可精确的测量出距离的大小。
这是因为透镜按照不同的距离聚焦不同的颜色，而在整个测量范围内，斑点的直径保持不变的原理。
七、总结
这次课程设计是我们大学本科的最后一次课程，虽然我们有点懒散，但是还是一次比较难忘的经历。
这次测粗糙度仪器设计从总体方案设计到详细设计到图纸绘制，从机械设计到电路调试，我们踏踏实实地走完了每一步程序，而每走一步都让我们有了新的收获。
电路调试模块是这个课程设计最令人头疼的部分，当然也是收获最大的部分（有好几次都是今天有波形输出，电路原封不动，然后明天又什么都没有。
唉，不说了，说多了眼里全是泪啊）。
我们从开始对原理的一无所知，到一个模块一个模块的分析。
不懂之处除了问同学，我们还重新翻起了《模拟电子技术》这本书，不仅回顾了很多知识，也对实际的电路有了更进一步的认识。
画电路图时我们还学会了如何查找芯片的资料，学会了使用AltiumDesigner，并通过阅读其资料领会其用法。
最后验收电路，当刘老师给予肯定的答复时，我们都长舒了一口气，几天的努力终于有了小小的回报。
因为这个机械总体也没有见过事物，所以开始理解时有点难度。
当思路清晰以后，剩下的事情便变得开朗起来了。
因为AutoCAD和SolidWorks用得比较熟悉，所以画图也相对比较轻松。
“一份耕耘，一分收获”，用心了，努力了就好！
附录参考文献
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华中科技大学出版社，2006.
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华中科技大学出版社，2006.
[3]康华光.电子技术基础—模拟部分[M].北京：
高等教育出版社，2006.
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华中科技大学出版社，2006.
[6]吴昌林、张卫国、姜柳林.机械设计[M].武汉：
华中科技大学出版社，2011.
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机械工业出版社，1983.
[8]金发庆.传感器技术及其工程应用[M].北京：
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