完整版表面粗糙度测量系统

1、精密仪器专业课程设计说明书姓 名：学 号:U202110840班 级：测控0903班指导老师：2021年3月22日目录一、需求分析 .21、设计题目 .22、粗糙度定义 .23、系统性能要求 .2二、设计方案及原理 41、系统原理 .42、系统分析 .53、系统说明 .5三、传感器选型 .6四、系统工作台设计 .71、导轨及支承结构选型 .72、传动机构选型 .93、电机选型 114、光栅尺选型 135、限位开关选型 146、工作台精度分析 .伟五、信号处理电路设计 .171、正弦波发生器 172、信号跟随及反相电路 193、 比较器电路 .194、 信号输入及带通滤波电路 .205、相敏检波

2、电路 .216、低通滤波电路 .227、工频陷波电路 .22六、设计缺乏及可扩展之处 .24七、总结 .26附录参考文献 .27一、需求分析1、设计题目二维外表粗糙度自动测量系统2、粗糙度定义外表粗糙度是指加工外表上具有的较小问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,它是评定机械零件外表质量的重要指标之一.根据定义,非切削加方法所获得的外表微观几何形状特性 届于外表粗糙度的范畴,但是,零件外表的物理特性如外表应力、硬度、光亮程度、颜色及斑纹等和外表缺陷如硬伤、戈.伤、裂纹、毛刺、砂眼及鼓包等 那么不届于外表粗糙度的范畴.零件外表粗糙度的形成,首先要受加工

3、方法的影响. 这是由于零件外表的粗糙度,主要来自金届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外表的粗糙度.综上所述,切削加工方法不同,所得的零件加工外表粗糙度也不同.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外表上的不同部位, 所得的表 面粗糙度也不尽相同.3、系统性能

4、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,触针扫描那么由工作台带开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Taylor Surf和Nanosurf等系歹U轮廓仪.它们一般采用金刚石 探针,通过驱动杆限制探针沿着工件外表作上下往复的运动,从而正确地反映被测外表的实际轮廓曲线.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

5、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 度测量技术的比照方法.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外表. 因此,这类触针式外表轮廓仪对轻金届、塑料以及超精加工外表等都不适用.1、系统原理图2.1外表粗糙度是指加工外表上具有较小问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外表上刀具 痕迹以及切削撕裂时的材料塑性变形等.二维外表粗糙度测量系统组成方框图如以下图,其工作情况如下：外表粗糙度测量仪测量工件外表粗糙度时,将传感器放置在被测外表上.接

6、通电源后,由内置驱动电机推开工作台以某一包定的速度直线运动时,传感器触针对工件外表扫描并随着工件外表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外表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外表粗糙度参数值并予以输出.2、系统分析外表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,计算机那么实现数据分析和参数评定

7、.这些环节缺一不可, 其中最为关键那么是传感器,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那么 需要保证信息的不失真,不丧失;计算机数据处理那么需要评定原那么与统一标准相 一致.3、系统说明对于这个系统而言,精度是它最根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,从而到达设计要求.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

8、且与触针的测量 力有关.为使触针与被测外表可靠接触,还需要有一定的测量力.测量力太小, 不能保证触针和被测外表有效接触,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,那么外表接触力很大,将会划伤外表,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.I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.如以下图所示为电感传感器,

9、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,乂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丁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鼓励电源时, 就可获得正比 丁位移输入量的电压或电流输出.电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围 宽测量范围大时分辨率低；无输入时有零位输出电压,引起测量误差； 对鼓励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用丁高频动态测量.电感式传 感器主要用丁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

10、、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,以便提升线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差.Mi卖间聚推电搐 博佑的埼何2 if面视里电聒辉唐耳曲精构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开工作台. 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

11、.002mm 突变小丁 0.05um;定位分辨率：0.002mm；没有机构复合的形位公差附加要求：承载水平、刚度和外形尺寸等,承载20KG ;刚度20KG小丁 0.1um； 对外形尺寸没有要求参考一般的精密运开工作台设计方案,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局部. 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；由丁工作台面放置在直线导轨副的滑块局部上,因此可以平稳地 在导轨座上运行.通过选用高精度的导轨,系统可以到达较高的机械精度.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

12、面 下面安装有两个限位开关,预防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、气浮或液压导轨由丁本工作台用丁测量外表粗糙度,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.目前国内外根本使用如下三种类型导轨,其根本性能比较如下:滑动号轨架动直雄导轨静压导软摩擦系数F=0. 040. 06F,0. 00157. 01F-0. 0005-0.001运行速度低速r做速-倍速中速一高速1刖度高较高较低定位特度0. 5un差寿命三者相近可靠性高梭高较差将滑动导轨与滚动导轨相比较,虽然前者制造较为容易,本钱较低,承载能 力大,但其摩擦系数较大,需要较大的

13、驱动力,且容易磨损,同时由丁动静摩擦 系数差异大因而不易到达较高的定位分辨率. 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.由丁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.4-ML3图3.2导轨外形LNW1&AA, LU12AA 415: 电式：矩形悴块;星本瞄号装配后寸滑块尺寸高度HE1W滑块牙孔间阴B < JLL>JipIK安装Tl ttxLiLHW1&AA16396045 ' 2058399 53. 93.313M4X4. 5,LH12AA1337.52720X1 534, 821 4q； o h*

14、 i rik.3. 52 9103x3.5注* HMRAAWVt为单列安装R豪申单位mm辱航尺寸根本tl定底着ft 安装孔 U导航TW1,3HlR理F安装蝶 *SR d X D X hGftL CfIB X幼兢荷C kfr*暇稿 Cc(ktf)1Wtt (| /I ODitiat)W4 K4. 542239404. 5X8X4. 515抽07001080I AO2 70M3X3. 5127. 5253. 5XtiX44 510fl 042403203761袅中整定是以50如为幕港计尊的如以100k心基准时.谓博最中的数俏除以1 M图3.3 LM/LMW 系列微型直线导轨电机、联轴器、轴承、丝杠

15、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.由丁丝杠副的螺杆较长,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 定端米用两个角接触球轴承,而游动端米用深沟球轴承.2、传动机构选型在这个直线运开工作台中,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.由丁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,它们都难以到达较高的定位精度, 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

16、减小摩擦系数, 不仅提升了传动效率,更可以消除背隙,从而到达较高的定位精度.同时,由丁 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升.我们选用了上银公司HIWIN 生产的滚珠丝杠.|J.|I/|0o&$|AuftbIQ10口 0 ?MM,5 2/代I戚|珂.一QM |C|1(1rHO b>121AE014侦ma ：；FM 2 MAX1211 IHRC &卜.|M 5MIJxlPMD10 批图3.5滚珠丝杠外形旋向辱程mm 鼻程角根ISImml珠径mm 珠卷教 勤黄荷CIKgfl 静黄荷Co(Kgf)蝴可隙Imm) JSBE 扭矩KgfYm)IS隔副珠右旋2

17、2.9铲12.212.210,6250L51x321743000,005 MAX0.04-0.350J MAX位 s mrnL1L2L3ftli'Zrj-FShllO- 10CMUK瞄1103加R12-2T3-FSM40- 230-0.0001601T53图3.6滚珠丝杠参数表通过估算,选取丝杆直径为12mm较为适宜,选取导程为2mm以提升减速 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

18、,滚珠内循环,螺杆螺纹局部长110mm,总长180mm.3、电机选型一般地,可以用来实现高精度限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,价格廉价,但由丁缺少反响环节,因而限制的 精度及稳定性都不如伺服电机好, 并且伺服电机具有过载水平,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Z -II系列AC伺服电机.由丁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.7BnnI亿市电子InnJ图3.8伺服电机外形80ST-H02430伺服电机参数表规椅0 752 B6g塑g 8 1 eaxio'1220 a 3000 i 396O

19、ST-MD2430靴定线电压敬定线电遭 一 糙定替速 联定力拒 岫H力她H值皑流一反事努 力距素教- 转于慢L旭明器传敬2600电机CFaso B 130()防炉零1ftIP«5M环境坏屋扯也-201- C环虞湿雎：相州里度林不培U条件电机境甥插厘境坦引豆U ii >V黄w M -PE插座第号4煽四襟插成企号引隹 5V QV B+ 2-诉 7+ U- A+ V+ 1H V- A- 9- IF PE摘座编号2 3 4 5 6 79 101厂恃U 151缝电出阁,匝蕉 电一气时间富散一 碍.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

20、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：由丁工作台载荷为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：F 0.004 60 9.8N 2.4N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：P0 Fv 3.2mW所选电机为到达1mm/s的传动速度,工作转速:n v /1 0.5r /s 30r/ min n额 3000r / min因此电机额定转速十分充足.此时,电机的输出功率为：Pi

21、T x n /9.55 200mWP0 3.2mW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,由丁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 土 3um.4j 6 f 4卜图3.10 KA500光栅尺外形由丁工作台本身尺寸较小,所以我们选取了超薄型的KA200系列；由丁工作台行程仅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

22、关选型为了限制工作台运行范围,预防超量程行走,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响给限制电路, 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.由丁行 程开关多用丁大中型机床,且工作电压较高,因此尺寸相应较大,不适合丁本设计的小型仪器.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,不假设机械接触开关简单.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.电r就定值

23、DCSV lniM-DC3OV3DrnA 电眉员莪保护结构IP67专命* 1机械万次以上空气汹万次址哼眼翰咎许操作速度5SOOrrirri/s荷刊会忙莉率机械laamin电气龄仙各端子与地彩间皿ME% (DC2KM敝表)接触电且俱嗨线.ZQOmT(Mfi带川1软线；1知矽下顷期H)市却n软线；MlmQL"【前期值耐压&0/60Hzlnnin同根端子可AQ50V 呵各端子与地并之间误可作LO-SSHz 双先幅 LSnm X2耐火LOOOe/MJ：误动作3CtQm/s21± 火3使街境温度10+7013 C 祢期国境湿度35%RHU驱动料强度MSN火4百坦开关本体约 L

24、4q(H5)、约2虹曜)、约ZLqfMH)约 LOg/m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,后者那么直接影响测量头的测量误差.由丁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2mm的螺杆刚性约为K 0.3Kg/um,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：5 F / K (2.4/9.8)/0.3um 0.8um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

25、的误差.(2)伺服电机分辨率伺服电机采用13位编码器,相当丁对360度圆周角细分为213=8192 8000份, 故角度分辨率3600/8000 0.0450;经导程为2mm的螺杆转换,直线分辨率相当丁:S2 2mm/8000 0.25um(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丁：S S S2 0.48um 2um 30% 0.6um因此,就目前可以进行理论计算的局部来看,设计的精度仍然是在允许的范围内的.五、电路设计本

26、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、低通滤波七个局部.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.但是实际中由丁电源都是一起供电,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.1C15zCl82(X>p-«>4O.luFtF2165 .mmD1l|U9 3DJ4C3C.luF图5.1振荡器是无须外加输入信号的限制,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

27、计中用的是正反响振荡器,这种振荡器是指从输出信号中取 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 足正反响要求,那么肯定不会振荡.至丁幅值条件,可以在满足相位条件后,调节 电路的参数来到达.出一局部反响到输入端作为输入信号,无需外部提供鼓励信号便能产生等幅正弦一个反响型振荡器由以下几局部组成.1根本放大电路作用是对反响信号进行放大.2选频网络作用是获得单一确定的振荡频率.3反响网络作用是将输出回路中的信号取出一局部加到根本放大器的 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VA 4V ,并使波形不失

28、真.此时如输出电 压有上漂那么减小R5,反之那么增加.振荡器产生的频率为f 1/ 2 RC 1/ 2 2kHz 8200 pF 5kHz,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以下图所示,幅值稳定,频率具有一定的稳定度由丁电路 元件有误差,所以频率和5kHz相比也有一定的误差.2、信号跟随器及反相电路如以下图所示图5.2首先,振荡器的信号经过一个跟随器提升原来电路带负载的水平,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

29、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的限制信号示波器输出如以下图：4、信号输入及带通滤波电路传感器接收的信号与信号 G比较,通过带通滤波电路截取适宜的信号,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 对应.5、相敏检波电路相敏检波原理: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,否那么应调节电阻使之为0,并且输出端输出对称.1用示波器

30、观察输出波形,假设波峰不在同一水平线上,可调节电阻.2假设波形不能翻转时,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假设波形干扰大,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、低通滤波电路低通滤波器在信号处理中的作用等同丁其它领域如金融领域中移动平均数moving average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f 1/ 2 RC 1/ 23.6 0.15 0.29kHz低于0.29kHz的频率都能得到较大的通过

31、.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ADC6TPCip StmiO.(M7i FKUKesJIMC7TlCap Situ 0.0+7uFR13RE'156 64KCBiHHCap SennC.M711T图5.7六、设计缺乏及可扩展之处

32、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缺乏,设计中仍然有一些缺乏之处, 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5V和12V的供电电压,在实际中比较麻烦,最好是统一成 12V供电,5V使用分压器从 12V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外表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、价格适中以及符合外表粗糙度国际 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锋利的金刚石触针在一定测量压力下可能损伤被测工件外表, 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