基于ARM系统的表面粗糙度测量仪的设计_图文

1、桂林理工大学硕士学位论文基于ARM系统的表面粗糙度测量仪的设计 姓名:叶闯申请学位级别:硕士专业:检测技术与自动化装置 指导教师:邹自明20090401桂林理工大学硕士学位论文摘 要表面粗糙度是机械加工中描述工件表面微观形状重要的参数。在机械零件切削的 过程中,刀具或砂轮遗留的刀痕。切屑分离时的塑性变形利机床振动等因素,会使零 件的表面形成微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间距状况就叫做表面粗糙度, 也称为微观不。平度。表面租糙度的测量是几何测量中的一个重要部分,它对于现代制 造业的发展起了重要的推动作用。世界各国竟相进行粗糙度测量仪的研制.随着科学 技术的发展,各种各样的粗糙度i:!.量系

2、统也竞相问世。对于粗糙度的测量,随着技术 的更新,国家标准也一直在变更。最新执行的国家标准(GB/T 6062.2002,规定了粗 糙度测量的参数,以及制定了触针式测量粗糙度的仪器标准II J。随着新国家标准的执行,许多陈旧的粗糙度测量仪已经无法符合新标准的要求。 而且生产工艺的提高使得原有方案的采集精度和采集速度,满足不了现代测量技术的 需要。目前。各高校公差实验室及大多数企业的计量部门所使用的计量仪器(如光切 显微镜、表面粗糙度检查仪等只能测量单项参数,而能进行多参数测量的光电仪器 价格较贵,一般实验室和计量室难以购置。因此如何利用现有的技术,结合现代测控 技术的发展,砚制出性能可靠的粗糙

3、度测量仪,能有效地降低实验室测量仪器的成本, 具有很好的实用价值和研究意义。基于上述现状,本文在参考旧的触针式表面粗糙度测量仪技术方案的基础上,提 出了一种基于ARM嵌入式系统的粗糙度测量仪的设计。这种测量仪采用了先进的传 感器技术,保证了测量的范围和精度;采用了集成的信号调理电路,降低了信号在调 制、检波、和放大的过程中的失真:采用了ARM处理器,快速的采集和控制测量仪 系统;采用了强大的PC机人机交互功能,快速的计算粗糙度的相关参数和直观的显 示粗糙度的特性曲线。论文主要做了如下工作:首先,论文分析了触针式粗糙度测量 仪的发展以及现状;然后,详细叙述了系统的硬件构成和设计,包括传感器的原理

4、和 结构分析、信号调理电路的设计、A/D转换电路的设计、微处理器系统电路以及与上 位机接13电路的设计。同时,还对系统的数据采集进行了研究,开发了相应的固件程 序及接口程序,完成数据采集软件的编写,并且对表面粗糙度参数的算法进行程序的 实现。编写了控制应用程序,完成控制界面的设计。最终设计出一套多功能、多参数、 高性能、高可靠、操作方便的表面粗糙度测量系统。关键词:粗糙度;传感器;ARM;数据采集桂林理工大学硕士学位论文AbstractIn macnIne process, tne surtace rou譬hness ls an lmportant tecbnlcal parameter on

5、 the dcscription oforkpiecej surface microco-smic fi2ureI.J. In macn!ne part cuttlng,there are so manyactors,such as reamer,the left grlndin g wneetrace,tne pIastlc dIstortIon when scrap breaks away,the machine toois VlbratlOn and sO On,whlcn can torm sOme exI笆ulty rjdges and Deaks On the surface ot

6、 worKplece.1ne slatus ot tnese exl2uIty rIdges and Deaks height degree and space between,ls namea surface roughness,whlch al sO can be named mlCrOCOSmlC UneVennesS. 1ne meaSUre Ot rou2hneSS lS an lmportan C Dart lnWItn tne lmpIement Ot new country Standard,any Old rOughness measure lnstruments can n

7、ot accord wlth tne requlrements O士new standard.M0reOver the lmprOVement ol manUtacture technlcs make the cOl JectlOn preclslon and speed ot tne Old prOect,、1illch can nOt satlsfy the needs ot mOdern measure technlc. resently, eacn unlVersltys tolerance Iab and mOst enterprlse 7s computatlon aepartme

8、nts use tne Old measure lnstruments such as OptlcS mlcrosc0De and surtace rOugnness measure mstrument, w hlch can Only measure slngIe parameter.But tne Optlcs lnstruments whlch can measure more parameters are Very expenSlVe.忑O tne COmmOn lab and measure rOOm can 7t DurchaSe.1heretore nOw t0ut¨l

9、ze tne exlstlng tecnnOlOgy,Inte2rate the develOpment Of mOdern measure cOntrOI,and deVeIOp a new klnd Ot credlbIe pertormance rOughncSS measure lnstrument,whlcn can reduce tne cost Ot lab measure lnstrument.儿has a 200a Unllty ValUe and reSearCh meanln2。Base On ab0Ve actuality,the paper cOnsult the 0

10、ld tOuch needle rou2hness meaSUre lnStrUmentSteCnnlC proleCt.anQ deSl2n a klnd O士rOUghneSS meaSUre instrument which is based on ARM system.Thif instrument ado吠s the advanced SenSOr leCnnOl02y to enSUre tne meaSUre SCale and DreClSe:lt adoDtS COmpOSltlVe Slgnal dlSpoSaI ClrCUlt,Wnl、1redUCe the dlStor

11、tlOn ln the COUrSe 0士 modulability, aemodulation and ampli矗cation:It adopts ARM Cortex.M3 prOCessOr,wnlCn can COlIect data rapIdIy and cOntrOI meaSure lnStrument sVstem: It adopts powerful PC man.machin邑fuhction,which can compulate the r邑lated paramelers of rOugnneSs rapld Jy and dlSpJay tne cnaract

12、erlStlC Curve. J ne paper Q0eS Ine rO¨OW WOrKS malnIV:P lrst, the paper anaIyzes the deVelOpment and actuallty touch needler0UgnneSS meaSUre lnStrUment.1nen deSCrlbe tne SyStem 7S nardWare COmDOSlng ana QeSlgn,WnlCn lnCIUde tne SenS0r tneory and StrUCtUre analySe.SenSOr Slgnal QlSpOSaI ClrCUlt

13、deSlgn, A/U ConVerSlOn ClrCUlt deSlgn, tne mlCr0DrOCeSSOr System clrcult and tne Inter士ace cIrcult wlth COmputer. At the same tlme the paper reSearCn tne SyStemS aata COIleCtlon and arltnmetlC OI SUr士aCe rOUhneSS parameterS.1nen Wrlte tne COn¨fOl appllCatlon prOgram and C0nlpIete the deSlgn 0f

14、cOntrOIInterfaCe.At the tlnal,deslgn a multlfunctlOnal,many Darameter.h12h perIOrmanCe, nlgh rellablllty, and COnVenlent 0peratlon suriace rOu2hnesS ineasure system.。 一 。Keywords:Roughness;Sensor;ARM;Data Collection研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书独创性声明本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。掘我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论

15、文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。学位论文作者(签字:旦#卑 签字日期:立笋皿学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解(学校有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本,允许论文被查阅和借 阅。本人授权(学校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,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过 网络向社会公众提供

16、信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书. 导师棘钿理 签字日期:p9年易月,弓日 国 日、, 卜n/妒 月 :/夕 名 E 獬悻 榭叫, 作文 吼沁醐 位字 学签桂林理工大学硕士学位论文第1章 绪 论1.1表面粗糙度测量概述表面粗糙度是机械加工中描述工件表面微观形状重要的参数。在机械零 件切削的过程中,刀具或砂轮遗留的刀痕,切屑分离时的塑性变形和机床振 动等因素,会使零件的表面形成微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间 距状况就叫做表面粗糙度,也称为微观不平度,它是一种微观几何形状误差。 表面粗糙度的大小,对机械零件的使用性能有很大的影响,主要表现在以下 几个方面13J:(1面粗糙度影

17、响零件的耐磨性。表面越粗糙,配合表面间的有效接触 面积越小,压强越大,磨损就越快。(2面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说,表面越粗糙, 就越易磨损,使工作过程中间隙逐渐增大;对过盈配合来说,由于装配时将 微观凸峰挤平,减小了实际有效过盈,降低了联结强度。(3面租糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷, 它们像尖角缺口和裂纹一样,对应力集中很敏感,从而影响零件的疲劳强度。 (4面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的表面,易使腐蚀性气体或液 体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层,造成表面腐蚀。.(5面粗糙度影响零件的密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合,气 体或液体通过接触面间的

18、缝隙渗漏。(6面粗糙度影响零件的接触刚度。接触刚度是零件结合面在外力作用 下,抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接 触刚度。(7影响零件的测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙 度都会直接影响测量的精度,尤其是在精密测量时。此外,表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐 射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的 影响。l 981年,我国有关部门曾对生产拖拉机用发动机的气缸体、曲轴、活 塞及连杆等关键零件的几家主要工厂的机械加工质量进行过调查,结果发现 在不合格的零件中,约有10%是因为其表面粗糙度不符合要求而造成的。

19、因 此,零件的表面粗糙度问题在工业生产,尤其在精密机械、仪器仪表以及滚桂林理工大学硕士学位论文动轴承等制造行业中,一直是一个急待正确、合理解决的关键问题,同时表 面粗糙度也是评定各种机械零件表面加工质量的一个重要指标【51。表面粗糙度与零件表面功能有着密切的关系,因此人们在很早以前就开 始认识到测量表面粗糙度的重要性。这也是出现粗糙度概念的主要原因。在 机械加工中,粗糙度往往是评价零件质量的重要参数之一。在很多研究中, 都要用到粗糙度的参数,来对系统的性能进行相应的分析与改进。表面粗糙度与工件表面功能有着密切的关系,因此人们在很早以前就认 识到测量表面粗糙度的重要性。但由于早期技术工艺水平的落

20、后,只能单纯 依靠人的视觉和触觉来估计,即通过目测或用手触摸试件与标准样块进行比 较。随着生产技术的发展,人们又采用了比较显微镜进行对比。这些原始的 测量方法只能对表面微观不平度做出定性的综合评定。2桂林理工大学硕士学位论文可以按照粗糙度标准中评定参数的定义测量具体数值,所以被普遍采用。 第二类是非接触式测量:为了克服接触式测量的不足,在测量一些高密 表面、不允许有划伤软质表面及需要在线高速测量表面时,人们开始对非接 触式测量方法开展了广泛研究。目前已有的非接触测量方法包括干涉仪法、 光切法、图像处理法、反射式电子显微镜法,以及微波测量法等。国内外对 这些方法都处在一定的研究过程中,大规模的产

21、品化还没有实现,因为它们 只适合于特定的场合,而且很多关键性的技术问题还有待进一步解决。粗糙度测量的主要方法如图1.1所示,目前市场上90%以上的产品采用的是 接触式 非接触式触针式光 电 其粗学 子 它糙方 方 方度法 法 法仪I l I l I干 光 图 激 像 双 临 电 形 AFM 反 微波 涉 切 像 光 散 波 界 容 貌 STM 射 测量 仪 法 处 法 法 长 角 法 法 法 法桂林理工大学硕士学位论文1.2本课题背景及意义长期的生产实践使人们逐渐认识到表面粗糙度对机械和仪器的使用性 能与使用寿命有十分重要的影响。因此控制和改造工件表面质量尤为重要, 而提高表面质量的前提是要对

22、表面质量进行科学评定。由此,准确、完整的 进行表面粗糙度的测量也就成为评定表面质量的重要依据。近年来,由于国 际标准的变更,我国也相应地制定了一系列关于表面租糙度测量的新标准, 对于早期引进的轮廓仪以及我国早期自行研制的轮廓仪,由于受早期电子技 术的限制,普遍存在着电路设计复杂、测量参数少和滤波器不符合现行国际 标准等问题。由于这些因素使这些早期生产的轮廓仪已有很多不能正常工 作,甚至不能工作。因此,急需开发出一种满足新测量标准的粗糙度测量仪 来满足生产和实验测量的需要。新旧标准有关粗糙度参数的变化如表1.1所示。4桂林理工大学硕士学位论文袁1.1新旧标准粗糙度参数的变化参数名称 GB/T 3

23、505.83GB/T 3505.2000评定范围 轮廓最大峰高 Rp Rp lr 轮廓最大谷深 Rm Rv lr 轮廓的最大高度 Ry RZ lr 轮廓单元的平均线高度 Rc Rc lr 轮廓的总高度 Rt ln 论廓的算术平均偏差 Ra Ra lr 轮廓的均方根偏差 Rq Rq 1r 轮廓的偏斜度 Sk Rsk lr 轮廓的陡度 Rku lr 轮廓单元的平均宽度 Sm Rsm lr 轮廓的均方根斜率 q RAq支撑长度率 Rmr(c Ln 轮廓截面高度 R万c In 相对支撑比率 tp Rmr ln 十点高度 Rz Rz(jis轮廓单元间距 S由此可见,新的国家标准实施后,许多旧有的粗糙度测

24、量仪很难满足新, 的测量要求,市场上急需要一些新的测量仪产品问世。伴随着各种新技术的 兴起,精度更高,性能更好的产品都在火热的研究中。因此本文在对现在发 展的各种高精度、高分辨率的接触式和非接触式的定性、定量地评定表面轮 廓方法及新旧国家标准进行了研究的基础上,提出了基于ARM系统的表面 粗糙度测量仪的设计。系统采用了先进的传感器、数字滤波技术、微处理器、 以及PC人机交互系统,在PC端直观的显示粗糙度的参数以及相关曲线。 1.3论文的主要工作内容及组织结构本文在查阅了相关粗糙度测量的技术文献,很多现有的粗糙度测量仪参 数少,大多仅能测量六个参数,而新国标规定了十多个参数,还定义了的相 对支撑

25、率曲线和轮廓支撑长度率曲线。因此必然需要利用更先进的测量技 术,来满足新标准的测量要求。为了克服老式粗糙度测量仪测量参数少,测 量范围小的问题,满足国标GB/T 6062.2002有关触针式轮廓仪的标准下,本桂林理工大学硕士学位论文文提出了一种基于ARM系统的粗糙丘.测量仪的设计。这种测量仪采用了先 进的传感器,提高了测量的范围和精度;采用了集成的信号调理电路,使得 信号在调制、检波、和放大的过程中产生较小的失真:采用了先进的ARM 处理器,达到快速的采集和控制测量仪系统;利用通用的计算机完成测量的 运动控制、数据采集、参数处理及显示、波形显示、参数的测量。本文主要 解决的问题如下:(1针对传

26、统粗糙度测量仪模拟信号处理部分进行了改进。传统方案是采 用分立元件对模拟信号进行调制、相敏检波、放大,这种方式对于信号的失 真度比较大,并且不太容易调试。本文采用的是单片集成芯片来处理粗糙度 模拟信号,采用了美国Analog Devices公司生产的单片式线性位移差分变压 器AD698信号调理系统,降低了信号的失真度,本论文主要完成的是该芯片 外围元件相关参数确定以及系统调试的问题。(2针对原有数据采集速度慢、精度低的问题,通过量程切换,放大电路 提高了采样的精度;通过高速的ARM微处理器进行快速的采样和数据处理。(3增加了用于仪器指示的LED和LCD,方便测量用户的.调试和使用。(4编写PC

27、端应用程序和控制程序,可以计算符合新国标GB/T 3505.2000中定义的所有参数,直观的显示粗糙度的参数和曲线。第1章绪论主要介绍课题的研究背景及意义、国内外研究现状及发展、 论文的主要内容及组织结构。第2章工件表面粗糙度测量仪工作原理及相关技术概述介绍了粗糙度 测量仪的工作原理、表面粗糙度评定参数、数字滤波原理以及介绍了微处理 器。第3章粗糙度测量仪硬件设计完成测量仪控制系统原理图的设计和 PCB板图的绘制:最后讨论了硬件抗干扰措施。第4章粗糙度测量仪软件设计 介绍了测量仪软件开发环境,详细描 述了系统程序编写的思想以及各个子程序的设计。第5章粗糙度测量仪PC端软件设计 运用Visual

28、 C+6.0编写了客户 软件,主要完成系统的参数设置、控制指令和参数的下达、系统工作状态的 监测等。第6章系统测试与误差分析 介绍粗糙度测量仪硬件调试及系统测试, 并对测量仪器的误差进行了分析。第7章总结与展望 总结全文。并就今后的工作进行展望。6桂林理工大学硕士学位论文第2章 粗糙度测量仪测量系统概述2.1粗糙度测量仪工作原理莘ji糙度的测量就是测量工件表面微观形状的变化程度,在测量方法上就 是测量物体表面相对于基线的位移偏移程度。人们通过测量物体表面的微观 形状后,采用了一些特定的方法比如最小二乘中线、标准滤波中线、高斯滤 波中线,来确定这条基线。然后通过应用程序计算物体表面相对基线的位移

29、, 从而反映粗糙度的相关参数。微小位移的测量要借助相应的传感器来实现。常见的位移传感器可分为 电感式、压电式、光电式、激光式和光栅式。采用不同的传感器对于测量的 范围以及信号调理电路有着不同的要求。本文采用的是电感式位移传感器, 电感式位移传感器在驱动电机的带动下沿着工件的表面做水平运动,当传感 器的触针直接在工件被测表面上轻轻划过时,由于被测表面轮廓峰谷起伏, 触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动,把这种移通过电子装置 把信号加以放大,通过微处理器进行数据采样,然后通过计算机处理采样的 数据将有关粗糙度的参数或图形输出来【8J。本粗糙度测量仪的工作原理如图 2.1。图2.1粗糙度测量

30、仪的工作原理框图(1传感器:在驱动电机的带动下,沿工件表面做水平运动,它将表 面的形貌特征信息转变为相应的模拟电信号。 . (2信号调理:这部分包括载波信号的发生器;测量信号的放大:相 敏检波以及滤波等几个部分。载波信号发生器为传感器提供用于加载测量信桂林理工大学硕士学位论文号的低失真正弦波。测量放大部分将包含表面轮廓信息的电信号放大,以满 足后续电路信号处理的需要。通过相敏检波和滤波可以将高频的载波成分和 噪声信号去除掉而只保留幅值与表面轮廓相对应的直流电平,为数据采集做 准备。(3量程切换:根据触针在不同粗糙度表面上的位移,选择不同的量 程。仪器的量程共分为4档±l lam,&#

31、177;l 09m,±259m,±501am,触针的最大 位移是509m。在比较平滑的工件表面上,触针的最大位移可在±1lam;而在 比较粗糙的工件上,触针的位移可以在±509in。因此满足不同范围和精度的 粗糙度的测量。(4放大电路:放大由于量程的切换而衰减的低量程的信号幅度,供 微处理器进行采样。(5微处理器ARM:进行A/D采样,数据预处理,控制驱动电机,以 及与上位机的通讯。(6LED调零指示:本文用红绿LED来指示传感器的初始位置,保证 传感器的触针在仪器的可测量范围内,同时使得测量结果的准确性。通过立 柱上的转盘带动丝杠做垂直运动,使传感器开

32、始测量时在零位置。(7驱动电机:带动传感器沿着工件表面做水平运动。同时由处理器 控制电机的进给速度和行程,来满足不同评定参数条件下工件袒糙度的测 量。(8LCD:显示在调零过程中触针的垂直位置以及在移动过程中触针的 水平位置。(9串口:下位机微控系统与上位机PC进行通讯。(10PC:监控粗糙度测量系统,完成粗糙度参数的计算,显示粗糙度 的相关曲线,打印机的驱动程序。(11打印机:用来打印粗糙度的相关参数及曲线。2.2粗糙度的评定参数及理论基础乜1(1 取样长度(截止波长lr在GB/T3505.2000表面粗糙度国家标准中明确规定了取样长度的概念。 取样长度是用于判别被评定轮廓不规则特征的X轴向

33、的长度12】。它是用于判 别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。规定和选扦这段取样长度是为了 限制或减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。用表面粗糙度测量仪8桂林理工大学硕士学位论文测量工件表面粗糙度时,滤波器将波长大于取样长度的信号滤去。轮廓粗距 越大,要求取样长度越长。本测量仪按新国标GB/T 6062.2002中关于截止波 长的规定取为lr=0.25ram,0.8mm,2.5mm三档。(2 评定长度(测量长度In用于判别被评定轮廓的X轴方向上的长度。(1评定轮廓的算术平均偏差Ra在一个取样长度纵坐标值Z(x绝对值的算术平均值,如图2.2。,R口=亭肛(刮出 (2.1 r (i/,、

34、一 ,/、 /l f 一 j :R V 一。V 叫 图2.2轮廓的算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra是最早提出来用于评定粗糙度的参数之一,它是 把经过滤波的粗糙度轮廓曲线的幅度取平均值,在定程度上反映轮廓高度 相对于一条基准线的离散程度。Ra目前仍是世界各国普遍采用的参数,几乎 每个国家都把它作为评定粗糙度标准的基本参数。(2轮廓的最大高度Rz在一个取样长度内,最大轮廓峰高Zp和最大轮廓谷深Zv之和的高度, 反映了轮廓的最大凸凹程度,如图2.3所示。评定长度ln的Rz值应取各取 样长度Rz值中最大数。9桂林理工大学硕士学位论文轮廓的最大高度Rz是对被测轮廓区段上最大峰谷高度的单一评定,不 属于一

35、个完全的统计参数,不涉及在最大峰高与最大谷深之间的轮廓如何变 化。尤其在测量均匀性较差的表面时,由于被测部位不同,在理论上会产生 很大的离散性。八./八怂M /V叭/V+/L吖 一 I一 一-图2.3轮廓的最大高度Rz(3最大轮廓峰高Rp在一个取样长度内,最大的轮廓峰高Zp(轮廓峰顶线距中线的距离即为 轮廓峰高。最大轮廓峰高Rp有效的表征了表面的摩擦特性。最大轮廓峰高Rp值小, 则表面摩擦系数小,产生的摩擦力也小,因而克服摩擦力消耗的功也小。它 对于评定润滑表面具有重要的意义。(4 最大轮廓谷深Rv在一个取样长度内最大的轮廓谷深Zv。(5评定轮廓的均方根偏差Rq在一个取样长度内纵坐标值Z(x的

36、均方根值,其表达式为:Rq=(2.2 式中,Z(x为基于中线的表面轮廓高度,l为取样长度。轮廓的均方根偏差Rq表示轮廓偏离中线的程度,是数理统计中常用的 一个特征参数。(6评定轮廓的偏斜度Rsk在一个取样长度内纵坐标值Z(x-次方的平均值与Rq的三次方的比值, 其表达式为:耻上Rq,Ll oJ触公式(2.3轮廓偏斜度Rsk是衡量轮廓幅度分布曲线不对称心的个评定参数。R;k 可直接与使用性能发生联系。一个好的加工表面,其R。k应为负值,其表面 支撑长度率比R;k为正值时要大的多。R。k为负值的工件耐磨性好,使用寿命10桂林理工大学硕士学位论文长。(7轮廓陡度Rku在一个取样长度内纵坐标值Z(x四

37、次方的平均值与Rq四次方的比值, 其表达式为:%lq'k1d。出I 4 轮廓陡度Rk。表示轮廓分布曲线变化的尖峭程度。当轮廓偏距服从正态分布时Rk。等于3。以正态分布曲线形状为基准,Rk。大于3时分布曲线形状 陡峭。Rku值小于3时幅值分布曲线较为平坦。(8轮廓单元的平均线高度R。在一个取样长度内轮廓单元高度Zt的平均值。Zt指的是一个轮廓单元 的峰高和谷深之和即为轮廖单元高度。其表达式为:疋2去罗,雹 ( 25_-7朋轮廓单元平均线高度Rc反映高度方向变化的程度。(9轮廓的总高度Rt在评定长度内最大轮廓峰高Zp和最大轮廓谷深Zv之和,是轮廓曲线起 伏的最大高度。由于Rt是根据评定长度

38、而不是在取样长度上定义的,因而 对任何轮廓来讲都有RtRz。轮廓的总高度Rt直接反映出轮廓曲线的纵向 几何特性,此参数对表征密封性的表面很有用。(10微观不平度十点高度Rz(jis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。其表达式为:Rz=妊弛嘻巩 6,(1轮廓单元的平均宽度Rsm在一个取样长度内轮廓单元宽度Sm的平均值。单元宽度Sm是指:含 有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度,如图2.4。桂林理工大学硕士学位论文图2.4轮廓单元的平均宽度R。.(2轮廓的单峰平均间距Rs在取样长度内轮廓的单峰间距平均值,如图2.5。图2.5单峰平均间距RS轮廓的单峰平均间距

39、S:相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度为 Si,称为轮廓单峰间距。在取样长度内,轮廓单峰间距的平均值,称为轮廓 茸峰平均间距。对参数S需要辨别高度和间距。除非另有要求,省略标注的 高度分辨率应按Rz的1O%选取。省略标注的间距分辨率应按取样长度的1%选取,以上两个条件都应满足。轮廓均方根斜率Rq,在取样长度内纵坐标斜率厂O=dZ/dX的均方根 值。其表达式为:R却=(1相对支承比率Rmr(c在给定水平位置c上轮廓的实体材料长度Ml(。与评定长度的比率。表达 式为:桂林理工大学硕士学位论文Rmr(c:坠 (2.8tn 式中ln为评定长度,Ml(c为在个给定水平位置C上用一条平行于X轴 的线与

40、轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和。轮廓单元是轮廓峰和轮廓 谷的组合。在取样长度始端或末端的评定轮廓的向外部分和向内部分看作是 一个轮廓峰或一个轮廓谷。当在若干个连续的取样长度上确定若干个轮廓单 元时,在每一个取样长度的始端或末端评定的峰和谷仅在每个取样长度的始 端计入一次。相对支撑比率Rmr(c如图2.7所示。/1爪. 九 /y几/认/、 /. ,一 中 /1/、删V 、,、, 、, 、 V V V Vv V . 一 评定长厦 一 ohrc.1Ioo图2.7相对支撑比率Rmr(2轮廓的支承长度率曲线Rmr:表示轮廓支承率随水平位置而变的关系曲线。表示了轮廓支承长度率与幅度分布之间的相互关系

41、。在支承长度率曲线 的某一点上,支承长度率是幅度分布累积到该点的和。、 (3轮廓曲线新表面粗糙度测量系统中,轮廓曲线包括原始轮廓曲线,粗糙度曲线, 波纹度曲线和轮廓支承长度率曲线。其中轮廓支承长度率曲线在轮廓支承长 度率中己介绍。轮廓滤波器分为长波和短波成分的滤波器。在测量粗糙度、 波纹度和原始轮廓的仪器中使用三种滤波器,如图2.8所示,它们的传输特 性相同,截止波长不同。10050知矽 波K 图2.8粗糙度和波纹度轮廓的传输特性桂林理工大学硕士学位论文其中九s滤波器(九s Profile filter是确定存在于表面上的粗糙度与比它更 短的波的成分之间相交界限的滤波器;九c滤波器(九c pr

42、ofile filter是确定粗糙 度与波纹度成分之间相交界限的滤波器;九f滤波器(九f profile filter是确定存 在于表面上的波纹度与比它更长的波的成分之间相交界限的滤波器。原始轮 廓是在应用短波长滤波器九s之后的总的轮廓:粗糙度轮廓是对原始轮廓采用 滤波器九c抑制长波成分以后形成的轮廓:波纹度轮廓是对原始轮廓连续应 用九f滤波器和九c滤波器以后形成的轮廓,采用久f滤波器抑制长波成分,而 采用九c滤波器抑制短波成分。形状误差、表面波度和表面粗糙度三者之间只有分级的不同,而没有原 则上的区别。三者通常是按两波峰或两波谷之间的距离(即波距的大小来区 分的。波距小于lmm并呈周期性变化

43、的,属于表面粗糙度范围,微观不平度 就是表面粗糙度,有时也称为光洁度:波距在lmml 0mm之间并呈周期性变 化的,属于表面波度范围,波度是一种周期性的起伏,它的波距比波高大得 多;波距在l 0mm以上,在一个表面上只有几个起伏且不呈周期性变化的, 属于表面形状误差的范围,也就是宏观形状误差,就是一般所说的直线度、 平面度、圆度等等。在程序实现中,可根据此来选择滤波器的频率。前面所提到的有关粗糙度的参数,都是在一条基准线上计算的,这就是 轮廓评定基准线,也称轮廓中线,它是一条为求得表面粗糙度数值的假想基 准线。按国家标准规定:轮廓中线是具有几何轮廓形状,并能将被测轮廓加 以划分的线,在取样长度

44、范围内,被测轮廓上的各点至该线距离的平方和为 最小。中线是定量描述和评定粗糙度的理论基础,目前粗糙度测量仪经常采 用的滤波中线有最小二乘中线、2RC滤波中线、高斯滤波中线。本文在分析 了三种滤波中线性能的优劣后,主要采用了高斯滤波中线,这也同国家标准 (GB/T 6862.2002建议使用高斯滤波器作为确定触针式仪器评定基准线的 方法是保持一致的。在确定粗糙度轮廓中线的三种常见的滤波中线的方法:最小二乘法中 线、2RC滤波中线、高斯滤波中线。根据新国标GB/T 6062.2002中建议使用高斯滤波器作为触针式粗糙度 测量仪的滤波标准,本文采用了高斯滤波器。并且为了满足还在沿用GB/T 3505

45、.83的用户,考虑到新、旧国标的过渡,本粗糙度测量仪还提供了2RC 滤波滤波器。下文就主要介绍最小二乘法中线,2RC滤波中线和高斯滤波中 线的基本原理。14最小二乘法是应用十分广泛的一种数据处理方法。这一数据处理方法给 出的参数各级具有优良的性质,而且处理方法简便易行,具有广泛的适用性。 以前旧有的粗糙度测量仪多采用此种滤波方式,下面就来分析最小二乘法的 理论基础和其滤波特性61。设由A/D采集得到的表面轮廓数据序列为Zok,k=l,2,N,N 为一个取样长度上的采样点数。最小二乘中线的数学表达式为:ZI=Axt+B (2.9 其中A为中线斜率;B为中线在纵坐标(y轴上的截距:xk为长度方向

46、上各点的坐标。因此轮廓偏距为:Zk=Zo一Zk (2,10 由最小二乘中线的定义有:2y Zk=min (2.11 符一其正规方程组为:BN+舔xI=Z_一 -一k=l k=l okN , NB+彳以2=吒z破因为Z。k是等间隔取样的,即Xk=Xk.1+h=Xl+(k.1母h,则方程组的解为:N N12-:kZo。一6(+1乙肚N耐 (z一1B=专善乙一丁N+I彳(2.I 3 由式(2.9和式(2.10计算得到轮廓中线,然后再按式(2.10将轮 廓采样数据转化为沿中线的两侧重新排列后的数据Zk。(Zk将用来计算评 定参数值。不同取样长度上的中线应分别计算,这种方法相当于作图法,轮 廓的最小二乘

47、中线图2.9所示。:t.¨¨"I.¨¨“。¨.-¨¨:¨¨¨¨¨n¨¨¨一""'H¨.-¨-¨illtilllltlll.h:¨¨¨¨¨¨.“¨.-¨llilulllllltll_。.:在一个取样长度上,最小二乘中线是唯一的。在多次重复测时,显然, 这条基准线不能用来作为评定基准线。2RC滤波器是以传

48、统的两级阻容网络为原型设计的数字滤波器【71。早期 的粗糙度测量仪中,模拟电子滤波器是由相同的两级RC网络级联而成的, 每级RC网络都相当于一阶巴特沃斯高通滤波器。一阶巴特沃斯高通滤波器 的原型为:Ho(s=s“s+每 (2.14式中,(90=2矾=2叱/22c=2rtll。采样间隔:丁:生Q。:三×三:塾有:也邯卜毒2孟S43焉T N 2矗T蠹43N (2.15 3×ln ××经Z变换得:啪=丽筹岛 二阶巴特沃斯滤波器:日2(Z=q(Z×Hl(z1. (2.17 得到标准滤波方程为:y(2q x【z(一z“一1】+c2×y(一1 (

49、2.18 【,.(f=Cl×【y(f一y“一1】+c2×r(i一116桂林理工大学硕士学位论文43N 43N.78C.=一C1=式中. 143N+78, 43N+78z(i为原始轮廓数组;y(i为中间数组:r(i为粗糙度轮廓数组。 2RC滤波器的幅频特性曲线见图2.10。100% 80% 6阴% 40% 2讲呢 0%1 、。 焉 话 辅 符 、. ,蜊 ; 氐 :l 、:姐! 。q 甚骚 日h、.1S .1.乡 Q.1、 鬣每l 琴制j 。00.1.、_l I|I ._。、 。.一、-.一f Ilnl图2.102RC滤波器幅频特性,=一阶RC滤波器把频率为030的正弦信号的

50、幅值衰减为原来的/2倍。 这样,两级同样的一阶巴特沃斯高通滤波器级联后,把频率为030的正弦信号 的幅值衰减为原来的75%。因此由于2RC滤波器的幅频特性,会使滤波后的 、 轮廓波形出现较大的失真。国际标准(GB/T 6862.2002建议使用高斯滤波器作为确定触针式仪器 评定基准线的方法,该滤波器的权函数为历(f=_1P叫者2aAo公式(2.19 这里凡是切除波长,Ao=l。a是一个常数。由规定的切除波长处的衰减 确定,当规定名=时的传输值为50%,与零均值的高斯分布函数她,:击P丢 比较有扣辱西33645伊 公式(2.20 公式(2.21桂林理工大学硕士学位论文拈愕=o.64卯 22, 高

51、斯函数的傅立叶变换仍然是一个高斯函数。高斯滤波器的幅度传输特 性或频率相应可由对h(t进行傅立叶变换得到删:俐:去P嘞:e-/t(d%ra,2=e划kIo2i例23, 设表面轮廓信号x(t及其频谱X(,通过高斯滤波器h(t或H(t.O 以后的输出即为中线Ym(t及其频谱Ym(:歹_c , ,=工 c , ,y c , ,=工 <, ,奉去 P j r (麦 2c 2.24, 匕(国:x(彩.(:x(国.eF(譬2(2.25Ac I拥口图2.11高斯滤波器的频率响应高斯滤波器截止波长处的衰减率为50%,比其它的滤波器的衰减率小, 频率增加时,衰减过程快,能够更准确的从波度信号中分离出粗糙度

52、信号。 而且其频率特性在截止波长附近,而且相位滞后为0。相比2RC滤波,因此 高斯滤波器比较理想的运用于数字信号滤波处理中。2.3微处理器简介n幻本文采用了基于Cortex.M3架构的微处理器ARM,LM3S6l 5。LM3￥615是美国流明诺瑞公司生产的一款基于Cortex.M3内核的低功耗ARM处理器, 具有门数目少,中断延迟短,调试成本低的特点,是为要求有快速中断响应18桂林理工大学硕士学位论文能力的深度嵌入式应用而设计的。说起ARM大家都不会陌生,人们熟知的 ARM7、ARM9、ARMl l等,但对于ARM Cortex.M3并不特别了解。Cortex.M3是ARM公司最新开发出的一款

53、微处理器内核,它和ARM微处理器家族的关 系如图2.12。ArchRccturev4/v4Ts(瓣 彩|曼删94. , :濂 966. 一一;琶兰e.g,要Corlex-A8 ;对三墓图2.12ARM处理器架构进化史CM3(CortexM3是一款高性能、高代码密度、小硅片面积的处理平台。 主要有以下优点。低成本单片机:CM3与生俱来就适合做单片机,甚至简单到用于做玩具 和小电器的单片机,都能使用CM3作为内核。这里本是8位机和l 6位机统 治最牢固的腹地,但是CM3更便宜,更高性能,更易使用,所以值得开发 者们转到这个新生的ARM32位系统中来。汽车电子:CM3同时拥有非常高的性能和极低的中断

54、延迟,打入实时领 域的大门。CM3处理器能支持多达240个外部中断,内建了嵌套向量中断控 制器,还可以选择配上一个存储器保护单元(MPU。所有这些,使它用于 高集成度低成本的汽车应用最合适不过了。数据通信:CM3的低成本+高效率,再加上Thumb一2的强大位操作指 令s,使CM3非常理想地适合于很多数据通信的应用,尤其是无线数传和 AdHoe网络,如ZigBee和蓝牙等。工业控制:在工控场合,关键的要素在于简洁、快速响应以及可靠。CM3处理器的中断处理能力,低中断延迟,强大的故障处理能力。消费类产品:以往,在许多消费产品中,都必须使用一块甚至好几块高 性能的微处理器,而现在一块Cortex.M

55、3足可以胜任。本文采用的LM3S615,其结构框图如图2.13。19,om 一-IJ陋. C。ol健x一,工土c、1t,mLl'I 2,.:OI.rn(。 煎.p证 .CM.3内仫 ,I E伽l 一'LErI、t:州 I l.L【EPn【P '&杖 “t今 舳槲 J L 蜊咛州t1一一矗i.1一 .If J譬+|硎 u l戒2描幻,J1, I一I FPB .|D、盯H,l “I 一 一蓉是 (,冉g't,¨外醴轧绒Ln口J叫等l -I RO,_,4妊I、1' l-code也t掣讨:D”k:,t一弓、一 SW/II,adddB”l :“鳢

56、n拙一JTAG-DP /图2.13LM3S615系统结构框图LM3S615主要的特性如下:一32位RISC性能可兼容Thumb的Thumb.2专用指令集处理器内核,可提高代码密 度50.MHz工作频率硬件除法和单周期乘法集成了嵌套向量中断控制器(NVIC以提供明确的中断处理29个中断,带8个优先级一存储器保护单元(MPU为受保护的操作系统功能提供了一种特权 模式一32KB单周期Flash,8KB单周期SRA.M一2个完全可编程的16C550型UART一2个l 0位,采样率达到500,000次采样/秒的高精度高速ADC12C通讯总线,在标准模式中,主机和从机接收和发送操作的传输速 度高达l 00

57、Kbps:在高速模式中,传输速度高达400KbpsPWM发生器,电机外设控制模块正式因为有上述原因,本文选择了基于Cortex-M3的LM3S6l 5ARM微 处理器。第3奄 粗糙度测量仪硬件系统的设计本章主要介绍粗糙度测量仪的硬件设计。硬件电路是整个粗粒度测量仪 的核心与基础,它性能的好坏以及工作可靠与否将直接影响整个仪器的测量 精度和可靠性。因此对租糙度测量仪硬件电路的设计是整个粗糙度测量仪设 计过程中一项重要的工作。基于ARM系统的表面粗糙度测量仪的硬件部分, 是以LM3S6l 5为主控芯片的结构。系统的主要电气部分由传感器系统,量程 切换和放大电路系统,微控制器系统组成。此外还有机械部分,如固定工件 的燕尾槽、测量平台、控制粗糙仪在立柱上下运动的丝杠、转盘等,这里不 在详细介绍,本粗糙度测量仪的硬件系统如图3.1。本章主要介绍仪器的硬 件部分的主要电路,硬件系统电路图见附录。图3.1粗糙度测量仪示意图3.1硬件电路的总体设计租糙度测量仪采用两级控制结构,利用PC的图形交互性能实现人机交 互,利用它丰富的资源进行数据