基于ARM系统的表面粗糙度测量仪的设计图文.docx
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基于ARM系统的表面粗糙度测量仪的设计图文
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/T6062.2002,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IIJ。
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
Abstract
InmacnIneprocess,tnesurtacerou譬hnesslsanlmportanttecbnlcalparameteronthedcscriptionofⅥ’orkpiece’jsurfacemicroco-smicfi2ureI‘.J.Inmacn!
nepartcuttlng,therearesomany£actors,suchasreamer,theleftgrlndingwnee』trace,tnepIastlcdIstortIonwhenscrapbreaksaway,themachinetooi’sVlbratlOnandsOOn,whlcncantormsOmeexI笆ultyrjdgesandDeaksOnthesurfaceotworKplece.1neslatusottneseexl2uItyrIdgesandDeaks’heightdegreeandspacebetween,lsnameasurfaceroughness,whlchalsOcanbenamedmlCrOCOSmlCUneVennesS.1nemeaSUreOtrou2hneSSlSanlmportanCDartln
geOmetrymeasure.wnlcnnasacruclaldrlveeltectOnmOdernmanufactunn2aeVelopment.M钔.r7countnesnaVedonemanyresearchsonrou2hnessmeasurelnstrument.WltntnenewdeVeJopmentottechnOl02y,vanousrou2hnessmeausuresystemsnaVebeenmade0ut.10themeasureotroughness,thecountrystandaranasaJwayschangedwlththerenovatlonOftechnlc.。
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ltadoDtSCOmpOSltlVeSlgnaldlSpoSaIClrCUlt,Wnl、1redUCethedlStortlOnlntheCOUrSe0士modulability,aemodulationandampli矗cation:
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一‘。
Keywords:
Roughness;Sensor;ARM;DataCollection
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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。
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(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:
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文吼
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第1章绪论
1.1表面粗糙度测量概述
1.1.1表面粗糙度概念
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。
l981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。
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
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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。
1.1.2国内外粗糙度测量的发展概况16J
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。
l929年德国人施马尔茨(GSehmalz第一次对表面微观不平度的高度进行了定量评定。
l936年艾博特(E.J.Abbott制成了第一台车间使用的测量表面粗糙度的仪器,它是现在美国Bendix公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。
l940年英国研制出了泰勒雪夫(Talysurf触针式表面粗糙度测量仪,从那时以来,各国也先后研制出许多种测量表面租糙度的测量仪。
1951年,联邦德国澳普托(Oputon厂生产出表面粗糙度的干涉显微镜。
l958年,苏联生产出性能良好的MHH.4型干涉显微镜。
1975年,泰勒一霍布森(Taylor.Hobson公司研制出Talysurf-5型表面轮廓仪。
它采用电子计算机对数据进行处理,能对15个评定参数直接显示测量结果。
近年来,扫描电子显微镜(SEM的出现,为表面粗糙度的测量又开拓了一个新的途径。
随着生产的发展和工艺水平的提高,对零件的表面质量提出了愈来愈高的要求,特别是超精密加工技术和光学技术的发展,使得表面粗糙度的测量技术向着纳米级的水平发展。
各国纷纷在这方面展开了研究工作。
测量与评定表面粗糙度的仪器和方法很多,按照是否与工件表面接触可以分为两大类。
第一类是接触式测量:
接触式测量是用一种种特殊的触针以一定的速度沿着被测工件表面移动,由于工件表面的微观不平引起了触针的上下运动,并把触针移动的变量通过机械、光学、电学的转换,再经放大、运算,由指示表指示被测表面粗糙度的评定参数数值,或用记录仪描绘微观不平度轮廓的一种检测方法。
仪器操作简便,测量迅速,测量数值呈数字显示,测量精度较高。
不仅能测量金属表面的粗糙度,也能测量陶瓷等非金属表面的粗糙度。
由于这种方式能够在选定的截面轮廓上直接测量表面微观不平度数字,
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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
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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。
我国于1968年颁布了GBl031.1968《表面光洁度》国家标准。
它与当时的ISO/R468基本上是一致的。
l982年又遵循采用ISO国际标准的原则,对l968年的GBl03l国家标准进行了修订,经修订后的标准为GB1031.1983《表面粗糙度参数及其数值》【7l,同年颁布了GB3505.1983《表面粗糙度术语表面及其参数》。
我国根据国内发展的需要并遵循国际标准的原则,在国标GB1031.1983和GB3505.1983中规定了六个评定参数,即Ra,Rz,Ry,S,Sm,TP%。
这六个评定参数己经在我们机械加工领域开始使用,在有些领域至今还在沿用。
我国自2000年,先后颁布实施了一系列关于表面粗糙、度测量的新的国家标准。
与表面粗糙度测量仪的设计密切相关的标准主要有两个:
GB/T3505.2000《产品几何技术规范表面结构轮廓法表面结构的术语、定义及参数》、GB/T6062.2002《产品几何量技术规范表面结构轮廓法接触(触针式仪器的标称特性》。
前者给出了表面粗糙度参数定义,后者定义了评定触针式仪器的标称特性,并给出了各标称特性的推荐值。
现行标准GB/T3505.2000f2J中,对粗糙度轮廓、波纹度轮廓、原始轮廓及其参数均给出了定义,扩大了该标准的适用范围。
该标准的2000版与83版相比,参数定义与参数名称发生了很大变化。
83版的仪器仅定义了六个评定参数Ra,Rz,Ry,S,Sm,TP。
同时,由于几个传统的粗糙度测量中的参数Rz、S在现在的机械测量中没有太大的意义,现行的国家标准取消了它们的定义。
新旧标准有关粗糙度参数的变化如表1.1所示。
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袁1.1新旧标准粗糙度参数的变化
参数名称GB/T3505.83GB/T3505.2000评定范围轮廓最大峰高RpRplr轮廓最大谷深RmRvlr轮廓的最大高度RyRZlr轮廓单元的平均线高度RcRclr轮廓的总高度Rtln论廓的算术平均偏差RaRalr轮廓的均方根偏差RqRq1r轮廓的偏斜度SkRsklr轮廓的陡度Rkulr轮廓单元的平均宽度SmRsmlr轮廓的均方根斜率△qRAq
支撑长度率Rmr(cLn轮廓截面高度R万cIn相对支撑比率tpRmrln十点高度RzRz(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
1.3.1论文的主要工作内容
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/T6062.2002有关触针式轮廓仪的标准下,本
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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AnalogDevices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。
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