平面物体表面粗糙度自动测量仪的设计.docx

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平面物体表面粗糙度自动测量仪的设计

1前言

1.1课题背景

表面粗糙度是指加工工件的表面加工痕迹的平整和光滑的程度，它是加工零件的一个重要的特征性指标。

能够直接影响到机器和仪表的使用性能及寿命,特别是对那些运转速度较快、装配精度较高、密封性要求较严格的产品,更具有重要的意义。

表面粗糙度的测量技术在工程技术的研究中占有非常重要的地位。

随着近代工业的生产和科学技术的发展,自动化和智能化的应用使人们对表面粗糙度的测量提出了越来越高的要求,对表面粗糙度测量仪器的要求也越来越高。

在这个大背景下，人们对于粗糙度测量仪的设计也进行了深入的改进，力图达到人们对其的使用要求。

1.2国内外发展状况

表面粗糙度是指加工工件表面的加工痕迹的平整度及光滑的程度，它是加工零件的重要的一个特性指标。

在人们最开始进行检测加工工件表面质量时，只是采用标准样件或者样块，通过肉眼观察或者是用手触摸的简单方法，进而定性作出表面粗糙度的判断。

“1929年，德国的施马尔茨（G.Schmalz）首先对表面微观不平度的深度进行了定量测量；1936年，美国艾卜特（E.J.Abbott）研制成功了第一台生产现场使用的测量表面粗糙度的轮廓仪；1940年，英国Taylor-Hobson公司研制成功了第一台表面粗糙度测量仪，从而开启了现代意义上的表面粗糙度检测的大门，其后各国又成功研制出多种测量表面粗糙度的现代仪器”[1]。

而随着近代工业生产加工水平与相关科学技术的飞速发展，世界各国也颇为深入的对这一领域进行了研究，各国的科技工作者们都在试图去寻找一种不受人为因素的影响、测量效率更高的非接触表面测量仪。

MasajiSawabe曾经在《日本常用尺寸和轮廓测量技术的最新发展》一文中详细的介绍了日本测量加工件表面粗糙度的最新技术，即利用光纤传感器来测量，其方法主要是：

“将一个光学纤维测头固定在垂直于被测物测量表面的位置上，另一个固定在与前者有一定倾斜角度的位置处。

其工作原理主要是通过测定两者光能量比的变化，从而来求出被测表面的粗糙度。

与此相近的还有利用红外线穿过狭缝和透镜后投射到被测表面，再通过光电元件测定红外线在反射方向的能量，以此来求出被测物的表面粗糙度”[2]。

除此之外，目前HIPOSS测量法和STM测量法在用激光来作为非接触型表面粗糙度测量的技术中也比较盛行。

HIPOSS测量法，又被称为光触针式测量法。

它是利用半导体激光生成装置生成集束成点的激光束，一边对被测表面进行照射，一边对其进行扫描，再对收集到的数据进行相应的处理，最后直接获得被测工件的截面的形状以及相关的数据。

此方法适合于高倍率的测量，具有较大的测量范围、较高的响应性能等优点，而且它还适用于三维的测量，因而很适合于推广到加工过程的在线测量中去。

STM测量法，又称扫描隧道式显微镜测量法。

它的工作原理是：

利用量子力学的隧道效应。

由于该方法是通过隧道电流的变化来测量被测工件表面的凹凸情况，所以此方法具有极高的分辨率，在垂直方向可以达到0.01nm；而横向也可以达到0.5nm，从而可以用于微细形状测量和分子结构的表面研究中。

但是这种方法对于环境的要求也是极高，有可能一丁点的尘埃也可影响到测量的结果。

在20世纪70年代初，美国人提出了一种将激光扫描技术运用到激光散射表面的测量中，并最终取得了成功，此种方法能够全面的反映出整个被测物表面的形貌，真实的显现出被测物表面粗糙度情况，在此基础之上美国在20世纪80年代初就已经研制成功了STM这种方法。

我们国家近几年来，在粗糙度测量的技术领域也取得了较大的发展。

“例如著名的“杨氏实验方法”的提出和推广，使得利用激光来测量S、Sm等常规数据在国内得以实现；影响金属加工件表面粗糙度的因素主要有前角、刀具副偏角和走刀量等三元素理论的提出；用光触针轮廓传感仪来测量表面粗糙度，其中就应用了3ABCD技术来计算其测得数据，以导出不同情况下的特性曲线；此外还有傅科法、容积法、反射光点位移法等新理论的提出和尝试等等”[3]。

1.3课题的任务要求

该设计题目属于机电一体化系统设计的内容，应用到课程包括：

测量技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。

根据所学专业知识，完成平面物体表面粗糙度自动检测系统的整体设计，包括机械传动系统、夹持系统、传感器提升和固定系统、自动控制系统等几个部分。

该系统的指标如下;

1.系统最大扫描检测范围为200mmx200mm；

2.位移进给采用螺旋传动；

3.传感器可以在水平X、Y方向随机移动进行扫描采集数据；

4.传感器在Z方向可以上下调节，以便达到最佳测量位置。

1.4课题的目的及意义

表面粗糙度的测量主要体现在：

一、机械加工制造业，主要是指金属的加工制造。

最初为了检测机械加工零件的表面粗糙度，从而使粗糙度测量仪应运而生。

尤其对于触针式粗糙度测量仪，它比较适用于质地比较坚硬的金属物体表面的检测。

例如：

汽车零配件的加工制造业、机械零部件的加工制造业，等等。

这些行业都涉及到加工工件表面的质量，因而对于粗糙度仪检测的应用就是不可或缺的。

二、非金属加工制造业，随着近代科技的进步与发展，越来越多的新型材料也应用到了加工工艺上，例如陶瓷、塑料、聚乙烯，等等，而现在有些轴承就是用特殊陶瓷材料加工制作的，还有泵阀等都是利用聚乙烯材料加工制成的。

这些材料的质地坚硬，某些应用也可以替代金属材料制作工件，在生产加工过程中也需要检测其表面的粗糙度。

三、随着粗糙度测量仪的技术和功能不断加强与完善，以及深入的推广及应用，越来越多的行业被发现会需求到粗糙度的检测，除了机械加工制造外，电力、通讯、电子，如交换机上联轴器、集成电路半导体等生产加工过程中也需粗糙度的评定，甚至于人们生活中使用的文具、餐具、人的牙齿表面都要用到表面粗糙度的检验。

[4]

然而传统表面粗糙度测量仪存在以下几个方面的不足：

“

（1）测量的参数较少，一般仅仅对于ra、rz、ry等少量的参数进行测量;

（2）测量的精度较低，测量范围较小，ra值的范围一般为0.02-10μm左右;

（3）测量方式的不灵活，例如：

评定长度的选取，滤波器的选择等;

（4）测量的结果输出不够直观”[5]。

综上考虑到造成上述几个方面缺点主要是因为系统不高的可靠性以及模拟信号误差的问题。

这就要求我们在原有基础上对测量仪器进行相应的处理及改进，以求能够达到我们期望的测量精度和要求。

2总体设计

2.1机械部分设计

2.2.1总体结构设计

图2.1平面物体表面粗糙度自动测量仪

机械部分包括电机、机座等。

机座上工作台通过两侧支架进行支撑，机座上还安装有驱动杆支架，驱动杆支架通过轴承螺栓支撑驱动杆组件，驱动杆组件连接并支撑传感器，电机通过连接驱动杆组件，带动驱动杆组件和其上的传感器前后做往复运动。

设计中根据电机的功率进行电机的选择，根据所要实现的测量范围进行驱动杆丝杆的设计。

本产品围绕着小巧、自动化、高性能和较广的应用范围来进行设计。

在设计过程中，时刻遵循着产品的要求进行设计。

2.2.2机械传动方案设计[6]

本课题为测量平面物体表面粗糙度自动测量仪的设计，表面粗糙度是在物体的任意选取的某一一维直线上进行测量的，因此传动方式有将电机的回转运动转变成直线运动的要求。

（1）链传动

链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮（小链轮和大链轮）组成。

通过链轮轮齿和链条链节的啮合来传递运动和动力。

链传动在机械制造中应用广泛。

它具有以下几个方面的特点：

①和带传动比较,无弹性滑动和整体打滑现象，能够保持准确的平均传动比，传动效率高且作用在轴和轴承上的力较小；

②和齿轮传动比较,制造安装精度要求较低，成本也低；

链传动主要用于要求工作可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜使用齿轮传动的场合。

（2）带传动

带传动是一种挠性传动。

带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）以及传动带（图2.2）。

当主动带轮1转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带2传递给从动轮3带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点，适用于两轴中心距较大的传动场合，在近代机械中应用广泛。

图2.2带传动机械运动示意图

（3）齿轮传动

①效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高；

②结构紧凑；

③工作可靠寿命长；

④传动比稳定。

（4）蜗轮蜗杆传动

图2.3涡轮蜗杆传动

涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上。

自身的缺点，那就是涡轮蜗杆的传动效率不够高，精度也不是很高。

（5）螺旋传动

螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。

它主要用于将回转运动变为直线运动或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。

它具有结构紧传动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点。

通过对于上述几中传动方式的比较以及测量仪的传动要求，选取螺旋传动作为设计的传动方式。

2.2硬件电路部分设计

硬件电路设计的任务是通过选择测量元器件，设计出能够实现传感器在规定的范围内进行前后运动，并且能够将传感器所接收到的位移信号进行放大整理转换成数字信号显示的电路。

2.2.1传感器的选择

在本课题中，传感器是通过测量线性位移进行测量的，因此选取位移式传感器：

（1）电容式位移传感器

电容式传感器是以电容器作为敏感元件，将机械位移量转换成为电容量变化的传感器[7]。

电容传感器有很多种形式，最常使用的是变极距式电容传感器和变面式电容传感器。

它们一般量程都很小，小于1mm，而精度又特别的高，能够达到纳米的级别。

一般适用于厚度的测量，当然要先对被测体的导电性进行一个定量标定后再进行相应的测量。

（2）光电式位移传感器

光电式位移传感器是根据被测对象阻挡光通量的多少来测量目标的位移或几何尺寸的传感器[8]。

它属于一种非接触式测量，可以进行连续性的测量。

光电式位移传感器通常会用于连续测量线材直径或是在带材边缘位置控制系统中用作于边缘位置在线检测传感器。

（3）霍耳式位移传感器

霍耳式位移传感器的测量原理是保持霍耳元件的激励电流不变，并且使其在一个梯度均匀的磁场中移动，那么它所移动的位移正比于输出的霍耳电势[9]。

磁场的梯度越大，灵敏度就会越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系就越是会接近于线性。

霍耳式位移传感器的优点是：

惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。

（4）电感式位移传感器

电感式位移传感器作为一种金属感应的线性元器件，在接通电源以后，会由开关的感应界面产生一个交变的磁场，当金属物体渐渐接近这个感应面时，金属中则会产生吸取振荡器能量的涡流，使振荡器的输出幅度线性快速衰减，从而我们可以根据衰减量的变化来实现我们检测物体的目的[10]。

电感式位移传感器的工作电路是可以根据电磁感应的强弱（也就是距离物体的远近来判定磁场的强弱大小的），从而使电路输出变量的模拟信号。

电感式位移传感器是线性输出的模拟量。

量程一般为毫米级，精度一般是微米级。

此设计采用接触式进行表面粗糙度的测量，通过以上几个传感器的特点，最终传感器定为电感式位移传感器。

2.2.2电路设计方案

电路设计包括显示电路设计和电机控制电路设计。

显示电路是指将通过传感器测量收集到的位移信号进行放大整理转换成数字信号输出的电路，传感器收集到的位移信号传到单片机进行整理转换，最后由计算机将数字信号显示出来。

电机控制电路是指控制电机正反转的电路，测量仪的传感器就是通过电机的正反转实现前后运动进行测量的。

通过对电路的设计，控制着传感器按照我们所想进行测量，然后由计算机将测量结果输出，完成对物体表面粗糙度的测量。

3机械系统设计和计算