机电一体化系统综合实训.docx
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机电一体化系统综合实训
广播电视大学开放教育
机械制造与自动化（机电方向）专业（专科）
机电一体化系统综合实训
学生：
澍萱
学号：
1461101451464
指导老师：
万宏强
分校：
莲湖分校
时间：
2016年5月20日
机电一体化系统综合实训
表面粗糙度测量计实习
一、任务目的与要求
1.1目的
1.1.1了解表面粗糙度测量计的组成，建立表面粗糙度测量的概念
1.1.2了解表面粗糙度测量计的机械结构和传动原理
1.1.3学习传感器的工作原理及其正确接线
1.1.4学习各单元之间的通信方法和系统调试
1.1.5增强团队合作精神
1.2要求
1.2.1熟悉机械部分的组成、工作原理
1.2.2绘制机械部分的工作原理图
1.2.3绘制所研究系统的图
1.2.4了解各模块控制信号的类型
1.2.5熟悉各模块所用传感器类型、结构、工作原理、性能和使用
1.2.6正确分析传感器信号与其它传感器信号的传送过程
二、实习容及过程
1绪论
1.1前言
机械加工中，表面特征的研究是控制机械零件表面质量的重要容，而表面粗糙度是表面特种的重要技术指标之一。
随着机械加工工艺水平的提高，对零件的表面质量提出了越来越高的要求。
无论用何种加工方法加工，在零件表面总会留下凹凸不平的刀痕，出现交错起伏的峰谷现象，粗加工后的表面用肉眼就可以看到，精加工后的表面用放大镜或者显微镜仍能观察到，这就是零件加工后的表面粗糙度，过去称为表面光洁度。
国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。
1.2题目背景和意义
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。
它的大小对零件表面的摩擦磨损、疲劳强度、冲击强度、耐腐蚀性、接触刚度和抗震性、配合性质、测量精度和密封行等有很大的影响。
粗糙度测量有接触测量和非接触测量两大类方法。
触针式接触测量粗糙度参数的方法具有精度高，稳定性好的优点。
该课题就是针对触针式测量粗糙度的测量系统进行改造。
1.3国外表面粗糙度测量系统的研制情况
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认识到测量表面粗糙度的重要性。
但由于技术工艺水平的落后，最早只能单纯的依靠人的视觉和触觉来估计，即通过目测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比对。
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。
自从1927年德国的施马尔茨（Schmaltz）发明了用光杠杆进行放大的表面轮廓记录仪后，人们就一直致力于表面质量的研究，从此开始了对表面粗糙度的数量化描述。
近年来，由于计算机技术、电子技术、数据处理能力的提高，研制了许多三维表面微观形貌测量仪，使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行，而且国际上方兴未艾。
2系统方案选择与论证
2.1设计要求
本院实验室有一台“221-7”型SORTRONIC的粗糙度轮廓仪，本设计就是在对其研究的基础上，结合新型粗糙度轮廓仪的发展方向对其进行设计改造。
如图2.1所示
图2.1表面粗糙度轮廓仪
2.2基本要求
要现其速度在1mm/s—5mm/s可调，测量行程可达20mm，在高度方向上传感器杆上下可调节100mm
2.3最终成果
（1）设计出测量系统的电路
（2）设计出测控程序（3）实现电机正反转，调速调节测量行程（4）完成Ra、Rz、Ry的测量（5）完成驱动部分的机械设计
2.4测量数据说明
1.轮廓的平均算术偏差（Ra）如图2.2所示，通过零件的表面轮廓作一中线m，将一定长度的轮廓分成两部分，使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等，即
图2.2轮廓的算术平均偏差
轮廓的平均算术偏差值Ra，就是在一定测量长度l围，轮廓上各点至中线距离绝对值的平均算术偏差。
用算式表示为
2.不平度平均高度（Rz）就是在基本测量长度围，从平行于中线的任意线起，自被测轮廓上五个最高点至五个最低点的平均距离（图2.3）
```
图2.3不平度平均高度
3．轮廓最大高度Ry就是在取样长度，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。
2.5影响表面粗糙度测量仪精度的分析
1．触针针尖半径及触针角度
为使触针的运动能准确的反映被测表面的实际轮廓曲线，触针应具有最小的尖端半径和适当的角度，但尖端半径过小不但难于加工，而且极易磨损和划伤被测表面，目前可加工出的针尖半径为1-2um。
2．测量力
为使触针运动轨迹符合实际的轮廓曲线，还必须保证触针与被测表面可靠接触，为避免划伤被测表面在保证可靠接触的前提下，选择尽量小的测力，并使触针伸出不同长度时测力的变化也要小。
3．测量基准线
通常形成基准线的办法有两种：
一种是测量头的移动方向由一个与被测表面无关的导轨，另一种是采用某种形式的滑块即所谓导头，直接将测量头支乘在被测表面上进行滑动的方式来实现。
导头制造简单，使用方便，此时触针的位移是以导头的移动轨迹为基准线，而导头的移动轨迹又由它的现状、位置及被测表面的几何形状所决定。
常用导头的形状为弧型，也有用球面或柱面的，导头多为一个，装在触针前方或后方。
导头能减弱波度及表面宏观几何形状偏差对测量的影响，其减弱程度与滑块曲率半径有关。
导头端部半径r应不小于截止波长的50倍，导头工作表面的微观不平度10点高度Rz值应不大于0.1um。
导头施加于被测表面上的力，对硬质材料不大于0.5N，对软质材料应取低些。
4．测头移动速度
测量头移动速度过慢，影响测量效率；速度过快，会使触针产生附加的动测力量，而且有可能在测量过程中使触针与被测表面脱离。
测量头的移动速度受到临界频率的限制。
2.6评定表面粗糙度的基本原则
1．测量方向
表面粗糙度的数值，是在垂直于被测表面的法向截面上给定的。
若技术文件上没有注明测量方向，则应按能给出最大表面粗糙度数值的方向上进行测量，即应在垂直于痕迹的方向上进行测量。
不能明显确定被测表面的加工痕迹方向和非切削加工表面，应在几个不同方向上进行测量，取恰当值作为测量结果。
2．表面缺陷
在表面粗糙度评定中不应该把表面缺陷，如气孔、划痕，沟槽等包含进去，也不应该作为判别表面粗糙度合格与否的指标。
3．测量部位
由于种种因素的影响，同一加工方法加工出的同一表面，不同部位的粗糙度值不会一样，因此在测量粗糙度数值时，应在不同部位上测量。
2.7测量零件表面粗糙度应注意的问题
1．每次测量前，将标准样块用稠布蘸酒精擦拭干净，置于被测表面加工纹路与传感器测头滑行方向垂直的工作台并固定，选择合适的传感器，对仪器进行校验并调整。
2．将被策零件表面擦拭干净，置于被测表面加工纹路与传感器测头滑行方向相垂直的位置。
3．将传感器轻轻放在被测零件表面上，调整传感器位置，使传感器杆轴线行于被测零件表面，且使传感器测头与被测零件表面垂直。
4．测量时需要判定测量的正确性（可靠性），被测零件的任何局部缺陷，测量时应注意避开。
3电路原理图设计
3.1键盘控制电路
1.键盘采用3*3矩阵式键盘（如下图3.1所示）
图3.1键盘形式
2.键盘输入参数包括9种
（1）测量行程S1=Ln1=3mm，S2=Ln2=6mm，S3=Ln3=14mm
因为L=取样长度，L1=0.25、L2=0.8、L3=2.5，评定长度=Ln=5L，通过计算Ln1=0.25×5再加上两边1左右的余量≈3，Ln2=0.8×5再加上两边1左右的余量≈6，Ln3=2.5×5再加上两边1左右的余量≈14。
（2）S4：
开始测量，S5：
测量停止，S6：
复位
（3）S7：
Ra，S8：
Rz，S9：
Ry
3.1.1键盘设计需要解决的几个问题
键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令的接口设备。
键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。
前者能自动识别按下的键并产生相应的代码，以并行或串行方式送给CPU。
它使用方便，接口简单，响应速度快，但价格较高。
后者则通过软件来确定按键并计算键值。
这种方法虽然没有编码键盘速度快，但它价格便宜，组态灵活，因此得到了广泛的应用。
键盘是计算机应用系统中一个重要的组成部分，设计时必须解决以下几个问题。
1.按键的确认
键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是一个开关量输入装置。
键的闭合与否，取决于弹性开关的合、断状态，反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，若高电平表示断开，则低电平表明键闭合。
所以，通过电平状态（高或低）的检测，便可确定相应按键是否已被按下。
在工业控制和智能化仪器系统中，为了缩小整个系统的规模，简化硬件线路，常常希望设置最少的按键却获取更多的控制功能。
2.重键与连击的处理
实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上的键，系统确认哪个键操作是有效的完全是由设计者的意志决定的。
如视按下时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前按键，也可将最后释放的键看成是输入键。
不过微机控制系统毕竟是资源有限，交互能力不强，通常总是采用单键按下有效，多键同时按下无效的原则。
3.按键防抖动技术
键盘操作为向系统提供操作人员的干预命令的接口，以其特定的按键序列代表着各种确定的操作命令。
所以，准确无误的地辨认每个按键的动作及其所处的状态，是系统能否正常工作的关键。
多数键盘的按键均采用机械弹性开关。
一个电信号通过机械触点的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。
由于机械触点的弹性作用，一个按键开关的闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动，其波形图3.2所示。
抖动过程的长短由按键的机械特性决定，一般为10~20ms。
图3.2键盘抖动
为了使CPU对一次按键动作只确认一次，必须排除抖动的影响。
可以从硬件和软件两方面着手解决。
（1）硬件防抖动技术
通过硬件电路消除按键过程中抖动的影响是一种广为采用的措施。
这种做法工作可靠，且节省机时。
①滤波防抖电路
利用RC积分电路对于干扰脉冲的吸收作用，只要选择好时间常数，就能在按键抖动信号通过此滤波电路时，消除抖动的影响。
②双稳态防抖电路
用两个与非门构成一个RS触发器，即可形成双稳态防抖电路。
（1）软件防抖动方法
如前所述，若采用硬件防抖电路，则N个键就必须有N个防抖电路。
因此，当键的个数比较多时，硬件防抖将难以胜任。
在这种情况下，先用软件延时（10ms到20ms），然后再确认该按键电平是否仍维持闭合状态电平。
若保持闭合状态电平，则确认此键已按下，从而消除了抖动的影响。
3.1.2矩阵键盘接口技术
矩阵式键盘常应用在键盘数量比较多的系统中。
这种键盘由行线和列线组成、按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。
列线通过上拉电阻接至地，以使无键按下时列线处于低电平状态。
矩阵键盘可分为两大类，非编码键盘和编码键盘。
编码键盘部设有键盘编码器，被按下键的键号由编码器直接给出，同时具有防抖和解决重键的功能。
非编码键盘通常采用软件的方法，逐行逐列检查键盘状态，当发现有键按下时用计算或查表的方法得到该键的键号。
键盘矩阵与微型机的连接，应用最多的方法是采用I/O接口芯片，有时为简单起见，也可采用锁存器。
在单片机运行过程中，何时执行键盘扫描和处理，可以有以下3种情况
（1）随机方式，每当CPU空闲时执行键盘扫描程序。
（2）中断方式，每当有键闭合时才向CPU发出中断请求，中断响应后执行键盘扫描程序。
（3）定时方式，每搁一定时间执行一次键盘扫描程序，定时可由键盘的定时器完成。
键盘处理程序的关键是如何识别键码，微型机对键盘控制的办法是“扫描”。
根据微型机进行扫描的办法又可分为程控扫描法和中断扫描法两种。
1．程控扫描法
图3.1所示为3*3矩阵组成的9键盘与单片机接口电路。
在图3.1中在每一个行与列的交叉点上接一个按键，故共3*3共9个键。
为了说明键的具体位置，事先按一定顺序给每一个键编一个号，如图中，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9，称其为键值。
程控扫描法是由程序控制键扫描的方法。
程控扫描的任务是：
（1）首先判断是否有键按下。
其方法是使所有的行输出为高电平，然后从P0端口读入列值。
如果没有键按下，则读入值为FFH，则不为FFH。
（2）去除键抖动。
若有键按下，则延时10ms～20ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。
（3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。
（4）为保证键每闭合一次，CPU只做一次处理，程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。
2．中断扫描法
在程控扫描法中，无论有没有键入操作，CPU总要占有一定的时间进行扫描，无疑将占用CPU的大量时间，这对于微型机控制系统和智能化仪器都是很不利的。
为了更进一步节省CPU的时间，可采用中断扫描法。
这种方法的实质是，当没有键入操作时，CPU不对键盘进行扫描，以节省出大量的时间对系统进行监控和数据处理。
一旦键盘输入，则向CPU申请中断。
CPU响应中断后，即转到相应的中断服务程序，对键盘进行扫描，以便判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。
3.2显示部分电路
图3.3显示部分电路
3.2.1单片机系统的扩展结构
1.扩展结构（如图3.4）
图3.4
图3.4扩展系统是以单片机为核心进行的,扩展容包括ROM、RAM和I/O接口电路等；扩展是通过系统总线进行的，通过总线把各扩展部件连接起来，并进行数据、地址和信号的传送，要实现扩展首先要构造系统总线。
系统总线
总线：
连接计算机各部件的一组公共信号线。
AT89S52使用的是并行总线结构，按其功能通常把系统总线分为三组，即地址总线、数据总线和控制总线。
（1）地址总线AB
在地址总线上传送的是地址信号，用于存储单元和I/O端口的选择。
地址总线是单向的，地址信号只能由单片机向外送出。
地址总线的数目决定着可直接访问的存储单元的数目，例如n位地址可产生2n个连续地址编码，因此可访问2n个存储单元，即通常所说的寻址围为2n个地址单元。
（2）数据总线（DataBus,简写DB）
数据总线用于在单片机与存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据。
单片机系统数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。
例如AT89S52是8位字长，所以数据总线的位数也是8位。
数据总线是双向的，可以进行两个方向的数据传送。
（3）控制总线（ControlBus,简写CB）
控制总线实际上就是一组控制信号线，包括单片机发出的，以及从其它部件传送给单片机的。
2．扩展I/O接口电路的功能
在单片机应用系统中，扩展1/O接口电路主要是针对如下几项功能：
（1）速度协调
由于速度上的差异，使得单片机的I/O数据传送只能以异步方式进行。
设备是否准备好，需要通过接口电路产生或传送设备的状态信息，以此实现单片机与设备之间的速度协调。
（2）输出数据锁存
在单片机应用系统中，数据输出都是通过系统的公用数据通道（数据总线）进行的，单片机的工作速度快，数据在数据总线上保留的时间十分短暂，无法满足慢速输出设备的需要。
在扩展I/O接口电路中应具有数据锁存器，以保存输出数据直至能为输出设备所接收。
（3）输入数据三态缓冲
数据输入时，输入设备向单片机传送的数据要通过数据总线，但数据总线是系统的公用数据通道，上面可能“挂”着多个数据源，工作比较繁忙。
为了维护数据总线上数据传送的“次序”，因此只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其余数据源都必须与数据总线处于隔离状态。
为此要求接口电路能为数据输入提供三态缓冲功能。
（4）数据转换
单片机只能输入和输出数字信号，但是有些设备所提供或所需要的并不是数字信号形式。
为此，需要使用接口电路进行数据信号的转换，其中包括：
模/数转换和数/模转换。
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