表面粗糙度测量仪设计.docx

1、表面粗糙度测量仪设计 摘 要表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削过程中，由刀具在工件表面上留下的刀痕而产生的。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的评定，但存在测量参数较少、测量精度较低、测量结果输出不直观等缺点，已不能满足现代工件测量要求。本文根据表面粗糙度的定义，利用反射式光纤传感器的特点，应用光纤位移传感器，设计了一个基于虚拟仪器技术表面粗糙度测量仪。本仪器除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快、自动化程度高和良好的人机界面等优点。文章介绍了表面粗糙度的相关知识和反射式光纤位移传感器的工作原理，本设计系统分为上位机和下位机，下位机用于测量和采集数据，

2、通过串口把数据传输到上位机，上位机用于对下位机采集到的数据进行处理，得出测量物体的表面粗糙度，对此数据进行显示和存储。关键词：单片机；光纤位移传感器；表面粗糙度；AbstractSurface roughnessis a physical quantityto reflect theparts surfacesmooth degree.It is in the process of cutting,tool marksleft bythe tool on the workplace surfaceand produce.Evaluation ofthe currentwidely used a

3、 stylus profile meter roughnessparameterscan be achievedin part,but there arefewer,the measurement accuracyis low and themeasured results of the outputparameter not intuitiveand other shortcomings,has been unable tomeet the measurement requirements of modern work.According to thesurface roughness de

4、fined,using the features ofreflection type optical fiber sensor,the application of optical fiberdisplacement sensor,a design based on thevirtual instrumenttechnology of surfaceroughness measuring instrument.In addition to the instruments oftraditional instruments to solve the existingproblems,but al

5、so hashigh measuring speed,high degree of automationandgood man-machine interfaceetc.This paper introducesthe working principle ofsurfacerough degree ofknowledge andreflectivetype fiber optic displacement sensor,the design ofthe system is divided intothe upper and lower machine,the lower position ma

6、chineused for measuringand collecting datathrough the serial port totransmit data to thehost computer,the host computerfor processing the machinecollected data,obtainedthe measured objectsurfacethe roughness ofthisdatadisplay and storage.Keywords:single chip microcomputer;optical fiber displacements

7、ensor;surface roughness第1章 绪论 11.1 立题意义 11.2 光纤传感技术的发展与现状 11.3 虚拟仪器测试技术发展 21.4 表面粗糙度测量技术的发展 2第2章 粗糙度的基本概念 22.1 表面粗糙度的概念 22.2 表面粗糙度的测量参数 32.3 反射式光纤位移传感器的结构32.4 反射式光纤位移传感器输出特性42.5 粗糙度测量原理4第3章 粗糙度测量仪的总体方案设计 53.1 下位机硬件方案设计63.1.1 传感器的选择63.1.2 光纤传感器特性实验 63.1.3 单片机数据采集和传输电路的设计63.2 下位机软件系统设计 7第4章 粗糙度测试仪的下位机

8、设计 74.1 信号调理电路 74.2 单片机及其外围扩展电路的设计 84.2.1 单片机介绍 84.2.2 时钟电路设计104.2.3 复位电路的设计104.2.4 A/D转换电路的设计134.2.5 串行通信的设计154.3 下位机软件设计 154.3.1 主程序设计 154.3.2 ADC0809转换程序设计 154.3.3 串口通信程序设计 16第5章 粗糙度测试仪的上位机设计 175.1 VISA简介175.2 VISA库中的串口通讯函数185.3 串行通信程序设计 195.3.1 串行通信初始化的设计205.3.2 串口写入程序设计205.3.3 串口读取节点程序设计215.4 数

9、据处理程序设计 225.5 数据存储 22结论23社会经济效益分析24参考文献 25致 谢 26第一章 绪论1.1立题意义表面粗糙度是机械零件的一个主要精度指标，对零件的性能会产生重要的影响。零件表面粗糙度会直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等。因此，关于表面粗糙度测量的研究一直没有停止，传统的测量方法有比较法、针描法的、光切法、干涉法和印模法等多种，主要是使用样板、电动廓仪、光切显微镜、干涉显微镜等多种工具和计量仪器。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的测量评定，但存在测量参数较少，测量精度较低，测量结果的输出不直观等缺点，已不能满足现代工件的测量要求，

10、迫切需要开发研制新型的表面粗糙度测量仪来满足现代精密工件的测量要求，基于虚拟仪器技术开发出的表面粗糙度测量仪，除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快，自动化程度高和良好的人机界面等优点，而且价格便宜，通用性强，将具有较大的市场潜力和应用价值。基于虚拟仪器技术的表面粗糙度参数测量仪，就是通过设计编写表面粗糙度参数测量的软件控制程序, 使得仪器的测试更加多样化，灵活，只要加上必要的硬件设备就可以根据用户需要构成测试仪器。1.2光纤传感技术的发展与现状现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换、传输和处理进行社会活动。

11、传感器是感知、获取、检测和转化信息的窗口，是实现信息化时代的主要技术基础。光纤与激光、半导体光探测器一样，是一种新兴的光学技术，形成了光电子学新的领域。是20世纪后半期重大发明之一。光纤传感技术是七十年代末期发展起来的一项新技术，它是纤维光学在非通信领域的应用。光纤传感技术是一门多科性学科，涉及知识面很广，如纤维光学、光电器件、电磁学、流体力学、弹性力学以及电子线路和微机应用等等。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可绕曲、体积小、结构简单以及光纤传输线路的相容性等独特的优点，受到世界各国广泛的重视，并具有十分广阔的发展前景。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制

12、区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器按其传感原理分为两类：一类是传光型(或称非功能型)光纤传感器；另一类是传感型(或称功能型)光纤传感器。光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的。光纤通信拥有一个广阔的市场，能提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。1.3拟仪器虚测试技术发展虚拟仪器（Virtual Instrument）简称VI。VI是计算机技术在仪器科学与技术领域的应用所形成的一

13、种新型的、富有生命力的仪器种类 , 它是适应卡式仪发展而提出的。传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成 , 而卡式仪器由于自身不带仪器面板 , 所以必须借助计算机强大的图形环境 , 建立图形化的虚拟面板 , 完成对仪器的控制、数据分析和显示。VI集成了当今的各领域高新技术 , 包括计量测试理论、传感技术、一次仪表和二次仪表、计算机等相关技术 , 运用虚拟现实技术令硬件尽可能软化 , 软件尽可能集成化 , 其重心不仅是相应的软件系统 , 还应该包含硬件装置、测量方法和手段等的整个测试系统 , 甚至还包含了被测对象。VI 应是对用户开放的 ,允许用户介入并定义其若干功能VI是指通过应用程序将通用

14、计算机与功能化模块硬件结合起来 , 用户可以通过友好的图形界面来操作计算机 , 就像操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样 , 从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示、数据存储等工作。VI以透明方式将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合 , 实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件 如 GPIB、VXI、RS-232、DAQ 和可重复使用源码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发 ,源码库函数为用户构造自己的VI系统提供基本的软件模块。1.4表面粗糙度测量技术的发展表面粗糙度与零件的工作性能和使用寿命都有着密切的关系，因此人们在很早以前就认识到测量表面粗糙度的重要性。但是由于技术工艺水

15、平的落后，最早只能单纯依靠人的视觉和触觉来估计，随着生产技术的发展，人们又采用了比较显微镜进行对比测量，但是这些比较原始的测量方法只能对表面微观不平度作出定性的综合评定。近年来，随着科学技术的不断进步和“信息时代”的到来，机械、光学工业对加工表面的质量要求越来越高。这主要是因为表面粗糙度不仅对机械性能、物理性能、集成电路成品率有影响，而且它还影响计算机磁盘存储器磁头和磁盘的耐磨性和寿命，同时也影响磁盘信号的读出幅度和信噪比。不言而喻，纳米级存储密度需要有低于纳米级粗糙度的表面作为基片，否则无法实现信息提取。因此，为实现更高的表面加工质量，相应要求更高的表面粗糙度测量手段。对于物体表面粗糙度测量

16、技术的研究由来已久，一般来说，根据是否与被测表面接触，表面粗糙度测量方法可分为两大类：接触式和非接触式。第二章 粗糙度的基本概念2.1表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标，它主要是由于在加工过程中刀具和零件表面之间的摩擦，切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。表面粗糙度不包括由机床几何精度方面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差，也不包括在加工过程中由机床、刀具、工具系统的强迫振动等所引起的介于宏观和徽观几何形状误差之间的波纹度，以及气孔、沙眼等。形状误差、波纹度和粗糙度这三类表面几何形状偏差在一个表面上并非孤立存在，大多

17、数加工表面常受其综合影响。实际上，三者只有分级的不同，没有原则上的区别。2.2表面粗糙度的测量参数在保证零件尺寸、形状和位置精度的同时，对表面粗糙度也有相应的要求。而对表面粗糙度仅依据某一单独的评定参数是无法满足这种多方面的要求，在研究工作中就出现了大量不同的评定参数，为要表征这些评定参数所需的一些术语、定义就多达60多个，这种错综复杂的情况，在尺寸公差中是没有的，也比一般结合件的公差和配合复杂的多，而这也正是近年来国际上各个工业国家积极研究的领域，几乎每年都在开展这方面的研究工作。为了与国际接轨，我国又先后对标准进行了修订。修订后的标准GB/T 131-1993表面粗糙度符号、代号及其注法，

18、GB/ T1031-1995表面粗糙度参数及其数值，它们等效采用国际标准ISO1302-1992技术制图标注表面特征的方法及参照采用国际标准ISO 468-1982表面粗糙度参数及其数值和给定要求的通则。新国标的发布实施将有利于积极采用国际标准和提高产品质量，有助于促进表面粗糙度量仪和检测方法的发展与统一，使表面粗糙度术语、评定参数与国际上绝大多数国家取得一致，促进国际间的技术交流和对外贸易。根据表面粗糙度评定参数的发展，结合我国科技和生产发展的情况，特别是为了适应与国际接轨的要求，我国于1995年修订的国标GB/T 1031-1995表面粗糙度参数及其数值，规定了表面粗糙度高度参数为， ，分

19、别是： 轮廓算数平均偏差()；轮廓最大高度() ；微观不平度十点高度()。在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值；在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离； 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。本文将以为参数进行粗糙度的测量。 2.3反射式光纤位移传感器的结构传感器通常是由光源光纤和接收光纤构成。位移传感器中光纤采用Y型结构，即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉为两束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。当光源发出的光，经光源光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光纤输出，被光敏器件接收。其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离

20、，当位移变化时则输出光强作相应的变化。通过对光强的检测而得到位移量。图2.1为反射式光纤位移传感器原理图。 图2.1 反射式光纤位移传感器的原理图2.4反射式光纤位移传感器输出特性反射式光线位移传感器如图2.1所示，光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面（反射面）上，反射光有接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，通过电信号的大小就可以测得物体距离探头的位移。由于光纤有一定大小的孔径，当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，接收光中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区域也越来越大，有一个线性

21、增长的输出信号；当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号就达到了位移一输出信号曲线（图2.2）上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时，有部分反射光没有反射进接收光纤，而且由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏元件的输出信号逐渐减弱，进入曲线的后坡区。在位移-输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区，信号达到最大值，其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量，即可用于

22、粗糙度的测量。图2.2为位移电压输出特性图。图2.2 电压位移输出特性2.5粗糙度测量原理如前所述，在峰值点附近，输出对距离的变化不敏感，而对粗糙度的变化最敏感，这正是测量粗糙度十分需要的特性。这里挑选了7块研磨样板，其Ra值都是精确标定已知的。取其中Ra值最小的样板为基准，细调距离d使输出电压为最大，并将此距离固定。再将其他研磨样板依次换上分别测出其输出电压，作为输出与Ra的关系如图所示：图2.3 粗糙度和电压的关系实验中分别对每块样板测出电压十次取平均值。有关数据如下表所示：表2.1 不同样板表面粗糙度与输出电压数据表样板编号123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0

23、450.05Ra（um）4.693.052.581.951.691.43按表的实验数据对Ra值和输出电压进行曲线拟合，得出拟合曲线方程。 （2.1） 式中Ra的单位为 ；输出电压 的单位为V。第三章 粗糙度测量仪的总体方案设计本设计是基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合。具体是利用光纤位移传感器进行粗糙度的测量，然后经过单片机数据采集，串口通信传输到计算机，最后在LabVIEW平台上显示测量结果。总体方案包括下位机硬件和软件设计以及上位机的设计。下图是总体方案功能框图。 图3.1 总体方案功能框图3.1下位机硬件方案设计下位机硬件方案的设

24、计主要包括测量部分和单片机部分的设计。测量部分主要包括传感器的选择和表面粗糙度样板的选择，单片机部分主要包括数据采集部分和数据传输部分设计。3.1.1传感器的选择本设计选用CSY-G型光电传感器实验仪所提供的传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一光纤接收光信号，再由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X 有关。3.1.2光纤传感器特性实验由于光纤传感器探头由于系统所获得

25、的数据具有非线性和测量仪器本身的误差，输人位移或粗糙度和输出电压之间没有确定的函数关系。因此往往事先测量一组数据，然后使用此数据进行曲线拟合，得到一条拟合曲线。表3.1 采集数据电压位移位移(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6电压(V)00.320.892.913.894.544.554.353.343.1.3单片机数据采集和传输电路的设计本系统采用的单片机是AT89C52。选用的A/D转换器是ADC0809，ADC0809是目前比较常用的一种逐次比较式8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A 的编码来决定所选通道。

26、输出可直接连到单片机的数据总线上，可对0-5V模拟信号进行转换。传输部分是基于RS-232通信协议，通过MAX232芯片和计算机串口相连进行数据传输。3.2下位机软件系统设计软件系统主要包括主程序、A/D转换、数据传输。下面详细介绍下位机的软件设计思想。软件总体流程图如图3.2所示。图3.2 系统软件总体流程图4粗糙度测试仪的下位机设计4.1信号调理电路 信号调理电路的功能主要是完成对光纤传感器输出的微弱不稳定信号进行放大滤波，使其输出电压信号满足A/D转换的要求，在05V范围内。由于反射式光纤位移传感器的输出电压信号很小。因此在进行A/D转换时，就要对信号进行电压放大以达到转换要求。故而在传

27、感器和A/D转换电路之间加入了一级有源放大电路，使输出电压为05V，从而为后续的A/D转换电路提供必要条件。图4.1为电压放大电路电路图。 图中的放大倍数为100倍可满足设计要求。图4.1 电压放大电路电路图4.2单片机及其外围扩展电路的设计单片机外围扩展电路主要包括时钟电路、复位电路、A/D转换电路、数据传输电路。4.2.1单片机介绍 1.单片机的内部结构及应用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。单片机有8位、16位甚至32位机，但8位单片机以它的价格

28、低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。MCS-51系列高档8位单片机是Intel公司1980年推出的产品，而AT89C51芯片是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。图4.2为单片机的内部结构框图。 图4.2 单片机的内部结构框图2 .AT89C52特性 其主要特性是：可与MCS-51 兼容；8K字节可编程闪烁存储器 ；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；VCC：供电电压；GND：接地。图4.3