1、精密儀器專業課程設計說明書 姓 名： 學 號：U200910840 班 級：測控0903班 指導老師：2013年3月22日目錄一、需求分析 .21、設計題目 .22、粗糙度定義 .23、系統性能要求 .2二、設計方案及原理 41、系統原理 .42、系統分析 .53、系統說明 .5三、傳感器選型 .6四、系統工作臺設計 .71、導軌及支承結構選型 .72、傳動機構選型 .93、電機選型 114、光柵尺選型 135、限位開關選型 146、工作臺精度分析 .15五、信號處理電路設計 .171、 正弦波發生器 172、 信號跟隨及反相電路 193、比較器電路 .194、信號輸入及帶通濾波電路 .205

2、、相敏檢波電路 .216、低通濾波電路 .227、工頻陷波電路 .22六、設計不足及可擴展之處 .24七、總結 .26附錄 參考文獻 .27一、需求分析1、設計題目二維表面粗糙度自動測量系統2、粗糙度定義表面粗糙度是指加工表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性，一般是由所采用的加工方法或其它外部因素造成，它是評定機械零件表面質量的重要指標之一。根據定義，非切削加方法所獲得的表面微觀幾何形狀特性屬于表面粗糙度的范疇，但是，零件表面的物理特性(如表面應力、硬度、光亮程度、顏色及斑紋等)和表面缺陷(如硬傷、劃傷、裂紋、毛刺、砂眼及鼓包等)則不屬于表面粗糙度的范疇。零件表面粗糙度的形成，首

3、先要受加工方法的影響。這是因為零件表面的粗糙度，主要來自金屬被加工時切削工具的切削刀刃在其上留下的切削痕跡。不同的加工方法、機床的精度、振動及調整狀況、工件的裝夾、塑性變形和刀具與工件之間的摩擦、操作技術以及加工環境的溫度、振動等主要因素，都會不同程度地直接影響零件加工表面的粗糙度。綜上所述，切削加工方法不同，所得的零件加工表面粗糙度也不同。由于表面粗糙度是在切削加工過程中上述諸種因素共同作用的結果，而且這些因素的作用過程是極其復雜和不斷變化的，因此，即使采用一種加工方法，在同樣的切削條件下，加工出同一批零件，甚至同一零件的同一表面上的不同部位，所得的表面粗糙度也不盡相同。3、系統性能要求1&

4、gt;工作臺運行范圍25mm；2>運行速度：最大達1mm/s；3>工作臺定位分辨率<0.002mm；4>垂直分辨率：+-0.01um；5>測量范圍Ra：+-100um；6>測量精度<2%。 二、設計方案及原理本設計擬采用電感傳感器，觸針掃描則由工作臺帶動工件相對觸針運動的方式。觸針式輪廓儀是最廣泛使用的接觸式測量儀，典型產品是英國RanklaylorHobson公司的Taylor Surf和Nanosurf等系列輪廓儀。它們一般采用金剛石探針，通過驅動桿控制探針沿著工件表面作上下往復的運動，從而正確地反映被測表面的實際輪廓曲線。它的優點是:分辨率高、測

5、量范圍大、結果穩定可靠、重復性好，其橫向和縱向分辨率分別為20nm和0.01um。此外它還作為其它粗糙度測量技術的對比方法。目前正在對觸針的形狀、大小、接觸力、觸針動態特性以及儀器智能化等方面加以不斷完善。其最大缺點為:探針常常會劃傷被測表面。因此，這類觸針式表面輪廓儀對輕金屬、塑料以及超精加工表面等都不適用。1、系統原理圖2.1表面粗糙度是指加工表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削過程中工件加工表面上刀具痕跡以及切削撕裂時的材料塑性變形等。二維表面粗糙度測量系統組成方框圖如圖所示，其工作情況如下：表面粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度時，將

6、傳感器放置在被測表面上。接通電源后，由內置驅動電機推動工作臺以某一恒定的速度直線運動時，傳感器觸針對工件表面掃描并隨著工件表面的圍觀起伏問作上下運動，此時傳感器的內部感應線圈的感應電量發生變化，觸針的運動由傳感器轉換成相應的電信號，從而在相敏整流器的輸出端產生與被測表面粗糙度成比例的模擬信號，再經測微放大和預處理電路后，由計算機分析處理即可得到工件表面粗糙度參數值并予以輸出。2、系統分析表面粗糙度測量系統各環節中由工作臺的直線運動形成粗糙度的測量基準，由傳感器實現被測信息的拾取和轉換成信號，由信號處理電路完成信號的放大和預處理，由信號采集電路將被測對象轉化為一系列的數據，計算機則實現數據分析和

7、參數評定。這些環節缺一不可，其中最為關鍵則是傳感器，傳感器的特性和可靠性直接左右整個系統的性能和可靠性：工作臺的運行精度包括定位精度也是至關重要的，沒有好的測量基準，測量同樣是不可靠的；信號處理和采集電路則需要保證信息的不失真，不丟失；計算機數據處理則需要評定原則與統一標準相一致。3、系統說明對于這個系統而言，精度是它最基本也是最重要的要求，本設計中應從進一步改善工作臺的工作特性和運行精度，傳感器的線性范圍和穩定性以及信號處理電路的集成化，簡化、分析處理軟件等幾個方面著手，從而達到設計要求。最后還要對測試結果進行誤差分析。針描法測量技術的準確度，不僅與觸針尖端的半徑有關，而且與觸針的測量力有關

8、。為使觸針與被測表面可靠接觸，還需要有一定的測量力。測量力太小，不能保證觸針和被測表面有效接觸，而且觸針劃過的速度受到限制，速度太快，容易產生觸針脫開的現象;測量力太大，則表面接觸力很大，將會劃傷表面，也會影響測量的應用范圍。系統組成1）傳感器2）一維精密工作臺 3）信號處理電路 4）接口電路5）信號處理軟件三、傳感器選型根據粗糙度測量輸出小的特征，本系統選用互感式電感傳感器。電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。如下圖所示為電感傳感器，由鐵心和線圈構成的將直線或角位

9、移的變化轉換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數和材料導磁系數都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點是：無活動觸點、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復性好；測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激勵電源的頻率和幅值穩定性要求較高；不適用于高頻動態測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比

10、重、轉矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。本系統所選差動變壓器式傳感器具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優點。四、系統工作臺設計本系統設計的粗糙度測量儀采用測量頭靜止，而由工作臺承載著被測工件運動的方式測量，因此需要設計一個運行平穩的高精度一維直線運動工作臺。設計要求：運動參數：運行范圍25mm；運行速度 1mm/s精度參數：直線基準0.002mm/25mm；直線度0.002mm（突變小于0.05um）；定位分辨率：<0.002mm；沒有機構復合的形位公差附加要求

11、：承載能力、剛度和外形尺寸等，承載20KG；剛度20KG小于0.1um；對外形尺寸沒有要求參考一般的精密運動工作臺設計方案，我們知道，它們一般都包括直線導軌副、傳動機構、驅動源（一般為電動機）以及工作臺面這樣幾個主要部分。 電動機經絲杠螺母傳動機構后，旋轉運動變為直線運動，驅動與螺母相連的工作臺面運動；由于工作臺面放置在直線導軌副的滑塊部分上，因此可以平穩地在導軌座上運行。通過選用高精度的導軌，系統可以達到較高的機械精度。工作臺面的側面安裝有光柵尺，用以實時測量工作臺的行程。同時，在工作臺面下面安裝有兩個限位開關，防止工作臺運行超出允許的范圍。1、 導軌及支承結構選型導軌一般分為滑動導軌、滾動

12、導軌、氣浮或液壓導軌。由于本工作臺用于測量表面粗糙度，因此其垂直方向不能有明顯的間隙及變動，因此不采用氣浮或液壓導軌。目前國內外基本使用如下三種類型導軌，其基本性能比較如下：將滑動導軌與滾動導軌相比較，雖然前者制造較為容易，成本較低，承載能力大，但其摩擦系數較大，需要較大的驅動力，且容易磨損，同時由于動靜摩擦系數差別大因而不易達到較高的定位分辨率。相比之下，滾動導軌更適合本設計的要求。這里我們選取HTPM公司生產的滾動導軌。由于設計的工作臺行程較小，我們選取其最小系列的導軌即可滿足要求。圖3.2 導軌外形圖3.3 LM/LMW系列微型直線導軌電機、聯軸器、軸承、絲杠構成了本工作臺的主軸系統，所

13、以同時需要設計主軸的支承結構。由于絲杠副的螺桿較長，考慮到熱脹冷縮效應，我們把去承結構設計成一端固定，一端游動的形式。為了使螺桿能夠承受軸向的雙向載荷，固定端采用兩個角接觸球軸承，而游動端采用深溝球軸承。2、傳動機構選型在這個直線運動工作臺中，我們需要一個把電機的旋轉運動轉化為導軌的直線運動的傳動機構。一般地，有齒輪齒條機構、皮帶輪機構、絲杠螺母機構等可以選擇。由于齒輪齒條機構減速比小、消除間隙困難，而皮帶輪機構會有彈性滑動現象，且占用空間比較大，它們都難以達到較高的定位精度，因此我們選擇了最后一種絲杠螺母機構。通過在螺母與螺桿間配以滾珠，可以大大減小摩擦系數，不僅提高了傳動效率，更可以消除背

14、隙，從而達到較高的定位精度。同時，由于螺旋機構本身的減速作用，工作臺的定位精度可以得到進一步的提高。我們選用了上銀公司（HIWIN）生產的滾珠絲杠。圖3.5 滾珠絲杠外形圖3.6 滾珠絲杠參數表通過估算，選取絲桿直徑為12mm較為合適，選取導程為2mm以提高減速比，并減小驅動力，通過與整體結構的協調，選取行程為50mm的螺桿副。綜合以上所述，我們確定滾珠絲杠的型號為1R10-2T3-FSI-200-258-0.008。其含義為：單牙螺桿，直徑12mm，導程2mm，螺帽內珠卷數為3，法蘭形螺帽，單螺帽，滾珠內循環，螺桿螺紋部分長110mm，總長180mm。3、電機選型一般地，可以用來實現高精度控

15、制的電動機有步進電機和伺服電機兩種。相對而言，步進電機雖然結構簡單，價格便宜，但由于缺少反饋環節，因而控制的精度及穩定性都不如伺服電機好，并且伺服電機具有過載能力，因此我們采用伺服電機作為動力源。我們選取YASKAWA公司生產的-II系列AC伺服電機。由于工作臺運行速度不高，摩擦阻力小，所以選取小型的電機即可滿足要求。圖3.8 伺服電機外形圖3.9 伺服電機性能參數表最終我們選取了SGMAH-02A型200V的交流伺服電機，并配以13位高精度編碼器。其額定功率20W，額定扭矩0.637N.m，額定轉速3000r/min。對電機參數進行校核計算：由于工作臺載荷為20Kg，加上其自重，假定承重共6

16、0Kg，取導軌滾動摩擦系數為0.004，可以計算出運行阻力：滾珠絲杠傳動效率約取0.8，另外，軸承、聯軸器等的效率約取0.98，工作臺運行速度v=1mm/s，可得電機需要輸出的功率為：所選電機為達到1mm/s的傳動速度，工作轉速：因此電機額定轉速十分充足。此時，電機的輸出功率為：因此，電機的輸出功率及轉矩也都綽綽有余。4、 光柵尺光柵尺選型為了實時測量出工作臺的位移量，實現高精度定位，我們需要安裝位移測量裝置。光柵尺，由于它的大量程及微米級的分辨率，以及成熟的應用技術，自然成為首要選擇。我們選取了信和（SINO）公司生產的光柵尺，分辨率可達0.5um，精度可達±3um。圖3.10 K

17、A500光柵尺外形由于工作臺本身尺寸較小，所以我們選取了超薄型的KA200系列；由于工作臺行程僅25mm，因此我們選取最小的30mm量程即足夠了。綜上，我們最終選取的光柵尺的型號為KA200-30。光柵尺的安裝5、限位開關選型為了限制工作臺運行范圍，防止超量程行走，我們在工作臺的兩邊各安裝一個限位開關，用以將工作極限位置反饋給控制電路，保證電機能夠及時地停止運轉。一般地，我們可以選擇行程開關，接近開關，機械接觸開關等方式。由于行程開關多用于大中型機床，且工作電壓較高，因此尺寸相應較大，不適合于本設計的小型儀器。接近開關工作時，不需要接觸，距離數毫米時即可發出信號，但需要配備相關驅動電路，不若機

18、械接觸開關簡單。我們選擇了歐姆龍（OMRON）公司的D5B5011型機械接觸開關作為限位開關。其含義為：D5B型，筒徑5mm，半球柱塞形，1m長輸出軟線。安裝板的另一個作用是保護接觸頭不被過度撞壞。 圖3.12 機械接觸開關外形 圖3.13 機械接觸開關性能參數6、精度分析本工作臺的精度主要分為水平方向的傳動精度及垂直方向的變動精度。前者主要影響工作臺的定位精度，后者則直接影響測量頭的測量誤差。由于整體的精度分析較為復雜，且涉及到制造裝配誤差，因此這里僅給出工作臺分辨率和臺面受載變形的理論估算。（1）絲桿剛性經查得，直徑12mm導程的螺桿剛性約為，前面已計算得工作臺推進力約為2.4N，因此，螺

19、桿剛性會導致變形：裝配時通過加以預壓，可以消除滾珠絲杠的背隙，因此可以不考慮背隙引入的誤差。（2）伺服電機分辨率伺服電機采用13位編碼器，相當于對360度圓周角細分為份，故角度分辨率；經導程為的螺桿轉換，直線分辨率相當于：（3）導軌間隙雖然導軌也可以通過施加預壓來減小間隙，但一般不易完全消除，因此也會影響工作臺的定位分辨率。但是此導軌的技術參數中未能給出數據，因此無法進行理論估算。綜合以上所述，可以估計出導軌的定位分辨率不高于：因此，就目前可以進行理論計算的部分來看，設計的精度仍然是在允許的范圍內的。五、電路設計本次試驗中，我們所使用的信號處理電路主要包括振蕩器、電壓跟隨器、反相器、相敏檢波開

20、關信號、相敏檢波、放大、低通濾波七個部分。 這里我們在每個電源輸入端都加上了一個極化電容，以濾除電源里的波動部分，減小噪聲。但是實際中由于電源都是一起供電，所以在連接電路時，只把總的電源處加上了極化電容。1、正弦波發生器 圖5.1振蕩器是無須外加輸入信號的控制，直接將直流信號轉換為具有特定的頻率和一定的振幅的交流信號，在本次設計中，振蕩器輸出的是振幅4V，頻率為5KHZ的正弦信號。本次設計中用的是正反饋振蕩器，這種振蕩器是指從輸出信號中取出一部分反饋到輸入端作為輸入信號，無需外部提供激勵信號便能產生等幅正弦波輸出的振蕩器 。振蕩的兩個條件中，關鍵是相位平衡條件，如果電路不能滿足正反饋要求，則肯

21、定不會振蕩。至于幅值條件，可以在滿足相位條件后，調節電路的參數來達到。一個反饋型振蕩器由以下幾部分組成。1）基本放大電路作用是對反饋信號進行放大。2）選頻網絡作用是獲得單一確定的振蕩頻率。 3）反饋網絡作用是將輸出回路中的信號取出一部分加到基本放大器的輸入端。接通電源后，調電位器R5，觀察示波器，振蕩器由未起振到起振。起振后不調R5，調P1觀察示波器，使峰值，并使波形不失真。此時如輸出電壓有上漂則減小R5，反之則增加。振蕩器產生的頻率為，峰峰值為8V的交流電壓，分別輸入： 1）測量電橋、調零電橋作供橋電壓 2）相敏整流電路的參考電壓示波器輸出結果如下圖所示，幅值穩定，頻率具有一定的穩定度（由于

22、電路元件有誤差，所以頻率和相比也有一定的誤差。）2、信號跟隨器及反相電路 如下圖所示圖5.2首先，振蕩器的信號經過一個跟隨器（提高原來電路帶負載的能力），提取新號A；然后A經過反相運放和一個跟隨器，提取信號B。正弦信號經過跟隨器和反相器后幅值和頻率不變。結果和正弦電路的輸出一樣，這里不再重復累贅。3、比較器電路圖5.3輸入信號C與零位信號進行比較，通過芯片LM311P輸出同頻率的矩形波，經過一次反相提取信號D，D經過一次反相提取信號E，信號D和E將作為相敏檢波電路中芯片CD4066BCN的控制信號示波器輸出如圖所示：4、信號輸入及帶通濾波電路圖5.4傳感器接收的信號與信號G比較，通過帶通濾波電

23、路截取合適的信號，然后放大輸出，作為相敏檢波的輸入信號。Con4作為傳感器的信號輸入端，4個接口分別與傳感器的4個接口一一對應。5、相敏檢波電路圖5.5相敏檢波原理： 輸入接地，由信號發生器產生的5kHz正弦波作為參考信號，用萬用表測直流輸出為0，否則應調節電阻使之為0，并且輸出端輸出對稱。1） 用示波器觀察輸出波形，若波峰不在同一水平線上，可調節電阻。2）若波形不能翻轉時，可能輸入腳電壓被不希望因素鉗位。3）在調試中，要求參考信號比輸入信號大兩倍以上。4）若波形干擾大，波形發毛，是消振電容過小，可適當并接電容或換大。5） 放大后的交流信號通過相敏檢波已經轉換成有正負性的直流信號，并減小了零位

24、電壓值。6、低通濾波電路 圖5.6低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領域如金融領域中移動平均數（moving average)所起的作用，低通濾波電路的輸入信號是相敏檢波的輸出信號，該低通綠波電路的上限截止頻率為低于0.29kHz的頻率都能得到較大的通過。7、工頻（50Hz）陷波電路陷波器也稱帶阻濾波器（窄帶阻濾波器），它能在保證其他頻率的信號不損失的情況下，有效的抑制輸入信號中某一頻率信息。所以當電路中需要濾除存在的某一特定頻率的干擾信號時，就經常用到陷波器。 在我國采用的是50hz頻率的交流電，所以在平時需要對信號進行采集處理和分析時，常會存在50hz的工頻干擾，對我們的信號處理造成很

25、大干擾，因此50Hz陷波器在日常成產生活中被廣泛應用圖 5.7六、設計不足及可擴展之處在本次設計中，雖然我們已經盡自己最大的努力進行了盡可能完善細致的設計，然而由于時間倉促，加之設計實踐經驗的不足，設計中仍然有一些不足之處，導致設計結果不是太理想。電路設計就是其中一個很大的問題，電路最后輸出的靈敏度不夠高，不能檢測到傳感器微小的變化（當然，也有可能是電路連接有問題）。其次，電路的供電也是個問題。這個電路中涉及到了的供電電壓，在實際中比較麻煩，最好是統一成供電，使用分壓器從中取得。支承結構設計中沒有進行密封和潤滑的設計；在零件制造及裝配的工藝方面考慮不充足；設計中沒有充分考慮經濟性因素。編寫軟件

26、對電路做適當的處理，然后直接在計算機上顯示出粗糙度值，這樣可以讓這個儀器更加實用。目前，采用接觸測量法的金剛石觸針輪廓儀在工程表面粗糙度測量中仍占主導地位，此類儀器具有測量可靠、操作方便、價格適中以及符合表面粗糙度國際標準的評定要求等優點。但是，金剛石觸針輪廓儀存在以下缺點：（1）尖銳的金剛石觸針在一定測量壓力下可能損傷被測工件表面，同時影響測量結果的真實性；（2）在測量過程中觸針可能損壞；（3）觸針輪廓儀的量程較小，難以測量曲率較大、溝槽較深的曲面表面粗糙度。因此，對于一些軟金屬表面、生化材料表面、橡膠表面、含信息表面以及超精加工表面等一般不宜采用觸針輪廓儀進行測量。為了克服這個問題，可以采用非接觸式的光學掃描輪廓儀。原理如下所示：通過光纖電纜，將白光從光源發生器里傳輸到傳感器上。傳感器頭部配有特制的透鏡，通過色差成像技術，將白光轉換為其顏色分量，在被測物體表面上形成