鄒華東 林勝鵬 劉鍇洋 張志田

(清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511510)

表面粗糙度對零件的耐磨性、配合性質(zhì)穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性、密封性和表面光學(xué)性能等有重要的影響，對機(jī)加工工件的表面進(jìn)行評定是機(jī)械加工行業(yè)里的一個(gè)較為廣泛的需求[1]。觸針式表面粗糙度測量儀作為一種高精度的精密表面評定的儀器，在精密加工行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

在觸針式表面粗糙度測量儀中，用于感測工件表面的起伏變化的傳感器件通常有差動式電感傳感器和其他的基于光學(xué)方法的傳感器；而差動式電感傳感器由于其成本低廉、精度高和性能穩(wěn)定被廣泛采用，對于電感傳感器的處理電路通常采用相敏檢波電路；目前國內(nèi)使用較為廣泛的是中原量儀生產(chǎn)的電感測微儀系列，其將電感傳感器由于觸針上下移動導(dǎo)致的電感變化量通過信號處理電路進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號，并且驅(qū)動指針左右偏擺，用戶可以通過指針偏擺量的大小來評價(jià)表面加工的精度。而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有研究者將電感測微儀改造成數(shù)字式表面粗糙度測量儀，其首先將電感測微儀的電壓量取出，通過AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號送給計(jì)算機(jī)，并通過計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理得到工件的表面粗糙度信息[2]。這種改造雖然方便，但是該類型的電感測微儀只對中原量儀生產(chǎn)的電感傳感器配合度良好，且價(jià)格較高，因此研究具有廣泛適應(yīng)性的低成本信號處理電路就很有必要。

國內(nèi)的表面粗糙度測量儀生產(chǎn)廠家，其表面粗糙度的測量參數(shù)目前大多數(shù)還是集中在測量二維粗糙度參數(shù)，目前大多沒有和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO b25178和國標(biāo)GB/T 33523涉及的30多個(gè)三維表面粗糙度參數(shù)接軌。而隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面質(zhì)量檢測的要求越來越高，三維表面粗糙度參數(shù)的普及甚至代替二維表面粗糙度參數(shù)是表面計(jì)量行業(yè)發(fā)展的整體趨勢[1]，國內(nèi)的三維粗糙度測量行業(yè)目前與國際差距較為明顯，急需開發(fā)附帶有三維評價(jià)功能軟件的成熟產(chǎn)品。

因此，開發(fā)高精度三維表面輪廓測量儀，對于解決目前精密加工表面的評定問題，具有重要意義。

1 儀器系統(tǒng)工作原理闡述

1.1 儀器系統(tǒng)總體架構(gòu)

儀器測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括有電感微位移傳感器、精密二維工作臺 、電感信號處理電路、運(yùn)動控制卡和光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)和工控機(jī)等幾個(gè)部分。

儀器的基本工作過程如下：將待測工件放置在儀器的工作平臺上，電感傳感器接觸工件的表面，工作臺的移動帶動工件運(yùn)動，工件表面的起伏使電感傳感器的杠桿繞其支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，驅(qū)使傳感器內(nèi)部的鐵芯上下移動使得自耦式電感的電感量發(fā)生變化，其變化量通過信號處理電路轉(zhuǎn)化為電壓變化量，由AD信號采樣后，輸入到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理將工件表面輪廓評定結(jié)果輸出。工控機(jī)通過三維測量軟件驅(qū)動電機(jī)使得精密二維工作臺移動，工作臺移動導(dǎo)致光柵尺移動，光柵信號處理電路將工作臺的位移量獲取后反饋給工控機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行位移的補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動控制。按照編程設(shè)定的移動軌跡控制工作臺移動，能夠遍歷需要測量的工件區(qū)域范圍，獲取測量區(qū)域的工件表面形貌數(shù)據(jù)，通過三維評定軟件計(jì)算出工件的三維表面粗糙度特征參數(shù)。圖2為系統(tǒng)的過程過程示意圖。

1.2 基于AD598的電感信號處理電路設(shè)計(jì)

AD598是Analog Device 公司開發(fā)的用于線性可變差動變壓器(LVDT)傳感器的信號調(diào)理的集成電路芯片，它與LVDT一起使用，將傳感器機(jī)械特性位置轉(zhuǎn)換為單極或雙極直流電壓，具有高準(zhǔn)確度和重復(fù)性[3-7]。

圖3為AD598的功能模塊圖。它主要由正弦波振蕩器、用來驅(qū)動LVDT初級繞組的功率放大器、用來確定LVDT兩個(gè)次級繞組輸出電壓之差與和的比例關(guān)系的解碼器、濾波器和輸出放大器組成。正弦波發(fā)生器,它產(chǎn)生頻率及幅值均可由外接電容、電阻調(diào)節(jié)的正弦波以驅(qū)動LVDT的原邊，信號由芯片的2、3腳輸出。副邊的電壓信號VA和VB由芯片的10、11腳輸出，17腳接地，信號得到后解碼器進(jìn)行A-B/A+B的運(yùn)算處理，經(jīng)過濾波和放大后由16引腳輸出電壓信號，電壓信號與鐵芯的移動量成正比例關(guān)系。AD598不要求激勵(lì)信號幅度恒定，因?yàn)樗玫降氖荓VDT輸出信號的差與和的比值。也不需要恒定的激勵(lì)頻率，因?yàn)檩斎胄盘柋徽?，僅對正弦波載波幅度進(jìn)行處理，所以抗干擾的能力很強(qiáng)。

電感測微儀的測頭為半橋式電感傳感器，工作原理類似線性可變差動變壓器式電感傳感器，兩個(gè)纏繞線圈中間放置一個(gè)可移動鐵芯，每個(gè)線圈的電感值和鐵芯的位置成線性函數(shù)關(guān)系，因此適合應(yīng)用AD598進(jìn)行處理。信號處理電路設(shè)計(jì)原理圖見圖4。

圖4中1 μF的電容器主要阻止勵(lì)磁輸出的直流偏移信號。4 nF電容器設(shè)置傳感器激勵(lì)頻率，在制造商推薦頻率10 kHz附近，器件的外部電子元件選擇用戶手冊中推薦的進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是用來設(shè)置頻率和增益的R3、R4、R5需要根據(jù)選擇的傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以需要選擇合適的調(diào)阻。調(diào)整R3的阻值，能夠使激勵(lì)信號EXC1幅值發(fā)生改變.調(diào)整R4，如果增大阻值，輸出Uout的直流電壓整體下移；減小阻值，使輸出Uout的直流電壓整體上移。調(diào)整R5，如果增大阻值，使輸出Uout的直流電壓整體上移；反之，輸出OUT的直流電壓整體下移。

調(diào)整R6，增大阻值，使輸出OUT的電壓范圍增大；減小阻值，使輸出OUT的電壓范圍減小R6的選擇如式 1所示，其中Uout為輸出的電壓范圍，d為傳感器移動的幅度，S為傳感器的靈敏度。

(1)

選擇中原量儀的電感測微儀探頭的電感部分進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，制作成表面粗糙度傳感器，其測量范圍為-150～+150 μm，量程為300 μm，設(shè)計(jì)輸出電壓Uout范圍為-10～10 V，傳感器的靈敏度S為 0.005 V/V/μm,代入式(1)中可以計(jì)算得到R6為22 kΩ.

接入傳感器，根據(jù)移動傳感器探頭上下移動，調(diào)整原理圖中的可調(diào)電阻。其中R3為0.5 kΩ，R4為4 kΩ，R5為3.8 kΩ，R6為22.85 kΩ，此時(shí)Uout輸出為±10 V。傳感器處理電路最后的輸出信號由智奕樂電子公司的AD采集卡USB6005采集，其采樣精度為16位，測量數(shù)據(jù)經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

1.3 三維表面粗糙度評定的軟件實(shí)現(xiàn)

在Boland公司的C++builder開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了二、三維表面粗糙度評定軟件，操作者可以選擇進(jìn)行二維或者三維表面粗糙度測量。在軟件界面上有測量參數(shù)、濾波方式、評定區(qū)域和評定參數(shù)選擇，還可以直觀地看到測量、濾波及評定效果以及控制伺服電機(jī)速度，形成一個(gè)虛擬儀器人機(jī)交互界面，軟件界面如圖5所示。

軟件功能框圖如圖5所示，其主要分為二、三維粗糙度測量兩大部分，每個(gè)部分都包括測量模塊、評定模塊、標(biāo)定模塊和輸出模塊共4塊內(nèi)容。其中測量模塊包括有參數(shù)選擇、運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集。參數(shù)選擇主要供用戶依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定采樣長度、采樣間距和采樣段數(shù)；運(yùn)動控制部分主要是為測量提供對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃；數(shù)據(jù)采集主要包括有數(shù)據(jù)的采集、濾波和存儲等。評定模塊包括有圖形顯示、擬合濾波、參數(shù)評定和曲線分析。圖形顯示主要功能為顯示采集數(shù)據(jù)的二、三維圖形，包括在軟件界面上的放大、縮小、拖拽和不同角度投影等功能；擬合濾波主要為選擇濾波方式，如高斯濾波，最小二乘濾波;參數(shù)評定主要為選定需要評價(jià)的表面粗糙度參數(shù)；曲線分析主要是對于三維輪廓面上可以選擇其中的一條線做二維分析。標(biāo)定模塊有比例系數(shù)檔位選擇和誤差補(bǔ)償。三維表面粗糙度評價(jià)參數(shù)主要依據(jù)GB/T 33523，主要評定14個(gè)形貌參數(shù)[8-9]，具體見表1。

表1 三維表面粗糙度評定參數(shù)

2 實(shí)測

圖7為本文研制的二三維粗糙度測量儀實(shí)物圖。儀器主要包括有二維工作臺、電感測頭、大理石平臺、電氣控制箱和工控機(jī)。儀器測量范圍分4檔，分別為±5 μm、±15 μm、±50 μm和±150 μm, 橫向分辨率為2 μm，縱向分辨率0.01μm，測量速度為1 mm/s。

為檢測儀器的測量精度，對中國計(jì)量院提供的多刻線樣板進(jìn)行檢測。樣板的標(biāo)稱值分別為Ra= 4.089 μm和Ra= 0.344 μm，每種樣板各重復(fù)測量15次，測量結(jié)果取平均值作為實(shí)測值，同時(shí)記錄15次測量的最大值和最小值并計(jì)算示值變動誤差。

由表2可以看出，對于標(biāo)準(zhǔn)檢測樣板，對于標(biāo)稱值小的樣板，受信號采集中的噪聲、橫向位移、采集速度等因素的影響，其相對誤差和示值變動誤差都有所增大，但是都保持在3%以內(nèi)的高精度范圍。

表2 多刻線樣板二維測量結(jié)果

為進(jìn)一步評價(jià)儀器對于實(shí)際加工工件的測量效果，選擇山東濰坊同有益機(jī)械有限公司生產(chǎn)的Ra=1.6 μm的車床加工的表面粗糙度樣塊進(jìn)行2D測量，樣塊圖片見圖8選擇采樣長度0.8×2=1.6 mm,采樣間距4 μm,濾波方式為最小二乘濾波，測量得到二維原始輪廓曲線和濾波后曲線 如圖9所示，測量結(jié)果其Ra值為1.64 μm,測量相對誤差為2.4%，所有測量結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

表3 車床加工樣塊二維測量結(jié)果

3D測量，采樣區(qū)域0.8 mm×0.4 mm,采樣間距x、y方向均為4 μm,濾波器選擇為高斯濾波器，測量后獲得原始三維輪廓，濾波輪廓面和濾波后的三維表面粗糙度形貌分別見圖10和圖11，其三維表面粗糙度參數(shù)評價(jià)結(jié)果見表4中Sq參數(shù)與二維表面粗糙度參數(shù)結(jié)果相當(dāng)，結(jié)果準(zhǔn)確。此外觀察該樣塊的形狀，呈現(xiàn)中間高兩邊低的形貌，其原始輪廓比較真實(shí)地反映了樣塊的真實(shí)輪廓。

表4 三維表面粗糙度參數(shù)評價(jià)結(jié)果

圖12為依據(jù)測量數(shù)據(jù)畫出的等高線圖，圖13為偽彩色圖，其實(shí)質(zhì)與圖11類似，只是更加直觀地反映了0.8 mm×0.4 mm的采樣范圍內(nèi)每個(gè)采集點(diǎn)的高度信息，供不同需求的用戶進(jìn)行分析選用。圖14為支撐率曲線，主要用于評價(jià)材料表面耐磨性。

3 結(jié)語

本文研發(fā)了一種三維表面粗糙度測量儀,針對電感微位移傳感器設(shè)計(jì)了基于AD598芯片的適應(yīng)性好且性能優(yōu)越的信號處理電路，開發(fā)了三維表面粗糙度評定軟件，實(shí)現(xiàn)了對工件表面的二、三維評價(jià)，方便用戶對工件的表面性能進(jìn)行多參數(shù)、多方位和多角度分析。

儀器開發(fā)對于解決國內(nèi)目前較為缺乏三維粗糙度評價(jià)設(shè)備這一問題具有重要作用，同時(shí)由于設(shè)計(jì)信號處理電路具有高穩(wěn)定性和適應(yīng)性，利于設(shè)計(jì)時(shí)選擇不同廠家的不同規(guī)格的電感測微傳感器。儀器在材料分析、工件加工的品質(zhì)分析等方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值，后續(xù)研究工作將著重于研究復(fù)雜工況下的表面形貌測量。