基于AD598的三維表面粗糙度測(cè)量?jī)x的研究*

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(duì)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(duì)機(jī)加工工件的表面進(jìn)行評(píng)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(cè)量?jī)x作為一種高精度的精密表面評(píng)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(cè)量?jī)x中，用于感測(cè)工件表面的起伏變化的傳感器件通常有差動(dòng)式電感傳感器和其他的基于光學(xué)方法的傳感器；而差動(dòng)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(duì)于電感傳感器的處理電路通常采用相敏檢波電路；目前國(guó)內(nèi)使用較為廣泛的是中原量?jī)x生產(chǎn)的電感測(cè)微儀系列，其將電感傳感器由于觸針上下移動(dòng)導(dǎo)致的電感變化量通過(guò)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并且驅(qū)動(dòng)指針左右偏擺，用戶可以通過(guò)指針偏擺量的大小來(lái)評(píng)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(cè)微儀改造成數(shù)字式表面粗糙度測(cè)量?jī)x，其首先將電感測(cè)微儀的電壓量取出，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)，并通過(guò)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(cè)微儀只對(duì)中原量?jī)x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(hào)處理電路就很有必要。

國(guó)內(nèi)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x生產(chǎn)廠家，其表面粗糙度的測(cè)量參數(shù)目前大多數(shù)還是集中在測(cè)量二維粗糙度參數(shù)，目前大多沒有和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO b25178和國(guó)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(cè)的要求越來(lái)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(shì)[1]，國(guó)內(nèi)的三維粗糙度測(cè)量行業(yè)目前與國(guó)際差距較為明顯，急需開發(fā)附帶有三維評(píng)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(cè)量?jī)x，對(duì)于解決目前精密加工表面的評(píng)定問(wèn)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(cè)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(tái) 、電感信號(hào)處理電路、運(yùn)動(dòng)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(guò)程如下：將待測(cè)工件放置在儀器的工作平臺(tái)上，電感傳感器接觸工件的表面，工作臺(tái)的移動(dòng)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，工件表面的起伏使電感傳感器的杠桿繞其支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使傳感器內(nèi)部的鐵芯上下移動(dòng)使得自耦式電感的電感量發(fā)生變化，其變化量通過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為電壓變化量，由AD信號(hào)采樣后，輸入到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理將工件表面輪廓評(píng)定結(jié)果輸出。工控機(jī)通過(guò)三維測(cè)量軟件驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得精密二維工作臺(tái)移動(dòng)，工作臺(tái)移動(dòng)導(dǎo)致光柵尺移動(dòng)，光柵信號(hào)處理電路將工作臺(tái)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(dòng)控制。按照編程設(shè)定的移動(dòng)軌跡控制工作臺(tái)移動(dòng)，能夠遍歷需要測(cè)量的工件區(qū)域范圍，獲取測(cè)量區(qū)域的工件表面形貌數(shù)據(jù)，通過(guò)三維評(píng)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(guò)程過(guò)程示意圖。

1.2 基于AD598的電感信號(hào)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(dòng)變壓器(LVDT)傳感器的信號(hào)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(lái)驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)繞組的功率放大器、用來(lái)確定LVDT兩個(gè)次級(jí)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(dòng)LVDT的原邊，信號(hào)由芯片的2、3腳輸出。副邊的電壓信號(hào)VA和VB由芯片的10、11腳輸出，17腳接地，信號(hào)得到后解碼器進(jìn)行A-B/A+B的運(yùn)算處理，經(jīng)過(guò)濾波和放大后由16引腳輸出電壓信號(hào)，電壓信號(hào)與鐵芯的移動(dòng)量成正比例關(guān)系。AD598不要求激勵(lì)信號(hào)幅度恒定，因?yàn)樗玫降氖荓VDT輸出信號(hào)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?hào)被整流，僅對(duì)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(cè)微儀的測(cè)頭為半橋式電感傳感器，工作原理類似線性可變差動(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)。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(cè)中推薦的進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是用來(lái)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(hào)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(dòng)的幅度，S為傳感器的靈敏度。

(1)

選擇中原量?jī)x的電感測(cè)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(cè)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(dòng)傳感器探頭上下移動(dòng)，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(hào)由智奕樂(lè)電子公司的AD采集卡USB6005采集，其采樣精度為16位，測(cè)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(píng)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(píng)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(cè)量。在軟件界面上有測(cè)量參數(shù)、濾波方式、評(píng)定區(qū)域和評(píng)定參數(shù)選擇，還可以直觀地看到測(cè)量、濾波及評(píng)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(cè)量?jī)纱蟛糠?，每個(gè)部分都包括測(cè)量模塊、評(píng)定模塊、標(biāo)定模塊和輸出模塊共4塊內(nèi)容。其中測(cè)量模塊包括有參數(shù)選擇、運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度、采樣間距和采樣段數(shù)；運(yùn)動(dòng)控制部分主要是為測(cè)量提供對(duì)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(chǔ)等。評(píng)定模塊包括有圖形顯示、擬合濾波、參數(shù)評(píng)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(píng)定主要為選定需要評(píng)價(jià)的表面粗糙度參數(shù)；曲線分析主要是對(duì)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(píng)價(jià)參數(shù)主要依據(jù)GB/T 33523，主要評(píng)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(píng)定參數(shù)

2 實(shí)測(cè)

圖7為本文研制的二三維粗糙度測(cè)量?jī)x實(shí)物圖。儀器主要包括有二維工作臺(tái)、電感測(cè)頭、大理石平臺(tái)、電氣控制箱和工控機(jī)。儀器測(cè)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(cè)量速度為1 mm/s。

為檢測(cè)儀器的測(cè)量精度，對(duì)中國(guó)計(jì)量院提供的多刻線樣板進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)量15次，測(cè)量結(jié)果取平均值作為實(shí)測(cè)值，同時(shí)記錄15次測(cè)量的最大值和最小值并計(jì)算示值變動(dòng)誤差。

由表2可以看出，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)樣板，對(duì)于標(biāo)稱值小的樣板，受信號(hào)采集中的噪聲、橫向位移、采集速度等因素的影響，其相對(duì)誤差和示值變動(dòng)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(cè)量結(jié)果

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)儀器對(duì)于實(shí)際加工工件的測(cè)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(cè)量，樣塊圖片見圖8選擇采樣長(zhǎng)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(cè)量得到二維原始輪廓曲線和濾波后曲線 如圖9所示，測(cè)量結(jié)果其Ra值為1.64 μm,測(cè)量相對(duì)誤差為2.4%，所有測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

表3 車床加工樣塊二維測(cè)量結(jié)果

3D測(cè)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(cè)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(píng)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(píng)價(jià)結(jié)果

圖12為依據(jù)測(cè)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(píng)價(jià)材料表面耐磨性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了一種三維表面粗糙度測(cè)量?jī)x,針對(duì)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(hào)處理電路，開發(fā)了三維表面粗糙度評(píng)定軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件表面的二、三維評(píng)價(jià)，方便用戶對(duì)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(duì)于解決國(guó)內(nèi)目前較為缺乏三維粗糙度評(píng)價(jià)設(shè)備這一問(wèn)題具有重要作用，同時(shí)由于設(shè)計(jì)信號(hào)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(cè)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(cè)量。