回轉(zhuǎn)面表面物體粗糙度自動測量儀的設(shè)計

1、1 前言1.1 表面粗糙度對軸工作性能的影響表面粗糙度指的是加工表面具有的微小峰谷不平度和很小間距。其中兩波峰或者兩波谷之間的距離很小，用肉眼是難以區(qū)別的，所以其屬于微觀幾何形態(tài)誤差。表面粗糙度越小，那么其表面就越光滑。表面粗糙度的大小會有較大程度影響機械零件的使用性能，主要表現(xiàn)在以下7個方面：1） 表面粗糙度會影響零件耐磨性。粗糙度越大，則表面與表面之間的有效的接觸面積越小，壓強則越大，磨損就越快。2） 表面粗糙度會影響配合的穩(wěn)定性。在間隙配合方面，如果表面粗糙越大，則就越容易易磨損，就會導(dǎo)致工作過程中間隙不斷得到增大；在過盈配合方面，在裝配時會把微觀凸峰擠平，從而減小了實際的有效過盈，從而

2、減小了聯(lián)結(jié)強度。3） 表面粗糙度會影響零件的疲勞強度。比較粗糙的零件表面會棉線的存在比較大的波谷和波峰，它對集中應(yīng)力非常敏感，然后影響零件的疲勞強度。4） 表面粗糙度會影響零件的抗腐蝕性。相對粗糙的表面，金屬內(nèi)層會滲入容易導(dǎo)致腐蝕性的氣體或者液體，從而造成表面的腐蝕。5） 表面粗糙度會影響零件的密封性。粗糙表面與表面之間無法達(dá)成緊密的貼合，接觸面之間會滲漏氣體或者液體。6） 表面粗糙度會影響零件的接觸剛度。接觸剛度的定義是：零件與零件結(jié)合面在外力的作用下，抵抗接觸變形的能力。零件與零件之間的接觸剛度會在很大方面上影響機器的剛度。 7）表面粗糙度會影響零件的測量精度。在精密測量的時候，零件的被測

3、表面和測量工具測量面的表面之間的粗糙度會直接影響測量精度的。 除上述方面之外，零件鍍涂層、導(dǎo)熱性和接觸電阻、反射能力和輻射性能、液體和氣 體流動的阻力、導(dǎo)體表面電流的流通等很多方面都會受到表面粗糙度不同程度的影響?！?】1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)的提出和發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，它經(jīng)歷了由定性評定到定量評定兩個階段。表面粗糙度對機器零件表面性能的影響從1918年開始首先受到注意，在飛機和飛機發(fā)動機設(shè)計中，由于要求用最少材料達(dá)到最大的強度，人們開始對加工表面的刀痕和刮痕對疲勞強度的影響加以研究。但由于測量困難，當(dāng)時沒有定量數(shù)值上的評定要求，只是根據(jù)目測感覺來確定【2】。1936年

4、出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著，對表面粗糙度的評定參數(shù)和數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化提出了建議。但粗糙度評定參數(shù)及其數(shù)值的使用，真正成為一個被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)還是從40年代各國相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后開始的。1992年德國的斯馬爾茨 發(fā)明了用光杠桿放大的表面輪廓記錄儀后，人們就一直致力于表面質(zhì)量檢測技術(shù)的研究，從此開始了對表面粗糙度的數(shù)量化描述。1993年艾博特制成了第一臺車間用測量表面粗糙度的儀器，它是現(xiàn)在美國Bendix公司測量微計分廠生產(chǎn)的表面輪廓儀的先驅(qū)。這種儀器用測量距離輪廓峰頂?shù)纳疃扰c支撐面積比的關(guān)系曲線即艾博特曲線來表征表面粗糙度。1940年，英國Taylor-Hobson公司研制成功了

5、表面粗糙度測量儀“Talysurf”。我國近幾年來，在粗糙度測量技術(shù)領(lǐng)域也取得了較大發(fā)展。例如著名的“楊氏實驗方法”的提出和推廣，使利用激光來測量S、Sm等常規(guī)數(shù)據(jù)在國內(nèi)得以實現(xiàn)；影響金屬加工件表面粗糙度的因素主要有前角、刀具副偏角和走刀量等三元素理論的提出；用光觸針輪廓傳感儀來測量表面粗糙度，其中就應(yīng)用了3ABCD技術(shù)來計算其測得數(shù)據(jù)，以導(dǎo)出不同情況下的特性曲線；此外還有傅科法、容積法、反射光點位移法等新理論的提出和嘗試等等3。1.3 課題的提出及任務(wù)要求實驗室中的光學(xué)表面粗糙度測量儀，基本全部要靠自己手動、觀察，十分麻煩。本次設(shè)計的主要核心思想則是加入機電方面的知識，使其使用簡單、方便，測

6、量精度等方面進(jìn)行提高。本次設(shè)計融合了機電及計算機方面的知識，對其進(jìn)行改進(jìn)后,測量過程中,觸針在被測表面滑行的軌跡動態(tài)地顯示在計算機屏幕上，通過模一數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送人計算機進(jìn)行處理，,測量結(jié)果能非常直觀地、準(zhǔn)確地在顯示器上顯示,并在打印機或繪圖儀上輸出。使得儀器在測量參數(shù)的數(shù)量、測量精度、測量方式的靈活性、測量結(jié)果輸出的直觀性等方面有了極大提高。本設(shè)計的要求是根據(jù)所學(xué)專業(yè)知識，完成回轉(zhuǎn)軸類零件圓柱度誤差自動檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計，包括機械傳動系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)軸類的夾持系統(tǒng)、傳感器提升和固定系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等幾個部分。該系統(tǒng)的指標(biāo)如下：a. 回轉(zhuǎn)軸類零件直徑的檢測范圍為50200mm；b.每個

7、回轉(zhuǎn)軸類零件的最大檢測時間為60秒；c.系統(tǒng)采用接觸測量方式或非接觸測量方式，在計算機的控制下實現(xiàn)自動測量。1.4 課題的目的與意義表面粗糙度的測量主要體現(xiàn)在：一、在機械加工制造業(yè)方面，主要是指金屬的加工制造。粗糙度測量儀最初目的就是為了測量機械加工零件表面粗糙度的。尤其是觸針式粗糙度測量儀比較適用于質(zhì)地比較堅硬的金屬表面的檢測。例如：汽車零配件加工制造業(yè)、機械零部件加工制造業(yè)，等等。這些加工制造行業(yè)只要涉及到工件表面質(zhì)量的，對于粗糙度儀的檢測應(yīng)用就是必不可少的。二、非金屬加工制造業(yè)，隨著近代科技的進(jìn)步與發(fā)展，越來越多的新型材料也應(yīng)用到了加工工藝上，例如陶瓷、塑料、聚乙烯，等等，而現(xiàn)在有些軸承

8、就是用特殊陶瓷材料加工制作的，還有泵閥等都是利用聚乙烯材料加工制成的。這些材料的質(zhì)地堅硬，某些應(yīng)用也可以替代金屬材料制作工件，在生產(chǎn)加工過程中也需要檢測其表面的粗糙度。三、隨著粗糙度測量儀的技術(shù)和功能不斷加強與完善，以及深入的推廣及應(yīng)用，越來越多的行業(yè)被發(fā)現(xiàn)會需求到粗糙度的檢測，除了機械加工制造外，電力、通訊、電子，如交換機上聯(lián)軸器、集成電路半導(dǎo)體等生產(chǎn)加工過程中也需粗糙度的評定，甚至于人們生活中使用的文具、餐具、人的牙齒表面都要用到表面粗糙度的檢驗【4】。 然而傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：(1)測量的參數(shù)比較少，一般僅僅只能測出 ra、rz、ry等少量的參數(shù);(2)測量的精度

9、比較低，被測量的范圍比較小，ra值的測量范圍一般為0.025-12m左右;(3)測量方式的相對不靈活，比如說：選取評定長度不靈活，選擇濾波器不靈活等方面;(4)測量的結(jié)果輸出不夠直觀。綜上考慮：系統(tǒng)不高的可靠性，誤差較大的模擬信號且處理不便等方面是造成以上多個方面不足的重要原因。這就要求我們在原有基礎(chǔ)上對測量儀器進(jìn)行相應(yīng)的處理及改進(jìn)，以求能夠達(dá)到我們期望的測量精度和要求【5】。2 平面機械傳動部分的設(shè)計2.1 傳動方式的選擇【6】 齒輪傳動：1）分類：平面齒輪傳動、空間齒輪傳動。優(yōu)點：適用于的圓周速度和功率范圍相對其他傳動方式比較廣；傳動比相對穩(wěn)定、效率高，比較準(zhǔn)確；工作的可靠性比較高、壽命相

10、對較長；可以實現(xiàn)平行軸、任意角的相交軸和交錯軸之間的傳動缺點：要求制造和安裝精度比較高、成本比較高；不適合遠(yuǎn)距離的兩軸之間的傳動。2）漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪基本尺寸的名稱有 齒頂圓；齒根圓；分度圓；摸數(shù)；壓力角等。 渦輪渦桿傳動：適用于空間垂直而不相交的兩軸間的運動和動力。1）特點：優(yōu)點傳動比大。；結(jié)構(gòu)尺寸緊湊。缺點：軸向力大、易發(fā)熱、效率低。；只能單向傳動。2）渦輪渦桿傳動的主要參數(shù)有：模數(shù)；壓力角；蝸輪分度圓；蝸桿分度圓；導(dǎo)程；蝸輪齒數(shù)；蝸桿頭數(shù)；傳動比等。 帶傳動：包括 主動輪、從動輪 ；環(huán)形帶1）用于兩軸平行回轉(zhuǎn)方向相同的場合，稱為開口運動，中心距和包角的概念。2）帶的型式按橫截面形狀可分為平

11、帶、V帶和特殊帶三大類。3）應(yīng)用時重點是：傳動比的計算；帶的應(yīng)力分析計算；單根V帶的許用功率。4）帶傳動的特點：優(yōu)點： 適用于兩軸中心距較大的傳動；、帶具有良好的撓性，可緩和沖擊，吸收振動；過載時打滑防止損壞其他零部件；結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。缺點： 傳動的外廓尺寸較大；、需張緊裝置； 由于打滑，不能保證固定不變的傳動比 ；帶的壽命較短；傳動效率較低。 鏈傳動包括 主動鏈、從動鏈 ；環(huán)形鏈條。鏈傳動與齒輪傳動相比，其主要特點：制造和安裝精度要求較低；中心距較大時，其傳動結(jié)構(gòu)簡單；瞬時鏈速和瞬時傳動比不是常數(shù)，傳動平穩(wěn)性較差。螺旋傳動螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將

12、回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，同時傳遞運動或動力。它具有結(jié)構(gòu)緊傳動均勻、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、易于自鎖等優(yōu)點。圖2.1 螺旋傳動示意圖從本設(shè)計的基本理念出發(fā)，因為本方案采用觸診法測量，對傳動的穩(wěn)定性要求較高，螺旋傳動在進(jìn)行傳動時較其他傳動更平穩(wěn)，準(zhǔn)確，切有自鎖功能，定位比較準(zhǔn)，所以，采用螺旋傳動。2.2 傳感器的選用 位移傳感器被許多人稱為線性傳感器，它主要可以分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，霍爾式位移傳感器等幾種。本次設(shè)計采用電感式位移傳感器。2.2.1 傳感器選用基本原則【7】 1靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為 只有靈敏度高時，與被

13、測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信 號處理。 2頻率響應(yīng)特性 被測量的頻率范圍取決于傳感器的頻率響應(yīng)特性，必須在允許頻率范 圍內(nèi)保持不失真的測量條件，在現(xiàn)實使用當(dāng)中傳感器的響應(yīng)總會有定的延遲，希望的延遲時間越短，則響應(yīng)特性越高。 3線性范圍 傳感器的線形范圍指的是輸出與輸入成正比的范圍。以理論上來講，在這個范圍內(nèi)，靈敏度會保持一定的數(shù)值。如果傳感器的線性范圍越大，那么它的量程就會越大，就會保證相對的測量精度。 4穩(wěn)定性 穩(wěn)定性指的是傳感器在購買使用一定時間之后，其性能保持相對不變化的能力。影響傳感器穩(wěn)定性的因素有很多方面，傳感器的本身結(jié)構(gòu)是一方面，而主要的原因是傳感器的使用環(huán)境。所以

14、，要選擇使用的傳感器具有比較好的穩(wěn)定性，傳感器要有很強的環(huán)境適應(yīng)力。 5精度 傳感器的精度是一個比較重要的性能指標(biāo)，它關(guān)系到整個測量系統(tǒng)的測量精度。眾所周知，傳感器的精度越高，那么它的價格就越昂貴，所以，選擇傳感器的時候，它的精度只要能夠滿足測量系統(tǒng)的精度要求就可以了，沒有比較選太高的，浪費資金。2.2.2 傳感器的種類【8】.電容式位移傳感器以電容器為敏感元件，將機械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的種類有很多，常使用的有兩種：變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器，來進(jìn)行位移測量。這兩種傳感器的一般量程都很小，小于1mm。量程小使得其精度很高，精度能達(dá)到納米級，一般

15、用來測量厚度。.電感式位移傳感器電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。電感式位移傳感器工作電路可以根據(jù)電磁感應(yīng)的強弱，（也就是靠近物體的遠(yuǎn)近。來判定磁場的強弱）從而電路輸出變量的模擬信號。電感式位移傳感器是線性輸出模擬量。量程一般是毫米級，精度一般是微米級。.壓電傳感器壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形

16、變）時由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器的應(yīng)用:壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量累世、功耗小、壽命長，特別是它具有良好的動態(tài)特性，因此適合有很寬頻帶的周期作用力和高速變化的沖擊力。綜上所述，本次設(shè)計采用感式位移傳感器。本次設(shè)計中，傳感器和側(cè)頭固定在傳送臺上，有電機帶動進(jìn)行左右調(diào)節(jié)。被測件則固定在夾持裝置上，可用手輪控制轉(zhuǎn)動，進(jìn)行測量。2.3高精度底座導(dǎo)軌以及頂尖座底座上有平面度較高的平導(dǎo)軌和直線度較高的側(cè)導(dǎo)軌,導(dǎo)軌的面要求加工精度高。側(cè)導(dǎo)軌對兩頂尖的回轉(zhuǎn)軸線具有高精度的平行度。其大體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。底座的側(cè)面圖如

17、圖2.2所示。左、右頂尖座能在底座上移動，且移動的位移較大，是用來調(diào)節(jié)軸向位移的主要手段。底座上有個傾斜45的槽，此槽好左頂用于固定左、右頂尖座。左、右頂尖座的主要作用是在測量時起到支撐作用，它們與底座接觸的面之間的摩擦系數(shù)要求0.1,因此要對底座和頂尖座的相關(guān)面進(jìn)行處理。左、右頂尖座的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.1 底座圖2.2 頂尖座2.4夾持裝置的設(shè)計根據(jù)本方案綜合考慮，選擇雙頂尖夾持機構(gòu)表面粗糙度是一個比較精密的測量，夾持裝置的精度必須要高，所以頂尖的加工精度要求就會高，其剛度要求較大圖2.3是左頂尖示意圖。如圖所示左頂尖的中間位置是齒條結(jié)構(gòu)。在左頂尖座內(nèi)安有小齒輪軸，小齒輪軸外側(cè)連接一

18、個手柄，通過外接手柄的控制實現(xiàn)頂尖的移動，用來調(diào)整頂尖的位置，從而實現(xiàn)被測軸的固定。左頂尖尾部裝有圓柱型壓縮彈簧，用于左頂尖的復(fù)位。同時尾部還制有螺紋與圓螺母配合，擰緊圓螺母后抵消彈簧的反彈力，使左頂尖固定在要求的位置。圖2.3 頂尖2.5 側(cè)頭機構(gòu)的設(shè)計如圖2.5所示側(cè)頭安裝在橫向移動的側(cè)頭座上，從圖中可以看出，側(cè)頭座可通過螺釘?shù)乃删o，實現(xiàn)左右、上下移動，實現(xiàn)側(cè)頭的定位，從而使側(cè)頭精確的定位在工件輪廓上。圖2.5 側(cè)頭座 3 機械系統(tǒng)設(shè)計計算 3.1 滾珠絲杠的選擇3.1.1滾珠絲杠副的優(yōu)點【9】 滾珠絲杠副是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的?；z杠和螺母上分別加工有半圓弧形溝槽，

19、圈在一起形成滾珠軌道，并在螺母上加工有使?jié)L珠形成循環(huán)的回珠通道，當(dāng)絲杠和螺母相對轉(zhuǎn)動時，滾珠可在滾道內(nèi)循環(huán)滾動，因而迫使絲杠和螺母產(chǎn)生軸向相對移動。優(yōu)點有： 1、定位精度高 2、傳動效率高 3、使用壽命高（磨損低）3.1.2 絲杠的選型與計算本設(shè)計中僅有一個方向的傳動：橫向進(jìn)給絲杠初步確定滾珠絲杠選取型號為W1L4006，其公稱直徑D0=40，導(dǎo)程L0=6.被測工件回轉(zhuǎn)軸類零件直徑的檢測范圍為50200mm；最大檢測時間為60秒；軌道塊和測頭機構(gòu)的最大總質(zhì)量:軌道塊的移動速度v0.05m/s,軌道塊與底座的間的摩擦系數(shù)0.09。（1） 計算進(jìn)給率引力Fm（N). （3.1）M主軸上的扭矩，（N

20、cm）f導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)dz主軸直徑（cm） （2）計算最大動負(fù)載C絲杠轉(zhuǎn)速： 使用和壽命：vs測量時最大進(jìn)給速度，取最高進(jìn)給速度的1/21/3；T使用壽命（h），取T=15000h；L0絲杠導(dǎo)程（cm）；1836 （3.2）（3） 選擇滾珠絲杠螺母副從機電專業(yè)課程指導(dǎo)書附錄表中查出，1列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副。額定動載荷為1970N，可滿足要求（4） 傳動效率計算 （3.3）螺旋升角摩擦角圖3.1 滾珠絲杠計算簡圖3.2 進(jìn)給步進(jìn)電機的計算初選電機型號為：23HY4456機身長41mm，步距角1.8，轉(zhuǎn)動慣量602。(1)傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由以下式子計算：式中步

21、進(jìn)電機轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)動慣量滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 (3.4)考慮步進(jìn)電機與傳動系統(tǒng)慣量相匹配問題。 (3.5)基本滿足慣量匹配的要求（2）、電機力矩的計算空載啟動時折算到電機軸上的加速力矩： (3.6)折算到電機軸上的摩擦力矩： (3.7)絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加力矩： (3.8)快速空載啟動時所需力矩： (3.9)快速進(jìn)給時所需力矩： (3.10)步進(jìn)電機為五相十拍： (3.11)所選電機大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，計算空載啟動頻率： (3.12)測量時的工作頻率： (3.13)3.3頂尖的校核根據(jù)設(shè)計書要求，測量軸是比較小的，假設(shè)遙測軸的最大長為：1000mm；直徑為100mm。驗證設(shè)計的頂尖是否達(dá)到要求

22、。頂尖的精度要求比較高，所以采用45鋼。對頂尖的內(nèi)力和應(yīng)力大略校核如下：已知45鋼的密度，由公式： （3.14）軸類零件的體積： (3.15)算出被測軸的質(zhì)量： 假若頂尖與被測軸上固定的小孔角度為，軸向拉伸或壓縮時橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力如下：由公式： 所以 其中F為頂尖所施加的軸向力。假設(shè)被測軸上固定小孔的半徑為3mm由公式： 綜上所得，軸的向應(yīng)力： (3.16)表3.1 常用材料的主要力學(xué)性能材料名稱牌號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼40453333535695981916由表格可以看出，本設(shè)計所采用的頂尖結(jié)構(gòu)能夠滿足主要力學(xué)性能，達(dá)到要求。4 測量儀電路原理設(shè)計4.1 傳感器位移顯示電路儀表的總體結(jié)構(gòu)如下圖

23、4.1所示測頭觸針鍵盤 顯示 打印單片機A/D轉(zhuǎn)換器傳感器 圖4.1 電路硬件結(jié)構(gòu)圖可以看出整個系統(tǒng)模塊分為以下五個部分【10】(1) 傳感器模塊是將測頭觸針的位移信號轉(zhuǎn)變成為電流信號；(2) 儀表的核心是單片機模塊，根據(jù)此次設(shè)計的要求，裝在內(nèi)部監(jiān)控程序，包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、濾波等多個功能；(3) A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，從而讓單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；(4) 顯示模塊的作用是將測量結(jié)果在電腦上直觀的顯出來；(5) 人機交互模塊主要是由鍵盤構(gòu)成。通過鍵盤向單片機發(fā)出命令，由單片機根據(jù)不同的命令提供相應(yīng)的操作；4.1.1 信號整理設(shè)計信號整理的主要功能是將傳感器輸入的

24、微弱信號放大，并且進(jìn)行必要的濾波，最后送入A/D中。在本系統(tǒng)中使用了采用渦電流測振儀型號為 DW- 1 ,它可以將傳感器送來的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?.1.2 單片機設(shè)計在智能化測量儀器當(dāng)中，核心就是單片機。它要考慮數(shù)據(jù)總線的寬度、尋址的能力、指令功能單片機的軟、硬件支持狀況等。在選擇單片機時，主要是要從實際出發(fā)，從儀表的實際需要、執(zhí)行速度、中斷能力等幾個方面考慮。目前國內(nèi)市場上能夠采購的單片機，不僅各廠家系列多，而且同一系列有很多種類，根據(jù)本系統(tǒng)的總體功能要求和價格等方面考慮選取了MCS-51系列的8031為主機，它不僅能滿足系統(tǒng)的功能要求而且結(jié)果靈活,設(shè)計方便。圖4.2 8031引腳排列

25、4.2電路整體設(shè)計本次設(shè)計中，單片機是整個系統(tǒng)的核心，其程序主要包括模擬信號通道選擇部分、并行數(shù)據(jù)采集部分和并行數(shù)據(jù)傳輸部分；80C52單片機通過內(nèi)外三線(數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線)控制數(shù)據(jù)的傳輸，完成數(shù)據(jù)的采集，計算，存儲的一體化過程。其能很好的滿足檢測系統(tǒng)性能的要求，故本次設(shè)計采用80C52單片機。但由于80C52的32位引腳只有P1口8位和P3口的部分位線作為I/O線使用，因此，在該應(yīng)用系統(tǒng)中擴展了I/O接口器件。外部程序存儲器的擴展應(yīng)用了2片AM27C64(8K8)CMOS的RPROM；外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展應(yīng)用了2片MCM6264。另外，本次電路中應(yīng)用了一種高精度、低噪聲、低漂移、

26、價格低廉的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL710911。4.2.1 芯片介紹（1）AM27C64只讀存儲器AM27C64是一種非易失性半導(dǎo)體存儲器件，常用來保存固定的程序和數(shù)據(jù)。Intel 2764的容量為8KB，是28引腳雙列直插式芯片，最大讀出時間為250ns，單一5V電源供電，其管腳配置見圖4.3。各引腳含義如下：A12A0：地址線，可尋址8KB的存儲空間，輸入，與系統(tǒng)地址總線相連。 D7D0：數(shù)據(jù)線，8位，雙向，編程時做數(shù)據(jù)輸入線，讀出時做數(shù)據(jù)輸出線，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。OE：讀出允許信號，輸入，低電平有效，RD與系統(tǒng)讀信號相連。 CE：片選信號，輸入，低電平有效，與地址譯碼器輸出相連

27、。 VPP：編程電壓輸入端，12.5V。PMG：編程脈沖輸入，是寬度為45ms的低電平脈沖信號。VCC：5V電源。GND：信號地。圖4.3 2764管腳配置4.3 人機交換和顯示的設(shè)計 人機交互模塊是由鍵盤構(gòu)成。通過它向單片機發(fā)出命令，由單片機根據(jù)不同的命令提供相應(yīng)的功能12。我們將8031主機通過擴展8155H配置了6位LED顯示器和44按鍵如圖4.4所示圖4.4 鍵盤/顯示接口圖顯示選用功陰極6位LED,由8155H的PA.0PA.5進(jìn)行陰極位選,稱掃描口。由PB.0PB.7控制各位顯示器的字型段選,稱輸出口,采用動態(tài)掃描顯示方式。其中1008電阻用于補償電流,用于增強顯示器亮度。 44鍵

28、盤的列線（4根）與8155H的PA.0PA.3相連接作為信號掃描輸出,行線（4根）與PC.0PC.3相連,作為鍵狀態(tài)掃描輸出入口。4.4系統(tǒng)電路軟件部分設(shè)計軟件流程圖如下4.5所開始打印幅頻特性曲線系統(tǒng)初始化計算各點幅值比鍵入輸入信號的幅值鍵盤檢查實驗完成?輸入采集點數(shù)N啟動A/D轉(zhuǎn)換將采集值送入儲存器調(diào)用程序求極值求平均值振幅顯示結(jié)果并存入內(nèi)存結(jié)束圖 4.5 軟件流程圖5 結(jié) 論本次設(shè)計了一臺小型軸類零件表面粗糙度儀器，主要應(yīng)用了機電方面的知識，包括了機械結(jié)果的設(shè)計和控制電路方面的設(shè)計。此次設(shè)計，作者閱讀了大量粗糙度相關(guān)的論文與書籍，從而設(shè)計出了這臺相對結(jié)構(gòu)比較簡單，操作較容易，精度可靠的儀

29、器，其成本較其他設(shè)備低，性價比較高。本次設(shè)計的核心思想就是機與電的結(jié)合，通過模一數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送人計算機進(jìn)行處理，不需要自己去觀察。本次設(shè)計包含了以下幾個方面的設(shè)計：（1） 機械部分的設(shè)計：傳動方式，滾珠絲杠傳動有精度高，使用壽命長，性價比高的特點。雙頂尖夾持裝置比其他夾持裝置高，保證了粗糙度的測量精度。再電機選擇方面，選用了型號比較小的步進(jìn)電機，帶動軸移動，實現(xiàn)自動測量，型號較小，節(jié)省空間及成本，減小儀器尺寸。 （2）電器部分設(shè)計：此部分設(shè)計主要實現(xiàn)了模一數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在電腦上直觀顯示出來，簡單方便。設(shè)計采用了80c52這種較常用的單片機，還采用了雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器精度高、漂移低、價格低廉，使所設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)更加簡單、使用的元器件更少。 由于這是我第一次做這種比較全面綜合的設(shè)計，這是第一次搞這種比較全面的設(shè)計，由于經(jīng)驗不足以及自已的能力有限，在設(shè)計中難免會有一些漏洞和考慮不周的地方，還請老師予以批評、指正！參 考 文 獻(xiàn)【1】劉 軍 表面粗糙度測量儀原理分析及其改進(jìn) 東方電機2007年第3期 【2】李巖 花國梁等 精密測量技術(shù) 中國計量出版社2001【3】王彬華 中文VB6.0實例教程 電子科技大學(xué)出版社 2004【4】陶靈丹 曾其勇 表面粗糙度儀的測量系統(tǒng)分析 ( 中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院