第２９卷第３期 ２０１１年６月 轻工杌被 ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈ／ｎｅｒｙ Ｖ０】．２９ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１１ ［自控・检测］ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２８９５．２０１１．０３．０１７ 新型便携式三维粗糙度测量仪 潘晓彬 ，唐亚明 ，尤祖盛 ，周晓军 （１．浙江大学机械工程学系，浙江杭州３１００２７；２．宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波３１５２１１） 摘要：在传统二维粗糙度测量仪的基础上，结合三维表面形貌检测的发展趋势，开发设计了一种便携式三维粗糙度测 量仪。它可以实现），轴的精确扫描，准确、迅速定位零件至测量位置，使用调节方便。能够对平面、回转面等实现三雏粗 糙度测量与评价。该仪器体积小、携带方便，实用性强。图６参ｌＯ 关键词：粗糙度；三维测量；便携式；信号采集 中图分类号：ＴＧ８４；ＴＨ７４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５－２８９５（２０１ １）０３－００６９－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ Ｐｏｒｔａｂｌｅ ３Ｄ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＰＡＮ Ｘｉａｏ．ｂｉｎ ，ＴＡＮＧ Ｙａ．ｍｉｎｇ２，ＹＯＵ Ｚｕ．ｓｈｅｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｘｉａｏ－ｊｕｎ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｎｉｎｇｂｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５２１ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｗｏ—Ｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ３一Ｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆｐｏｒｔａｂｌｅ ５ 咖ｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍ，聊 ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅｐｒｅｃｉｓｅ ｓｃａｎ ｗｉｔｈ Ｙ ａｘｉｓ ａｎｄ ｑｕｉｃｋｌｙｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋ－ｐｉｅｃｅ ｔｏ ｍ￣ａｓｕｒｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｄｊｕｓｔｅｍｎｔ． Ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ３－Ｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｅ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｉｔ ｉｓ ｓｍａｌｌ，ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａ１． ［Ｃｈ，６ ｆｉｇ．１０ ｒｅｆ．］ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；３ Ｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ；ｐｏｒｔａｂｌｅ；ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ０ 引言 显微镜、杠杆机构和工作台来实现粗糙度检测，后者是 表面粗糙度是反映零件表面上微观几何形状误差 使用立柱、驱动箱和工作台伺服系统来实现粗糙度检 的一个重要指标，它主要是由于在加工过程中刀具和 测。但上述的仪器结构复杂、价格昂贵、操作不方便。 零件表面之间的摩擦，切削分离时的塑性变形和金属 针对此种现状，设计了一种经济型便携式三维粗糙度 撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成 测量仪，适用于生产现场的粗糙度三维测量与评价。 的 。表面粗糙度的评定方法有很多，如二维参数、 １ 便携式三维粗糙度测量仪的设计 三维参数、Ｍｏｔｉｆ法和分形法等。由于二维参数只是表 １．１测量仪的工作原理 示了轮廓的某一条直线方向上的凹凸不平程度，也就 传统的二维表面粗糙度测量仪如德国玛尔、日本 是说它们只能反映表面形貌的某些几何特征，把它作 三丰、北京时代、宁波联晟等，其基本实现原理如图１ 为表征整个表面的统计特性是很不充分的。因此三维 所示，通过电机驱动丝杠旋转，再由螺母带动传感器沿 参数才能真实地反映整个被测表面的功能特性 Ｊ。 工件表面滑动来获取零件 ，ｚ方向上的表面基本 目前，三维粗糙度的评价仪器主要有华中科技大学研 信息。 制的大量程表面形貌测量仪【４刮和淮阴工学院研制的 对于局部表面粗糙度要求比较高的零件，如滑块、 触针式三维粗糙度测量仪 引，前者的原理是使用干涉 缸套等，需要对某个局域表面粗糙度信息进行评价，这 收稿日期：２０１０－１０－０９：修回日期：２０１１０－１—１４ 基金项目：浙江省教育厅科研计划资助项目（２００６１６７１） 作者简介：潘晓彬（１９７３），男，湖北黄冈人，副教授，浙江大学博士研究生，主要从事机电系统集成和机电测控技术方面的研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｐａｎｘｉａｏｂｉｎ＠ｎｂｕ．ｅｄｕ．ａｎ 轻工机械ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ ２０１１年第３期 出轴上，将电机的转动传给传动部件。导程为０．８ ｍｍ。 ３）Ｌ形滑座与直线导柱。直线导柱有长导柱和 电机 丝杠 螺母 传感器 短导柱２根，连接在丝杆上的Ｌ形滑座２端置于两直 线导柱上，滑座与直线导柱的这种配合方式能够保证 Ｌ形滑座在运动过程中的平稳性。 １ ２ ３ ４ 图１ 传统二维仪器原理图 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ２・Ｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ 时传统的粗糙度测量仪的局限性尤其明显，据此在国 产ＳＲＴ．１（Ｆ）型便携式粗糙度测量仪的基础上，附加】， 轴驱动机构，完成三维表面粗糙度的测量。 设计的三维便携式粗糙度测量仪的工作原理如图 ２所示，将传统的便携式测量仪安装在ｌ，向驱动机构 的滑座上，通过ｌ，向驱动机构的伺服装置带动便携式 测量仪沿ｙ轴方向精密自动进给。 图２便携式三维粗糙度测量仪原理图 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ３一Ｄ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ 对于平面的测量，传感器在完成一次扫描采样后， ｌ，向驱动机构带动上面仪器部分沿ｌ，轴移动单位距 离，（移动距离按精度要求选定，如０．Ｏ１ ｍｍ，０．０２ ｍｍ，０．０５ ｍｍ），传感器进行第２次数据采集，依此类 推，完成 次扫描，每次扫描采样结束自动保存本次采 样的 ，Ｙ， 数值。 对于回转类零件，可以将轴类、套类零件固定于旋 转工作台上，旋转工作台可以绕 轴的某一固定轴线 旋转，通过ｙ轴驱动机构的精确定位，可以实现对旋 转零件内外表面某一区域的数据采样。仪器获得三维 粗糙度信息后，可按一定规则对相关参数进行综合 评定。 １．２ ｙ向驱动机构设计与分析 文中所设计的ｙ向驱动机构如图３所示，其主要 由以下几部分组成： １）直流电机。传感器和整个传动机构的运动是 由ＬＡ５５５０芯片驱动电机带动的，仪器选择的是直流 电机。通过单片机的ＰＷＭ对其实现无级调速。 ２）丝杆。丝杆用旋紧螺母安装在直流电机的输 １一Ｌ形滑座；２一丝杆；３一直线导柱；４一直流电机 图３ Ｙ向驱动结构 Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｄｒｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 传动系统采用丝杆２与直线导柱３共同作用，电 机４带动丝杆转动，使得Ｌ形滑座１在导柱３上滑动， 进而使得Ｌ形滑座１带动信号采集与处理元件和传感 器沿】，方向做直线运动，完成对工件表面三维粗糙度 信息的采集。 １．３表面粗糙度信号采集与处理 测量仪中，表面粗糙度信号的采集是依靠压电传 感器在工件表面滑行，压电陶瓷产生一定的电荷量，该 电荷量的计算公式为 。。 詈ｄ３１ （ ）△Ｓ （１） 其中：ｄ， 一压电元件横向压电系数； Ｅ一杨氏模量； ６一压电元件宽度； 一压电元件厚度； 一压电元件长度； △５一压电元件端部变形量。 当传感器触针有０．０１ ｍ形变时，△Ｑ＝７７．６４× ｌ０ Ｃ。电荷经电荷放大后，放大电路如图４所示，其 输出电压为 △ ：ＡＱ／Ｃ （２） 式中：ｃ一电荷放大器积分容量。 当Ｃ＝１．０×１０一 ～４．７×１０一 Ｆ，ＡＳ＝０．０１ ｔｘｍ 时，△Ｕ：０．１７～０．７８ ｍＶ。 ［自控・检测］ 潘晓彬，等新型便携式三维粗糙度测量仪 ・７１・ 图４压电传感器电荷放大电路图 Ｆｉｇｕｒｅ ４ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｒｃ ｓｅｎｓｏｒ 该输出电压经幅值放大及数字滤波等处理输人至 微处理器，可进行后续分析处理，其处理框图如图５。 图５表面粗糙度信号采集与处理框图 Ｆｉｇｕｒｅ ５ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｓｉｇｎａｌ ２软件程序设计 仪器软件功能部分是主控制部分根据功能键的操 作，接收操作要求并控制仪器各组成部分完成相应测 量、计算等任务。此外，为达到低功耗与节能的目的， 仪器设计了软件计时程序，当３分钟内未对仪器进行 操作时，仪器自动关闭。软件程序采用汇编语言对单 片机ＰＩＣ１６Ｆ７６进行编制，以完成单片机对测量条件的 设置，对测量过程的控制以及对测量结果的计算分析 等工作，其软件流程图如图６所示。 ３结语 在分析传统二维粗糙度测量仪的基础上，结合三维 表面形貌检测的发展趋势，设计了一种便携式三维粗糙 度测量仪，能够对平面、回转面等实现三维粗糙度测量 与评价。该仪器体积小、方便，是三维表面形貌测量仪 领域的一个重要补充，实用性强，具有广阔的应用前景。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］ 李振宗，夏勤．表面形貌的功能及其评定参数的研讨［Ｊ］．上海计 量测试，１９９４（４）：２２． ［２］ 刘斌，冯其波，匡萃方．表面粗糙度测量方法综述［Ｊ］．光学仪器， ２００４．２６（５）：５４－５８。 图６仪器软件流程 Ｆｉｇｕｒｅ ６ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ［３】 冯秀，顾伯勤．表面形貌的研究现状及发展趋势［Ｊ］．润滑与密封， ２Ｏ０６，１７４（２）：１６８－１７４． ［４］ 郧建平，杨旭东，谢铁邦，等．一种接触式大量程表面形貌测量仪 ［Ｊ］．中国机械工程，２００８，１９（８）：９０９－９１３． ［５］ ＣＬＡＲＫ Ｓ Ｒ．ＲＥＩＶＥＮＫＡＭＰ Ｊ Ｅ．Ｔｉｐ—ｓｔｙｌｕｓ ｔｉｌｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ ｓｔｙｌｕｓ ｐｍｆｉｌｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．Ｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，６（５）：４Ｏ５４１１． ［６］ 李伯奎．触针式三维粗糙度测量仪的开发及应用［Ｊ］．润滑与密 封，２００６，１７６（４）：１４０—１４２． ［７ ３ 蒋向前，ＢＬＵＮＴ Ｌ．三维表面测量的发展［Ｊ］．工程设计，２０００ （４）：９８—１０１． ［８］ 李成贵，董申．三维表面微观形貌的表征参数和方法［Ｊ］．宇航计 测技术，１９９９（６）：３４＿４４． ［９］ 叶辉，陶琦．三坐标测量数据预处理系统的设计与开发［Ｊ］．轻工 机械，２０１０，２８（６）：１０１－１０４． ［１Ｏ］ 潘晓彬，郑堤．一体化粗糙度测量传感器的设计［Ｊ］．传感技术学 报，２００６，１９（３）：６７５￣８１．